Спутниковые системы

Полученные с их помощью научные данные расширяют представления об атмосфере и межпланетном пространстве, о медико-биологических условиях космического полёта и приближают решение проблемы межпланетных путешествий.

Схема размещения научной аппаратуры:
            1 - магнитомер;

2 - фотоумножители для регистрации корпускулярного излучения Солнца;

3 - солнечные батареи;

4 - прибор для регистрации фотонов в космических лучах;

5 - магнитный и ионизационные манометры;

6 - ионные ловушки;

7 - электростатические флюксметры;

8 - масс-спектрометрическая трубка;

9 - прибор для регистрации тяжелых ядер в космических лучах;

10 - прибор для измерения интенсивности первичного космического излучения;

11 - датчики для регистрации микрометеоров.

Электронные блоки научной аппартуры, радиоизмерительные системы, программно-временное устройство и электрохимические источники питания расположены внутри корпуса спутника.

Классификация и основные показатели

Предлагается классификация ССС(спутниковых систем связи), ориентированных на предоставление услуг радиотелефонной связи и передачи данных, в основу которой положены следующие признаки.

Тип используемых орбит. По этому признаку все ССС делятся на два класса — системы с космическими аппаратами (КА) на геостационарной орбите (GEO) и на негеостационарной орбите. В свою очередь, негеостационарные орбиты подразделяются на низкоорбитальные (LEO), средневысотные (MEO) и эллиптические (HEO). Кроме того, низкоорбитальные системы связи подразделяются по виду предоставляемых услуг на системы передачи данных на базе little LEO, радиотелефонные системы big LEO и системы широкополосной связи mega LEO (в литературе используется также обозначение Super LEO).

Принадлежность системы к службе. В соответствии с Регламентом радиосвязи различаются три основные службы — фиксированная спутниковая служба (ФСС), подвижная спутниковая служба (ПСС) и радиовещательная спутниковая служба (РСС).

Статус системы. Зависит от назначения системы, степени охвата обслуживаемой территории, размещения и принадлежности наземных станций. В зависимости от статуса ССС можно разделить на международные (глобальные и региональные), национальные и ведомственные (последние в данном обзоре не рассматриваются).

Различные орбиты спутников

Геостационарная

Большинство существующих ССС используют наиболее выгодную для размещения спутников геостационарную орбиту, основными достоинствами которой являются возможность непрерывной круглосуточной связи в глобальной зоне обслуживания и практически полное отсутствие сдвига частоты, обусловленного доплеровским эффектом.

Геостационарные спутники, располагаясь на высоте примерно 36 тыс. км и двигаясь со скоростью вращения Земли, как бы "зависают" над определенной точкой земной поверхности, которая располагается на экваторе (так называемой подспутниковой точкой). В действительности положение геостационарного КА на орбите не является неизменным: он испытывает незначительный "дрейф" под воздействием ряда факторов, вызывающих деградацию орбиты. При этом изменение положения орбиты за год может достигать 0,920. Основными параметрами, определяющими угловой разнос между соседними КА, являются пространственная избирательность бортовых и наземных антенн, а также точность удержания КА на орбите.

Связь через геостационарный КА не имеет перерывов в обслуживании, обусловленных взаимным перемещением спутника и наземной станции, а система из трех спутников обеспечивает охват практически всей территории земной поверхности. Орбитальный ресурс современных геостационарных КА также достаточно высок и составляет около 15 лет.

Однако такие системы имеют ряд недостатков, главный из которых — задержка сигнала. Спутники на геостационарных орбитах оптимальны для систем радио- и телевизионного вещания, где задержки в 250 мс (в каждом направлении) не сказываются на качественных характеристиках сигналов. Системы радиотелефонной связи более чувствительны к задержкам, а поскольку суммарная задержка в системах данного класса составляет около 600 мс (с учетом времени обработки и коммутации в наземных сетях), даже современная техника эхоподавления не всегда позволяет обеспечить связь высокого качества. В случае "двойного скачка" (ретрансляции через наземную станцию-шлюз) задержка становится неприемлемой уже более чем для 20% пользователей.

Архитектура геостационарных систем ограничивает возможность повторного использования выделенных полос частот, а следовательно, их спектральную эффективность. Зона охвата геостационарных КА не включает в себя высокоширотные районы (выше 76,50 с.ш. и ю.ш.), т. е. действительно глобальное обслуживание не гарантируется. Следует также отметить, что геостационарные КА могут обеспечить услуги персональной связи лишь в том случае, если формируемые ими на поверхности Земли зоны обслуживания примерно одинаковы с зонами, образуемыми низкоорбитальными спутниками.

Бурное развитие спутниковой связи, особенно в последнее десятилетие, привело к тому, что на геостационарной орбите стало очень "тесно" и возникли проблемы с размещением новых КА. Дело в том, что в соответствии с существующими международными нормами орбитальный разнос между геостационарными КА должен составлять не менее 10. Это означает, что на орбите можно разместить не более 360 спутников. Что же касается сокращения углового разноса между точками стояния КА на орбите, то на современном уровне развития техники это невозможно из-за взаимных помех.

Средневысотные

Спутники на средневысотных орбитах первыми начали разрабатывать компании, традиционно выпускающие геостационарные КА. Средневысотные cистемы обеспечивают более качественные характеристики обслуживания подвижных абонентов, чем геостационарные, поскольку в поле зрения абонента одновременно находится большое число КА. За счет этого появляется возможность увеличить минимальные углы видимости КА до 25—300.

Так, радиовидимость двух спутников в системе ICO обеспечивается в течение 95% суточного времени, причем хотя бы один из ее КА виден под углом более 300. А это, в свою очередь, позволяет снизить дополнительный энергетический запас радиолинии, необходимый для компенсации потерь на распространение в ближней зоне (при наличии в ней деревьев, зданий и других преград).

Однако при выборе местоположения негеостационарной орбитальной группировки (ОГ) необходимо учитывать природные ограничения — это пространственные пояса заряженных частиц, захваченных магнитным полем Земли, так называемые радиационные пояса Ван-Аллена (рис. 1). Первый устойчивый пояс высокой радиации начинается примерно на высоте 1,5 тыс. км и простирается до нескольких тысяч километров, его "размах" составляет примерно 300 по обе стороны от экватора. Второй пояс столь же высокой интенсивности (10 тыс. имп./с) располагается на высотах от 13 до 19 тыс. км, охватывая около 500 по обе стороны от экватора.

Трасса средневысотных спутников проходит между первым и вторым поясами Ван-Аллена, т. е. на высоте от 5 до 15 тыс. км. Зона обслуживания каждого КА существенно меньше, чем геостационарного, поэтому для глобального охвата с однократным покрытием наиболее населенных районов Земного шара и судоходных акваторий необходимо создать ОГ из 8—12 спутников. Суммарная задержка сигнала при связи через средневысотные спутники составляет не более 130 мс, что позволяет использовать их для радиотелефонной связи.

Таким образом, средневысотные спутники выигрывают у геостационарных по энергетическим показателям, но проигрывают им по продолжительности пребывания КА в зоне радиовидимости наземных станций (1,5—2 ч).

Что же касается орбитального ресурса средневысотных КА, то он лишь незначительно меньше, чем у геостационарных. Период обращения спутника вокруг Земли для средневысотных круговых орбит составляет около 6 ч (при высоте 10 350 км), из которых в тени Земли КА находится лишь несколько минут. Это позволяет значительно упростить технологические решения, используемые в бортовой системе электропитания, и, в конечном счете, довести срок службы КА до 12—15 лет.

Системы со средневысотными КА обеспечивают лучшие, чем GEO-КА, характеристики обслуживания абонентов благодаря следующим особенностям. Они имеют большие углы радиовидимости, в зоне радиовидимости находится большее число спутников, а задержка при проведении сеансов связи составляет максимум 130 мс.

Структура систем на средневысотных орбитах (ICO, Spaceway NGSO, "Ростелесат") различается незначительно. Во всех этих системах орбитальная группировка создается примерно на одной и той же высоте (10 352—10 355 км) со сходными параметрами орбит (см. табл. 1).

Низкие круговые

В зависимости от величины наклонения плоскости орбиты относительно плоскости экватора различают низкие экваториальные (наклонение 00), полярные (наклонение 900) и наклонные орбиты. Системы с низкими наклонными и полярными орбитами существуют уже около 30 лет и применяются в основном для научно-исследовательских целей, дистанционного зондирования, навигации, метеорологических наблюдений, фотографирования поверхности Земли. Для организациимобильной и персональной связи эти системы стали использоваться только в последние 5—7 лет. Сегодня наиболее интенсивно осваиваются низкие наклонные и полярные орбиты высотой 700—1500 км, а также экваториальные высотой 2 тыс. км.

Спутники на низких орбитах обладают значительными преимуществами перед другими КА по энергетическим характеристикам, но проигрывают им в продолжительности сеансов связи и времени активного существования КА. Если период обращения спутника составляет 100 мин, то в среднем 30% времени он находится на теневой стороне Земли. Аккумуляторные бортовые батареи испытывают приблизительно 5 тыс. циклов зарядки/разрядки в год, вследствие чего срок их службы, как правило, не превышает 5—8 лет.

Выбор диапазона высот от 700 до 2 тыс. км для низкоорбитальных систем неслучаен.

С одной стороны, на орбитах высотой менее 700 км плотность атмосферы относительно высока, что вызывает колебания эксцентриситета и деградацию орбиты (постепенное снижение высоты апогея). Кроме того, уменьшение высоты орбиты приводит к увеличению числа штатных маневров для сохранения заданной орбиты, а следовательно, к повышению расхода топлива.

С другой стороны, на орбитах выше 1,5 тыс. км, где располагается первый радиационный пояс Ван-Аллена, длительная работа электронной бортовой аппаратуры практически невозможна, если не использовать специальных методов защиты от радиационного излучения. Применение же этих методов ведет к существенному усложнению бортовой аппаратуры и увеличению массы КА.

Однако чем меньше высота орбиты, тем меньше мгновенная зона обслуживания, а следовательно, для глобального охвата требуется значительно большее количество спутников. Если низкоорбитальная система должна обеспечить глобальную связь с непрерывным обслуживанием, то необходимо, чтобы в орбитальную группировку входило не менее 48 КА. Период обращения спутника на этих орбитах составляет от 90 мин до 2 ч, а максимальное время пребывания КА в зоне радиовидимости не превышает 10—15 мин

Эллиптические

Основными параметрами, характеризующими тип эллиптической орбиты, являются период обращения спутника вокруг Земли и эксцентриситет (показатель эллиптичности орбиты). В настоящее время используются несколько типов эллиптических орбит с большим эксцентриситетом — Borealis, Archi-medes, "Молния", "Тундра" (табл. 2). Все указанные орбиты являются синхронными, т.е. спутник, выведенный на такую орбиту, вращается со скоростью Земли и имеет период обращения, кратный времени суток.

Для спутников на эллиптической орбите характерно то, что их скорость в апогее значительно меньше, чем в перигее. Следовательно, КА будет находиться в зоне видимости определенного региона в течение более длительного времени, чем спутник, орбита которого является круговой.

Так, выведенный на орбиту КА "Молния" (апогей 40 тыс. км, перигей 460 км, наклонение 63,50) обеспечивает сеансы связи продолжительностью 8—10 ч, причем система всего из трех спутников поддерживает глобальную круглосуточную связь. Эллиптические орбиты с более низким апогеем, например Borealis (апогей 7840 км, перигей 520 км) или Archimedes (апогей 26 737 км, перигей 1000 км), предназначены для обеспечения региональной связи.

КА с более низким апогеем выигрывают у спутников на высокоэллиптических орбитах по энергетическим характеристикам, проигрывая им в продолжительности сеансов. Для обеспечения непрерывной круглосуточной связи с использованием синхронно-солнечных орбит Borealis потребуется не менее 8 КА (расположенных в двух орбитальных плоскостях по четыре спутника в каждой плоскости). Они позволят обслуживать абонентов при углах радиовидимости КА не менее 250.

Системы с КА на эллиптических орбитах также не лишены "природных" ограничений. Постоянство местоположения КА на эллиптической орбите обеспечивается только при двух значениях наклонения плоскости орбиты к экватору — 63,40 и 116,60. Это объясняется воздействием неоднородностей гравитационного поля Земли, из-за которого большая ось эллиптической орбиты испытывает вращательный момент, что приводит к колебаниям широты подспутниковой точки в апогее. Другой фактор, влияющий на выбор параметров эллиптических орбит, связан с необходимостью учитывать опасные воздействия радиационных поясов Ван-Аллена, которые неизбежно пересекает КА во время своего движения по орбите.