СРАВНЕНИЕ GEO, HEO, MEO И LEO ОРБИТАЛЬНЫХ СПУТНИКОВ

Введение

На сегодняшний день спутниковые системы занимают примерно 2/3 мирового трафика обмена различного рода информацией, и, не смотря на прогресс в сферах радиосвязи, проекты, связанные со спутниками, остаются самыми востребованными и реализующимися, их разработка ведется гораздо интенсивнее, чем раньше.

От параметров орбиты зависит то, к какому семейству относится спутник. Всего различают 4 семейства: геостационарные (GEO – Geostationary Earth Orbit Satellites), эллиптические (HEO – High Elliptic Orbit Satellites), средневысотные (MEO – Medium Earth Orbit) и низкоорбитальные (LEO – Low Earth Orbit Satellites).

GEO-спутники

В целях того, чтобы спутник все время находился в одной и той же точке над горизонтом, его отправляют на экваториальную орбиту на высоту примерно 35 тыс. км, где его период обращения вокруг планеты совпадает с периодом обращения Земли вокруг своей оси. С этой точки он может засвечивать около 1/3 планеты в зоне от 76º с.ш. до 76º ю.ш. Получается что всего три GEO-спутника, расположенные на удалении 120º относительно друг друга, покрывают всю Землю, за исключением полярных зон. Но находится их на орбите намного больше. Это сделано в следующих целях: во-первых, для улучшения энергетики, диаграмме направленности спутниковых антенн придают очертания материка или участвующих в проекте государств; во-вторых, спутниковые ретрансляторы имеют ограниченные полосы пропускания, поэтому общее число каналов связи одного спутника не так уж велико. В итоге на сегодняшний день число GEO-спутников настолько значительно, что каждое свободное место на орбите стало предметом крупной торговли и квотирования. По международным правилам действующие GEO-спутники должны находится друг от друга не менее чем на один угловой градус, чтобы антенные диаграммы наземных станций не засвечивали более одного спутника. Таким образом, число спутников на геостационарной орбите не может превышать трехсот шестидесяти.

Три геостационарных спутника способны обеспечить полный охват земли, как видно на рисунке.

Рисунок 1. Охват Земного шара спутниками GEO-спутниками

GEO-спутник обеспечивает «чистую» ретрансляцию приходящего сигнала: принял, перенаправил в другой частотный диапазон, усилил и отправил вниз в том же или другом антенном луче. Никакой сложной обработки не присутствует, так как усложнение системы ведет к уменьшению надежности спутника, а так же его долговечности. У этого типа спутников есть свои недостатки: на околоземной орбите есть гравитационные ямы, в которых оказываются устаревшие спутники; необходимо компенсировать влияние с земными гравитационными аномалиями и влиянием Луны, которая может сдвигать спутник практически на 1º в год, а так же солнцем, а точнее с его гравитационными силами и солнечным ветром (эта проблема решается с помощью коррекционных реактивных микродвигателей, которые позволяют обеспечить стабильность расположения или позиции на орбите спутника в пределах 0,1º); надо обеспечить электронику стабильным и мощным (до 5-10 кВт) питанием, и дважды в год в зонах «солнечного затмения» необходимо выключать; необходима защита от солнечной радиации, космического излучения и радиационного пояса Земли; требуется система терморегуляции (температура на поверхности спутника колеблется от -50ºС до +70ºС) [1].

Но со всеми этими проблемами спутники справляются очень хорошо, причем как, отечественного так и иностранного производства, несмотря на то, что у наших гарантийный срок намного меньше. Хотя наши новые спутники имеют гарантийный срок около 15 лет.

Спутниковая связь на сегодняшний день очень дорогая. Одна современная платформа стоит около 200млн. долларов. Немногим меньше цена китайских спутников. Цена наших спутников находится между Китаем и США, но по надежности запуска спутников мы первые в мире.

Для связи со спутниками на земле требуется устанавливать станции с очень мощными передатчиками и параболическими антеннами с диаметром 3 – 32 метра, и чем меньше диаметр, тем больше стоимость. В среднем себестоимость наземной GEO станции обойдется в 1 – 2 млн. долларов.

Даже в сравнении с самыми развитыми кабельными сетями, спутники остаются вне конкуренции, благодаря мобильности передвижения и величине охвата Земли. На сегодняшний день нехватка частотных диапазонов сдерживает развитие GEO-систем.

При всех достоинствах, главным недостатком GEO-систем является необходимость отправлять их на орбиту с высотой 36 тыс. км., из за чего появляется большое время прохождения сигнала, который доходит с учетом задержек до секунды, в итоге появляется эффект эха.

HEO-спутники

Обычно спутник выходит на эллиптическую орбиту, в одном из фокусов которой находится Земля. Спутник располагается на высоте 40 тыс. км, а затем снижается и находится над заданной территорией 8-12 часов в сутки, затем облетает планету на высоте 500 км. Существуют только две стабильные эллиптические орбиты: с наклонением 63º и 116º к экватору. Если углы будут другими, спутник сдвинется с заданной орбиты из-за влияния Луны, несферичности Земли и других факторов.

Высокая орбита HEO-спутника приводит к тем проблемам, которые есть у геостационарных спутников, а так же добавляет свои: необходимы наземные станции, имеющие антенны, которые следят за траекторией спутника в пределах почти полусферы, и приемо-передающие устройства, характерные огромным динамическим диапазоном по чувствительности и выходной мощности. Полностью от НЕО-систем не могут отказаться по двум причинам: 1) запуск на эллиптическую орбиту гораздо дешевле; 2) на них не могут распространяться те квоты, которые установлены для геостационарных спутников.

MEO-спутники

Среднеорбитальные спутники запускают на промежуточные (круговые) орбиты, высотой 10-20 тысяч км, где можно заметить просвет между первыми двумя слоями Ван-Аллена [2].

После одного оборота вокруг Земли, длящегося 6-7 ч., МЕО-спутник продолжает оставаться видимым с любой точки поверхности не больше 2 ч. Группы, состоящие из 10-12 спутников создают для непрерывной связи. Их антенные диаграммы должны перекрываться.

Среднеорбитальные спутники в 4 раза ближе к Земле, чем высокоорбитальные. MEO-спутники выигрывают у GEO из-за квадратичной зависимости энергии от расстояния, а задержка сигналов падает до 120 мс. Первые гораздо легче и меньше по сравнению с последними, и их значительно легче и выгоднее вывести на орбиту. А так же среднеорбитальные спутники можно запустить на полярные орбиты, тем самым закрыв не засвечиваемые геостационарными спутниками зоны. Поэтому связь дешевая, но качественная. Однако системы на MEO-спутников обходятся дороже чем GEO, благодаря большему количеству первых. Примером может послужить проект ICO, который обошелся более чем в 1,6 млрд. долларов [2].

А так же MEO-спутники не так зависимы от аккумуляторов по сравнению с LEO-спутниками, из-за более долгого нахождения спутника под солнцем. Этого времени достаточно для полной зарядки батарей. За счет этого срок службы спутников увеличивается до 11-12 лет.

Для построения региональной связи, осуществления полной персональной связи эффективнее средневысотные системы. С освоением диапазона миллиметровых волн через каналы связи будут возможны: доступ в Интернет, передача мультимедийных файлов и сигналов. В данное время подобные идеи уже осуществляются в США («Odyssey») и в России («Ростелсат»).

LEO-спутники

Низкоорбитальные спутники летают на высоте 500-1500 км. Маленький период обращения уменьшает время нахождения в пределах видимости из точки на поверхности 7-15 мин. Различные низкоорбитальные системы вращаются вокруг Земли уже множество лет. Сначала они служили в роли почтовой службы. Пролетали над точкой земной поверхности, получали определенную пересылаемую информацию, затем отправляли это на наземные принимающие станции, которые находились ближе всего к получателю. В обязанности низкоорбитальных спутников входило обнаружение морских судов, терпящих бедствие. Для этого применялись недорогие и небольшие спутники, которые запускались на орбиту в виде второстепенных полезных нагрузок на «попутках». Цена подобных проектов была около 500000 долларов, а в СССР это обходилось в 25000 рублей (при былых ценах). Для такой работы хватало 1 спутника на полярной орбите, который трижды мог появлялся в любых районах Земли. Чтобы уменьшить время доставки «посылки» запускали больше спутников.[3]

Лучшие энергетические параметры низкоорбитальных спутников уменьшают наземные терминалы до размера обычного телефона или радиомодема. Однако для поддержания непрерывной связи необходимы группировки из десятков спутников, которые цепочкой вращаются на различных орбитах. Наблюдается следующая зависимость: чем выше орбита, тем меньше нужно спутников и орбит. При этом необходимо поддерживать взаимное расположение всех спутников, иначе возможна неравномерность покрытия орбит.

Низкоорбитальные спутники уступают другим в долговечности из-за частого переключения энергосистемы с заряжаемых солнцем батарей на аккумуляторы, и частой перезарядки. Поэтому срок их службы не больше 8 лет. Обычно на таких спутниках находится всего 1-3 транспондера, включая запасной. Однако на них, в сравнении с высокоорбитальными спутниками, присутствует сложная электронная аппаратура коммутации потоков для произведения радиосвязи между 4 соседними спутниками, при этом наземных станций гораздо меньше. Чем сложнее аппаратура, тем она более ненадежная. Но при выходе из строя спутника работа всей системы не прекращается. Возможен запуск резервных спутников.

Антенные системы низкоорбитальных спутников образовывают несколько секторных диаграмм, которые называют фасетами. Для большей емкости сети в каждой из них установлена собственная сетка частот. Это производится для того, чтобы увеличить число одновременных сеансов связи посредством пространственного разброса частот каналов связи 3емля-спутник-3емля.

В дополнение к существующим Orbcomm (48 спутников), E-Sat (6), Fiasat (32), Gemnet (38), Starsys (24), Ge-Leo (24), Vita (3), Leo One (48), отечественному "Гонцу-Д1" (6) и его полувоенному предку (48) сейчас разрабатываются десятки более совершенных LEO-систем персональной связи. Они основаны на самых современных технологиях передачи и кодирования сигналов, сопряжении этих систем с наземными телекоммуникационными сетями общего пользования и сетями сотовой связи, с Интернетом и т. д. Из-за большого числа задействованных спутников и наземных станций, а также из-за использования новейших технологий все эти проекты очень и очень дороги, и каждый из них имеет свое специфическое представление о своем назначении [1].

Список литературы:

1. Геостационарные спутники [Электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: http://mixport.ru/referat/referat/3168/ (дата обращения: 20.01.2017)
2. Спутники Земли [Электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: https://www.kazedu.kz/referat/3064 (дата обращения: 17.01.2017)
3. GEO, HEO, MEO и LEO [Электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: http://old.computerra.ru/1999/320/196002/ (дата обращения: 02.02.2017)