Особенности искусственных спутников земли на примере спутниковых систем связи

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ 
УНИВЕРСИТЕТ)

Гуманитарный факультет.

Реферат на тему:

«Особенности искусственных  спутников земли на примере
спутниковых систем связи.»

                                                           Выполнила: студентка группы 10-202 Добротина Е.Г.

Москва 2001 г.

План

I . Введение

II .Первый
искусственный спутник Земли

III. Системы
связи ИСЗ

IV. Заключение

I.
ВВЕДЕНИЕ

Стремительное
развитие космонавтики, успехи в изучении и исследовании околоземного и
межпланетного космического пространства в огромной степени расширили наши
представления о Солнце и Луне, о Марсе, Венере и дру­гих планетах. Очень
результативным оказалось изучение верхних слоев атмосферы, ионосферы,
магнитосферы. Вме­сте с тем выявилась весьма высокая эффективность ис­пользования
околоземного космоса и космической техни­ки в интересах многих наук о Земле.

  Использование искусственных
спутников Земли для связи и телевидения, оперативного и долгосрочного про­гнозирования
погоды и гидрометеорологической обстанов­ки, для навигации на морских путях и
авиационных трас­сах, для высокоточной геодезии, изучения природных ре­сурсов
Земли и контроля среды обитания становится все более привычным. В ближайшей и в
более отдаленной перспективе разностороннее использование космоса и космической
техники, в различных областях хозяйства значительно возрастет.

Для нашей эпохи характерен огромный рост
информации во всех сферах деятельности человека. Помимо прогрессирующего
развития традиционных средств передачи информации—телефонии, телеграфии,
радиовещания, возникла потребность в создании новых ее видов — телевидения,
обмена данными в автоматических системах управления и ЭВМ, передачи матриц для
печа­тания газет.

Глобальный характер различных
хозяйственных про­блем и научных исследований, широкая межгосударствен­ная
интеграция и кооперация в производстве, торговле, . научно-исследовательской
деятельности, расширение обме­на в области культуры привели к значительному
росту международных и межконтинентальных связей, включая обмен телевизионными
программами.

Традиционные
средства связи в отношении их ви­дов, объема, дальности, оперативности и
надежности пе­редачи информации будут непрерывно совершенствовать­ся. Однако
дальнейшее развитие их встречает немалые затруднения как технического, так и
экономического ха­рактера. Уже теперь ясно, что требования, предъявляе­мые к
пропускной способности, качеству, надежности ка­налов дальней связи, не могут
быть полностью удовле­творены наземными средствами проводной и радиосвязи.

Сооружение дальних наземных и подводных кабель­ных
линий занимает много времени. Они сложны и доро­гостоящи не только в
строительстве, но и в эксплуата­ции, и в отношении дальнейшего развития.
Обычные ка­бельные линии имеют к тому же сравнительно малую пропускную
способность. Лучшие перспективы имеют ши­рокополосные концентрические кабели,
однако и они об­ладают рядом недостатков, ограничивающих их приме­нение.

Значительно
большей пропускной способностью, даль­ностью действия, возможностью перестройки
для различ­ных видов связи располагает радио. Но и радиолинии обладают
определенными недостатками, затрудняющими во многих случаях их применение.

 Сверхдлинноволновые
системы радиосвязи из-за огра­ниченности диапазона применяются обычно лишь для
нужд транспорта, авианавигации и для специальных ви­дов связи.

Длинноволновые
радиолинии из-за ограниченной про­пускной способности и сравнительно малого
диапазона действия используются главным образом для местной ра­диосвязи и
радиовещания.

Коротковолновые радиолинии
обладают достаточной дальностью действия и широко применяются во многих видах
связи различного назначения.

Новые пути преодоления
свойственных дальней радио­связи недостатков открыли запуски искусственных спут­ников
Земли (ИСЗ).

Практика подтвердила, что
использование ИСЗ для связи, в особенности для дальней международной и меж­континентальной,
для телевидения и телеуправления, при передаче больших объемов информации,
позволяет устра­нить многие затруднения. Вот почему спутниковые си­стемы связи
(ССС) в короткий срок получили небывало быстрое, широкое и разностороннее
применение.

II. Первый искусственный спутник Земли.

Первая попытка поставить вопрос о создании ИСЗ была
сделана в декабре 1953 г. при подготовке проекта постановления Совмина по ракете
Р-7. Предлагалось: "Организовать в НИИ-88 научно-исследовательский отдел с
задачей разработки проблемных заданий совместно с АН в области полета на
высотах порядка 500 и более км, а также разработки вопросов, связанных с
созданием искусственного спутника Земли и изучением межпланетного пространства
с помощью изделия".

          Эта
задача рассматривалась в ОКБ не как разовая, а с расчетом на создание
специального направления в развитии ракетостроения      Такая масштабная
постановка вопроса требовала большой  предварительной  подготовки, вплоть до
оценки стоимости предстоящих работ по созданию ИСЗ.

При планировании работ по ИСЗ определенным ориентиром
служили сведения о работах США в этой области. Вопросы приоритета оставались
главным аргументом в течение всего последующего периода развития космонавтики.
Поэтому в  докладах, прежде всего, дается подробный обзор состоянию работ за
рубежом. При этом высказывается, можно сказать, основополагающая мысль о том,
что "ИСЗ есть неизбежный этап на пути развития ракетной техники, после
которого станут возможными межпланетные сообщения". Обращается внимание на
то, что за последние 2-3 года возросло внимание зарубежной печати к проблеме
создания ИСЗ и межпланетным сообщениям.

          Самое
примечательное в документах на эту тему - это суждения о перспективе работ по
ИСЗ. Разработка простейшего спутника - это только первый этап. Второй этап -
создание спутника, обеспечивающего полет одного - двух человек по орбите.
Третий этап работ- создание спутника-станции для длительного пребывания людей
на орбите. При осуществлении этого проекта предлагалось собирать
спутник-станцию из отдельных частей, доставляемых поочередно на орбиту.  

Подготовительные работы к первым пускам ракеты шли со
значительными трудностями и отставанием от установленных сроков. Вместе с тем,
конструктора выражали уверенность, что при напряженной работе в марте 1957 г.
начнутся пуски ракет. Ракету путем некоторых переделок можно приспособить для
пуска в варианте искусственного спутника Земли, имеющего небольшой полезный груз
в виде приборов весом около 25 кг... и отделяющийся шаровидный контейнер
собственно спутника диаметром около 450 мм и весом 40-50 кг.

И вот
в Советском Союзе была создана ракета, способная развить скорость 8 км/сек.
Она стар­товала 4 октября 1957 г. Взлетев ввысь верти­кально, свечкой, ракета
пронзила стратосферу. Ее вели автоматические устройства, действую­щие по
заданной программе. Ракета поднялась на двести с лишком километров, постепенно
приняла горизонтальное направление и легла на курс. Нужно было это сделать
очень точно:

ошибка на один градус
испортила бы все. Но автоматы действовали безупречно. Ракета на­брала нужную
скорость и отправила в путь блестящий шар из алюминиевых сплавов— первый в мире
искусственный спутник, сде­ланный в нашей стране.

8 км
в секунду, 28800 км в час!

Если
в какую-либо минуту спутник был над Австралией, то через 20 минут — над
Аляской, еще через 12 минут — над Нью-Йор­ком, еще через 10 — над Бразилией. За
полтора часа - кругосветное путешествие, 15 оборотов в сутки, и всякий раз по
новой трассе, потому что плоскость орбиты спутника в пространстве неподвижна, а
Земля вращается вокруг своей оси внутри этой орбиты.

Первый
спутник был невелик: диаметр его — 58 см, вес — 83,6 кГ. У него
были двухметровые усы - антенны. Внутри — два радиопередатчи­ка Проносясь над
всеми странами мира, спутник оповещал, что эра космических странствий уже
наступила, и эту эру открыла страна социа­лизма. За ним отправились в
странствование вокруг Земли второй и третий спутники.

«Бэби-мун»
— «Луной-малюткой» — прозвали американцы нашего межпланетного первенца. Тысячи
глаз и радиоприемников следили за его полетом. И каждый час его жизни
интересовал ученых. Впервые земное тело поднималось на высоту 947 км.
Впервые на таких высотах работал радиопередатчик.

 Сигналы
его показы­вали, как проходят радиоволны через верхние наэлектризованные слои
атмосферы, позволя­ли глубже понять их строение.

Радиопередача
требует энергии. Энергия в космосе есть. Ее можно заимствовать от Солнца. Пусть
оно своими лучами заряжает аккумуля­торы. Но на первом спутнике стояли батареи,
заряженные на Земле. Они иссякли через неко­торое время, однако и замолкший
спутник про­должал служить науке. На больших высотах, где пролегал его путь,
воздуха почти нет... но все же «почти нет», а не «совсем нет». Даже при
незначительной плотности воздух оказывает сопротивление, и скорость спутника
посте­пенно снижается. Благодаря этому можно уста­новить, какова плотность
атмосферы на различных высотах.

Некоторые особенности в движении спутни­ка указывают
на неравномерное притяжение Земли. Это позволяет уточнить форму и строе­ние
нашей планеты, найти скрытые под Землей тяжелые или легкие массы.

Теоретически
тело, летящее над Землей со скоростью 8 км/сек, не упадет никогда. Но
пер­вые спутники не могли летать вечно. Ничтожное сопротивление воздуха со
временем затормози­ло их полет. Они снижались и, влетев в плотные слои воздуха,
сгорали и рассыпались.

Теперь
нужно было решить самый важный вопрос: может ли живое существо перенести
космический полет, или оно неминуемо погиб­нет за пределами атмосферы? Второй
советский искусственный спутник, стартовавший 3 нояб­ря 1957 г., должен был
ответить на этот во­прос. На нем в космос на высоту до 1670 км отправилась
первая путешественница — собака Лайка. Специальные приборы следили за ее
дыханием, пульсом, кровяным давлением. Мы знаем, что Лайка хорошо перенесла
стреми­тельный старт и многосуточное путешествие вокруг Земли. На третьем
советском искусст­венном спутнике Земли была установлена еще белее
разнообразная аппаратура для изучения свойств земной атмосферы, солнечного
излуче­ния и т. п. Он весил 1,3 тонны, и запасы его электрической анергии для
питания приборов пополнялись за счет действия солнечных лучей на установленные
приспособления. Позднее несколько искусственных спутников удалось запустить и в
США.

Третий советский спутник
оказался самым долговечным и самым тяжелым. Советские люди сумели забросить в
пространство солид­ное сооружение, размером с легковую маши­ну.

III. Спутниковые системы связи.

Интересно, что идея
применения искусственных спут­ников Земли для связи была высказана еще до
запуска первого спутника. В 1945 г. известный советский ученый П. В. Шмаков
выдвигал идею использования ИСЗ для организации всемирного телевизионного
вещания.

Каковы же принципы применения
ИСЗ для целей свя­зи и почему спутниковые системы позволяют преодолеть многие
трудности, возникающие при организации связи старыми, традиционными методами?

  Известно, что шар отражает
электромагнитные волны равномерно во всех направлениях, а его эффективная от­ражающая
поверхность пропорциональна квадрату диа­метра. Повышение отражательных свойств
такого шара может быть достигнуто за счет увеличения его диаметра.  Надув шара
осуществлялся после вывода ИСЗ на орби­ту способом сублимации. Оболочка имела
защитную плен­ку и специальное металлизированное покрытие. Шар был составлен из
отдельных меридиональных сегментов. Металлические шаровые сегменты,
накладываемые на сферу, обеспечивали электрический контакт между всеми ме­ридиональными
сегментами.

   Несмотря на очевидную простоту, дешевизну и опре­деленные
технические достоинства такой системы спутниковой связи, очень скоро выявились
и серьезные ее недо­статки. Для поддержания устойчивой связи потребовалась
большая мощность передающих и высокая чувствитель­ность приемных наземных
устройств. Но и при выполне­нии этих условий радиолинии работали недостаточно
ус­тойчиво, были подвержены влиянию помех. Срок жизни таких спутников
вследствие изменения их формы, сжа­тия оболочки и ухудшения отражательных
свойств, а также из-за быстрой потери высоты оказался небольшим.

 Спутник, однако, постоянно перемещается в
пространстве и не может всегда находиться в зоне совместной видимости пунктов,
нуждающихся в связи. Как же рабо­тает ССС, если требуется длительная,
многочасовая или даже круглосуточная, связь между заданными пунктами  ?

Одно из возможных решений этой задачи — запуск на
соответствующие орбиты такого количества спутников, чтобы, как только один из них выйдет из зоны совмест­ной
радиовидимости пунктов, нуждающихся в связи, дру­гой ИСЗ тотчас же входил бы в
эту зону.  Однако даже при достаточно большом количестве спутников, если их
положение на ор­битах случайно, не исключено такое положение, когда в зоне
совместной видимости двух пунктов, нуждающихся в связи, не окажется ни одного
ИСЗ.

От
чего же зависит количество ИСЗ, необходимых для обеспечения непрерывной связи?
Очевидно, что, чем боль­ше высота их орбит, тем длительнее совместная види­мость
ИСЗ наземными пунктами.

Наклонение
— важнейшее условие охвата системой спутниковой связи определенного района
Земли, заданной зоны обслуживания. В связи с первостепенной, можно сказать
определяющей, ролью орбит ИСЗ в системах спут­никовой связи необходимо, хотя бы
очень кратко, оста­новиться на некоторых основных их типах и поня­тиях.

 Круговая орбита — это орбита, у которой
расстояние от спутника до центра Земли приблизительно постоянно. Эллиптическая
орбита — когда спутник движется вокруг Земли по кривой, близкой к эллипсу.
Максимальное уда­ление ее от Земли (апогей) и минимальное (перигей) могут
существенно отличаться друг от друга. Форма эл­липса определяется величиной его
эксцентриситета (отно­шением разности расстояний от центра Земли до апогея и
перигея к большой оси эллипса). Орбиты с большим экс­центриситетом имеют
высокий апогей и называются высо­коэллиптическими.

Выбор формы орбиты (круговая,
эллиптическая, высо­коэллиптическая), наклонения (полярная, наклонная с
заданным углом наклона, экваториальная), величины пе­риода и характера
обращения орбиты вокруг Земли (син­хронная, геостационарная) является
определяющим при проектировании той или иной системы спутниковой свя­зи и в
свою очередь обусловливается задачами проектируемой системы.

 Начиная с первых
запусков спутники связи почти всегда образуют систему. Одиночные ИСЗ связи
широко­го использования применяются редко.

 В спутниковых системах связи используются
низкоорбитальные аппараты, высокоэллиптические ИСЗ и гео­стационары.

Системы связи с использованием
низкоорбитальных ИСЗ

Первыми для целей связи
были применены низкоорби­тальные ИСЗ.

 Это объясняется, в
частности, и тем, что вывод ИСЗ на низкие орбиты более прост и выполняет­ся с
наименьшими энергетическими затратами. Первые запуски низкоорбитальных
спутников связи  показали возможность и целесообразность приме­нения ИСЗ для
связи, подтвердили правильность техни­ческих принципов активной ретрансляции.
Вместе с тем из первого опыта эксплуатации спутников на низких орбитах стало
ясно, что они не могут обеспечить достаточно эффективного ре­шения задач
спутниковой связи.

Для расширения районов и увеличения
времени дейст­вия ССС предусматривалось пойти по пути увеличения числа ИСЗ в
системе. Вскоре, однако, стало ясно, что многоспутниковая система связи на
низкоорбитальных ИСЗ как система общего пользования обладает многими
эксплуатационными неудобствами и нерентабельна.

В низкоорбитальных системах связи спутники
могут размещаться в пространстве друг относительно друга случайно пли упорядоченно. При случай­ном расположении
понадобится большее число ИСЗ, одна­ко упорядоченное местоположение их в
пространстве по­требует немалых усилий для создания и сохранения заданного
относительного расположения. При этом необ­ходимы постоянный контроль
местоположения спутников и корректировка орбит вследствие эволюции их в процес­се
полета.

 К
достоинствам ССС на низких орбитах относятся,  как уже отмечалось,
сравнительная дешевизна вывода их  на орбиту и более простая бортовая
аппаратура. К не­достаткам — трудность поддержания непрерывной круг­лосуточной
связи, усложнения наземной аппаратуры за счет применения следящих
антенных устройств, меньший срок существования КА.

 Низкоорбитальные
ССС могут оказаться эффективными в тех случаях, когда не требуется двусторонняя
непрерывно действующая связь (например, если нужна лишь периодическая передача
данных).

Системы
связи с ИСЗ на высокоэллиптических орбитах

Чтобы избежать недостатков, свойственных спутниковой системе связи на
низких орбитах, надо повышать высо­ту орбит. Возможны два варианта таких орбит
— высо­кие круговые и высокоэллиптические. Выведение ИСЗ на высокоэллиптические
орбиты в некоторых случаях имеет известные преимущества.

За
счет высоты орбиты длительность связи увеличится. Причем она до­полнительно
возрастет еще вследствие того, что отноше­ние времени видимости нахо­дящегося
близко к апогею спутника в заданной зоне к периоду его обращения   у спутников
с эллиптической орбитой оказывается сущест­венно больше.

Согласно
законам небес­ной механики (второму зако­ну Кеплера) при движении спутника по
эллиптической орбите его угловая скорость тем меньше, чем дальше он находится
от центра Земли. Иными словами, спутник в районе апогея движется су­щественно
медленнее, чем в районе перигея.  При определении расчетных параметров орбит
спутни­ков связи, естественно, учитываются также энергетиче­ские характеристики
ракеты-носителя, возможности космо­дрома и командно-измерительного комплекса и
другие факторы, обусловливающие вывод спутника на орбиту и управление им в
полете.

 К
спутникам с эллиптической орбитой относятся, на­пример, американские спутники
связи «Тельстар» (пери­гей—около 1 тыс. км, апогей—около 11 тыс. км).

Хорошим
примером спутников с высокоэллиптической орбитой служат советские спутники
связи типа «Мол­ния». Для спутников этого класса выбрана орбита с апо­геем над
северным полушарием около 40 тыс. км и пери­геем около 500 км, при наклонении
65° и периоде обра­щения, равном 12 ч  При периоде обращения спутника класса
«Молния», равном 12 ч, обеспечивается одновременно радиовиди­мость между
Москвой и Дальним Востоком в течение 8— 9 ч на одном витке.

 Орбитальная
структура систем спутниковой связи (ко­личество ИСЗ, их орбиты и
взаимоположение в простран­стве) обусловливается требованиями надежности, непрерывности,
дальности действия связи, минимально до­пустимым углом места, при котором
работоспособны наземные станции, и другими факторами.

Системы с геостационарными ИСЗ

Все
большее распространение получают системы спутни­ковой связи с геостационарными ИСЗ,
называемыми часто СИСЗ (стационарные ИСЗ). Они применяются для
телефонно-телеграфной связи, радио- и телевещания. Созда­ются геостационарные
космические аппараты комплекс­ного типа для метеорологических целей, изучения
при­родных ресурсов Земли, контроля среды обитания, выпол­нения других задач.

Важнейшим
достоинством геостационарных ИСЗ явля­ется образование огромной постоянной зоны
видимости для многочисленных пунктов на Земле, охват обширных территорий,
возможность организации связи на большую дальность и со значительным числом
корреспондентов.

 Существенное
преимущество ССС со спутниками на геостационарных орбитах состоит в том, что
при их ис­пользовании снижаются требования к наземным систе­мам слежения и
связи, при этом упрощаются или устра­няются и устройства наведения бортовых
антенн. по­мощью трех таких спутников, расположенных друг относительно друга
под углами 120°, можно создать гло­бальную систему связи, т. е. систему,
практически охваты­вающую всю Землю.

  
Геостационарные спутники связи, которые образно  можно себе представить как
телебашни, поднятые на вы­соту 36 тыс. км, в принципе позволяют вести и прямые
передачи без помощи местных телецентров, непосредственно на абонентские
антенны. В настоящее время уро­вень мощности излучаемых телесигналов с
геостационара еще недостаточен для приема на обычную, типовую або­нентскую
антенну, поэтому приходится применять не­большие специальные антенны группового
пользования. Что касается радиовещания, то прием его может осуще­ствляться на
совсем небольшие наружные антенны.

Говоря
о несомненных достоинствах СИСЗ, нельзя упускать из виду того, что вывод
аппарата на стационар­ную орбиту осуществляется сложнее, чем на низкую или даже
на высокоэллиптическую. Доставка 1 кг полезного груза на геостационарную орбиту
обходится значительно дороже. Для удержания СИСЗ в заданной точке «стояния» на
нуж­ной долготе требуется регулярная корректировка орбиты с помощью
микродвигателей, а на борту спутника необ­ходимы для этих целей запасы топлива.
Усложняется уп­равление в полете. Развитие космонавтики позволяет, од­нако,
рассчитывать на быстрое и успешное преодоление всех затруднений, возникающих
при создании и эксплуа­тации спутниковых систем связи на геостационарах.

Успешно
действуют советские геостационарные спутники связи и телевизион­ного вещания
типа «Радуга», «Экран», «Горизонт».   

В
эксплуатации находятся зарубеж­ные спутники связи типа «Интелсат», «Домсат»
(США), «Телесат» (Канада) и другие.

Несмотря
на свои достоинства, геостационары, одна- ко не во всех случаях выгодны в
технико-экономическом отношении. При определенных условиях более ра­ционально
использование ИСЗ на высокоэллиптических орбитах, например типа «Молния».

VI. Заключение

Пропускная
способность, разветвленность систем, надежность и экономичность ССС постоян­но
растут. Многопрограммным телевидением постепенно охватываются все новые районы,
включая и самые отда­ленные уголки России. Возрасло значение ССС в управлении
различными отраслями народного хозяйст­ва, в системах массового обучения, оповещения
о различного рода стихийных явлениях, оказания медицинской помощи. Массовое
распространение получили мобильные сред­ства спутниковой связи, позволяющие
быстро и практиче­ски в любых районах страны организовать связь с по­мощью ИСЗ.

Значительно
расширилось международное сотрудниче­ство в области применения спутниковых
систем связи, еще более развились системы «Интерспутник», «Стацио­нар»,
возрасло их взаимодействие с системами «Интел-сат», «Инмарсат» и другими ССС
различных стран мира.

У
миллионов людей есть  возможность прямого исполь­зования ССС для индивидуальной
связи с любым абонентом мира с помощью маломощных и весьма малогабаритных
приемно-передающих устройств (мобильных телефонов). Реально применение ССС для
«электронной почты» (интернет). Возможно также использования ИСЗ для
индивидуального определения своего местонахождения в любой точке земного шара.
При этом предполагается, что в распоряжении пользователей будут малогабаритные
и дешевые индивидуальные навигационные устройства типа небольшого транзистора.

С
каждым годом спутниковые системы связи будут становиться все более существенной
частью Единой си­стемы связи, важным элементом глобальной систе­мы связи. Они и
теперь играют заметную роль в улуч­шении связей и взаимопонимания между
странами, а в течением времени эта роль будет возрастать.

Список используемой  литературы:

1. Академия наук СССР «Космос-Земле» Изд. «Наука»,
Москва 1981г.

2. Детская энциклопедия, том 2. Изд.
«Академия педагогических наук РСФСР», Москва 1962г.

3. Талызин Н.В. «Спутники связи - Земля и Вселенная»,
1977