Реферат: 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 группы10-202 Добротина Е.Г.

Москва 2001 г.

План

I.Введение

II.Первый искусственный спутник Земли

III.Системы связи ИСЗ

IV.Заключение

I. ВВЕДЕНИЕ

Стремительное развитиекосмонавтики, успехи в изучении и исследовании околоземного и межпланетногокосмического пространства в огромной степени расширили наши представления оСолнце и Луне, о Марсе, Венере и дру­гих планетах. Очень результативнымоказалось изучение верхних слоев атмосферы, ионосферы, магнитосферы. Вме­сте стем выявилась весьма высокая эффективность ис­пользования околоземного космосаи космической техни­ки в интересах многих наук о Земле.

  Использование искусственных спутников Землидля связи и телевидения, оперативного и долгосрочного про­гнозирования погоды игидрометеорологической 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 рост информации во всех сферахдеятельности человека. Помимо прогрессирующего развития традиционных средств передачиинформации—телефонии, телеграфии,радиовещания, возникла потребность в создании новых ее видов— телевидения, обмена данными в автоматическихсистемах управления и ЭВМ, передачи матриц для печа­тания газет.

Глобальныйхарактер различных хозяйственных про­блем и научных исследований, широкаямежгосударствен­ная интеграция и кооперация в производстве, торговле, . научно-исследовательской деятельности,расширение обме­на в области культуры привели к значительному ростумеждународных и межконтинентальных связей, включая обмен телевизионнымипрограммами.

Традиционные средства связи вотношении их ви­дов, объема, дальности, оперативности и надежности пе­редачиинформации будут непрерывно совершенствовать­ся. Однако дальнейшее развитие ихвстречает 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 удовле­твореныназемными 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.

Значительно большейпропускной способностью, даль­ностью действия, возможностью перестройки дляразлич­ных видов связи располагает радио. Но и радиолинии обладаютопределенными недостатками, затрудняющими во многих случаях их применение.

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

Длинноволновые радиолиниииз-за ограниченной про­пускной способности и сравнительно малого диапазонадействия используются главным образом для местной ра­диосвязи и радиовещания.

Коротковолновыерадиолинии обладают достаточной дальностью действия и широко применяются вомногих видах связи различного назначения.

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

Практикаподтвердила, что использование ИСЗ для связи, в особенности для дальнеймеждународной и меж­континентальной, для телевидения и телеуправления, припередаче больших объемов информации, позволяет устра­нить многие затруднения.Вот почему спутниковые си­стемы связи (ССС) в короткий срок получили небывалобыстрое, широкое и разностороннее применение.

II. Первый искусственный спутник Земли.

Первая попытка поставитьвопрос о создании ИСЗ была сделана в декабре 1953 г. при подготовке проектапостановления Совмина по ракете Р-7. Предлагалось: «Организовать в НИИ-88научно-исследовательский отдел с задачей разработки проблемных заданийсовместно с АН в области полета на высотах порядка 500 и более км, а такжеразработки вопросов, связанных с созданием искусственного спутника Земли иизучением межпланетного пространства с помощью изделия».

          Этазадача рассматривалась в ОКБ не как разовая, а с расчетом на созданиеспециального направления в развитии ракетостроения      Такая масштабная постановка вопроса требовала большой  предварительной  подготовки, вплоть до оценки стоимостипредстоящих работ по созданию ИСЗ.

При планировании работ поИСЗ определенным ориентиром служили сведения о работах США в этой области.Вопросы приоритета оставались главным аргументом в течение всего последующегопериода 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 кпервым пускам ракеты шли со значительными трудностями и отставанием отустановленных сроков. Вместе с тем, конструктора выражали уверенность, что принапряженной работе в марте 1957 г. начнутся пуски ракет. Ракету путем некоторыхпеределок можно приспособить для пуска в варианте искусственного спутникаЗемли, имеющего небольшой полезный груз в виде приборов весом около 25 кг… иотделяющийся шаровидный контейнер собственно спутника диаметром около 450 мм ивесом 40-50 кг.

И вот в Советском Союзе быласоздана ракета, способная развить скорость8км/сек. Она стар­товала4 октября1957 г. Взлетев ввысь верти­кально, свечкой,ракета пронзила 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 градус испортила бы все. Но автоматыдействовали безупречно. Ракета на­брала нужную скорость и отправила в путьблестящий шар из алюминиевых сплавов— первый в мире искусственный спутник, сде­ланныйв нашей стране.

8км в секунду,28800 кмв час!

Если в какую-либо минутуспутник был над Австралией, то через20минут — над Аляской, еще через12 минут— над Нью-Йор­ком, еще через10 — над Бразилией. За полтора часа- кругосветное путешествие,15 оборотов в сутки, и всякий раз по новойтрассе, потому что плоскость орбиты спутника в пространстве неподвижна, а Землявращается 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, чтоэра 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 ирадиоприемников следили за его полетом. И каждый час его жизни интересовалученых. Впервые земное тело поднималось на высоту947 км. Впервые на таких высотах работал радиопередатчик.

<img src="/cache/referats/5042/image002.jpg" align=«left» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1026"><img src="/cache/referats/5042/image004.jpg" v:shapes="_x0000_i1025">

 Сигналы его показы­вали, как проходятрадиоволны через верхние наэлектризованные слои атмосферы, позволя­ли глубжепонять их строение.

Радиопередача требуетэнергии. Энергия в космосе есть. Ее можно заимствовать от Солнца. Пусть оносвоими 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.

Теоретически тело, летящеенад Землей со скоростью8 км/сек,не упадет никогда. Но пер­вые спутники не могли летать вечно. Ничтожноесопротивление воздуха со временем затормози­ло их полет. Они снижались и,влетев в плотные слои воздуха, сгорали и рассыпались.

Теперь нужно было решитьсамый важный вопрос: может ли живое существо перенести космический полет, илионо неминуемо погиб­нет за пределами атмосферы? Второй советский искусственныйспутник, стартовавший3 нояб­ря1957 г., должен был ответить на этот во­прос.На нем в космос на высоту до1670 км отправиласьпервая путешественница— собака Лайка.Специальные приборы следили за ее дыханием, пульсом, кровяным давлением. Мызнаем, что Лайка хорошо перенесла стреми­тельный старт и многосуточноепутешествие вокруг Земли. На третьем советском искусст­венном спутнике Землибыла установлена еще белее разнообразная аппаратура для изучения свойств земнойатмосферы, солнечного излуче­ния и т. п. Он весил1,3 тонны, и запасы его электрической анергии для питания приборовпополнялись за счет действия солнечных лучей на установленные приспособления.Позднее несколько искусственных спутников удалось запустить и в США.

Третийсоветский спутник оказался самым долговечным и самым тяжелым. Советские людисумели забросить в пространство солид­ное сооружение, размером с легковую маши­ну.

III. Спутниковые системы связи.

Интересно,что идея применения искусственных спут­ников Земли для связи была высказана ещедо запуска первого спутника. В1945 г.известный советский ученый П. В. Шмаков выдвигал идею использования ИСЗ дляорганизации всемирного телевизионного вещания.

Каковыже принципы применения ИСЗ для целей свя­зи и почему спутниковые системыпозволяют преодолеть многие трудности, возникающие при организации связистарыми, 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 шара осуществлялся после вывода ИСЗ наорби­ту способом сублимации. Оболочка имела защитную плен­ку и специальноеметаллизированное покрытие. Шар был составлен из отдельных меридиональныхсегментов. Металлические шаровые сегменты, накладываемые на сферу, обеспечивалиэлектрический контакт между всеми ме­ридиональными сегментами.

   Несмотря на очевидную простоту, дешевизну иопре­деленные технические достоинства такой системы спутниковой связи, оченьскоро выявились и серьезные ее недо­статки. Для поддержания устойчивой связипотребовалась большая мощность передающих и высокая чувствитель­ность приемныхназемных устройств. Но и при выполне­нии этих условий радиолинии работалинедостаточно ус­тойчиво, были подвержены влиянию помех. Срок жизни такихспутников вследствие изменения их формы, сжа­тия оболочки и ухудшения отражательныхсвойств, а также из-за быстрой потери высоты оказался небольшим.

 Спутник, однако, постоянноперемещается в пространстве и не может всегда находиться в зоне совместнойвидимости пунктов, нуждающихся в связи. Как же рабо­тает ССС, если требуетсядлительная, многочасовая или даже круглосуточная, связь между заданнымипунктами  ?

Одноиз возможных решений этой задачи— запускна соответствующие орбиты такого количества спутников, чтобы, как только один из нихвыйдет из зоны совмест­ной радиовидимости пунктов, нуждающихся в связи, дру­гойИСЗ тотчас же входил бы в эту 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.

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

Наклонение— важнейшее условие охвата системойспутниковой связи определенного района Земли, заданной зоны обслуживания. Всвязи с первостепенной, можно сказать определяющей, ролью орбит ИСЗ в системахспут­никовой связи необходимо, хотя бы очень кратко, оста­новиться на некоторыхосновных их типах и поня­тиях.

 Круговая орбита— это орбита, у которой расстояние от спутникадо центра Земли приблизительно постоянно. Эллиптическая орбита— когда спутник движется вокруг Земли покривой, близкой к эллипсу. Максимальное уда­ление ее от Земли (апогей) иминимальное (перигей) могут существенно отличаться друг от друга. Форма эл­липсаопределяется величиной его эксцентриситета (отно­шением разности расстояний отцентра Земли до апогея и перигея к большой оси эллипса). Орбиты с большим экс­центриситетомимеют 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 системыспутниковой свя­зи и в свою очередь обусловливается задачами проектируемой системы.

 Начиная с первых запусков спутники связи почтивсегда образуют систему. Одиночные ИСЗ связи широко­го использованияприменяются редко.

 В спутниковых системах связииспользуются низкоорбитальные аппараты, высокоэллиптические ИСЗ и гео­стационары.

Системы связи с использованием низкоорбитальных ИСЗ

Первыми для целей связи были применены низкоорби­тальныеИСЗ.

 Этообъясняется, в частности, и тем, что вывод ИСЗ на низкие орбиты более прост ивыполняет­ся с наименьшими энергетическими затратами. Первые запускинизкоорбитальных спутников связи показали возможность и целесообразность приме­нения ИСЗ для связи,подтвердили правильность техни­ческих принципов активной ретрансляции. Вместе стем из первого опыта эксплуатации спутников на низких орбитах стало ясно, чтоони не могут обеспечить достаточно эффективного ре­шения задач спутниковойсвязи.

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

В низкоорбитальных системах связи спутники могут размещаться впространстве друг относительно друга случайно пли упорядоченно. При случай­номрасположении понадобится большее число ИСЗ, одна­ко упорядоченноеместоположение их в пространстве по­требует немалых усилий для создания исохранения заданного относительного расположения. При этом необ­ходимыпостоянный контроль местоположения спутников и корректировка орбит вследствиеэволюции их в процес­се полета.

 К достоинствам ССС на низких орбитахотносятся,  как уже отмечалось,сравнительная дешевизна вывода их  наорбиту и более простая бортовая аппаратура. К не­достаткам— трудность поддержания непрерывной круг­лосуточнойсвязи, усложнения наземной аппаратуры за счет применения следящихантенных устройств, меньший срок существования КА.

 Низкоорбитальные ССС могут оказатьсяэффективными в тех случаях, когда не требуется двусторонняя непрерывнодействующая связь (например, если нужна лишь периодическая передача данных).

Системы связи с ИСЗ навысокоэллиптических орбитах

Чтобыизбежать 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 известныепреимущества.

                                                         <img src="/cache/referats/5042/image006.jpg" v:shapes="_x0000_i1026">

 

За счет высоты орбитыдлительность связи увеличится. Причем она до­полнительно возрастет ещевследствие того, что отноше­ние времени видимости нахо­дящегося близко к апогеюспутника в заданной зоне к периоду его обращения   у спутников с эллиптической орбитойоказывается сущест­венно больше.

Согласно законам небес­ноймеханики (второму зако­ну Кеплера) при движении спутника по эллиптическойорбите его угловая скорость тем меньше, чем дальше он находится от центраЗемли. Иными словами, спутник в районе апогея движется су­щественно медленнее,чем в районе перигея.  При определении расчетныхпараметров орбит спутни­ков связи, естественно, учитываются также энергетиче­скиехарактеристики ракеты-носителя, возможности космо­дрома икомандно-измерительного комплекса и другие факторы, обусловливающие выводспутника на орбиту и управление им в полете.

 К спутникам с эллиптической орбитой относятся,на­пример, американские спутники связи «Тельстар» (пери­гей—около1 тыс. км, апогей—около11 тыс. км).

Хорошим примером спутников свысокоэллиптической орбитой служат советские спутники связи типа «Мол­ния». Дляспутников этого класса выбрана орбита с апо­геем над северным полушарием около40 тыс. км и пери­геем около500 км, при наклонении65° и периоде обра­щения, равном12ч  При периоде обращения спутника класса«Молния», равном12 ч, обеспечиваетсяодновременно радиовиди­мость между Москвой и Дальним Востоком в течение8— 9 ч на одном витке.

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

Системы с геостационарными ИСЗ

Все большее распространениеполучают системы спутни­ковой связи с геостационарными ИСЗ, называемыми частоСИСЗ (стационарные ИСЗ). Они применяются для телефонно-телеграфной связи,радио- и телевещания. Созда­ются геостационарные космические аппараты комплекс­ноготипа для метеорологических целей, изучения при­родных ресурсов Земли, контролясреды обитания, выпол­нения других задач.

Важнейшим достоинствомгеостационарных ИСЗ явля­ется образование огромной постоянной зоны видимостидля многочисленных пунктов на Земле, охват обширных территорий, возможностьорганизации связи на большую дальность и со значительным числомкорреспондентов.

 Существенное преимущество ССС со спутниками нагеостационарных орбитах состоит в том, что при их ис­пользовании снижаютсятребования к наземным систе­мам слежения и связи, при этом упрощаются или устра­няютсяи устройства наведения бортовых антенн. по­мощью трех таких спутников,расположенных друг относительно друга под углами120°, можно создать гло­бальную систему связи, т. е. систему,практически охваты­вающую всю Землю.

<img src="/cache/referats/5042/image008.jpg" v:shapes="_x0000_i1027">

   Геостационарные спутники связи, которыеобразно  можно себе представить кактелебашни, поднятые на вы­соту36 тыс.км, в принципе позволяют вести и прямые передачи без помощи местныхтелецентров, непосредственно на абонентские антенны. В настоящее время уро­веньмощности излучаемых телесигналов с геостационара еще недостаточен для приема наобычную, типовую або­нентскую антенну, поэтому приходится применять не­большиеспециальные антенны группового пользования. Что касается радиовещания, то приемего может осуще­ствляться на совсем небольшие наружные антенны.

Говоря о несомненныхдостоинствах СИСЗ, нельзя упускать из виду того, что вывод аппарата настационар­ную орбиту осуществляется сложнее, чем на низкую или даже навысокоэллиптическую. Доставка1 кгполезного груза на геостационарную орбиту обходится значительно дороже. Дляудержания СИСЗ в заданной точке «стояния» на нуж­ной долготе требуетсярегулярная корректировка орбиты с помощью микродвигателей, а на борту спутниканеоб­ходимы для этих целей запасы топлива. Усложняется уп­равление в полете.Развитие космонавтики позволяет, од­нако, рассчитывать на быстрое и успешноепреодоление всех затруднений, возникающих при создании и эксплуа­тацииспутниковых систем связи на геостационарах.

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

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

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

VI. Заключение

Пропускная способность,разветвленность систем, надежность и экономичность ССС постоян­но растут.Многопрограммным телевидением постепенно охватываются все новые районы, включаяи 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.

Значительно расширилосьмеждународное сотрудниче­ство в области применения спутниковых систем связи,еще более развились системы «Интерспутник», «Стацио­нар», возрасло ихвзаимодействие с системами «Интел-сат», «Инмарсат» и другими ССС различныхстран мира.

У миллионов людей есть  возможность прямого исполь­зования ССС дляиндивидуальной связи с любым абонентом мира с помощью маломощных и весьмамалогабаритных приемно-передающих устройств (мобильных телефонов). Реально применение ССС для «электроннойпочты» (интернет). Возможно также использования ИСЗ для индивидуальногоопределения своего местонахождения в любой точке земного шара. При этомпредполагается, что в распоряжении пользователей будут малогабаритные и дешевыеиндивидуальные навигационные устройства типа небольшого транзистора.

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

Списокиспользуемой  литературы:

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

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

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