Геостационарная орбита и спутники связи¶

Геостационарная орбита — круговая орбита, расположенная в плоскости экватора Земли на высоте около 35 786 км над уровнем моря. Спутник, движущийся по такой орбите в направлении вращения Земли, совершает полный оборот за одни звёздные сутки и потому кажется неподвижным для наземного наблюдателя. Это свойство делает геостационарную орбиту основной для размещения спутников связи, телевещания и метеорологии.

¶Физические основы

Высота орбиты определяется равенством центростремительной силы, удерживающей аппарат на круговой траектории, и силы земного притяжения. Для периода обращения, равного звёздным суткам (23 ч 56 мин 4 с), радиус орбиты составляет примерно 42 164 км от центра Земли, что соответствует высоте около 35 786 км над экватором. Орбитальная скорость на этой высоте — около 3,07 км/с.

Геостационарная орбита существует только в плоскости экватора. Наклонная орбита с тем же периодом называется геосинхронной: спутник на ней описывает в небе замкнутую фигуру (аналемму), а не остаётся неподвижным.

¶История

Идею размещения искусственного спутника на синхронной орбите сформулировал в 1928 году словенский инженер Герман Поточник, а широкую известность она получила после статьи британского писателя и инженера Артура Кларка 1945 года, предложившего использовать такие орбиты для глобальной связи. В честь него пояс иногда называют «поясом Кларка».

Первый аппарат на геосинхронной орбите — американский Syncom 2 — был запущен в 1963 году, а первый геостационарный спутник Syncom 3 — в 1964 году; он обеспечил трансляцию Олимпийских игр из Токио. В 1965 году начал работу первый коммерческий спутник связи Intelsat I («Early Bird»).

¶Спутники связи

Связной спутник на геостационарной орбите работает как ретранслятор: он принимает сигнал с наземной станции, усиливает и переносит его на другую частоту, после чего излучает обратно на Землю. Один аппарат охватывает около трети поверхности планеты, поэтому трёх спутников достаточно для почти глобального покрытия (за исключением приполярных областей).

Применяемые диапазоны частот:

• L- и S-диапазоны — подвижная связь, навигация;
• C-диапазон — устойчив к осадкам, используется для магистральных линий;
• Ku- и Ka-диапазоны — вещание, широкополосный доступ, требуют точного наведения антенн.

Наземные приёмные антенны могут быть фиксированными, поскольку спутник не перемещается по небу.

¶Ограничения и особенности

• Задержка сигнала. Путь до спутника и обратно составляет около 71 600 км, что даёт задержку порядка 240 мс. Это заметно в телефонной связи и критично для некоторых интерактивных приложений.
• Перегруженность пояса. Число позиций на орбите ограничено, а соседние спутники должны иметь разнос по долготе, чтобы не создавать взаимных помех. Распределением позиций занимается Международный союз электросвязи.
• Приполярные зоны. Из-за малых углов места сигнал там слаб или недоступен, поэтому в высоких широтах применяют спутники на наклонных и высокоэллиптических орбитах.
• Космический мусор. Отработавшие аппараты переводят на орбиту захоронения примерно на 300 км выше рабочей.

¶Современное состояние

Наряду с геостационарными системами развиваются низкоорбитальные группировки связи, обеспечивающие меньшую задержку, но требующие сотен аппаратов. Геостационарные спутники сохраняют значение для телевещания, фиксированной связи и метеонаблюдения благодаря стабильному покрытию и простоте наземных терминалов.