Материал по теме Геостационарные спутники

МУНИЦИПАЛЬНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

«УЗУНОВСКАЯ СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ  ШКОЛА»

СЕРЕБРЯНО– ПРУДСКОГО  МУНИЦИПАЛЬНОГО  РАЙОНА

МОСКОВСКОЙОБЛАСТИ   РФ

142960  Московская  область                                             тел. факс 8 – 496 – 67 – 36 – 232 Серебряно – Прудский  район                                                             8 — 496 – 67 – 36 – 166 с. Узуново, мкрн Северный, д.13

 

 

 

Проектно-исследовательская  работа 

по теме

«Геостационарные спутники»

(муниципальная конференция по физике и астрономии

«Первые шаги в науку»)

 

 

Проектно-исследовательскую

работу подготовили:

Воронин Михаил учащийся 10класса

Фатеев Алексей учащийся 10 класса

 

Руководитель:

МалютинСергей Юрьевич

учительфизики и информатики

 

 

 

 

 

 

 

 

         СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение.                                                                                                            

1.1. Проектнаяработа состоит из двух этапов.

1.2. Овладениевременем и пространством.

2. Теория геостационарной орбиты.

2.1.Использование геостационарных орбит (ГСО) спутников Земли.

2.2.Преимущества геостационарной орбиты ИСЗ.

2.3.Отличительные особенности геостационарных спутников.

2.3.1. Корректировка орбиты.

2.3.2. Энергопитание и теплоотвод.

 

3. Использованиеискусственных спутников Земли.

 

3.1. Использованиеискусственных спутников Земли для связи и телевидения.

3.2. Частотные диапазоны.

3.3. Интересныефакты о спутниковом телевидении.

3.4. Система«ГЛОНАСС».

3.5. Шаг вперед вразвитии метеорологической науки.

3.5.1.Орбиты метеорологических спутников.

3.5.2.Использование искусственных спутников Земли в метеорологии

          и другихобластях науки и жизни.

3.6. ИзучениеЗемли из космоса.

3.6.1. Температура поверхности морей.

3.6.2.Синоптические карты.

3.6.3.Мониторинг лесных пожаров

3.6.4.Googleкарты

4. Заключение.

5. Приложение.

6. Список использованной литературыи интернет ресурсов.

 

 

 

 

 

 

1. Введение

Компьютерныетехнологии прочно проникают во все сферы деятельности человека. Они укрепляютсяв экономике, в строительстве, в проектировании, в образовании,  в обслуживающейсфере,  и даже в нашем быту. Даже подготовка реферата без использованияИнтернета, электронных  вариантов книг и энциклопедий, т.е. без использованияинформационно – коммуникационных технологий представляет определённыезатруднения. Кроме увлечения компьютером меня привлекала одна из древнейшихнаук – астрономия. Общение с людьми, знающими астрономию, наблюдения занебесными объектами в телескоп, использование Google карт — всё этовсё больше и больше вызывало у меня интерес к изучению неба, систем спутниковна орбитах, их возможность передавать информацию в любую точку Земли.

Поэтомуя решил внести свой вклад в привлечении внимания к разделу — астрофизике, какодной из важнейших частей астрономии.

Для этого я решил соединить свои увлечениякомпьютерными технологиями, информационно – коммуникационными технологиями иинтерес к астрономии и создать проект «Геостационарные спутники», который былбы интересен всем.

 

 

1.1. Проектная работа состоит из двух этапов:

1  этап: Научно – исследовательской,  методами в которойявляются

            изучениематериалов в книжных источниках;

            исследованиематериалов с использование информационно – коммуникационных технологий: www.astronomy.ru, www.astronet.ru,http://ru.wikipedia.org,http://galspace.spb.ru/,http://skywatching.net,  http://www.portal-slovo.ru/

            изучениеучебных  DVD -программ по астрономии и физике;

            изучениенавигационных, метеорологических карт и карт полезных ископаемых;

            изучениеспутниковой системы связи.

2 этап: Практическая часть

Созданиепрезентации по теме «Геостационарные спутники».

Новизнаработы:

       Привлекательна по исполнению (в форме презентации)

       Рассчитана на аудиторию разного уровня восприятия иподготовленности.

       Систематизирует материал.

       Формирует целостное представление об особенностях работыгеостационарных спутников и их широком применении в современном бурноразвивающемся мире.

       Удобна как для самостоятельного изучения, так и для применения науроках.

       Экономит время изучения материала.

 

 

 

 

 

 

1.2. Овладение временем и пространством

Величественнакартина звёздного неба. Тысячи звёзд, мерцая и переливаясь, манят к себелюбознательные умы. Человек пытался и пытается осмыслить, какое место онзанимает во Вселенной, что такое этот мир, как он устроен, всегда лисуществовал, и если нет, то возник ли сам или создан богами. Космос всегдаволновал пытливые умы людей. Но лишь в течение небольшого периода времени сначала космической эры человек не только послал автоматические космическиестанции к другим планетам и ступил на поверхность Луны, но также произвелреволюцию в науке о космосе, равной которой не было за всю историючеловечества.

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.

Со времени первой успешной системы обмена информацией спомощью радиоволн прошло более ста лет. Первые приемники могли принимать сигнална расстоянии десятков метров от передатчика. Естественно, сразу возниклазадача увеличения дальности передачи информации и пропускной способностиканала. Увеличения пропускной способности канала можнодобиться, используя метровые, дециметровые, сан­тиметровые и миллиметровыеволны. Существует несколько способов распространения радиоволн в пространстве:напрямую, в зоне прямой видимости, за горизонт — огибая земную поверхность иотражаясь от ионосферы Земли. Самым надежным является прямой способ передачи,но он ограничивает расстояние от передатчика до приемника зоной прямойвидимости. Простым и практически единственным способом ре­шить задачу являетсяувеличение высоты передатчика. Именно для этого строили высокие башни:Эйфелеву, Останкинскую, Шуховскую и прочие.

 

Человек пытался установить передатчик или ретранслятор насамолетах и дирижаблях. Но только полвека назад появился способ кардинальноизменить ситуацию.

 

Проблему дальности связи смог решить Артур Кларк, первымсформулировавший идею космической ретрансляции. В 1945 году в журнале Wireless Worldпоявилась статья «Внеземная ретрансляция: могут ли ракетныестанции обеспечить всемирный радиоохват?»ученого и писателя Артура Кларка о перспективных системах беспроводной связи.Идея состояла в следующем: надо поместить ретрансляционный космический аппаратна орбиту, в которой период его обращения будет равняться периоду вращенияЗемли. Следова­тельно, этот аппарат будет оставаться неподвижным длянаблюдателя с Земли и его можно рассматривать как ретрансляционную башню,поднятую на высоту 36 тысяч километров над Землей. Орбиту Артур Кларк предложилназвать геостационарной. Правда,сам Кларк предполагал, что развитие техники позволит осуществить его идею нераньше конца 20 века.

 

В этойстатье Clarke не только определяет орбитальные характеристики, необходимые длятакой орбиты, но также обсуждает частоты и мощность, необходимые для связиземля-спутник, использование солнечного освещения для электропитания, он дажевычисляет воздействие солнечных затмений вблизи весенних и осеннихравноденствий.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.Оригинальный рисунок из статьи Кларка в Wireless World в октябре 1945

Никто, даже самые отъявленные оптимисты, не ожидали такойскорости развития космической техники, которую продемонстрировали США и СССР в1950-1960-е годы 20 века.

Уже4 октября 1957 г. СССР произвел запуск первого в мире искуственного спутникаЗемли. Первый советский спутник позволил впервые измерить плотность верхнейатмосферы, получить данные о распространении радиосигналов в ионосфере,отработать вопросы выведения на орбиту, тепловой режим и др. Спутникпредставлял собой алюминиевую сферу диаметром 58 см и массой 83,6 кг с четырьмяштыревыми антеннами длинной 2,4-2,9 м. В герметичном корпусе спутника размещалисьаппаратура и источники электропитания.

Современныеспутники принято делить на четыре семейства, в зависимости от параметров ихорбит:

— геостационарные (GEO -Geostationary Earth Orbit Satellites),

— (высоко)эллиптические (HEO — HighElliptic Orbit Satellites),

— средневысотные (MEO — MediumEarth Orbit или ICO -Intermediate Circular Orbit Satellites),

— низкоорбитальные (LEO — Low EarthOrbit Satellites).

 

Такоечеткое разделение определяется, в основном, физикой Земли и окружающего еепространства. Начнем с того, возможно, всем известного в наш космический векфакта, что нахождение спутника на орбите Земли без того, чтобы быстро упасть наземлю или, наоборот, оторваться от земного притяжения и улететь в космос,определяется скоростью его полета — 7,9 км/сек (так называемой первойкосмической скоростью). Для любого класса спутников эта скорость одинакова, вотпотому так отличаются перемещения спутников каждого семейства для наблюдателя сЗемли.

2. Теория геостационарной орбиты

Что являетсягеостационарной орбитой? В общих словах, это специальная орбита, на которойлюбой спутник, появившийся на ней, будет парить постоянно над одной точкойповерхности земли. Однако, в отличие от всех других классов орбит, где можетиметься совокупность орбит, имеется только одна геостационарная орбита.Давайте исследуем уникальные характеристики этой орбиты.

 

Любая орбита,чтобы быть геостационарной, должна прежде всего быть геосинхронной.Геосинхронная орбита — любая орбита, которая имеет период, равный периодуобращения Земли. Как мы скоро увидим, этого требования недостаточно, чтобыгарантировать фиксированное положение относительно земли. В то время, как всегеостационарные орбиты должны быть геосинхронными, не все геосинхронные орбитыявляются геостационарными. К сожалению, эти термины часто используютсяневпопад.

Перед тем, какпродолжить, необходимо пояснить, что же предполагается под периодомобращения Земли. В большинстве случаев мы полагаем, что вращение землиизмеряется относительно (среднего) положения Солнца. Однако, поскольку Солнцедвижется относительно звезд (инерциальное пространство) в результате вращенияЗемли вокруг Солнца, один средний солнечный день не является периодом, которыйнас интересует. Геосинхронный спутник завершает оборот вокруг земли за то жевремя, которое требуется Земле, чтобы выполнить один оборот в инерциальном (илификсированном) пространстве.

Этот интервалвремени известен как один сидерический день и равен 23h56m04s среднегосолнечного времени. Без любых прочих влияний, точка земли будет иметьориентацию в инерциальном пространстве в том же направлении, что и спутник сэтим периодом обращения при возвращении в определенную точку его орбиты.

Чтобыгарантировать, что спутник останется над определенной точкой на поверхностиземли, орбита должны также быть круговой и иметь нулевое наклонение. Рисунок 2показывает различие между геостационарной орбитой (GSO) и геосинхронной орбитой(GEO) с наклонением 20 градусов. Обе орбиты — круговые. В то время, как каждыйиз спутников завершит оборот в тот же самый момент времени, очевидно, чтогеосинхронный спутник будет двигаться к северу и к югу от экватора в течениеего обращения, в то время как геостационарный спутник не будет.

Рисунок 2. Геостационарные и геосинхронные орбиты

Орбиты с ненулевымэксцентриситетом (то есть скорее эллиптические, чем круговые орбиты) приведут ксмещениям то к востоку, то к западу, поскольку спутник движется быстрее илимедленнее в различных точках его орбиты. Комбинации ненулевого наклонения и эксцентриситетададут весь спектр перемещений относительно фиксированной точки земли.

На рисунке 3показаны некоторые типичные результаты. Похожая на восьмерку наземная трасса —результат движения по геосинхронной орбите (GEO), показанной на рисунке 2. Геостационарныйспутник (GSO) находится фиксированным в точке пересечения линии в фигуревосьмерки (над экватором). Если мы теперь придадим геосинхронному спутникуэксцентриситет 0.10, результатом будет наклонная в форме слезинки трасса. Какправило, эксцентрические геосинхронные орбиты имеют трассой фигуру, похожую нанаклоненную восьмерку, однако в данном случае точка пересечения сместилась к севернойвершине наземной трассы.

Рисунок 3. Геосинхронные земные трассы

Теперь должно бытьочевидно, что только спутники, которые обращаются по орбите с периодом, равнымпериоду обращения Земли и с нулевым эксцентриситетом и наклонением, могут бытьгеостационарными спутниками. Раз так, имеется только одна геостационарнаяорбита — пояс, окружающий экватор земли на высоте приблизительно 35786километров.

Должно также бытьясно, что невозможны орбиты спутников, висящих над точкой земной поверхности,которая не находится на экваторе. Это ограничение, однако, не столь серьезно,поскольку большая часть поверхности земли видима с геостационарной орбиты.Фактически, с одиночного геостационарного спутника видно 42 процентаповерхности земли, и совокупность геостационарных спутников, подобнаяпредложенной Кларком, охватывает пояс на поверхности земли между 81° южнойшироты и 81° северной.

Конечно,преимущество спутника на геостационарной орбите состоит в том, что он остаетсяпостоянным относительно поверхности земли. Это делает ее идеальной орбитой длясвязи, так как нет необходимости сопровождать спутник, чтобы определить, куданаправлять антенну. Однако, имеются и некоторые недостатки. Возможно, первый изних — большое расстояние между спутником и земной поверхностью. Имеядостаточную мощность или достаточно большую антенну, тем не менее, этоограничение можно преодолеть.

Тот факт, чтоимеется только одна геостационарная орбита, представляет более серьезноеограничение. Точно как в случае размещения бусинок на веревочной петле, имеютсяограниченное количество мест, в которые геостационарные спутники могут бытьпомещены. Основное ограничение состоит в разнесении спутников вдольгеостационарного пояса с тем, чтобы ограниченное количество частот,предназначенных для связи, не привело к интерференции частот разных спутниковпри приеме и передаче. Конечно, мы также хотим быть уверены, что спутникидостаточно далеки, чтобы не сталкиваться друг с другом, так как они будут иметьнекоторые малые перемещения.

В то время, какновые спутники связи могут быть помещены первоначально на истиннуюгеостационарную орбиту, имеются некоторые силы, которые изменяют орбиты современем. Так как геостационарная орбитальная плоскость не совпадает сплоскостью орбиты Земли (эклиптикой) или плоскостью орбиты Луны, гравитационноепритяжение Солнца и Луны действует так, чтобы переместить геостационарные спутникис их экваториальной орбиты, постепенно увеличивая орбитальное наклонениекаждого спутника. Кроме того, некруговая форма земного экватора заставляет этиспутники медленно стягиваться к одной из двух точек устойчивого равновесиявдоль экватора, приводя к восточно-западной либрации (дрейфу назад и вперед)относительно этих точек.

Чтобыпротиводействовать этим возмущениям, все геостационарные спутники имеютдостаточное количество топлива для периодических коррекций орбиты во времязапланированного срока службы спутника. Эти периодические коррекции известныкак поддержание неизменного положения. Коррекция север/югвозвращает медленно увеличивающееся наклонение назад к нулевому, а коррекциявосток/запад удерживает спутник в его назначенном положении в пределахгеостационарного пояса. Эти меневры планируются для поддержаниягеостационарного спутника в пределах малого отклонения от его идеальногорасположения (как в направлении север/юг, так и восток/запад). Этот допускобычно задается, чтобы гарантировать нахождение спутника в пределах ширины лучаземной антенны без дополнительного слежения.

Если спутникизрасходует топливо, его наклонение начнет расти и он начнет дрейфовать подолготе, и тогда он может представлять угрозу другим геостационарным спутникам.Часто геостационарные спутники переводятся на немного более высокую орбиту вконце их запланированного срока службы, чтобы предотвратить их столкновение сдругими геостационарными спутниками. Этот последний маневр предполагает, чтонет никакого незапланированного отказа, который помешал бы этому (вроденеисправностей в электропитании или отказа связи).

2.1. Использованиегеостационарных орбит (ГСО) спутников Земли

Орбитагеостационарного ИСЗ — это круговая (эксцентриситет е = 0), экваториальная (наклонениеi = 0°), синхронная орбита с периодом обращения 24 ч, с движением спутника ввосточном направлении.

Орбитаимеет форму окружности, лежащей в плоскости земного экватора с высотой надповерхностью Земли 35 786 км. Направление вращения ИСЗ совпадает с направлениемсуточного вращения Земли. Поэтому для земного наблюдателя спутник кажетсянеподвижным в определенной точке небесной полусферы.

Геостационарная орбита уникальнатем, что ни при каком другом сочетании параметров нельзя добиться неподвижностисвободно движущегося ИСЗ относительно земного наблюдателя.

 

2.2. Преимущества геостационарной орбиты ИСЗ:

Геостационарнаяорбита является уникальной и представ­ляет значительную эксплуатационнуюценность, поэтому все большее количество пользователей размещать на нейспутники различного назначения. С европейского континента можно «наблюдать»несколько десятков искусственных спутников, движущихся на геостационарнойорбите. Через них осуществляется в первую очередь телефонная связь со странамиамериканского континента и странами Ближнего Востока. Кроме того, многоспутников задействовано для ретрансляции телевизионного и звукового вещания.Использование геостационарной орбиты для этих целей дает следующиепреимущества:

                     связьосуществляется непрерывно, круглосуточно, без переходов (заходящего ИСЗ надругой).

                     конструкцииантенн земных станций упрощены, а на некоторых даже исключены системыавтоматического сопровождения ИСЗ;

                     достигнутоболее стабильное значение ослабления сигнала на трассе Земля — Космос;

                     зонавидимости геостационарного ИСЗ около одной трети земной поверхности;

                     спутникдвижется по геостационарной орбите с Запада на Вос­ток длительное время беззатрат энергии на это движение (как небесное тело) благодаря гравитационномупритяжению Земли и собственной инерции, с фиксированной линейной скоростью;

                     движущийсяпо геостационарной орбите с угловой скоростью, равной угловой скорости вращенияЗемли, спутник совершает оборот точно за одни сутки, вследствие чего оноказывается неподвижно «висящим» над земной поверхностью;

                     энергоснабжениеего систем осуществляется от солнечных батарей, освещаемых Солнцем;

                     посколькуспутник не пересекает радиационный пояс Земли, а находится выше его, тоувеличивается надежность и ресурс работы его электронных устройств и источниковпитания – солнечных ба­тарей;

                     связьс передающей станцией осуществляется непрерывно, без переключения с одного«заходящего» спутника на другой – «восходящий», т.е. для обеспечениянепрерывной постоянной связи необходим только один спутник;

                     впередающих антеннах в системе Земля-Спутник устройства автоматического слеженияза спутником могут быть упрощены или исключены вовсе, а в наземных приемныхантеннах в них фактически нет необходимости, что обес­печивает простотуприемных устройств, их дешевизну, доступность и массовость рас­пространения;

                     таккак расстояние до спутника на геостационарной орбите всегда постоянно, тоослабление сигнала при прохождении по трассе Земля – Спутник – Земля всегдаопределенное, не изменяющееся при движении спутника по орбите, что позволяетточно рассчитать мощность его бортового передатчика;

                     геостационарнаяорбита уникальна – спутники, расположенные на орбитах выше ее, «уходят» вкосмическое пространство, а, расположенные на орбитах ниже, – постепенноприближаются к Земле. И только спутники, находящиеся на геоста­ционарнойорбите, синхронно вращаются на постоянном расстоя­нии от Земли и неподвижныотносительно нее;

                     послеокончания срока функционирования спутник переводит­ся на так называемую«кладбищенскую» орбиту, которая находится на 200 км выше геостационарной, и онпостепенно удаляется от Земли в космическое пространство.

                     трехгеостационарных ИСЗ достаточно для создания глобальной системы связи;отсутствует (или становится весьма малым) частотный сдвиг, обусловленныйэффектом Доплера.

Эффектом Доплераназываютфизическое явление, заключающееся в изменении частоты высокочастотныхэлектромагнитных колебаний при взаимном перемещении передатчика и приемника.Эффект Доплера объясняется изменением расстояния во времени. Этот эффект можетвозникнуть также и при движении ИСЗ на орбите. На линиях связи через строгогеостационарный спутник доплеровский сдвиг не возникает, на реальныхгеостационарных ИСЗ — мало существен, а на сильно вытянутых эллиптических илинизких круговых орбитах может быть значительным. Эффект проявляется какнестабильность несущей частоты ретранслируемых спутником колебаний, котораядобавляется к аппаратурной нестабильности частоты, возникающей в аппаратуребортового ретранслятора и земной станции. Эта нестабильность может существенноосложнять прием сигналов, приводя к снижению помехоустойчивости приема.

К сожалению, эффект Доплера способствует изменениючастоты модулирующих колебаний. Это сжатие (или расширение) спектра передаваемогосигнала невозможно контролировать аппаратурными методами, так что если сдвигчастоты превысит допустимые пределы (например, 2 Гц для некоторых типоваппаратуры частотного разделения каналов), то канал оказывается неприемлемым

Однако орбитальнымгруппировкам, состоящим из геостационарных спутни­ков, присущ один крупныйнедостаток: большое время распространения радио­сигналов, – что приводит кзадержкам передачи сигналов при радиотелефон­ной связи. Ожидание приходаответного сигнала может вызвать недовольство нетерпеливых абонентов.

Существенноевлияние на свойства каналов связи оказывает и запаздывание радиосигнала при егораспространении по линии Земля — ИСЗ — Земля.

Припередаче симплексных (однонаправленных) сообщений (программ телевидения,звукового вешания и других дискретных (прерывистых) сообщений это запаздываниене ощущается потребителем. Однако при дуплексной (двусторонней) связизапаздывание на несколько секунд уже заметно. Например, электромагнитная волнаот Земли на ГСО и обратно «путешествует» 2…4 с (с учетом задержки сигнала ваппаратуре ИСЗ) и наземной аппаратуре. В этом случае не имеет смысла передаватьсигналы точного времени.

Выводгеостационарного спутника на орбиту обычно осуществляется многоступенчатойракетой через промежуточную орбиту. Современная ракета-носитель представляетсобой сложный космический летательный аппарат, который приводится в движениереактивной силой ракетного двигателя.

Выводискусственных спутников на геостационарную орбиту – задача непростая. Раньшедля запуска на нее не имелось доста­точно мощных ракетоносителей, поэтомупервые спутники связи находились на эллиптической, низкой околоземной орбите(напри­мер, первый американский спутник-ретрансля­тор Telstar).

Рисунок 13.7 — Геостационарная орбита

Поддержание связисо спутниками на эллиптической орбите очень сложное и дорогостоящее дело как вчасти передачи, так и приема.

Из-за быстрогоизменения местоположения спутников необхо­димо иметь подвижную систему следящихантенн. Спутники на та­ких орбитах можно использовать для создания постояннойсвязи только тогда, когда они по отношению как передающего, так и при­емногоустройства находятся над уровнем горизонта, т.е. для них должен быть виден как«восход» одного спутника, так и «заход» другого.

Развитие ракетнойтехники и создание мощных ракетных носи­телей дали возможность широкоиспользовать геостационарную орбиту для «установки» на нейспутников-ретрансляторов. На рисунке 13.8 показан часто применяемый способвывода спутников на геостационарную орбиту. Искусственный спутник выводятсначала на круговую орбиту, близкую к поверхно­сти Земли (250…300 км отповерхности), затем, повышая его ско­рость, переводят на эллиптическуюпромежуточную орбиту, бли­жайшая точка которой – перигей находится примерно нарасстоя­нии 270 км от Земли, а удаленная точка – апогей на расстоянии около36000 км, которая уже соответствует высоте геостационар­ной орбиты*.

Рисунок 13.8- Последовательность вывода спутника на геостационарную орбиту:

1 — сбрособтекателя; 2 — завершение начального полета; 3 — полное отделение последнейступени; 4 — определение положения для первого включения собствен­ного(апогейного) двигателя; 5 — первое включение собственного двигателя для выходана промежуточную (переходную) орбиту; 6 — определение положения напромежуточной орбите; 7 — второе включение собственного двигателя для выхода нагеостационарную орбиту; 8 — переориентация плоскости орбиты спутника и кор­рекцияошибок; 9 — ориентация спутника перпендикулярно к плоскости орбиты и коррекцияошибок; 10-остановка, раскрытие панелей солнечных батарей, полная расстыковка;11 — раскрытие антенн, включение стабилизаторов; 12 — стабилизация положения иначало работы

Дляспутника-ретранслятора очень важно, чтобы его собственная орби­та соответствовалабы идеально геостационарной. Так, если спут­ник движется по орбите, котораянесколько меньше геостационар­ной, то он постепенно смещается со своей позициив западном на­правлении, а если его орбита превышает геостационарную, тосмещение происходит в восточном направлении, т. е. по направле­нию движенияЗемли. Сдвиг на 1° на геостационарной орбите соот­ветствует расстоянию на нейпримерно в 750 км. При наличии в наземном приемном устройстве поворотнойследящей антенны ее несложно снова точно направить на спутник. Однако большинст­воиндивидуальных наземных устройств для приема со спутников имеют неподвижныеантенны с очень узкими, «игольчатыми» диа­граммами направленности, и постояннокорректировать направле­ние антенны на спутник ручным способом довольнообременитель­но, а из-за неточности ее наведения принимаемое телевизионноеизображение заметно ухудшается или вовсе исчезает. В связи с этим в целяхнадежного и уверенного приема необходимо обес­печить постоянный во времени«след» спутника, стабильность излу­чения его бортовых антенн только наотведенную территорию. По­этому спутнику нужно часто проводить коррекцию своегоположения и орбиты, что осуществляется им при помощи собственных двига­телей иприводит к расходу топлива. Это влияет на его срок служ­бы. При отсутствиитоплива для двигателей спутник начинает сме­щаться со своей позиции, чтоприводит к периодическому сближе­нию соседних спутников и, соответственно, кувеличению взаимных помех, и к увеличению помех приемным устройствам на Земле.

С точки зрениясрока функционирования спутника крайне важ­ным является количество топлива,потребляемого его собственны­ми реактивными (апогейными) двигателями. И,очевидно, чем больше останется топлива после первичной установки спутника наорбите, тем больше корректировок положения можно сделать и, следовательно, темдольше будет функционировать спутник. Про­должительность «жизни» спутника наорбите обычно составляет 5…7 лет, а некоторых — 10 лет и более, после чего онзаменяется новым, устанавливаемым на той же позиции.

Благодарясвоим уникальным свойствам и преимуществам геостационарная орбита на наиболееудобных участках (особенно над Тихим и Индийским океанами, а так же надАфриканским континентом) «заселена» спутниками до предела. На геостационарнойорбите определено 425 точек «стояния» – позиций спутников. Слово «позиция»однозначно определяет положение спутника на геостационарной орбите ­ егодолготу.

 

2.3. Отличительные особенности геостационарных спутников

Главнойособенностью геостационарных спутников является то, что их угловая скоростьсовпадает с угловой скоростью вращения Земли и потому для наблюдателя с Землиих положение на небе остается постоянным(3).

Геостационарныеспутники запускаются на орбиту, которая лежит в плоскости экватора Земли. Ноэта плоскость не совпадает с плоскостью вращения Земли вокруг Солнца и сплоскостью орбиты Луны. Солнце и Луна, каждые по-своему воздействуют своимпритяжением на спутник, который начинает смещаться с экваториальной плоскости.Тут в силу вступает еще асимметрия гравитационного поля самой Земли (из-за ееотличия от шара), силы радиации солнечного ветра, который подгоняетспутник, когда он движется от Солнца (к Востоку) и тормозит, при движенииспутника в направлении Солнца (от Запада).

В общем,спутника многие силы пытаются свести с предназначенной орбиты. И несмотря наустановленные на нем корректирующие двигатели, он хотя и на немного, ноотклоняется от заданной орбиты, что с Земли видится как будто он подобнокривому велосипедному колесу выписывает восьмерки. Маленькие, впределах 2-3 -х угловых градусов, но со временем, если не корректировать егополет размер восьмерки может достигнуть и 10 градусов (ориентировочно – градусв год).

Вотпоэтому и движется большая наземная антенна, вычерчивая вслед за спутникомвосьмерки, поскольку диаметр луча большой наземной антенны не превышает одногоградуса.

Свойствоспутников находиться постоянно в одной точке и видеть большие территориипозволяет с их помощью соединять линиями связи удаленные пункты, например,спутники, висящие над Атлантическим океаном, видят и Америку и Европу, аспутник, находящийся над Индией, обеспечивает соединение линиями связи Москвы сДальним Востоком. Таким же образом Япония соединяется с Америкой. Три спутникаИНМАРСАТ обеспечивают связью все корабли, бороздящие Атлантический, Тихий иИндийский океаны.

Конечно,количество действующих геостационаров гораздо больше теоретически необходимыхтрех. Во-первых, для увеличения мощности сигнала диаграмме направленности спутниковыхантенн придают очертания материка или участвующих в проекте государств. То естьих излучение попадает только на выбранные территории на Земле. Специалисты поантеннам научились делать такие антенные системы, которые могут на расстоянияхв 40 тысяч километров вычерчивать, например, контур Японских островов.

Во-вторых,спутниковые ретрансляторы имеют ограниченные полосы пропускания, поэтому общеечисло каналов связи одного спутника не так уж велико. Даже при полной загрузкеприемо — передающих пар (иначе — стволов или транспондеров, которых обычнобывает от 6 до 64 с полосой пропускания от 32 МГц до 72 МГц каждый) самыйсовременный спутник связи может потенциально обеспечить не более 8 тыс.стандартных телефонных каналов по 64 кбит/с, а при максимально допустимомсжатии до 2,4 кбит/с — около 200 тыс. каналов. Часть из них, как правило,занята служебными задачами, поэтому современный геостационар может обеспечитьлишь 10-15 тыс. телефонных каналов общего пользования, что с учетом стандартовна качество связи соответствует 40-60 тысячам абонентов. Что-то вроде однойрайонной АТС в Москве. Маловато. В результате число геостационаров сейчастаково, что каждое свободное место на орбите стало предметом крупной торговли иквотирования.

 

2.3.1. Корректировка орбиты

 

Срок службы — важнейшая характеристика современ­ногоспутника связи. Он зависит от ресурса его кор­ректировочных двигателей ибортовой аппаратуры. В упрощенной модели спутник стоит на геостационар­нойорбите неподвижно относительно земного наблю­дателя. Но на практике, если непроводить коррекцию, орбита станет наклонной и для наблюдателя с Земли спутникбудет описывать восьмерку. Кроме этого, из- за неидеальной шарообразности Землина 105° з.д. и 75° в.д. существуют так называемые «гравитационные впадины»,куда могут «скатиться» спутники, если их перестать корректировать. Допустимая«болтанка» современного спутника — не более 0,1° по долготе и широте, чтосоставляет приблизительно 70 км. Этого достаточно, чтобы удерживать несколько аппаратовв одном орбитальном слоте.

На первом этапе коммуникационные спутники стабилизировались поодной оси, вращением. Это позволяло нацеливать антенну на Землю, но не дава­ловозможности развертывать солнечные батареи к Солнцу. Сейчас все спутникистабилизированы по трем осям, возможно это стало с появлением XIPSи SRT.

 

2.3.2. Энергопитание и теплоотвод

 

Электрическую энергию, необходимую для работы всех системКА, получают из солнечных батарей. Самыми первыми являются солнечные батареи накремниевых структурах. Но сейчас спутники оборуду­ются батареями на арсенидегаллия. КПД кремниевых батарей составляет около 12%, батарей арсенида галлия -около 22%.

Характеристикой, лимитирующей мощность спутника, являетсявозможность отвода избыточного тепла. В космическом пространстве отсутствуетсреда, которая может осуществлять перенос тепла. Есть два решения этойпроблемы. Либо спутник делают по гер­метичной схеме, то есть заключают втермостат. Либо по негерметичной, где тепло отводится системой ра­диаторов.Негерметичная схема более прогрессивна, поскольку обладает большим ресурсом.

Коммуникационное оборудование спутника состо­ит изприемника, усилителя и передатчика. В качестве усилителя на всех спутниках, какправило, используют­ся лампы бегущей волны (TWTA — traveling wave tube amplifiers) или твердотельные усилители.

Космическая отрасль достаточно консервативна, поэтомуконструкция спутников связи меняется мед­ленно. Сейчас все основные системыкосмических ап­паратов связи остались теми же, что и в 80-е годы про­шлоговека. Развитие идет в направлении улучшения характеристик. Если 20 лет назадмощность спутника связи составляла около 10 кВт, то сейчас -15-20 кВт. Общаяпропускная емкость выросла примерно в три раза. Также все больше применяютсяконтурные ан­тенны, позволяющие очень точно формировать зону покрытия.Увеличение массы КА идет параллельно с увеличением грузоподъемностиракет-носителей. На геостационарной орбите сейчас находятся около 400работающих аппаратов. Резкого увеличения их числа не предполагается ввидуограниченности частотного ресурса. Большее количество спутников не сможетработать на ГСО, не создавая помех друг другу.

3. Использование искусственных спутников Земли

3.1. Использование искусственных спутников Земли для связи ителевидения

 Использование искусственных спутников Земли для связи и телевидения,оперативного и долгосрочного про­гнозирования погоды и гидрометеорологическойобстанов­ки, для навигации на морских путях и авиационных трас­сах, длявысокоточной геодезии, изучения природных ре­сурсов Земли и контроля средыобитания становится все более привычным. В ближайшей и в более отдаленнойперспективе разностороннее использование космоса и космической техники, вразличных областях хозяйства значительно возрастет.

Геостационарныеспутники выполняют на сегодняшний день множество задач, таких как:телекоммуникация, радиоместоопределение(системы навигации gps, глонасс и др.),главной задачей большинства геостационарных спутников является формированиеизображений видимой земной поверхности. Спутниковые системы связи сгеостационарными спутниками-ретрансляторами идеально подходят для решения такихзадач, как организация телевизионного и звукового вещания на обширныхтерриториях и предоставление высококачественных телекоммуникационных услугабонентам в удаленных и труднодоступных регионах. Кроме того, с их помощьюможно быстро создавать крупномасштабные корпоративные сети и резервироватьназемные магистральные каналы связи большой протяженности. Также сейчаспроводится создание мультисервисных сетей (объединяющих в едином пакете такиеуслуги, как передача данных, телефония, цифровое телевидение, видеоконференцияи доступ в интернет) на основе технологии VSAT. Также важно подменить, чтовсего три геостационарных спутника способны охватить всю поверхность Земли. Ноу геостационарных спутников также есть недостатки, наиболее важный из них : Нагеостационарной орбите нельзя располагать слишком большое количество спутниковсвязи, так как иначе они начнут мешать работе друг другу. Следовательно, кромегеостационарных спутников, которые вскоре “заполонят” геостационарную орбитунужно развивать и другие спутниковые системы-низкоорбитальные, что сейчас ипроисходит. И в заключения хочется сказать, что Современныеоптико-телевизионные космические средства уже позволяют рассмотреть с орбитыпредметы с размерами порядка метра и передать полученное изображение черезспутники-ретрансляторы абонентам.

Немногиеаспекты космической эры настолько сильно воздействовали на нашу повседневнуюжизнь как изобретение спутника связи. В нескольких словах, такие спутникисоединили даже наиболее удаленные места земного шара способом, о котором совсемнедавно можно было только думать.

Сегодня возможнопоговорить непосредственно с альпинистами на горе Эверест или соединиться черезИнтернет виртуально с любой компьютерной системой на поверхности планеты спомощью спутников связи.

В то время какспутники связи выполняют их миссии на орбитах многих типов, от околоземныхсовокупностей вроде Iridium и Globalstar до сильно наклоненных, с большимэксцентриситетом орбит российских спутников Molniya, одним из наиболее важныхклассов орбит для этих спутников является геостационарная орбита. В этой статьея хотел бы исследовать уникальные свойства орбиты этого класса, которые делаютее подходящей не только для спутников связи, но также и для раннегопредупреждения и наблюдения погоды.

Для нашей эпохихарактерен огромный рост информации во всех сферах деятельности человека.Помимо прогрессирующего развития традиционных средств передачиинформации—телефонии, телеграфии, радиовещания, возникла потребность в созданииновых ее видов — телевидения, обмена данными в автоматических системахуправления 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 культурыпривели к значительному росту международных и межконтинентальных связей,включая обмен телевизионными программами.

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 дальнихназемных и подводных кабель­ных линий занимает много времени. Они сложны и доро­гостоящине только в строительстве, но и в эксплуата­ции, и в отношении дальнейшегоразвития. Обычные ка­бельные линии имеют к тому же сравнительно малуюпропускную способность. Лучшие перспективы имеют ши­рокополосныеконцентрические 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.

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

Новые путипреодоления свойственных дальней радио­связи недостатков открыли запускиискусственных 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 разностороннееприменение.

3.2. Частотные диапазоны.

Выбор частоты для передачи данных отземной станции к спутнику и от спутника к земной станции не являетсяпроизвольным. От частоты зависит, например, поглощение радиоволн в атмосфере, атакже необходимые размеры передающей и приемной антенн. Частоты, на которыхпроисходит передача от земной станции к спутнику, отличаются от частот,используемых для передачи от спутника к земной станции (как правило, первыевыше). Частоты, используемые в спутниковой связи, разделяют на диапазоны,обозначаемые буквами:

Название диапазона	Частоты	Применение
L	1,5 ГГц	Подвижная спутниковая связь
S	2,5 ГГц	Подвижная спутниковая связь
С	4 ГГц, 6 ГГц	Фиксированная спутниковая связь
X	Для спутниковой связи в этом диапазоне частоты не определены. Для приложений радиолокации указан диапазон 8-12 ГГц.	Фиксированная спутниковая связь (для военных целей)
Ku	11 ГГц, 12 ГГц, 14 ГГц	Фиксированная спутниковая связь, спутниковое вещание
K	20 ГГц	Фиксированная спутниковая связь, спутниковое вещание
Ka	30 ГГц	Фиксированная спутниковая связь, межспутниковая связь

         Ku-диапазон позволяет производить прием сравнительно небольшими антеннами,и поэтому используется в спутниковом телевидении (DVB), несмотря на то, что вэтом диапазоне погодные условия оказывают существенное влияние на качествопередачи. Для передачи данных крупными пользователями (организациями) частоприменяется C-диапазон. Это обеспечивает более высокое качество приема, нотребует довольно больших размеров антенны.

Современныеорганизации характеризуются большим объемом различной информации, в основномэлектронной и телекоммуникационной, которая проходит через них каждый день.Поэтому важно иметь высококачественный выход на коммутационные узлы, которыеобеспечивают выход на все важные коммуникационные линии. В России, гдерасстояния между населенными пунктами огромное, а качество наземных линийоставляет желать лучшего, оптимальным решением этого вопроса являетсяприменение систем спутниковой связи (ССС).

Врамках президентской программы «Универсальная услуга связи» в каждом населенномпункте были установлены таксофоны, в особо отдаленных районах были использованыименно спутниковые таксофоны.

Согласнофедеральной целевой программы «Развитие телерадиовещания в Российской Федерациина 2009-2015 годы» происходит внедрение цифрового вещания в России. Программаполностью профинансирована, в том числе средства пойдут и на созданиемногофункциональных спутников.

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.

Говоря онесомненных достоинствах СИСЗ, нельзя упускать из виду того, что вывод аппаратана стационар­ную орбиту осуществляется сложнее, чем на низкую или даже навысокоэллиптическую. 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.

Успешно действуютсоветские геостационарные спутники связи и телевизион­ного вещания типа«Радуга», «Экран», «Горизонт».   

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

Несмотря на своидостоинства, геостационары, однако не во всех случаях выгодны втехнико-экономическом отношении. При определенных условиях более ра­циональноиспользование ИСЗ на высокоэллиптических орбитах, например типа «Молния».

С каждым годомспутниковые системы связи будут становиться все более существенной частьюЕдиной си­стемы связи, важным элементом глобальной систе­мы связи. Они и теперьиграют заметную роль в улуч­шении связей и взаимопонимания между странами, а втечением времени эта роль будет возрастать.

3.3. Интересные факты о спутниковом телевидении

Телевизионныеспутники не вечны, их ресурс службы около 15 лет.

          Всего вокруг нашей планеты, на геостационарной орбите, находитсяболее 70 телевизионных спутников связи. Через некоторые из них можно такжеподключить спутниковый интернет.

          Перед окончанием запаса топлива, спутник отправляют на орбиту захоронения,которая расположена на высоте 36 000 км. На данный момент на орбите захоронениянаходятся сотни отработавший свой ресурс спутников.

         Из-за большого расстояния до спутника и задержек в приемном ипередающем оборудовании, задержка сигнала составляет не менее 1 секунды, чтоделает спутниковые системы непригодными для использования в онлайн играх.

        Одну тарелку можно настроить сразу на несколько спутников, используянесколько конвертеров.

        Стандартная пропускная способность спутников колеблется от десятков досотен гигабайт в секунду. Это позволяет передавать параллельно интернет,музыку, видео высокого разрешения. К слову, на данный момент уже началасьтрансляция некоторых каналов в разрешении 4k (ULTRA HD).

        В 1990 году, комплект спутникового телевидения стоил не менее 7 000долларов!

        Когда люди колонизируют Марс, колонисты смогут смотреть спутниковоетелевидение с Земли, но интернетом, к сожалению, воспользоваться не смогут. Этосвязано с тем, что пинг в таком случае будет более получаса. На практике этобудет выглядеть так, вводите в браузере yaplakal.com и пол часа ждете показапрос дойдет до Земного сервера, затем пол часа ожидаете содержимое страницы,не говоря уже про картинки или видео.

 

3.4. Система «ГЛОНАСС»

 
        Трудно найти сектор экономики, где бы навигационные технологии неиспользовались. Все виды транспорта, многочисленные системы синхронизации впромышленности и, особенно, в области связи, строительство, территориальное планирование,много других областей – за всем этим незримо стоят глобальные спутниковыенавигационные системы.
 
        Лет 7-8 назад, когда появились первые коммерчески доступныенавигационные приёмники с поддержкой ГЛОНАСС (здесь и далее мы говорим про обычныеприёмники, не касаясь рынка высокоточной навигации), они стоили очень дорого –$400 и более. GPS-приёмникам тех лет, которые стоили $20, они уступали понескольким параметрам: по размеру были больше чуть ли не в 10 раз, апотребление и стоимость были выше в 20 раз. При этом их технические параметры,мягко говоря, «были не очень». Говорить о доле приёмников ГЛОНАСС в условияхоткрытого рынка было довольно трудно.

        Спутников ГЛОНАСС в те годы тоже было немного, глобального покрытия несуществовало, и случались моменты, когда на территории Москвы навигация поГЛОНАСС была невозможна – было видно только два спутника одновременно.

        Государством были предприняты колоссальные усилия как по завершениюразвёртывания системы ГЛОНАСС, так и по стимулированию рынка. В декабре 2011года спутниковый сегмент ГЛОНАСС был развёрнут полностью, все 24 аппарата, былообеспечено качественное глобальное покрытие.
 
       Одновременно с этим, начиная с января 2012 года, в мире не былоанонсировано ни одной гражданской разработки навигационных приёмников безподдержки ГЛОНАСС. Большая часть современного навигационного оборудования, втом числе сотовых телефонов и планшетов, в которых есть функция навигации,поддерживают, как минимум, ГЛОНАСС и GPS.

       Что касается стоимости, то сейчас стоимость многосистемногонавигационного приёмника (ГЛОНАСС-GPS как минимум, также бывают приёмники споддержкой Galileo, BeiDou, QZNSS) не выше стоимости старых разработокодносистемных GPS-приёмников, при этом качество работы многосистемногоприёмника намного выше.

        Подводя итог, можно сказать – проникновение приёмников с поддержкойсистемы ГЛОНАСС во все сегменты экономики велико, точно более 50%. Проблемойявляется то, что доля отечественных производителей на этом рынке – менее 20%.
Решения ГЛОНАСС показывают свою эффективность во всех внедрениях, от локальныхмуниципальных систем контроля и управления до систем федерального значения.

        Помимо прямого эффекта от внедрения систем на базе ГЛОНАСС, наблюдаетсякосвенный эффект. А именно, практически каждое внедрение системы связано нетолько с применением оборудования спутниковой навигации, но и с созданиеминформационной инфраструктуры. Что является мощным стимулом для развития ещёодной высокотехнологичной индустрии – информационных технологий.

Внедрение системыведёт к повышению эффективности не только транспорта, но и деятельностизаказчика перевозок – бизнеса, промышленности, государства. Поэтому ГЛОНАСС –это движитель экономики в целом, а не исключительно транспортной отрасли.

Навигационныетехнологии применяются повсеместно практически во всех отраслях экономики навсех видах транспорта (наземный, воздушный, морской, речной): перевозкапассажиров и грузов, службы экстренного реагирования (скорая медицинскаяпомощь, МЧС, полиция), дорожное хозяйство, сельское хозяйство, добывающиеотрасли (включая нефтегазовую промышленность). ГЛОНАСС активно используется ввысокоточной навигации, строительстве, геодезии и пр.

Эффективностьнавигационных решений давно подтверждена. Заказчиков (будь то коммерческиекомпании или государственные предприятия) не нужно убеждать в необходимостивнедрения ГЛОНАСС-решений для достижения экономических (снижение расходов наГСМ, снижение простоев), социальных эффектов (безопасность дорожного движения,качество транспортного обслуживания населения) и мн. др. Так, например,применение навигационных технологий на пассажирском транспорте позволяет обеспечитьповышение регулярности рейсов до 99%, рост производительности труда на 30%,сокращение расходов на топливо от 15 до 30%, сокращение расходов на ремонттранспортных средств до 10% и мн. др. Без высокоточного позиционированияневозможно построить дорогу, проложить трубопровод. Без навигационныхтехнологий невозможно на современном уровне управлять автопарками транспортныхсредств, решать логистические задачи.

Возьмём, кпримеру, сельское хозяйство, высокоточное позиционирование, контроль инженерныхсооружений. Не так давно российскими разработчиками создана системадистанционного мониторинга состояния сложных инженерных объектов, котораяавтоматически в режиме реального времени отслеживает смещение объектовдорожно-транспортной инфраструктуры и оползневых геомассивов (в постобработке сточностью до 4-5 мм), позволяя не только оперативно реагировать навозникновение нештатных и чрезвычайных ситуаций, но и заранее ихпрогнозировать, своевременно определять появление дефектов дорожных сооружений.Система внедрена и успешно отработана на участке федеральной трассы М27Джубга-Сочи в районе Хостинской эстакады (участок 194–196 км) – наиболееопасном и сложном с точки зрения прочности элементов конструкции.

        На российском навигационном рынке заметен переход именно к комплекснымрешениям, которые, помимо функций мониторинга и управления транспортом,включали бы возможность видеонаблюдения, информирования в режиме реальноговремени. Всё большую популярность приобретает LBA – геотаргетированная реклама,работающая на основе навигационных технологий.

3.5. Шаг вперед в развитии метеорологической науки.

Развитие ракетнойтехники позволило метеорологам уже в середине 20-го столетия проникнуть сприборами, устанавливаемыми на ракетах, сначала в среднюю и верхнююстратосферу, а затем еще выше – в мезосферу и термосферу. Специальносконструированные метеорологические ракеты в состоянии зондировать атмосферу навысотах до 500 км, а выводимые на орбиты вокруг Земли с помощью ракетметеорологические спутники превратились в принципиально новое средствоисследования атмосферы, увеличившее во много раз информацию о погоде на нашейпланете, доступную повседневному анализу. Поток метеорологической информации,поступающей от метеорологических искусственных спутников Земли (МИСЗ), сталнастолько большим, что потребовал внедрения более совершенных машин. Вместе собычными средствами наблюдения за погодой с земной поверхности с помощьюрадиозондов, ракет, метео-радиолокаторы МИСЗ позволили следить за всемиизменениями погоды еще и сверху, с высоты сотен и тысяч километров. Ценностьподобной информации возрастает во сто крат в районах земного шара, гдеколичество пунктов наблюдения за погодой невелико: так обстоят дела на обширныхокеанских просторах, в труднодоступных и малонаселенных полярных, пустынных,высокогорных областях. Преимущество наблюдений за погодой из космоса состоитеще и в том, что информация поступает непрерывно.

Метеорологическиеспутники оснащены обзорной и измерительной аппаратурой. Обзорную аппаратурусоставляют так называемые телевизионные и инфракрасные системы спутника,позволяющие в комплексе производить фотографирование облаков и земнойповерхности не только на дневной (освещенной Солнцем), но и на ночной (теневой)стороне нашей планеты. Телевизионная съемка облачности производится в видимойчасти солнечного спектра. Фотографирование в инфракрасной части спектра вдиапазоне волн длиной 8-12 мкм выполнимо и в ночное время; разрешающаяспособность аппаратуры – примерно 8 км. Оборудование метеорологических спутниковпозволяет вести работу в режимах как непосредственной передачи информации, таки запоминания её, с последующим считыванием по команде с Земли.

Применениемикроволновой радиометрической аппаратуры на ИСЗ расширяет возможностиспутниковой метеорологии, позволяя изучать состояние земной поверхности сквозьоблачность, так как для распространения волн сантиметрового диапазона она неявляется препятствием. Кроме того, такая аппаратура даёт возможность болеедетально исследовать процессы, протекающие в самих облаках.

В основемикроволнового исследования атмосферы с помощью ИСЗ лежит способность всех телв природе излучать и поглощать энергию. С изменением температуры земнойповерхности, её влагосодержания, наличия на ней воды, снега, осадков,количества растворенной в воде соли и других показателей её состоянияизменяются тепловые потоки, исходящие от земной поверхности. Измеряя тепловыепотоки высокочувствительной аппаратурой, работающей в диапазоне микроволн,можно судить о многих процессах, происходящих на поверхности океана, суши, воблаках и в атмосфере. Измерение теплового радиоизлучения над малоосвещеннымиучастками земного шара, например над океанами, позволяет определить наличие имощность облачного покрова, обнаружить зоны выпадения осадков и оценитьинтенсивность последних. Это связано со способностью капельно-жидкой воды,содержащейся в облаках и осадках, активно поглощать радиоизлучение с длинойволны меньше 1 см. Таким образом, по интенсивности фиксируемого спутникомизлучения можно судить о состоянии погоды над поверхностью океана, лишеннойдругих средств метеорологических наблюдений требуемой полноты.

3.5.1. Орбиты метеорологических спутников.

Обычная высотаорбит современных метеорологических спутников около 900 км, форма орбит — почтикруговая, орбиты близки по направлению к полярным. Однако, метеорологическиеспутники могут располагаться на геостационарных экваториальных орбитах навысоте около 36000 км. Они предназначены для менее детального, но постоянногообзора земной поверхности. Вращаясь вместе с Землей с одной и той же угловойскоростью, они способны обеспечить наблюдение одного и того же очень большогоучастка земной поверхности, равного для каждого такого спутника площадиповерхности целых континентов или океанов.

Это очень удобнодля непрерывного слежения за эволюцией тропических циклонов и облачных систем внизких широтах в районах возможного зарождения тропических штормов; они такжепозволяют прослеживать линии шквалов над океаном и обнаруживать торнадо. Спомощью геостационарных спутников можно следить за перемещением облаков иопределять скорость и направление ветра на высоте облачности. Кроме того, наэти спутники предполагается возложить сбор данных с наземных автоматическихстанций и морских буев, количество которых, по проекту Всемирной Службы Погоды,достигнет со временем нескольких тысяч.

3.5.2. Использование искусственных спутников Земли вметеорологии и других областях науки и жизни.

С помощьюискусственных спутников Земли можно получить много дополнительнойинформации, причем не только над малонаселенными и труднодоступными участкамиземного шара. В частности, ИСЗ весьма оперативно обеспечивают получение данныхо границе снежного покрова и всех её изменениях, об облачности атмосферныхфронтов и циклонов, дополняя и уточняя данные сети наземных метеорологическихстанций. Очень существенна получаемая с ИСЗ информация о дымовых облаках надпромышленными районами и над лесными массивами, возникающих в результатеиндустриального загрязнения воздуха и лесных пожаров. На снимках из космоса отчетливовидны очаги загрязнений над промышленными центрами, видно их перемещение,особенности структуры, позволяющие судить о концентрации примесей и высоте ихраспространения. Дымовые шлейфы от заводов, морских судов и пятна дымкипромышленных загрязнений могут отчетливо видеть космонавты, но систематическоеих изучение возможно только по космическим снимкам, на которых четкофиксируются все очаги загрязнений.

 

3.6. Изучение Земли из космоса

Человеквпервые оценил роль спутников для контроля за состоянием сельскохозяйственныхугодий, лесов и других природных ресурсов Земли лишь спустя несколько лет посленаступления космической эры. Начало было положено в 1960г., когда с помощьюметеорологических спутников “Тирос” были получены подобные карте очертанияземного шара, лежащего под облаками. Эти первые черно-белые ТВ изображениядавали весьма слабое представление о деятельности человека и, тем не менее, этобыло первым шагом. Вскоре были разработаны новые технические средства,позволившие повысить качество наблюдений. Информация извлекалась измногоспектральных изображений в видимом и инфракрасном (ИК) областях спектра.Первыми спутниками, предназначенными для максимального использования этихвозможностей, были аппараты типа “Лэндсат”. Например спутник “Лэндсат-D” ,четвертый из серии, осуществлял наблюдение Земли с высоты более 640 км спомощью усовершенствованных чувствительных приборов, что позволило потребителямполучать значительно более детальную и своевременную информацию. Одной изпервых областей применения изображений земной поверхности, была картография.Изображения, полученные с помощью спутника “Лэндсат”, позволили скорректироватьи обновить некоторые существующие карты США. В СССР изображения, полученные состанции “Салют”, оказались незаменимыми для выверки железнодорожной трассы БАМ.

Использованиеинформации со спутников выявило ее неоспоримые преимущества при оценке объемастроевого леса на обширных территориях любой страны. Стало возможным управлятьпроцессом вырубки леса и при необходимости давать рекомендации по изменениюконтуров района вырубки с точки зрения наилучшей сохранности леса. Благодаряизображениям со спутников стало также возможным быстро оценивать границы лесныхпожаров, особенно “коронообразных”, характерных для западных областей СевернойАмерики, а так же районов Приморья и южных районов Восточной Сибири в России.

Огромное значениедля человечества в целом имеет возможность наблюдения практически непрерывно запросторами Мирового Океана, этой “кузницы” погоды. Именно над толщами океанскойводы зарождаются чудовищной силы ураганы и тайфуны, несущие многочисленныежертвы и разрушения для жителей побережья. Раннее оповещение населения частоимеет решающее значение для спасения жизней десятков тысяч людей. Определениезапасов рыбы и других морепродуктов также имеет огромное практическое значение.Океанские течения часто искривляются, меняют курс и размеры. Например, ЭльНино, теплое течение в южном направлении у берегов Эквадора в отдельные годыможет распространяться вдоль берегов Перу до 12гр. ю. ш.. Когда это происходитпланктон и рыба гибнут огромных количествах, нанося непоправимый ущерб рыбнымпромыслам многих стран и том числе и России. Большие концентрации одноклеточныхморских организмов повышают смертность рыбы, возможно из-за содержащихся в нихтоксинов. Наблюдение со спутников помогает выявить “капризы” таких течений идать полезную информацию тем, кто в ней нуждается.

 

3.6.1. Температураповерхности морей

Цветовымиградациями показана температура морской поверхности в градусах.
Карта с информацией за прошедшие сутки обновляется ежедневно около 4 час ВСВ.
ВСВ – всемирное скоординированное время, совпадающее со временем по Гринвичу.

3.6.2. Синоптические карты

Фото со спутника Электро-Л №1

   

 

3.6.3. Мониторинг лесных пожаров

Лесныепожары издавна причиняли большой ущерб. С течением времени и ростом населенияони становятся все более нежелательным явлением, а борьба с ними —государственной проблемой не только в России, но и в других многолес­ных государствах.Недостаточные меры, направленные на тушение огня, способст­вуют распространениюпожаров на огром­ной площади и делают их чрезвычайно опасными для жизничеловека, о чем нельзя забывать.

Оперативноеобнаружение и мониторинг очагов пожаров на территории обширных итруднодоступных лесных массивов России — актуальная природоохранная задача.Традиционное использование авиации для патрулирования пожароопасных районовтребует значительных финансовых средств, что объясняет возрастающую рольспутниковых систем дистанционного зондирования земной поверхности.Использование искусственных спутников земли (ИСЗ) является оптимальным длярешения данной проблемы.

Нетруднопредставить себе, какие возможности для использования в самых разных отрасляхоткрывает такой взгляд из космоса. Сегодня новейшие технологиикосмического наблюдения, или, как принято говорить, мониторинга, все ширеиспользуются в мире.

Геоинформационнаясистема (ГИС) обеспечивает сбор, хранение, сопряженную обработку ираспространение пространственно-координированных данных о горимости лесов,условиях возникновения и развития лесных пожаров, уровне их воздействия наокружающую среду, получаемых на основе наземных, воздушных и космическихсредств и методов наблюдения за лесными пожарами и погодными условиями.Информация, представленная в виде совокупности таблиц, электронных тематическихкарт и результатов обработки спутниковых изображений, оперативно обновляется наWWW-сервере и доступна пользователям по сети Internet в реальном времени.

Задачи ГИС мониторинга лесных пожаров:

      оценкаи прогноз пожарной опасности в лесах;

      мониторингпроцесса возникновения и развития лесных пожаров;

      мониторингпроцесса обнаружения и тушения лесных пожаров.

Для повышения эффективности контроля воздействия лесныхпожаров на окружающую среду в ЦКМ проводятся работы по созданию ГеографическойИнформационной Системы Лесные пожары Иркутской области. Основнымсодержанием данной ГИС является оперативная информация о зарегистрированныхочагах пожаров. Наряду со стандартными слоями, представляющими элементытопографической основы, в данной ГИС присутствуют специализированные слоиинформации служб по охране леса (границы авиаотделений, квартальная сетьлесничеств).

На основе ГИС – технологических систем возможен прогнозповедения пожаров и их последствий, что в свою очередь позволяет осуществитьпланирование мероприятий в рамках определённых территорий и периодалесопожарного сезона по предупреждению возгорания лесных участков и устранениепоследствий пожаров.

Но есть целый ряд практически важных проблем, решитькоторые можно только при наличии спутниковых данных высокого пространственногоразрешения. Комплекс принимает информацию с американской спутниковой системыNOAA, имеющей среднее пространственное разрешение 1 км, но обладающей высокойоперативностью — съемка региона производится 4–6 раз в сутки. Используютсяданные пятиканального радиометра AVHRR в сочетании с пороговыми алгоритмамиобнаружения очагов, которые базируются на применении совокупности фиксированныхпороговых значений к измеряемым характеристикам интенсивности восходящегоизлучения. Основными информативными признаками здесь являются радиационнаятемпература (Т3) в третьем канале и разность температур (Т3-Т4) третьего ичетвертого каналов. Другие комбинации измеряемых характеристик обычноиспользуются для контроля облачности и простейшего учета вариаций искажающеговлияния атмосферы. Очевидно, что точность работы таких пороговых алгоритмовзависит от вариаций оптико-геометрических условий наблюдений: а) молекулярных,аэрозольных и облачных оптических характеристик; б) изменений оптическихпараметров трассы наблюдения за счет угла визирования оси прибора; в)геометрических параметров положения Солнца.

Система спутникового мониторинга лесных пожаров работаетв автоматическом режиме, что позволяет круглосуточно, в течение пожароопасногопериода, вести прием и обработку информации с целью обнаружения лесных пожаровна территории всей Сибири и Дальнего Востока.

Основные проблемы применения данной системы является: повышениеточности обнаружения очага пожара; сокращение ложных оповещений; обнаружениеразличных типов возгорании; а также разработка общей математической моделилесных пожаров, которая позволит усовершенствовать методику прогноза леснойпожарной опасности, так как с помощью этой модели можно учесть такиесущественные факторы, как влияние излучения Солнца, тип почвы и типрастительности на сушку слоя лесных горючих материалов. Кроме того, в рамкахэтой модели можно определить поля плотности излучения над очагом лесного пожарав различные моменты времени, что в принципе позволяет создать новую методикуобнаружения и диагностики лесных пожаров по данным аэрокосмическогомониторинга.

Основные ограничения на повышение разрешения изображенийнакладывает бортовая аппаратура регистрации изображений. Сюда включается преждевсего, оптическая разрешающая способность, определяемая отношение рабочей длиныволны к размеру регистрирующей апертуры объектива, а также степень усредненияизображений и шаг дискредитации  перед их передачей на Землю ИСЗ. Иныеограничения связанные с геометрическими искажениями, например с наклоннымвизированием, рефракцией в атмосфере и т. д., здесь не рассматриваются.

 Повышение разрешения включает две взаимосвязанные задачи:улучшение визуального качества и реконструкцию изображений. Решению первойзадачи служит метод фрагментации и зонирования изображений. Решению второй –метод деконволюции с регуляризацией.

Сочетание зональной обработки изображений и их реконструкциипозволит подойти к решению задач прогноза развития пожаров и выбора методовподавления. Очевидно, что при этом целесообразно использовать современныегеоинформационные технологии и оболочки документирования результатовмониторинга лесных пожаров и принятия своевременных решений по борьбе с леснымипожарами.

Главным результатом математического моделирования лесныхпожаров является определение предельных условий распространения лесных пожаров,при которых процесс горения прекращается. Разработанные к настоящему времениматематические модели лесных пожаров позволяют правильно описывать механизмы ихраспространения и классифицировать основные режимы зажигания.

В качестве развития программ и технологии ГИС в будущемпредполагается моделировать развитие пожаров в зависимости от настоящейситуации лесного фонда и видов действующих пожаров, с целью координации работылесопожарных служб и назначения оптимального перечня мероприятий по тушению иустранению последствий  пожаров.

Решение этих вопросов позволит в первом приближении завершитьсоздание математической теории лесных пожаров и использовать ее для созданиякак способов и средств для борьбы с лесными пожарами, так и прогнозовэкологических последствий лесных пожаров.

 

 

3.6.4.Google карты

     Вплоть до последнихдесятилетий человечество составляло и изучало карты мира, восновном, на бумажных носителях. Художники изображали мир на картах наосновании географических данных, полученных после морских, воздушных и другихпутешествий по поверхности Земли. Потом на орбиту Земли были запущены спутники.И карты стали совсем другими… До этого момента мы и представления не имели, каквыглядит Земля по настоящему. Сегодня у нас есть уникальная возможность изучитькарту мира в новом ее виде – спутниковом. Этоновая форма мировых карт, которая быстро завоевывает популярность благодарясвоей красоте и точности.

 

4. Заключение

Работа решила стоящие задачи:

      Стимулирует интерес к астрофизике и науке в целом.

      Содействуетлёгкому восприятию творческих аспектов астрономии и спутниковой коммуникации,которые представляют собой бесценный общий ресурс для всех стран.

      Раскрываетобразовательную и общекультурную роли применениягеостационарных спутников.

Работаполучилась:

      Привлекательнапо исполнению ( в форме презентации)

      Рассчитанана аудиторию разного уровня восприятия.

      Систематизируетматериал из области применимости геостационарных спутников.

      Удобнакак для самостоятельного изучения, так и для применения на уроках.

      Экономитвремя.

 

Реализация такого рода проектов может сыграть чрезвычайно важнуюроль, в частности, в повышении информированности обучающихся в областиастронавигации, расширение представлений о границах применимостигеостационарных спутников, для устойчивого развития этого интереса, всодействии расширению доступа к фундаментальным научным знаниям универсальногозначения благодаря живому интересу к астрофизике, в оказании поддержкипреподаванию научных дисциплин в школах, а также  содействие обеспечению научнойграмотности людей.

И в заключениихочется процитировать М.Ломоносова:

 «Красота,важность, обширность, величие астроно­мии не только возвышают дух мудрых, воз­буждаяих пытливость и усердие, не только прельщают умы граждан, просвещенных инаходящих отраду в науке, но и необразо­ванную толпу приводят в изумление».

 

 

 

 

 

Список использованной литературы и интернет ресурсов:

1.      TheUCS Satellite Database is a listing of Satellites Added and Deleted fromFebruary 2001 to February 2012 // Union of Concerned Scientists. SatelliteDatabase Downloads.

2.     Новости космонавтики //2002, №3.

3.     Новости космонавтики //2003, №3.

4.     Новости космонавтики //2004, №3.

5.     Новости космонавтики //2005, №3.

6.     Новости космонавтики // 2006, №3.

7.     Новости космонавтики // 2007, №3.

8.     Новости космонавтики // 2008, №3.

9.     Новости космонавтики // 2008, №3.

10.  Новостикосмонавтики // 2010, №3.

11.  Новостикосмонавтики // 2011, №3.

12.  Новостикосмонавтики // 2012, №3.

13.  А.Крылов. Геостационарные спутники связи и вещания за первые 10 лет XXI века //Connect, 2011, №7, стр.93–96.

14.  Euroconsult.World Market Survey // 2006. Satellites to be Built and Launched from 2007 to2016.

15.   SatelliteIndustry Association. State of the Satellite Industry Report, 2008.

16.  SatelliteIndustry Association. State of the Satellite Industry Report, 2009.

17.  SatelliteIndustry Association. State of the Satellite Industry Report, 2010.

18.  SatelliteIndustry Association. State of the Satellite Industry Report, 2011.

19.  SatelliteIndustry Association. State of the Satellite Industry Report, 2012.

20.  А.Е.Буравин. Малые спутники связи на геостационарной орбите: ниша и перспективы.Журнал «Технологии и средства связи», № 3/2006.

21.  LockheedMartin Commercial Space Systems. Официальный сайт.

22.  OrbitalSciences Corporation. Официальный сайт.

23.   BoeingSatellite Systems. Официальный сайт.

24.  SpaceSystems/Loral. Официальный сайт.

25.  EADSAstrium. Официальный сайт.

26.  ThalesAlenia Space. Официальный сайт.

27.  ОАО«ИСС имени академика М.Ф. Решетнёва». Официальный сайт.

28.  Новостикосмонавтики // 2012, №3.

29.   SatelliteIndustry Association. State of the Satellite Industry Report, 2013.

30.  Кондратьев К. Я., ТимофеевЮ. М., Термическое зондирование атмосферы со спутников, Л., 1970;

31.  Минина Л. С., Практиканефанализа, Л., 1970;

32.  Кондратьев К. Я.,Спутниковая метеорология, в кн.: Итоги науки и техники. Метеорология иклиматология, т. 3, М., 1976.

33.  Остапенко П.Д.«Вопросы о погоде»

34.  Белоусов С.Л.,А.А.Васильев «Руководство по краткосрочным прогнозам погоды»

35.  “Космическаятехника” под редакцией К. Гэтланда. Издательство “Мир” . 1986 г. Москва.

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

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

38.  Интернет-ресурс«История спутниковой связи»http://sviazist.nnov.ru/modules/myarticles/article.php?storyid=1026

39.  Интернет-ресурс«Принципы организации спутниковой связи»http://vsatinfo.ru/index.php?option=com_sobi2&catid=30&Itemid=0

40.  Интернет ресурс«Свободная энциклопедия» http://ru.wikipedia.org

 

Приложение. Производствои эксплуатация спутников связи и вещания

 

Орбитальная группировка космических аппаратов на геостационарнойорбите за 13 лет XXI века пополнилась 245 коммерческими спутниками фиксированной,подвижной и радиовещательной спутниковой службы. Публикуемый обзор посвящёнанализу производства и запусков коммерческих геостационарных спутников связи ивещания в период с 2001 по 2013 годы.

На 70% спутников были в той или иной мере реализованы непосредственноетелевизионное или звуковое вещание. Средняя годовая норма запуска коммерческихгеостационарных спутников связи и вещания (без учёта потерянных при аварийныхзапусках) в анализируемый период снизилась примерно до 20 космических аппаратов,в то время как в 1990-е годы этот показатель составлял около 30 спутников.Прогнозы аналитиков по запуску коммерческих спутников в XXI веке оказались явнозавышенными.

Финишным производством коммерческих геостационарных спутников связи и вещания вмире занимается около 20 предприятий в разных странах мира. Самый большойсектор рынка производства (210 единиц) геостационарных телекоммуникационныхспутников коммерческого назначения пришёлся в исследуемый авторами периодвремени на долю четырёх американских и двух европейских компаний: SpaceSystems/Loral (США) – платформа LS-1300; Thales Alenia Space (Европа) –платформы Spacebus-2000, 3000, 4000; EADS Astrium (Европа) – платформыEurostar-2000, 3000; Boeing (США) – платформы BSS-376, 601, 702; OrbitalSciences Corporation (США) – платформы STAR-1, 2 и Lockheed Martin (США) –платформа A2100. Российская компания ОАО «Информационные спутниковые системыимени академика М.Ф. Решетнёва» в период с 2001 по 2013 год изготовила иуспешно запустила на орбиту 13 гражданских спутников связи и вещания. Всеостальные компании мира вместе произвели только 35 коммерческих спутников связии вещания. Классифицировать спутники целесообразно не по их весовымхарактеристикам, а по мощности бортовой энергетической установки.

В статье на основе имеющихся в свободной прессе сведений проанализированокачество спутников, созданных указанными компаниями. Анализ выполнен с позицийсрока активного существования, отказов и утери спутников на орбите, времени ихизготовления и условий страхования.