Що собою являє геостаціонарна орбіта? Це круговий поле, яке розташувалося над екватором Землі, по ньому штучний супутник звертається з кутовий швидкістю обертання планети навколо осі. Він не змінює свій напрямок в горизонтальній системі координат, а нерухомо висить в небі. Геостаціонарна орбіта Землі (ДСО) являє собою різновид геосинхронной поля і застосовується для розміщення комунікаційних, телетрансляційних і інших супутників.
Ідея використання штучних апаратів
Саме поняття геостаціонарної орбіти ініційовано російським винахідником К. Е. Ціолковським. У своїх роботах він пропонував заселити космос за допомогою орбітальних станцій. Зарубіжні вчені також описували роботи космічних полів, наприклад, Г. Оберт. Людиною, який розвинув концепцію використання орбіти для зв`язку, є Артур Кларк. Він в 1945 році помістив статтю в журналі «Wireless World», де описав переваги роботи геостационарного поля. За активну працю в даній області в честь вченого орбіта отримала свою другу назву - «пояс Кларка». Над проблемою здійснення якісного зв`язку думали багато теоретиків. Так, Герман Поточнік в 1928 році висловив думку про те, як можна застосовувати геостаціонарні супутники.
Характеристика «пояса Кларка»
Щоб орбіта була названа геостаціонарній, вона повинна відповідати ряду параметрів:
1. геосинхронной. До такої характеристиці відноситься поле, яке має період, який відповідає періоду обертання Землі. Геосинхронной супутник закінчує оборот навколо планети за сидерический день, що дорівнює 23 годинам 56 хвилинам і 4 секундам. Водночас необхідно Землі для виконання одного обороту в фіксованому просторі.
2. Для підтримки супутника на певній точці геостаціонарна орбіта повинна бути круговою, з нульовим нахилом. Еліптичне поле призведе до зміщення або на схід, або на захід, так як апарат рухається в певних точках орбіти по-різному.
3. «Точка зависання» космічного механізму повинна знаходитися на екваторі.
4. Розташування супутників на геостаціонарній орбіті повинні бути таким, щоб невелика кількість частот, призначених для зв`язку, не привело до накладання частот різних апаратів при прийомі і передачі, а також для виключення їх зіткнення.
5. Достатня кількість палива для підтримки постійного положення космічного механізму.
Геостаціонарна орбіта супутника унікальна тим, що тільки при поєднанні її параметрів можна досягти нерухомості апарату. Ще однією особливістю є можливість бачити Землю під кутом в сімнадцять градусів з розташованих на космічному поле супутників. Кожен апарат відхоплює приблизно одну третю частину поверхні орбіти, тому три механізму здатні забезпечити охоплення майже всієї планети.
штучні супутники
Літальний апарат обертається навколо Землі по геоцентричного шляху. Для його виведення використовують багатоступеневу ракету. Вона являє собою космічний механізм, який приводить в дію реактивна сила двигуна. Для руху по орбіті штучні супутники Землі повинні мати початкову швидкість, яка відповідає першій космічній. Їх польоти здійснюються на висоті не менше декількох сотень кілометрів. Період обертання апарату може становити кілька років. Штучні супутники Землі можуть запускатися з бортів інших апаратів, наприклад, орбітальних станцій і кораблів. Безпілотники мають масу до двох десятків тонн і розмір до декількох десятків метрів. Двадцять перше століття ознаменувався народженням апаратів з надмалим вагою - до кілька кілограмів.
Супутники запускалися багатьма країнами і компаніями. Перший в світі штучний апарат був створений в СРСР і полетів в космос 4 жовтня 1957 року. Він носив ім`я «Супутник-1». У 1958 році США запустила другий апарат - «Експлорер-1». Перший супутник, який був виведений NASA в 1964 році, носив ім`я Syncom-3. Штучні апарати в основному неповоротні, але є ті, які повертаються частково або повністю. Їх використовують для проведення наукових досліджень і вирішення різних завдань. Так, існують військові, дослідні, навігаційні супутники і інші. Також запускаються апарати, створені співробітниками університетів або радіоаматорами.
«Точка стояння»
Геостаціонарні супутники розташовуються на висоті 35786 кілометрів над рівнем моря. Така висота забезпечує період обертання, який відповідає періоду циркуляції Землі по відношенню до зірок. Штучний апарат нерухомий, тому його місце розташування на геостаціонарній орбіті називається «точкою стояння». Звісно забезпечує постійну тривалу зв`язок, одного разу зорієнтована антена завжди буде спрямована на потрібний супутник.
пересування
Супутники можна переводити з нізковисотние орбіти на геостаціонарну за допомогою геоперехідну полів. Останні являють собою еліптичний шлях з точкою на низькій висоті і піком на висоті, яка близька до геостаціонарної колі. Супутник, який став непридатним для подальшої роботи, відправляється на орбіту поховання, розташовану на 200-300 кілометрів вище ДСО.
Висота геостаціонарної орбіти
Супутник на даному полі тримається на певній відстані від Землі, не наближаючись і не віддаляючись. Він завжди знаходиться над якою-небудь точкою екватора. Виходячи з даних особливостей випливає висновок, що сили гравітації і відцентрова сила врівноважують один одного. Висота геостаціонарної орбіти розраховується методами, в основі яких лежить класична механіка. При цьому враховується відповідність гравітаційних і відцентрових сил. Значення першої величини визначається за допомогою закону всесвітнього тяжіння Ньютона. Показник відцентрової сили розраховується шляхом добутку маси супутника на доцентровийприскорення. Підсумком рівності гравітаційної та інертної маси є висновок про те, що висота орбіти не залежить від маси супутника. Тому геостаціонарна орбіта визначається тільки висотою, при якій відцентрова сила дорівнює по модулю і протилежна за напрямком гравітаційній силі, створюється тяжінням Землі на даній висоті.
З формули розрахунку центростремительного прискорення можна знайти кутову швидкість. Радіус геостаціонарної орбіти визначається також за цією формулою або шляхом ділення геоцентрической гравітаційної постійної на кутову швидкість в квадраті. Він становить 42164 кілометра. З огляду на екваторіальний радіус Землі, отримуємо висоту, рівну 35786 кілометрів.
Обчислення можна провести іншим шляхом, грунтуючись на твердженні, що висота орбіти, що представляє собою видалення від центру Землі, з кутовою швидкістю супутника, що збігається з рухом обертання планети, народжує лінійну швидкість, яка дорівнює першій космічній на даній висоті.
Швидкість на геостаціонарній орбіті. довжина
Даний показник розраховується шляхом множення кутової швидкості на радіус поля. Значення швидкості на орбіті одно 3,07 кілометра в секунду, що набагато менше першої космічної швидкості на навколоземному шляху. Щоб зменшити показник, необхідно збільшити радіус орбіти більш ніж в шість разів. Довжина розраховується твором числа Пі на радіус, помноженим на два. Вона становить 264 924 кілометри. Показник враховується при обчисленні «точок стояння» супутників.
вплив сил
Параметри орбіти, по якій звертається штучний механізм, можуть змінюватися під дією гравітаційних місячно-сонячних збурень, неоднорідності поля Землі, еліптичності екватора. Трансформація поля виражається в таких явищах, як:
- Зсув супутника від своєї позиції уздовж орбіти в бік точок стабільної рівноваги, які носять назву потенційних ям геостаціонарної орбіти.
- Кут нахилу поля до екватора зростає з певною швидкістю і досягає 15 градусів один раз за 26 років і 5 місяців.
Для утримання супутника в потрібній «точці стояння» його оснащують руховою установкою, яку включають кілька разів на 10-15 діб. Так, для заповнення зростання способу орбіти використовують корекцію «північ-південь», а для компенсації дрейфу уздовж поля - «захід-схід». Для регулювання шляху супутника протягом усього терміну його роботи необхідний великий запас палива на борту.
рухові установки
Вибір пристосування визначається індивідуальними технічними особливостями супутника. Наприклад, хімічний ракетний двигун має витіснювальний подачу палива і функціонує на довго зберігаються висококиплячих компонентах (діазотний тетроксид, несиметричний диметилгідразин). Плазмові пристрої мають суттєво меншу тягу, але за рахунок тривалої роботи, яка вимірюється десятками хвилин для одиничного пересування, здатні значно знизити споживану кількість палива на борту. Такий тип рухової установки використовується для маневру перекладу супутника в іншу орбітальну позицію. Основним обмежуючим фактором терміну служби апарату є запас палива на геостаціонарній орбіті.
Недоліки штучного поля
Істотним пороком у взаємодії з геостаціонарними супутниками є великі запізнення в поширенні сигналу. Так, при швидкості світла 300 тисяч кілометрів на секунду і висоті орбіти 35786 кілометрів рух променя «Земля - супутник» займає близько 0,12 секунди, а «Земля - супутник - Земля» - 0,24 секунди. З огляду на затримку сигналу в апаратурі і кабельних системах передач наземних служб загальне запізнення сигналу «джерело - супутник - приймач» досягає приблизно 2-4 секунд. Такий показник істотно ускладнює застосування апаратів на орбіті в телефонії і унеможливлює використання супутникового зв`язку в системах реального часу.
Ще одним недоліком є невидимість геостаціонарної орбіти з високих широт, що заважає провідності зв`язку та телетрансляцій в районах Арктики й Антарктиди. У ситуаціях, коли сонце і супутник-передавач знаходяться на одній лінії з приймальною антеною, спостерігається зменшення, а часом і повна відсутність сигналу. На геостаціонарних орбітах за рахунок нерухомості супутника таке явище проявляється особливо яскраво.
ефект Доплера
Цей феномен полягає в зміні частот електромагнітних вібрацій при взаємному просуванні передавача і приймача. Явище виражається зміною відстані в часі, а також рухом штучних апаратів на орбіті. Ефект проявляється як малоустойчива несучої частоти коливань супутника, яка додається до апаратурної нестабільності частоти бортового ретранслятора і земної станції, що ускладнює прийом сигналів. Ефект Доплера сприяє зміні частоти модулюють вібрацій, що неможливо контролювати. У разі, коли на орбіті використовуються супутники зв`язку і безпосереднього телевізійного мовлення, дане явище практично усувається, тобто не спостерігається змін рівня сигналів в точці прийому.
Ставлення в світі до геостаціонарним полях
Космічна орбіта своїм народженням створила багато питань і міжнародно-правових проблем. Їх рішенням займається ряд комітетів, зокрема, Організація Об`єднаних Націй. Деякі країни, розташовані на екваторі, пред`являли претензії на поширення їх суверенітету на що знаходиться над їхньою територією частина космічного поля. Держави заявляли, що геостаціонарна орбіта являє собою фізичний фактор, який пов`язаний з існуванням планети і залежить від гравітаційного поля Землі, тому сегменти поля є продовженням території їхніх країн. Але такі претензії були відкинуті, оскільки в світі існує принцип неприсвоєння космічного простору. Всі проблеми, пов`язані з роботою орбіт і супутників, вирішуються на світовому рівні.
