Доклад: Спутники Земли

Шильников Е. Н.

Сегодня запуску очередного спутника земли, даже с космонавтами на борту никто не удивляется, да и газеты не стали уделять этому особого внимания.

Если запуск был успешным, ему посвящается, в лучшем случае, одна строчка в новостной ленте. И мы с трудом можем назвать имена тех, кто летает сейчас над нами.

Спутники Земли1 стали обыденным явлением, как самолеты, и их "развелось" столько, что если посмотреть на схемы, где они все отмечены, то становится странным, почему через них мы еще видим солнце и звезды. И для чего их столько?

Но теперь, в отличие от первых лет развития космической техники, когда спутники запускали больше для политики и в военных целях, и трубили о том на весь свет, сейчас это – "небесные трудяги", которые, в большей или меньшей мере обслуживают каждого из нас.

Одних – непосредственно, например, тех, у кого на балконах или на стене около окон вы можете заметить небольшие (как правило, зеленые) лопушки спутниковых антенн, с помощью которых им доставляются ТВ программы, или помогает не быть одиноким тем, кто плывет по океанам на маленьких яхтах или карабкается по кручам Гималаев.

Других людей, коих больше, спутники обслуживают коллективно, передавая и принимая групповые сигналы на большие антенны, которые вы тоже можете заметить в городе на высоких зданиях – белые параболоиды, постоянно, незаметно для глаз описывающие за спутником "восьмерки". И маленькие зеленые, и большие белые смотрят на юг на одни и те же спутники.

Почему в южном направлении – это могут объяснить многие, особенно те, которым отказали поставить антенну спутникового ТВ, так как их окна выходят на север. А вот почему движутся большие антенны и зачем они делают "восьмерки" – могут рассказать только специалисты или уж очень "дотошные" люди. Теперь и Вы сможете знать об этом и еще немножко о другом, если прочтете эту статью до конца.

Спутники сообщают нам прогноз погоды, позволяют посмотреть на Землю сверху, определяют зарождение ураганов или места лесных пожаров и т.п., позволяют делать точные карты местности и строить дома. Теперь землеустроители с помощью спутников могут нанести на карту расположение домика на вашем садовом участке с точностью до 10 см относительно мировых координат. Точно также, получая сигнал со спутника, современный Иван-царевич, мчащийся на своем Лэндровере – коне, может с точностью до полуметра отмечать стремительно сокращающееся расстояние до своей Царевны-лягушки, сидящей на болоте, сиречь в коттедже, со стрелой, то есть, с мобильником в руке…

Я уж не говорю о научных или оборонных назначениях спутников. Можно привести еще много примеров повседневного использования их возможностей, но общим для всех них является то, что они передают нам информацию2, которую они собирают сами или которую им передают с Земли.

Спутники принято делить на четыре семейства, в зависимости от параметров их орбит:

- геостационарные (GEO - Geostationary Earth Orbit Satellites),

- (высоко)эллиптические (HEO - High Elliptic Orbit Satellites),

- средневысотные (MEO - Medium Earth Orbit или ICO - Intermediate Circular Orbit Satellites),

- низкоорбитальные (LEO - Low Earth Orbit Satellites).

Такое четкое разделение определяется, в основном, физикой Земли и окружающего ее пространства. Начнем с того, возможно, всем известного в наш космический век факта, что нахождение спутника на орбите Земли без того, чтобы быстро упасть на землю или, наоборот, оторваться от земного притяжения и улететь в космос, определяется скоростью его полета - 7,9 км/сек (так называемой первой космической скоростью). Для любого класса спутников эта скорость одинакова, вот потому так отличаются перемещения спутников каждого семейства для наблюдателя с Земли.

Геостационарные спутники (геостационары)

Главной особенностью геостационарных спутников является то, что их угловая скорость совпадает с угловой скоростью вращения Земли и потому для наблюдателя с Земли их положение на небе остается постоянным(3).

Для того чтобы спутник постоянно "висел" в одной точке над горизонтом, его забрасывают на орбиту высотой около 36 тыс. км в плоскости экватора. Именно на таком расстоянии период его обращения вокруг Земли совпадает с периодом ее обращения вокруг своей оси. Оттуда спутник может видеть до трети территории Земли в пределах от 760 северной до 760 южной широты. Таким образом, всего три спутника, разнесенные на 1200 экваториальной геостационарной орбиты, могут "освещать" весь земной шар за исключением полярных зон.

Геостационарные спутники запускаются на орбиту, которая лежит в плоскости экватора Земли4. Но эта плоскость не совпадает с плоскостью вращения Земли вокруг Солнца и с плоскостью орбиты Луны (См. Рис.2). Солнце и Луна, каждые по-своему воздействуют своим притяжением на спутник, который начинает смещаться с экваториальной плоскости. Тут в силу вступает еще асимметрия гравитационного поля самой Земли (из-за ее отличия от шара), силы радиации солнечного ветра, который "подгоняет" спутник, когда он движется от Солнца (к Востоку) и тормозит, при движении спутника в направлении Солнца (от Запада).

В общем, спутника многие силы пытаются свести с предназначенной орбиты. И несмотря на установленные на нем корректирующие двигатели, он хотя и на немного, но отклоняется от заданной орбиты, что с Земли видится как будто он подобно кривому велосипедному колесу выписывает "восьмерки". Маленькие, в пределах 2-3 -х угловых градусов, но со временем, если не корректировать его полет размер восьмерки может достигнуть и 10 градусов (ориентировочно – градус в год).

Вот поэтому и движется большая наземная антенна, вычерчивая вслед за спутником восьмерки, поскольку диаметр луча большой наземной антенны не превышает одного градуса.

Свойство спутников находиться постоянно в одной точке и видеть большие территории позволяет с их помощью соединять линиями связи удаленные пункты, например, спутники, висящие над Атлантическим океаном, видят и Америку и Европу, а спутник, находящийся над Индией, обеспечивает соединение линиями связи Москвы с Дальним Востоком. Таким же образом Япония соединяется с Америкой. Три спутника ИНМАРСАТ обеспечивают связью все корабли, бороздящие Атлантический, Тихий и Индийский океаны.

Если мы посмотрим, чем занимаются геостационары, выяснится, что, они обеспечивают, как правило, "прозрачную" ретрансляцию приходящего сигнала: принял пришедший с Земли сигнал, перетащил в другой частотный диапазон, и после усиления "сбросил" его вниз в том же или другом антенном луче. Это может быть сигналом телевизионной ретрансляции, или групповым каналом связи и передачи данных. И никакой сложной обработки, коммутации или маршрутизации - усложнение электронной системы ведет к меньшей надежности спутника, долженствующего работать много лет в очень тяжелых окружающих условиях.

Конечно, количество действующих геостационаров гораздо больше теоретически необходимых трех. Во-первых, для увеличения мощности сигнала диаграмме направленности спутниковых антенн придают очертания материка или участвующих в проекте государств. То есть их излучение попадает только на выбранные территории на Земле. Специалисты по антеннам научились делать такие антенные системы, которые могут на расстояниях в 40 тысяч километров вычерчивать,например, контур Японских островов.

Во-вторых, спутниковые ретрансляторы имеют ограниченные полосы пропускания, поэтому общее число каналов связи одного спутника не так уж велико. Даже при полной загрузке приемо- передающих пар (иначе - стволов или транспондеров, которых обычно бывает от 6 до 64 с полосой пропускания от 32 МГц до 72 МГц каждый) самый современный спутник связи может потенциально обеспечить не более 8 тыс. стандартных телефонных каналов по 64 кбит/с, а при максимально допустимом сжатии до 2,4 кбит/с - около 200 тыс. каналов. Часть из них, как правило, занята служебными задачами, поэтому современный геостационар может обеспечить лишь 10-15 тыс.телефонных каналов общего пользования, что с учетом стандартов на качество связи соответствует 40-60 тысячам абонентов. Что-то вроде одной районной АТС в Москве. Маловато. В результате число геостационаров сейчас таково, что каждое свободное место на орбите стало предметом крупной торговли и квотирования.

1. Спутники – космические рукотворные объекты, вращающиеся вокруг Земли, не отрываясь от нее в отличие от космических аппаратов, улетающих от Земли к другим небесным телам Галактики.

2. Система дистанционного православного образования в России построена на геостационарном спутнике связи.

3. Для сравнения можно вспомнить движения метателя молота, когда он раскручивает его перед броском. Спортсмен вращается сам и молот закручивается с такой же угловой скоростью и поэтому молот находится как бы постоянно перед ним на вытянутых руках.

4. Поскольку для нас экватор – на Юге, потому и наши антенны смотрят на Юг. А в Австралии эти антенны смотрят на Север.