Особенности искусственных спутников земли на примере спутниковых систем связи

Рефераты по авиации и космонавтике » Особенности искусственных спутников земли на примере спутниковых систем связи Скачать

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.

Страницы: 1 2