Орбиты ИСЗ и их особенности

Орбитой спутника называется траектория его движения относи­тельно центра Земли. Плоскость орбиты всегда проходит через центр Земли.

Особенности и методы использования ИСЗ для целей навигации и связи в значительной степени зависят от того, на какую орбиту они запущены.

Орбиты ИСЗ классифицируются пo двум признакам: в зависимо­сти от наклонения i плоскости орбиты относительно плоскости эква­тора и в зависимости от высоты H орбиты над земной поверхностью. По первому признаку орбиты подразделяются на

экваториальные (i = 0° или 180°),

полярные (i = 90°)

и наклонные (0° < i < 90°; 90° < i < 180°);

по второму — на

низкие (H < 5000 км),

средние (5000 < H < 22 000 км),

высокие (H > 22 000 км).

Среди последних выделяются синхрон­ные орбиты с H = 35 870 км. Синхронный суточный спутник, выведенный на эквато­риальную орбиту, будет неподвижно «ви­сеть» над определенной точкой земной по­верхности. Такой спутник получил назва­ние стационарного. Если i ≠ 0, то син­хронный И3C будет периодически сме­щаться в меридиональном направлении, захватывая северную и южную полярные области (квазистационарный ИСЗ).

Малый круг, в пределах которого могут приниматься радиосигналы спутника S0, называется зоной радиовидимости (рис.16.2). Сфериче­ский диаметр Θ этой зоны определяется по формуле

Для стационарного ИСЗ при H = 35 870 км; R = 6371 км диаметр зоны видимости Θ ≈ 162°. Это означает, что стационарный ИСЗ бу­дет теоретически видим в Северном и Южном полушариях до широ­ты
φ = 81° N (S) (рис. 16.3). Для надежного приема сигналов необхо­димо, чтобы ИСЗ имели высоту не менее 10° над горизонтом. Это требование вызвано тем, что при малой высоте спутника будут на­блюдаться высокий уровень помех и большое затухание радиоволн в атмосфере. Поэтому гра­ницы зоны радиовиди­мости несколько сужа­ются (до φ = 71°). На рис. 16.4 показаны об­ласти, в пределах кото­рых наблюдатель «ви­дит» спутник с h > 10° над горизонтом.

Стационарные ИСЗ пока не нашли приме­нения в навигации, но широко используются для связи и телевидения. Например, для обес­печения глобальной радиосвязи на стационарную орбиту выводят три ИСЗ [международная система связи INMARSAT (см. рис. 16.4), применяющаяся с 1982 г. на судах морского флота].

Для низкоорбитального ИСЗ (H = 1000 км; R = 6371 км) по фор­муле (16.5) получаем диаметр зоны видимости

Θ ≈ 60,5° = 3630 миль.

При условии наблюдения спутника на высоте более 10°, что необхо­димо для более точного определения места, получаем диаметр зоны видимости

Θ ≈ 50° = 3000 миль.

Ширина Атлантического океана в наиболее широкой его части около 3000 миль, поэтому один спутник на полярной орбите, пролетая над серединой океана, может наблюдаться во всех его точках.

Так как спутник движется, то будет перемещаться и зона видимо­сти, образуя на поверхности Земли полосу видимости. Полоса види­мости для ИСЗ на полярной орбите для одного витка показана схе­матично на рис. 16.5.

Из-за вращения Земли полоса видимо­сти, соответствующая каждому последую­щему витку, будет смещаться к западу на расстояние d (в милях):

Для спутника на полярной орбите, имеющего Н = 1000 км и Т = 106 мин, по­лучаем величину смещения полосы видимо­сти, равную на широте φ = 0° d = 1575 миль, φ = 30° d = 1362 мили, φ = 60° d = 788 миль.

Из этого видно, что смещение d полосы видимости к W меньше ширины полосы Θ. Поэтому на каждом последующем витке будет иметь место перекрытие полосы видимости. Это перекрытие, если выражать его в процентах

для нашего примера равно: для φ = 0° - 57%, φ = 60° - 78%, φ=90° -100%. Отсюда следует, что один и тот же спутник на по­лярной орбите может наблюдаться в одном и том же месте несколько раз подряд, например в средних широтах, по крайней мере, два раза. Это означает, что по одному и тому же спутнику в средних широтах можно определить место четыре раза в сутки: два раза подряд с ин­тервалом, равным периоду обращения спутника, и затем через 10...12 ч еще два раза подряд, когда Земля, вращаясь с запада на вос­ток, переместит наблюдателя под вторую половину орбиты спутника.

Изложенное показывает, что один низкоорбитальный спутник одновременно может наблюдаться только в ограниченном районе Земли. В процессе движения ИСЗ сделает несколько оборотов вокруг Земли и при
i = 90° будет наблюдаться во всех ее точках. При i < 90° след (трасса) ИСЗ на земной поверхности будет доходить до φ = i.

При H = 1000 км суточное число оборотов ИСЗ

Следовательно, один ИСЗ на полярной орбите может в течение суток обеспечить определение места во всех точках Земли, но таких обсерваций будет мало и они будут редки. Минимальное число ИСЗ для определения места с требуемой дис­кретностью Гтреб может быть определено по формуле

где ∆λmin — минимальная разность долгот на данной параллели, охва­тываемая полосой видимости спутника за один его виток.

Например, для спутников на полярной орбите, имеющих Н = 1000 км и Т = 106 мин, для определения места в районе эквато­ра (∆λmin = Θ = 50°) с дискретностью Гтреб = Т получаем,

т. е. заданная дискретность обеспечивается 4 спутниками. Для дис­кретности Гтреб = 60 мин требуется

Для обеспечения возможности непрерывного определения места судна в любое время суток и в любом месте Земли необходимо при­менить синхронно вращающиеся спутники, причем число их должно быть значительным.

Применение же независимо вращающихся спутников может обес­печить лишь дискретные определения места судна. Увеличение чис­ла ИСЗ не устранит этого недостатка. Поэтому система с ограничен­ным числом низкоорбитальных ИСЗ может быть лишь средством дискретной навигации.

Большое значение для использования ИСЗ имеет продолжитель­ность его наблюдения. Очевидно, она будет определяться временем прохождения зоны видимости через место наблюдателя. Для непод­вижного наблюдателя, находящегося в плоскости орбиты ИСЗ, будет иметь место максимальная продолжительность наблюдения спутника, определяемая выражением

где Т3, Тв — время захода и восхода спутника соответственно. На­пример, для низкоорбитального спутника (H = 1000 км) получим На практике это время не более 16 мин.

Перемещение наблюдателя на таких сравнительно тихоходных объектах, как суда, не будет существенно влиять на продолжитель­ность наблюдения спутника.

Если наблюдатель находится на некотором расстоянии а от трассы ИСЗ, то продолжительность его на­блюдения будет меньше. Расстояние а при заданной Н определяет мак­симальную угловую высоту hmax спутника (высоту кульминации), на которой он наблюдается в момент кульминации.

Поэтому продолжительность на­блюдения ИСЗ ТHmax можно опре­делить в зависимости от hmax. Гра­фик такой зависимости приведен на
рис. 16.6. Общее время наблю­дения ИСЗ составляет примерно 16 мин,
hmax > 75°, причем при уг­лах hmax > 20° он наблюдается в течение 12 мин.

---

Дата добавления: 2016-01-05; просмотров: 24; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!