Введение и краткая история спутников и спутников связи

Введение и краткая история спутников

Спутник — это любой объект, который вращается вокруг другого объекта (называемого его оригиналом). Все массы в Солнечной системе, включая Землю, являются спутниками Солнца или спутниками этих объектов, таких как Луна. Решение о том, кто является «спутником» в паре тел, не всегда является простым делом. Поскольку все объекты обладают гравитацией, на спутник также влияет движение основного объекта. Если два объекта имеют недостаточно сходную массу, их обычно называют бинарной системой, а не исходным объектом и спутником. Общий критерий того, что объект является спутником, состоит в том, что центр масс двух объектов находится в исходном объекте. В популярном использовании термин «спутник» обычно относится к искусственному спутнику (искусственному объекту, который вращается вокруг Земли или другого тела).

В мае 1946 года предварительный проект экспериментального космического корабля, облетевшего весь мир, гласил: «Можно ожидать, что спутник с соответствующим оборудованием станет одним из самых мощных научных инструментов 20-го века. Достижение корабля-спутника имело бы последствия, сравнимые со взрывом атомной бомбы … »

Космическая эра началась в 1946 году, когда ученые начали использовать захваченные немецкие ракеты V-2 для проведения измерений в верхних слоях атмосферы. До этого времени ученые использовали воздушные шары длиной до 30 км и радиоволны для изучения ионосферы. В 1946–1952 годах исследования верхних слоев атмосферы проводились с использованием ракет V-2 и Aerobee. Это позволило проводить измерения атмосферного давления, плотности и температуры до 200 км. Соединенные Штаты рассматривают возможность запуска орбитальных спутников с 1945 года в составе военно-морского бюро США. Проект ВВС RAND наконец опубликовал вышеупомянутый отчет, но не верил, что спутник является потенциальным военным оружием; они скорее видели это как инструмент для науки, политики и пропаганды. Под давлением Американского ракетного общества, Национального научного фонда и Международного геофизического года военный интерес возрос, и в начале 1955 года ВВС и ВМФ работали над проектом «Орбитер», который включал использование ракеты «Юпитер С» для запуска небольшого спутника под названием «Эксплорер 1» 31 января. 1958

29 июля 1955 года Белый дом объявил, что к весне 1958 года США собираются запустить спутники. Это стало известно как Project Vanguard. 31 июля Советы объявили, что планируют запустить спутник осенью 1957 года, а 4 октября 1957 года спутник I был запущен на орбиту, что вызвало космическую гонку между двумя странами.

Крупнейшим искусственным спутником, в настоящее время вращающимся вокруг Земли, является Международная космическая станция, которую иногда можно увидеть невооруженным глазом.

Типы спутников

· Астрономические спутники: это спутники, используемые для наблюдения за далекими планетами, галактиками и другими космическими объектами.

· Спутники связи: это искусственные спутники, размещенные в космосе для телекоммуникационных целей с использованием микроволновых частот. Большинство спутников связи используют геосинхронные орбиты или почти геостационарные орбиты, хотя некоторые современные системы используют спутники на низкой орбите вокруг Земли.

· Спутники наблюдения Земли — это спутники, специально предназначенные для наблюдения Земли с орбиты, аналогичные разведывательным спутникам, но предназначенные для невоенных применений, таких как мониторинг окружающей среды, метеорология, картографирование и т. Д. (См. Особенно систему наблюдения Земли).

· Навигационные спутники — это спутники, которые передают радиосигналы, чтобы мобильные получатели на Земле могли определить их точное местоположение. Относительно четкая линия обзора между спутниками и приемниками на земле в сочетании с постоянно совершенствующейся электроникой позволяет спутниковым навигационным системам измерять местоположение с точностью до нескольких метров в режиме реального времени.

· Разведывательные спутники — это спутники наблюдения Земли или спутники связи, используемые в военных или разведывательных целях. Мало что известно о полной мощности этих спутников, потому что правительства, которые их поддерживают, обычно хранят секретную информацию о своих разведывательных спутниках.

· Спутники, работающие на солнечной энергии, представляют собой высокоорбитальные спутники Земли, которые используют микроволновую передачу энергии для передачи солнечной энергии на очень большую антенну на Земле, где ее можно использовать вместо традиционных источников энергии.

· Космические станции — это искусственные сооружения, предназначенные для людей, живущих в космосе. Космическая станция отличается от других пилотируемых космических кораблей тем, что она не имеет больших движителей или посадочных устройств — вместо этого другие транспортные средства используются в качестве транспорта к станции и от нее. Космические станции рассчитаны на среднесрочную орбиту за недели, месяцы и даже годы.

· Спутники погоды — это спутники, используемые в основном для мониторинга погоды и / или климата на Земле.

· Миниатюрные спутники имеют очень малый вес и малые размеры. Для классификации этих спутников были использованы новые классификации: мини-спутник (500-200 кг), микроспутник (ниже 200 кг), наноспутник (ниже 10 кг).

Типы орбит

Много раз спутники имеют орбиты. Хотя спутник может вращаться практически на любой высоте, спутники обычно классифицируются по высоте:

Низкая околоземная орбита (LEO: 200 — 1200 км над поверхностью Земли)

· Средиземная орбита (ICO или MEO: 1200–35286 км)

· Геосинхронная орбита (GEO: 35786 км над поверхностью Земли) и геостационарная орбита (геосинхронная орбита с нулевым шагом). Эти орбиты представляют особый интерес для спутников связи и будут подробно обсуждаться позже.

Высокая околоземная орбита (HEO: выше 35786 км)

Следующие орбиты являются специальными орбитами, которые также используются для классификации спутников:

· Молния орбит: класс высокоэллиптической орбиты. Спутник, размещенный на этой орбите, проводит большую часть своего времени над обозначенной областью Земли, явление, известное как апогейная плоскость. Орбиты Молния названы в честь ряда советских / российских спутников связи "Молния", которые используют этот класс орбит с середины 1960-х годов.

· Гелиосинхронная орбита, синхронная с Солнцем: гелиосинхронная орбита или, чаще, синхронная орбита относительно Солнца, — это орбита, на которой объект всегда проходит над любой точкой поверхности Земли в одно и то же местное солнечное время. Это полезная функция для спутников, которые визуализируют поверхность Земли в видимом или инфракрасном диапазоне (например, спутники погоды, шпиона и дистанционного зондирования).

· Полярная орбита: во время каждого оборота спутник на полярной орбите перемещается над или почти над обоими полюсами планеты (или другого небесного тела).

· Передающая орбита Хомана: для этого конкретного типа орбиты спутник чаще всего называют космическим кораблем. В космонавтике и космической технике передаточная орбита Хомана — это орбитальный маневр, который перемещает космический корабль с одной орбиты на другую.

· Суперсинхронная орбита или дрейфующая орбита: орбита над ГЕО. Спутники дрейфуют на запад.

· Подсинхронная орбита или дрейфующая орбита: орбиты близки, но ниже GEO. Используется для спутников, которые меняют станции на восток.

Спутники связи

Спутник связи (иногда сокращенно) — это искусственный спутник, размещенный в космосе для телекоммуникационных целей. Современные спутники связи используют геосинхронные орбиты, орбиты Молния или околоземные орбиты.

Для услуг фиксированной связи спутники связи предоставляют дополнительную технологию для волоконно-оптических подводных кабелей связи. Для мобильных приложений, таких как связь с судами и самолетами, спутниковая связь является лишь жизнеспособным средством связи, поскольку использование других технологий, таких как кабельное телевидение, нецелесообразно или невозможно.

Ранние миссии: происхождение спутниковой связи можно проследить в статье Артура Кларка в 1945 году, в которой он предположил, что спутниковая радиорелейная передача на экваториальной орбите с периодом в 24 часа будет оставаться неподвижной относительно поверхности Земли и может использоваться для радиосвязи на больших расстояниях, потому что он пройдет через ограничения, наложенные искривлением земли. Спутник 1, первый в мире искусственный (не связывающийся) спутник, был запущен 4 октября 1957 года. Первым спутником для ретрансляции был проект SCORE в 1958 году, который использовал магнитофон для хранения и передачи голосовых сообщений. Он использовался для отправки приветствия президенту Эйзенхауэру. НАСА запустило спутник «Эхо» в 1960 году. Этот 100-метровый алюминиевый воздушный шар из майлара служил пассивным отражателем для радиосвязи. Курьер 1B (построенный Philco), также запущенный в 1960 году, был первым в мире активным спутниковым ретранслятором. Ниже приводятся подробности вех в истории спутниковой связи:

Герман Поточник — описывает космическую станцию ​​на геосинхронной орбите — 1928

Артур Кларк — предлагает станцию ​​на геосинхронной орбите для передачи сообщений и телевизионного вещания — 1945

· SCORE проект — первый спутник связи — 1958

Эхо I — первый пассивный спутник с отражателем — август 1960 г.

· Kurier 1B — первый активный спутниковый усилитель — октябрь 1960 г.

· Telstar — первый активный спутник с прямой ретрансляцией, предназначенный для телевизионной передачи и быстрой передачи данных. Телстар был выведен на эллиптическую орбиту (выполняется каждые 2 часа 37 минут), вращаясь под углом 45 ° над экватором. Июль 1962

· Syncom — первый спутник связи на геосинхронной орбите. Syncom 2 вращался вокруг Земли один раз в день с постоянной скоростью, но, поскольку он все еще двигался с севера на юг, было необходимо специальное оборудование для слежения. 1963

ОСКАР-III — первый любительский спутник радиосвязи — март 1965 г.

· Молния — первый советский спутник связи, высокоэллиптическая орбита — октябрь 1965 г.

Early Bird — первый спутник INTELSAT для коммерческих услуг — апрель 1965 г.

· Орбита — первая национальная телевизионная сеть на основе спутникового телевидения — ноябрь 1967 г.

Аник 1 — первая национальная система спутникового телевидения, Канада, — 1973

Westar 1, первый геосинхронный спутник связи в США — апрель 1974 г.

· Экран — первый серийный спутник Direct-To-Home TV 1976 года

Palapa A1 — первый индонезийский спутник связи — 8 июля 1976 г.

· TDRSS — первый спутник, предназначенный для предоставления услуг связи для других космических аппаратов. — 1983

· Mars Global Surveyor — первый спутник связи на орбите вокруг другой планеты (Марс) — 1997

· Космический корабль Кассини передает изображения Земли с космического корабля Гюйгенс, когда он приземляется на Луну Сатурна, Титан, самое длинное из когда-либо существовавших реле. — 14 января 2005 г.

В зависимости от потребностей спутники связи могут быть размещены на разных типах орбит. Мы обсуждаем несколько популярных типов:

(а) Геостационарные орбиты Спутники: спутник на геостационарной орбите, по-видимому, находится в фиксированном положении относительно наблюдателя Земли. Геостационарный спутник вращается вокруг Земли с постоянной скоростью один раз в день над экватором. Геостационарная орбита полезна в приложениях связи, поскольку наземные антенны, которые должны быть направлены на спутник, могут эффективно работать без необходимости использования дорогостоящего спутникового оборудования слежения. Особенно для применений, требующих большого количества наземных антенн (таких как прямое телевизионное распространение), экономия на наземном оборудовании может более чем оправдать дополнительные затраты и сложность на борту при поднятии спутника на относительно высокую геостационарную орбиту.

Концепция геостационарного спутника связи была впервые предложена Артуром Кларком на основе работы Константина Циолковского и его работы Германа Поточника от 1929 года («Письмо как Герман Нордунг»). , В октябре 1945 года Кларк опубликовал статью под названием «Внеземные реле» в британском журнале Wireless World. В статье изложены основы размещения искусственных спутников на геостационарных орбитах для передачи радиосигналов. Именно поэтому Артур Кларк часто упоминается как изобретатель спутника связи.

Первым геостационарным спутником связи был Anik 1, канадский спутник, запущенный в 1972 году. Затем Соединенные Штаты запустили свои собственные геостационарные спутники связи, а Western Union запустил Westar 1 в 1974 году. I RCA Americom (позже GE Americom, теперь SES Americom) запускает Satcom 1 в 1975 году

Именно Satcom 1 сыграл ключевую роль в поддержке ранних каналов кабельного телевидения, таких как WTBS (теперь TBS Superstation), HBO, CBN (теперь семейство ABC) и The Weather Channel, благодаря чему эти каналы распространяли свои программы на все местные кабельные станции Headend. через спутник. Кроме того, это был первый спутник, использовавшийся сетями телевизионного вещания в Соединенных Штатах, такими как ABC, NBC и CBS, для распространения своих программ на всех местных филиалах. Причина, по которой Satcom 1 был так широко использован, заключается в том, что он имел в два раза большую пропускную способность, чем Westar 1 (24 транспондера, а не Westar 1 12), что привело к снижению затрат на ретранслятор.

К 2000 году компания Hughes Space and Communications (в настоящее время Boeing Satellite Systems) создала почти 40 процентов спутников по всему миру. Другими крупными производителями спутников являются Space Systems / Loral, Lockheed Martin (владелец бывшего RCA Astro Electronics / GE Astro Space), Northrop Grumman, Alcatel Space и EADS Astrium.

(b) Спутники, вращающиеся вокруг низкой Земли: Низкая околоземная орбита обычно представляет собой круговую орбиту на высоте около 150 километров над поверхностью Земли и, соответственно, период (время обращения вокруг Земли) около 90 минут. Из-за малой высоты эти спутники видны только в радиусе около 1000 километров от подспутниковой точки. Кроме того, спутники на низкой околоземной орбите быстро меняют свое положение относительно наземного положения. Следовательно, даже для локальных приложений требуется большое количество спутников, если для миссии требуется бесперебойное соединение.

Спутники, вращающиеся вокруг низменных земель, дешевле размещать в космосе, чем геостационарные спутники, и требуют меньшего уровня сигнала из-за их близости к земле. Таким образом, существует компромисс между количеством спутников и их стоимостью. Кроме того, существуют значительные различия в бортовом и наземном оборудовании, необходимом для поддержки двух типов миссий.

Группа спутников, работающих вместе, называется спутниковой группировкой. Иридиум и Глобалстар были двумя такими созвездиями, предназначенными для ручной телефонии, в основном в отдаленных районах. Система Iridium имеет 66 спутников. Еще одно созвездие спутника LEO при поддержке Пола Аллена, предпринимателя Microsoft, должно было иметь до 720 спутников. Также возможно предложить прерывистое покрытие с использованием низкоорбитального спутника, который может хранить данные, полученные при полете над одной частью Земли, и передавать их позже при полете над другой частью. Это будет иметь место с системой CASCADE канадского спутника связи CASSIOPE.

(c) Спутники Молния: Как уже упоминалось, геостационарные спутники должны работать над экватором. Следовательно, они не всегда подходят для предоставления услуг в высоких широтах: в высоких широтах геостационарный спутник может показаться низко на горизонте (или даже ниже), влияя на возможности соединения и вызывая многолучевое распространение (помехи, вызванные сигналами, отражающимися от земли в наземная антенна). Первый спутник серии «Молния» был запущен 23 апреля 1965 года. Он использовался для экспериментальной передачи телевизионного сигнала от зарядной станции в Москве к приемным станциям, расположенным на Дальнем Востоке России, в Хабаровске, Магадане и Владивостоке. В ноябре 1967 года советские инженеры создали уникальную систему национальной спутниковой телевизионной сети "Орбита" на основе спутников "Молния".

В таких случаях орбиты Молния могут быть привлекательной альтернативой. Орбита Молния очень наклонена, что гарантирует хороший подъем над выбранными позициями в северной части орбиты. (Высота — это диапазон положения спутника над горизонтом. Таким образом, спутник на горизонте имеет нулевую высоту, а спутник непосредственно над головой — 90 градусов). Более того, орбита Молния спроектирована таким образом, что спутник проводит большую часть своего времени в дальних северных широтах, в течение которых наземная трасса движется незначительно. Его период составляет полдня, поэтому спутник доступен для работы в целевом регионе по восемь часов каждую секунду оборота. Таким образом, созвездие трех спутников "Молния" (плюс части на орбите) может обеспечить непрерывное покрытие.

Спутники Молния обычно используются в телефонии и на телевидении в России. Другое применение состоит в том, чтобы использовать их для систем мобильной радиосвязи (даже в более низких широтах), поскольку автомобилям, проезжающим через городские районы, необходим доступ к спутникам на больших высотах для обеспечения хорошей связи, например, в присутствии высоких зданий.

Приложения спутников

(а) Телефония. Одним из основных видов использования спутника связи является предоставление услуг телефонии на большие расстояния. Связь в основном осуществляется через множественный доступ с частотным разделением (FDMA) или множественный доступ с временным разделением (TDMA). Телефонные абоненты могут быть подключены через сеть станций, которые, в свою очередь, подключены к спутниковым земным станциям, которые отправляют трафик на спутник для дальнейшей обработки.

b) телевидение и радио. На телевидении и радио используются спутники двух типов:

(i) Прямой вещательный спутник (DBS). Прямой спутник — это спутник связи, который вещает на небольших спутниковых антеннах DBS (обычно диаметром от 18 до 24 дюймов). Прямые спутниковые трансляции обычно работают в верхней полосе Ku. Технология DBS используется в службах спутникового телевидения DTH (Direct-To-Home), таких как DirecTV и Dish Network в США, ExpressVu в Канаде и Sky Digital в Великобритании.

(ii) Спутник фиксированной службы (FSS): используйте C-диапазон и более низкие Ku-диапазоны. Они обычно используются для трансляции телевизионных программ на и из телевизионных сетей и местных филиалов (таких как программные каналы для сетей и синдицированных программ, прямые трансляции и прямая связь), а также используются для дистанционного обучения в школах и университетах, на деловом телевидении. (BTV), видеоконференции и общие коммерческие телекоммуникации. Спутники ФСС также используются для распределения внутренних кабельных каналов на головные станции кабельного телевидения. Спутники FSS отличаются от спутников DBS тем, что они имеют меньшую выходную радиочастотную мощность, чем последние, что требует гораздо большей приемной антенны (от 3 до 8 футов в диаметре для полосы Ku и 12 футов вверх для полосы C). Спутниковая технология FSS первоначально использовалась в спутниковом телевидении DTH с конца 1970-х до начала 1990-х годов в США в форме приемников TVRO (только для приема TeleVision) и антенн (также называемых большими антеннами или, более того, уничижительно называемыми большими уродливыми антеннами, системами). , Он также использовался в форме Ku-диапазона для ныне не существующей службы спутникового телевидения Primestar.

c) технологии мобильного спутникового телевидения. Первоначально доступные для передачи на стационарные телевизоры, к 2004 году популярные мобильные программы прямого телевидения появились после прибытия в Соединенные Штаты двух систем спутникового радио: Sirius и XM Satellite Radio Holdings. Некоторые производители также ввели специальные антенны для приема телевизионного сигнала с мобильного DBS. Используя в качестве эталона технологию GPS, эти антенны автоматически нацеливаются на спутник независимо от того, где и как расположен автомобиль (на котором установлена ​​антенна). Эти мобильные спутниковые тарелки пользуются популярностью у некоторых владельцев транспортных средств для отдыха. Такие мобильные антенны DBS также используются JetBlue Airways для DirecTV (поставляется LiveTV, дочерней компанией JetBlue), которую пассажиры могут смотреть на борту на ЖК-экранах, установленных на сиденьях.

d) любительское радио: операторы-любители имеют доступ к спутникам ОСКАР, которые были специально предназначены для передачи любительского радиообмена. Большинство таких спутников действуют как космические ретрансляторы и, как правило, доступны любителям, оснащенным радиооборудованием УВЧ или ОВЧ и направленными антеннами, такими как Yagis или антенные антенны. Из-за ограничений любительского наземного оборудования большинство любительских спутников запускаются на довольно низкие орбиты и рассчитаны на одновременное ограничение ограниченного числа коротких контактов. Некоторые спутники также предоставляют услуги передачи данных, используя протокол X.25 или аналогичные протоколы.

Услуги спутниковой широкополосной связи. В последние годы технология спутниковой связи использовалась в качестве средства для подключения к Интернету через широкополосные соединения для передачи данных. Это очень полезно для пользователей, которые проверяют, кто находится в очень удаленных районах и не может получить доступ к широкополосной широкополосной или телефонной связи.

Страны с возможностью запуска спутника

В этот список входят повяты с независимой возможностью выведения спутников на орбиту, включая производство необходимого стартового аппарата. Многие другие страны создали спутники, которые были запущены с помощью других. Возможности Франции и Великобритании в настоящее время рассматриваются Европейским союзом в рамках Европейского космического агентства.

Первый старт по стране

Страна Год первого запуска Первый спутник

Россия 1957 "Спутник 1"

США 1958 "Исследователь 1"

Франция 1965 "Астерикс"

Япония 1970 "Осуми"

Китай 1970 "Донг Фан Хонг I"

Великобритания 1971 "Просперо Х-3"

Европейский Союз 1979 "Ариан 1"

Индия 1980 "Рохини"

Израиль 1988 "Ofea 1"

Иран 2005 "Сина 1"

В 1998 году Северная Корея заявила, что запустила спутник, но это так и не было подтверждено, и широко распространено мнение, что она является прикрытием для испытательного пуска ракеты Taepodong-1 над Японией (см. Kwangmyongsong).

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *