Основы геостационарной орбиты-2

1520

В нашей последней статье мы обсуждали основы геостационарной орбиты, описывая уникальные характеристики, которые делают эту специфическую орбиту столь важной. В этой статье я хотел бы охватить некоторые эксплуатационные соображения, которые могут быть важны при работе со спутниками на этих орбитах.

В нашей последней статье мы обсуждали основы геостационарной орбиты, описывая уникальные характеристики, которые делают эту специфическую орбиту столь важной. В этой статье я хотел бы охватить некоторые эксплуатационные соображения, которые могут быть важны при работе со спутниками на этих орбитах.
 
В частности, я хотел бы обсудить, как определить расположение геостационарного спутника относительно поверхности земли и любого наблюдателя на ее поверхности и как положение солнца может влиять на бортовое электроснабжение и связь.

Расположение геостационарных спутников

Легкость сопровождения или даже отсутствие сопровождения — одна из основных характеристик геостационарной орбиты, которые делают ее столь ценной. Наблюдатель на земле может просто направить антенну на фиксированную точку в пространстве и затем забыть про нее [антенну] — никакого сопровождения не потребуется. Однако, прежде чем направить антенну, наблюдатель должен сначала определить, где располагается спутник.

Как мы видели в ряде статей об орбитальных системах координат, первый шаг в определении местонахождения спутника относительно наблюдателя состоит в определении положения как спутника, так и наблюдателя в одной и той же системе координат. Для этого мы воспользуемся фиксированной геоцентрической (Earth-Centered Fixed, ECF) координатной системой — широтой, долготой и расстоянием (или высотой) — как нашей общей системой координат.

Раз так, одним из общих способов выражения положения геостационарного спутника является его долгота — то есть долгота точки на экваторе, над которой спутник «висит». Эта информация может быть получена из различных источников, включая «Geostationary Satellite Locator Guide» в каждом номере Satellite Times. Эта информация генерируется с использованием наисвежайших двухстрочных элементов и определяет долготу восходящего узла каждого спутника.

Чтобы спутник был геостационарным, конечно же, широта спутника должна быть нулевая, и его высота должна быть 35786 километров (в этом исследовании мы примем истинную геостационарную орбиту и сферическую землю). Зная долготу спутника, а также широту и долготу наблюдателя, мы можем теперь определить, где искать спутник.

Если R — радиус Земли, r — высота геостационарной орбиты, λ — долгота спутника, θ — долгота наблюдателя и φ — широта наблюдателя, то положение спутника и наблюдателя в ECF:

Спутник Наблюдатель
Sx = (R+r) cos λ Ox = r cos φ cos θ
Sy = (R+r) sin λ Oy = r cos φ sin θ
Sz = 0 Oz = r sin φ

и вектор расстояния равен разности координат положений спутника и наблюдателя:

Расстояние
ρx = (R+r) cos λ — r cos φ cos θ
ρy = (R+r) sin λ — r cos φ sin θ
ρz = —r sin φ

Чтобы вычислить азимут и высоту над горизонтом, мы используем координатное преобразование

 

Например, давайте вычислим положение спутника Galaxy 4, видимое из Пасадены (Pasadena), Калифорния.

Константы Спутник Наблюдатель
R = 6,378 км λ = 99.0° з.д. φ = 34.15° с.ш.
r = 35,786 км   θ = 118.15° з.д.

Использование этих значений дает азимут спутника 148.25°, высоту над горизонтом 45.32°, и расстояние 37390 км, что довольно близко к истинным значениям.

В то время как этот подход может использоваться для того, чтобы произвести хорошие оценки, возможно, что эти вычисления — не то, что вам хотелось бы делать руками (хотя они могут быть выполнены довольно легко с использованием электронной таблицы). К тому же, если вы не знаете долготу спутника, вы должны будете начать с орбитальных элементов спутника, еще более усложняя процесс. Конечно, вы можете использовать программу, подобную TrakStar, чтобы вычислить широту, долготу и высоту или углы наблюдения (азимут, высота над горизонтом и расстояние) любого спутника (геостационарного или любого другого) для любого временного интервала с использованием желаемых двухстрочных наборов элементов, взятых на сайте CelelesTrak WWW.

Электроснабжение

Геостационарные орбиты ставят некоторые интересные проблемы для системы электроснабжения. Чтобы понять эти проблемы, мы должны сначала немного поговорить об ориентации (в пространстве) геостационарных спутников и о положении геостационарной орбиты относительно солнца.

Все современные геостационарные космические аппараты используют один из двух способов стабилизации, чтобы поддержать их ориентацию: дуал-спиновую (dual-spin) или трехосевую стабилизацию (см. рисунок 1). Для dual-spin стабилизации спутник имеет форму цилиндра, который вращается вокруг его продольной оси. Этот тип спутника состоит из двух частей — вращающейся, на которой установлены панели солнечных батарей, и стабилизированной — с установленными коммуникационными антеннами. Вращающаяся часть обеспечивает основную стабилизацию и может вращаться со скоростью 100 об/мин (для первых спутников GOES). Стабилизированная часть вращается тоже, хотя намного медленнее — один оборот на виток (в сутки) — поддерживая антенны постоянно повернутыми к земле и предотвращая вход спутника в плоское вращение (которое является естественной тенденцией).

Figure 1

Рисунок 1. Типы ориентации геостационарных космических аппаратов

При трехосевой стабилизации ориентация космического корабля поддерживается с помощью momentum wheels или control moment gyros. Корпус космического аппарата вращается со скоростью один оборот на виток (в сутки), поддерживая антенны постоянно повернутыми к земле. Панели солнечных батарей лопастного типа также оборачиваются один раз в день, поддерживая направление на солнце.

Нужно отметить, что в обоих случаях ось вращения спутника перпендикулярна орбитальной плоскости, которая для геостационарных орбит является экваториальной плоскостью. Мы вскоре увидим, почему это важно.

Как на всех спутниках, панели солнечных батарей на геостационарных спутниках подвержены ряду факторов, которые могут приводить к значительным флуктуациям в производимой мощности, доступной бортовым системам. Первый из них — положение спутника относительно солнца — изменяется в течение года. При движении Земли по орбите ее расстояние от Солнца меняется от минимального 0.983 а.е. (астрономическая единица — среднее расстояние от Земли до Солнца — приблизительно равна 149597870 км) до максимального 1.067 а.е., то есть на 12518000 км. Если принять энергию, полученную от солнца при 1 а.е., равной 100 процентам, то получаемая энергия изменяется от 97 до 103 процентов, как показано на рисунке 2.

Figure 2

Рисунок 2. Влияние расстояния от Солнца

Но не только орбита земли не точно круговая, но и плоскость земного экватора не лежит в плоскости орбиты земли (эклиптике). Времена года на Земле — прямой результат этого обстоятельства. При наблюдении с Земли видно, что солнце медленно перемещается от 23° ниже экваториальной плоскости (при зимнем солнцестоянии) к 23° выше экваториальной плоскости (при летнем солнцестоянии) и обратно в течение года. Как отмечено на рисунке 3, с геостационарного спутника наблюдается та же картина.

Figure 3

Рисунок 3. Геометрия спутник-земля-солнце

Видимое движение солнца выше и ниже экваториальной плоскости приводит к двум эффектам. Во-первых, изменяется угол падения солнечной энергии на панели солнечных батарей, так как они должны вращаться относительно оси, перпендикулярной экваториальной плоскости. В результате количество солнечной энергии, падающей на панели солнечных батарей уменьшается на коэффициент cos(δ), где δ является углом склонения солнца (угол относительно экваториальной плоскости). Если мы примем количество энергии, получаемой при перпендикулярном падении солнечных лучей на панели солнечных батарей, за 100 процентов, то получаемая энергия уменьшается до 92 процентов при солнцестояниях, как показано на рисунке 4.

Figure 4

Рисунок 4. Влияние угла на солнце

Из рисунка 3 мы можем также увидеть, что из-за этой геометрии системы земля-солнце, геостационарная орбита обычно проходит вне конуса тени земли, кроме промежутков времени около весенних и осенних равноденствий (начало весны и осени). В эти времена геостационарные спутники вступают в сезоны затмений, когда они могут проводить до 70 минут ежедневно в тени. Эти сезоны длятся с конца февраля до середины апреля и начала сентября до середины октября. Процент от солнечного света, получаемый на геостационарном спутнике, показан на рисунке 5. Для подготовки к сезонам затмения, операторы спутников должны обеспечить соответствующее функционирование батарей космического аппарата с тем, чтобы выдерживать нагрузку в течение затмения каждый день.

Figure 5

Рисунок 5. Влияние затмения

Если мы объединим эффекты изменения расстояния до солнца, угла на солнце и затмений в течение года, мы получим результат, представленный на рисунке 6. Как можно увидеть из рисунка, доступная суммарная солнечная энергия изменяется на 12 процентов — от 89 до 101 процента.

Figure 6

Рисунок 6. Общая ежегодная эффективность

Если мы также учтем эффекты деградации солнечных батарей и их оптических покрытий под действием космической среды и рассмотрим штатный семилетний срок службы спутника, мы получим график, изображенный на рисунке 7. Типичные результаты показывают, что оптическое покрытие деградирует приблизительно на 7 процентов в первый год, а затем стабилизируется, в то время как солнечные батареи деградируют приблизительно на 3 процента за первый год и на 2 процента каждый последующий год. Как можно увидеть из графика, уровень мощности снижается от максимальной 99-процентной полной эффективности к низкой 72-процентной. При проектировании энергетической подсистемы космического аппарата это означает, что если для нормальных режимов эксплуатации требуется 7.5 кВт мощности, подсистема электроснабжения должна быть разработана так, чтобы обеспечить первоначальную мощность почти в 10 кВт, с тем, чтобы реальная мощность не понизилась ниже порога в конце запланированного срока службы спутника.

Figure 7

Рисунок 7. Суммарная эффективность от срока службы

Солнечная интерференция

В дополнение к планированию изменений мощности космического аппарата, спутниковые операторы и пользователи также должны планировать прекращение связи (или снижение производительности) вблизи сезонов затмений. Поскольку солнце пробегает небо ежедневно, постепенно перемещаясь на север или юг в зависимости от сезона, дважды в год наступает время, когда солнце находится непосредственно позади геостационарного спутника, если смотреть со стороны наземной антенны. Когда это случается, поток солнечной радиоэнергии в направлении главного лепестка антенны может просто прервать связь. Хорошо, что такие сбои длятся только пару минут. Вы, возможно, когда-либо наблюдали такие сбои, когда смотрели ваш любимый кабельный канал (большинство из которых передаются через геостационарные спутники). Для наблюдателей в северном полушарии это случается перед весенним и после осеннего равноденствия.

Мы охватили многие основы в этой статье — орбитальную механику, способы ориентации космического корабля, электроснабжение, и даже материалы — все важные факторы, учитываемые при конструировании и в процессе функционирования любого спутника, но особенно важные для геостационарных спутников. Я надеюсь, что сумел показать, как эти различные области взаимодействуют и перекрываются и, в процессе, пролил немного света на предмет проектирования космического корабля. //www.space.kursknet.ru

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here