Реферат: Особенности искусственных спутников земли на примере спутниковых систем связи

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Гуманитарный факультет.

Реферат на тему:

«Особенности искусственных  спутников земли на примереспутниковых систем связи.»

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

Москва 2001 г.

I. Введение

III. Системысвязи ИСЗ

IV. Заключение

I.ВВЕДЕНИЕ

Стремительноеразвитие космонавтики, успехи в изучении и исследовании околоземного имежпланетного космического пространства в огромной степени расширили нашипредставления о Солнце и Луне, о Марсе, Венере и дру­гих планетах. Оченьрезультативным оказалось изучение верхних слоев атмосферы, ионосферы,магнитосферы. Вме­сте с тем выявилась весьма высокая эффективность ис­пользованияоколоземного космоса и космической техни­ки в интересах многих наук о Земле.

  Использование искусственныхспутников Земли для связи и телевидения, оперативного и долгосрочного про­гнозированияпогоды и гидрометеорологической обстанов­ки, для навигации на морских путях иавиационных трас­сах, для высокоточной геодезии, изучения природных ре­сурсовЗемли и контроля среды обитания становится все более привычным. В ближайшей и вболее отдаленной перспективе разностороннее использование космоса и космическойтехники, в различных областях хозяйства значительно возрастет.

Для нашей эпохи характерен огромный ростинформации во всех сферах деятельности человека. Помимо прогрессирующегоразвития 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 дляпеча­тания газет.

Глобальный характер различныххозяйственных про­блем и научных исследований, широкая межгосударствен­наяинтеграция и кооперация в производстве, торговле,. научно-исследовательскойдеятельности, расширение обме­на в области культуры привели к значительномуросту международных и межконтинентальных связей, включая обмен телевизионнымипрограммами.

Традиционныесредства связи в отношении их ви­дов, объема, дальности, оперативности инадежности пе­редачи информации будут непрерывно совершенствовать­ся. Однакодальнейшее развитие их встречает немалые затруднения как технического, так иэкономического ха­рактера. Уже теперь ясно, что требования, предъявляе­мые кпропускной способности, качеству, надежности ка­налов дальней связи, не могутбыть полностью удовле­творены наземными средствами проводной и радиосвязи.

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

Значительнобольшей пропускной способностью, даль­ностью действия, возможностью перестройкидля различ­ных видов связи располагает радио. Но и радиолинии обладаютопределенными недостатками, затрудняющими во многих случаях их применение.

 Сверхдлинноволновыесистемы радиосвязи из-за огра­ниченности диапазона применяются обычно лишь длянужд транспорта, авианавигации и для специальных ви­дов связи.

Длинноволновыерадиолинии из-за ограниченной про­пускной способности и сравнительно малогодиапазона действия используются главным образом для местной ра­диосвязи ирадиовещания.

Коротковолновые радиолинииобладают достаточной дальностью действия и широко применяются во многих видахсвязи различного назначения.

Новые пути преодолениясвойственных дальней радио­связи недостатков открыли запуски искусственных спут­никовЗемли (ИСЗ).

Практика подтвердила, чтоиспользование 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 разностороннееприменение.

II. Первый искусственный спутник Земли.

Первая попытка поставить вопрос о создании ИСЗ быласделана в декабре 1953 г. при подготовке проекта постановления Совмина по ракетеР-7. Предлагалось: «Организовать в НИИ-88 научно-исследовательский отдел сзадачей разработки проблемных заданий совместно с АН в области полета навысотах порядка 500 и более км, а также разработки вопросов, связанных ссозданием искусственного спутника Земли и изучением межпланетного пространствас помощью изделия».

          Этазадача рассматривалась в ОКБ не как разовая, а с расчетом на созданиеспециального направления в развитии ракетостроения      Такая масштабнаяпостановка вопроса требовала большой  предварительной  подготовки, вплоть дооценки стоимости предстоящих работ по созданию ИСЗ.

При планировании работ по ИСЗ определенным ориентиромслужили сведения о работах США в этой области. Вопросы приоритета оставалисьглавным аргументом в течение всего последующего периода развития космонавтики.Поэтому в  докладах, прежде всего, дается подробный обзор состоянию работ зарубежом. При этом высказывается, можно сказать, основополагающая мысль о том,что «ИСЗ есть неизбежный этап на пути развития ракетной техники, послекоторого станут возможными межпланетные сообщения». Обращается внимание нато, что за последние 2-3 года возросло внимание зарубежной печати к проблемесоздания ИСЗ и межпланетным сообщениям.

          Самоепримечательное в документах на эту тему — это суждения о перспективе работ поИСЗ. 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 людейна орбите. При осуществлении этого проекта предлагалось собиратьспутник-станцию из отдельных частей, доставляемых поочередно на орбиту.  

Подготовительные работы к первым пускам ракеты шли созначительными 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 дляпуска в варианте искусственного спутника Земли, имеющего небольшой полезный грузв виде приборов весом около 25 кг… и отделяющийся шаровидный контейнерсобственно спутника диаметром около 450 мм и весом 40-50 кг.

И вотв Советском Союзе была создана ракета, способная развить скорость 8 км/сек.Она стар­товала 4 октября 1957 г. Взлетев ввысь верти­кально, свечкой, ракетапронзила стратосферу. Ее вели автоматические устройства, действую­щие позаданной программе. Ракета поднялась на двести с лишком километров, постепенноприняла горизонтальное направление и легла на курс. Нужно было это сделатьочень точно:

ошибка на один градусиспортила бы все. Но автоматы действовали безупречно. Ракета на­брала нужнуюскорость и отправила в путь блестящий шар из алюминиевых сплавов— первый в миреискусственный спутник, сде­ланный в нашей стране.

8 кмв секунду, 28800 км в час!

Еслив какую-либо минуту спутник был над Австралией, то через 20 минут — надАляской, еще через 12 минут — над Нью-Йор­ком, еще через 10 — над Бразилией. Заполтора часа — кругосветное путешествие, 15 оборотов в сутки, и всякий раз поновой трассе, потому что плоскость орбиты спутника в пространстве неподвижна, аЗемля вращается вокруг своей оси внутри этой орбиты.

Первыйспутник был невелик: диаметр его — 58 см, вес — 83,6 кГ. У негобыли двухметровые усы — антенны. Внутри — два радиопередатчи­ка Проносясь надвсеми странами мира, спутник оповещал, что эра космических странствий уженаступила, и эту эру открыла страна социа­лизма. За ним отправились встранствование вокруг Земли второй и третий спутники.

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

/>/>

 Сигналыего показы­вали, как проходят радиоволны через верхние наэлектризованные слоиатмосферы, позволя­ли глубже понять их строение.

Радиопередачатребует энергии. Энергия в космосе есть. Ее можно заимствовать от Солнца. Пустьоно своими лучами заряжает аккумуля­торы. Но на первом спутнике стояли батареи,заряженные на Земле. Они иссякли через неко­торое время, однако и замолкшийспутник про­должал служить науке. На больших высотах, где пролегал его путь,воздуха почти нет… но все же «почти нет», а не «совсем нет». Даже принезначительной плотности воздух оказывает сопротивление, и скорость спутникапосте­пенно снижается. Благодаря этому можно уста­новить, какова плотностьатмосферы на различных высотах.

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

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

Теперьнужно было решить самый важный вопрос: может ли живое существо перенестикосмический полет, или оно неминуемо погиб­нет за пределами атмосферы? Второйсоветский искусственный спутник, стартовавший 3 нояб­ря 1957 г., должен былответить на этот во­прос. На нем в космос на высоту до 1670 км отправиласьпервая путешественница — собака Лайка. Специальные приборы следили за еедыханием, пульсом, кровяным давлением. Мы знаем, что Лайка хорошо перенесластреми­тельный старт и многосуточное путешествие вокруг Земли. На третьемсоветском искусст­венном спутнике Земли была установлена еще белееразнообразная аппаратура для изучения свойств земной атмосферы, солнечногоизлуче­ния и т. п. Он весил 1,3 тонны, и запасы его электрической анергии дляпитания приборов пополнялись за счет действия солнечных лучей на установленныеприспособления. Позднее несколько искусственных спутников удалось запустить и вСША.

Третий советский спутникоказался самым долговечным и самым тяжелым. Советские люди сумели забросить впространство солид­ное сооружение, размером с легковую маши­ну.

III. Спутниковые системы связи.

Интересно, что идеяприменения искусственных спут­ников Земли для связи была высказана еще дозапуска первого спутника. В 1945 г. известный советский ученый П. В. Шмаковвыдвигал идею использования ИСЗ для организации всемирного телевизионноговещания.

Каковы же принципы примененияИСЗ для целей свя­зи и почему спутниковые системы позволяют преодолеть многиетрудности, возникающие при организации связи старыми, традиционными методами?

  Известно, что шар отражаетэлектромагнитные волны равномерно во всех направлениях, а его эффективная от­ражающаяповерхность пропорциональна квадрату диа­метра. Повышение отражательных свойствтакого шара может быть достигнуто за счет увеличения его диаметра.  Надув шараосуществлялся после вывода ИСЗ на орби­ту способом сублимации. Оболочка имелазащитную плен­ку и специальное металлизированное покрытие. Шар был составлен изотдельных меридиональных сегментов. Металлические шаровые сегменты,накладываемые на сферу, обеспечивали электрический контакт между всеми ме­ридиональнымисегментами.

   Несмотря на очевидную простоту, дешевизну и опре­деленныетехнические достоинства такой системы спутниковой связи, очень скоро выявилисьи серьезные ее недо­статки. Для поддержания устойчивой связи потребоваласьбольшая мощность передающих и высокая чувствитель­ность приемных наземныхустройств. Но и при выполне­нии этих условий радиолинии работали недостаточноус­тойчиво, были подвержены влиянию помех. Срок жизни таких спутниковвследствие изменения их формы, сжа­тия оболочки и ухудшения отражательныхсвойств, а также из-за быстрой потери высоты оказался небольшим.

 Спутник, однако, постоянно перемещается впространстве 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 насоответствующие орбиты такого количества спутников, чтобы, как только один из них выйдет из зоны совмест­нойрадиовидимости пунктов, нуждающихся в связи, дру­гой ИСЗ тотчас же входил бы вэту зону.  Однако даже при достаточно большом количестве спутников, если ихположение на ор­битах случайно, не исключено такое положение, когда в зонесовместной видимости двух пунктов, нуждающихся в связи, не окажется ни одногоИСЗ.

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

Наклонение— важнейшее условие охвата системой спутниковой связи определенного районаЗемли, заданной зоны обслуживания. В связи с первостепенной, можно сказатьопределяющей, ролью орбит ИСЗ в системах спут­никовой связи необходимо, хотя быочень кратко, оста­новиться на некоторых основных их типах и поня­тиях.

 Круговая орбита — это орбита, у которойрасстояние от спутника до центра Земли приблизительно постоянно. Эллиптическаяорбита — когда спутник движется вокруг Земли по кривой, близкой к эллипсу.Максимальное уда­ление ее от Земли (апогей) и минимальное (перигей) могутсущественно отличаться друг от друга. Форма эл­липса определяется величиной егоэксцентриситета (отно­шением разности расстояний от центра Земли до апогея иперигея к большой оси эллипса). Орбиты с большим экс­центриситетом имеютвысокий апогей и называются высо­коэллиптическими.

Выбор формы орбиты (круговая,эллиптическая, высо­коэллиптическая), наклонения (полярная, наклонная сзаданным углом наклона, экваториальная), величины пе­риода и характераобращения орбиты вокруг Земли (син­хронная, геостационарная) являетсяопределяющим при проектировании той или иной системы спутниковой свя­зи и всвою очередь обусловливается задачами проектируемой системы.

 Начиная с первыхзапусков спутники связи почти всегда образуют систему. Одиночные ИСЗ связишироко­го использования применяются редко.

 В спутниковых системах связи используютсянизкоорбитальные аппараты, высокоэллиптические ИСЗ и гео­стационары.

Системы связи с использованиемнизкоорбитальных ИСЗ

Первыми для целей связибыли применены низкоорби­тальные ИСЗ.

 Это объясняется, вчастности, и тем, что вывод ИСЗ на низкие орбиты более прост и выполняет­ся снаименьшими энергетическими затратами. Первые запуски низкоорбитальныхспутников связи  показали возможность и целесообразность приме­нения ИСЗ длясвязи, подтвердили правильность техни­ческих принципов активной ретрансляции.Вместе с тем из первого опыта эксплуатации спутников на низких орбитах сталоясно, что они не могут обеспечить достаточно эффективного ре­шения задачспутниковой связи.

Для расширения районов и увеличениявремени дейст­вия ССС предусматривалось пойти по пути увеличения числа ИСЗ всистеме. Вскоре, однако, стало ясно, что многоспутниковая система связи нанизкоорбитальных ИСЗ как система общего пользования обладает многимиэксплуатационными неудобствами и нерентабельна.

В низкоорбитальных системах связи спутникимогут размещаться в пространстве друг относительно друга случайно пли упорядоченно. При случай­ном расположениипонадобится большее число ИСЗ, одна­ко упорядоченное местоположение их впространстве по­требует немалых усилий для создания и сохранения заданногоотносительного расположения. При этом необ­ходимы постоянный контрольместоположения спутников и корректировка орбит вследствие эволюции их в процес­сеполета.

 Кдостоинствам ССС на низких орбитах относятся,  как уже отмечалось,сравнительная дешевизна вывода их  на орбиту и более простая бортоваяаппаратура. К не­достаткам — трудность поддержания непрерывной круг­лосуточнойсвязи, усложнения наземной аппаратурыза счет применения следящихантенных устройств, меньший срок существования КА.

 НизкоорбитальныеССС могут оказаться эффективными в тех случаях, когда не требуется двусторонняянепрерывно действующая связь (например, если нужна лишь периодическая передачаданных).

Системысвязи с ИСЗ на высокоэллиптических орбитах

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

                                                         />

Засчет высоты орбиты длительность связи увеличится. Причем она до­полнительновозрастет еще вследствие того, что отноше­ние времени видимости нахо­дящегосяблизко к апогею спутника в заданной зоне к периоду его обращения   у спутниковс эллиптической орбитой оказывается сущест­венно больше.

Согласнозаконам небес­ной механики (второму зако­ну Кеплера) при движении спутника поэллиптической орбите его угловая скорость тем меньше, чем дальше он находитсяот центра Земли. Иными словами, спутник в районе апогея движется су­щественномедленнее, чем в районе перигея.  При определении расчетных параметров орбитспутни­ков связи, естественно, учитываются также энергетиче­ские характеристикиракеты-носителя, возможности космо­дрома и командно-измерительного комплекса идругие факторы, обусловливающие вывод спутника на орбиту и управление им вполете.

 Кспутникам с эллиптической орбитой относятся, на­пример, американские спутникисвязи «Тельстар» (пери­гей—около 1 тыс. км, апогей—около11 тыс. км).

Хорошимпримером спутников с высокоэллиптической орбитой служат советские спутникисвязи типа «Мол­ния». Для спутников этого класса выбрана орбита с апо­геем надсеверным полушарием около 40 тыс. км и пери­геем около 500 км, при наклонении65° и периоде обра­щения, равном 12 ч  При периоде обращения спутника класса«Молния», равном 12 ч, обеспечивается одновременно радиовиди­мость междуМосквой и Дальним Востоком в течение 8— 9 ч на одном витке.

 Орбитальнаяструктура систем спутниковой связи (ко­личество ИСЗ, их орбиты ивзаимоположение в простран­стве) обусловливается требованиями надежности, непрерывности,дальности действия связи, минимально до­пустимым углом места, при которомработоспособны наземные станции, и другими факторами.

Всебольшее распространение получают системы спутни­ковой связи с геостационарными ИСЗ,называемыми часто СИСЗ (стационарные ИСЗ). Они применяются длятелефонно-телеграфной связи, радио- и телевещания. Созда­ются геостационарныекосмические аппараты комплекс­ного типа для метеорологических целей, изученияпри­родных ресурсов Земли, контроля среды обитания, выпол­нения других задач.

Важнейшимдостоинством геостационарных ИСЗ явля­ется образование огромной постоянной зонывидимости для многочисленных пунктов на Земле, охват обширных территорий,возможность организации связи на большую дальность и со значительным числомкорреспондентов.

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

/>

  Геостационарные спутники связи, которые образно  можно себе представить кактелебашни, поднятые на вы­соту 36 тыс. км, в принципе позволяют вести и прямыепередачи без помощи местных телецентров, непосредственно на абонентскиеантенны. В настоящее время уро­вень мощности излучаемых телесигналов сгеостационара еще недостаточен для приема на обычную, типовую або­нентскуюантенну, поэтому приходится применять не­большие специальные антенны групповогопользования. Что касается радиовещания, то прием его может осуще­ствляться насовсем небольшие наружные антенны.

Говоряо несомненных достоинствах СИСЗ, нельзя упускать из виду того, что выводаппарата на стационар­ную орбиту осуществляется сложнее, чем на низкую или дажена высокоэллиптическую. Доставка 1 кг полезного груза на геостационарную орбитуобходится значительно дороже. Для удержания СИСЗ в заданной точке «стояния» нануж­ной долготе требуется регулярная корректировка орбиты с помощьюмикродвигателей, 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, возникающихпри создании и эксплуа­тации спутниковых систем связи на геостационарах.

Успешнодействуют советские геостационарные спутники связи и телевизион­ного вещаниятипа «Радуга», «Экран», «Горизонт».   

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

Несмотряна свои достоинства, геостационары, одна- ко не во всех случаях выгодны втехнико-экономическом отношении. При определенных условиях более ра­циональноиспользование ИСЗ на высокоэллиптических орбитах, например типа «Молния».

VI. Заключение

Пропускнаяспособность, разветвленность систем, надежность и экономичность ССС постоян­норастут. Многопрограммным телевидением постепенно охватываются все новые районы,включая и самые отда­ленные уголки России. Возрасло значение ССС в управленииразличными отраслями народного хозяйст­ва, в системах массового обучения, оповещенияо различного рода стихийных явлениях, оказания медицинской помощи. Массовоераспространение получили мобильные сред­ства спутниковой связи, позволяющиебыстро и практиче­ски в любых районах страны организовать связь с по­мощью ИСЗ.

Значительнорасширилось международное сотрудниче­ство в области применения спутниковыхсистем связи, еще более развились системы «Интерспутник», «Стацио­нар»,возрасло их взаимодействие с системами «Интел-сат», «Инмарсат» и другими СССразличных стран мира.

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

Скаждым годом спутниковые системы связи будут становиться все более существеннойчастью Единой си­стемы связи, важным элементом глобальной систе­мы связи. Они итеперь играют заметную роль в улуч­шении связей и взаимопонимания междустранами, 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