Искусственные Спутники: Их Типы И Применение

Что Называют Искусственным Спутником Земли?

Искусственный спутник Земли – это любой созданный человеком объект, запущенный в космос с помощью ракет. Эти космические аппараты оснащены высокоточными приборами и чувствительными камерами, а благодаря широкому захвату снимков и улучшенному пространственному разрешению они могут собирать информацию гораздо быстрее, чем наземные датчики. Кроме того, в отличие от наземных обсерваторий, вид из космоса не подвержен влиянию таких атмосферных помех, как облака и пыль. С помощью искусственных спутников изучают не только явления на нашей планете, но и в далекой Вселенной.

ИСЗ служат для решения различных задач: обеспечения связи, проведения научных исследований, прогнозирования погоды или наблюдения за заданной областью интереса. Сфера применения космических аппаратов определяет их размеры, тип орбиты и общую конфигурацию. Несмотря на отличия, в космосе все искусственные спутники Земли подчиняются одним и тем же законам физики и математическим расчетам.

Орбиты Искусственных Спутников Земли

ИСЗ принято классифицировать по высоте орбиты (расстоянию от искусственного спутника до поверхности Земли), от которой напрямую зависит зона охвата и скорость их движения вокруг планеты. При выборе типа орбиты проектировщики космических аппаратов должны учитывать их целевое назначение, получаемые данные и спектр выполняемых ими функций, а также стоимость, зону охвата и целесообразность использования различных высот.

Как правило, после запуска космический аппарат выходит на одну из нескольких заранее заданных орбит вокруг Земли, т. е. искусственный спутник земли (ИСЗ) движется по круговой орбите. Но в некоторых случаях ИСЗ может совершать межпланетное путешествие, следуя по траектории вокруг Солнца до тех пор, пока не достигнет конечного пункта назначения.

Существует пять основных высот, на которых обращаются искусственные спутники Земли:

• низкая околоземная орбита (LEO);
• средняя околоземная орбита (MEO);
• геостационарная орбита (GEO);
• солнечно-синхронная орбита (SSO);
• геостационарная переходная орбита (GTO).

Рассмотрим подробнее особенности функционирования космических аппаратов на каждой высоте, а также возможности их использования.

Искусственные Спутники На Низкой Околоземной Орбите (LEO)

Космические аппараты на низкой околоземной орбите движутся на высоте примерно 160-1500 км над поверхностью Земли. Эти искусственные спутники совершают короткие орбитальные полеты (от 90 до 120 минут), то есть могут обращаться вокруг Земли до 16 раз в сутки. Данная особенность обеспечивает быстрое получение и передачу данных, поэтому искусственные спутники LEO широко используются для дистанционного зондирования всех видов, мониторинга Земли с помощью снимков высокого разрешения и научных исследований.

Все искусственные спутники Земли на высоте LEO могут изменять угол наклона своей орбитальной плоскости по отношению к земной поверхности. Низкие околоземные орбиты имеют широкое применение, так как обеспечивают большее количество возможных траекторий движения космических аппаратов. Однако из-за того, что искусственный спутник на этой высоте находится на сравнительно малом расстоянии от поверхности Земли, он имеет меньшую зону охвата, чем космические аппараты других типов. Группы космических аппаратов на низкой околоземной орбите, называемые спутниковыми группировками или созвездиями, часто запускаются вместе и образуют своеобразную сеть ИСЗ, которые вращаются вокруг нашей планеты. Таким образом, все единицы созвездия могут одновременно охватывать огромные территории за счет совместного функционирования.

Искусственные Спутники Земли На Средней Околоземной Орбите (MEO)

Средняя околоземная орбита расположена между низкой околоземной и геостационарной орбитами. Как правило, расстояние от искусственного спутника до поверхности Земли составляет от 5 000 до 20 000 км. В последнее время в эксплуатацию вводятся группировки космических аппаратов высокой пропускной способности (HTS) на орбитах MEO, которые обеспечивают передачу данных с низкой латентностью (коротким интервалом). Искусственные спутники на высоте MEO применяются в службах позиционирования и навигации, например, GPS, а также востребованы среди операторов связи, коммерческих и правительственных организаций.

Благодаря более длительному периоду обращения (обычно от 2 до 12 часов) искусственные спутники на данной высоте представляют собой золотую середину, поскольку имеют оптимальный баланс зоны охвата и скорости передачи данных. По сравнению с низкоорбитальными космическими аппаратами, для обеспечения глобального покрытия необходимо меньшее количество единиц в составе созвездия MEO, но их сигналы слабее, а передача данных занимает больше времени.

Искусственные Спутники Земли На Геостационарной Орбите (GEO)

Космические аппараты на геостационарной орбите находятся на высоте 35 786 км над поверхностью Земли, точно над экватором. Использование трех единиц GEO, размещенных на равном расстоянии друг от друга, позволяет обеспечить практически всемирное покрытие благодаря огромному охвату территорий.

С Земли объекты GEO кажутся неподвижными, поскольку их орбитальный период совпадает с периодом вращения Земли – 23 часа 56 минут и 4 секунды. Следовательно, наземная антенна всегда направлена на один и тот же космический аппарат. По этой причине такие искусственные спутники идеально подходят для сферы непрерывно действующих услуг связи, в частности, передачи сигнала в телевидении и телефонии. Кроме того, космические аппараты этого типа могут использоваться в метеорологии для мониторинга погодных явлений в указанных регионах и отслеживания динамики развития явлений в локальном масштабе.

Недостатком искусственных спутников Земли на высоте GEO для связи в реальном времени является большая задержка передачи сигнала, обусловленная их большой удаленностью от Земли.

Искусственные Спутники Земли На Солнечно-Синхронной Орбите (SSO)

Солнечно-синхронная орбита проходит с севера на юг через полярные области на высоте 600-800 км над Землей. Наклонение и высота орбиты космических аппаратов SSO выверены таким образом, что они всегда пересекают любую заданную точку в один и тот же момент по местному солнечному времени. Таким образом, искусственный спутник этого типа выполняет съемку в постоянно одинаковых условиях освещенности, что является оптимальным решением для наблюдения за Землей и экологического мониторинга.

Из этого также следует, что текущие и исторические космические снимки с искусственных спутников SSO применимы и для обнаружения изменений. Ученые используют эти снимки для изучения динамики погодных условий, прогнозирования циклонов, мониторинга и предотвращения лесных пожаров и наводнений, а также для сбора информации о таких долгосрочных проблемах, как вырубка лесов и изменение береговой линии. Однако в силу того, что космические аппараты на солнечно-синхронной орбите находятся на малой высоте, они могут единовременно наблюдать лишь за небольшим по площади регионом, а для ведения непрерывной съемки требуется больше единиц в созвездии.

Искусственные Спутники Земли На Геостационарной Переходной Орбите (GTO)

Наиболее часто для перемещения космических аппаратов с промежуточной орбиты на GEO используется переходная геостационарная орбита. При выведении искусственных спутников Земли в космос ракетами-носителями типа Falcon-9, космические аппараты не всегда выходят на конечную орбиту сразу. Ракеты, доставляющие полезную нагрузку на GEO, выводят ее на переходные орбиты, которые являются промежуточными точками на пути следования ИСЗ. Через определенное время двигатель искусственного спутника запускается для выхода на целевую орбиту и корректировки ее наклонения ^{Davis, J. (2014, January 17). How to get a satellite to geostationary orbit. The Planetary Society.}. Такой короткий путь позволяет космическому аппарату достичь геостационарной орбиты с минимальными затратами ресурсов.

К другим, менее распространенным типам относятся высокоэллиптическая (ВЭО), полярная орбита и точка Лагранжа (ТЛ). Выбор типа орбиты определяется целями и задачами космического аппарата. В связи с этим следует более тщательно подходить к выбору конфигурации спутника в зависимости от сферы его использования.

Применение Искусственных Спутников Земли

Предоставление услуг связи и телевидения – это только вершина айсберга в использовании космических технологий. В последние годы был осуществлен запуск множества искусственных спутников для самых разных научных целей, в том числе для наблюдения за Землей, метеорологических исследований, навигации, изучения влияния космических полетов на живые организмы и получения новых знаний о космосе. Основными сферами применения космических аппаратов являются:

• коммуникационные технологии;
• наблюдение за Землей;
• GPS и навигация;
• астрономические исследования.

Рассмотрим подробнее, для чего нужны искусственные спутники, и их основные характеристики.

Коммуникационные Спутники

Как правило, космический аппарат для обеспечения связи функционирует на геостационарной орбите и оснащен транспондером – интегрированным приемником и передатчиком радиосигналов. Искусственный спутник такого типа может принимать сигналы с Земли и ретранслировать их обратно на планету. Передача этих сигналов помогает установить связь между регионами, которая ранее была невозможна из-за больших расстояний или других препятствий. Искусственные спутники для телекоммуникационных целей обеспечивают передачу различных видов информации, таких как радиовещание, телевидение, телефония и Интернет.

Использование искусственных спутников коммуникационного типа позволяет ретранслировать множество сигналов одновременно. Космические аппараты, предназначенные для вещания и передачи телевизионных сигналов на наземные станции, обычно оснащены отдельными транспондерами для каждого носителя. Однако в большинстве случаев, несколько носителей ретранслируются одним транспондером. Благодаря совместимости с мобильными терминалами такие искусственные спутники успешно применяются для обеспечения связи на больших расстояниях.

Искусственные Спутники Для Наблюдения За Землей

Задача космических аппаратов для мониторинга Земли – наблюдать за нашей планетой из космоса и информировать об обнаруженных изменениях. Данная технология позволяет осуществлять последовательный и регулярный мониторинг окружающей среды, а также оперативно анализировать события во время таких чрезвычайных ситуаций, как стихийные бедствия и вооруженные конфликты.

Цели программ наблюдения за Землей определяют тип используемых спутниковых датчиков. В свою очередь, информация, которую собирают искусственные спутники, зависит от типа используемого датчика и доступных частотных диапазонов.

Применение искусственных спутников для наблюдения за Землей охватывает две основные категории:

• Метеорологические космические аппараты используются для мониторинга и прогнозирования погодных тенденций, а также для получения фактических данных о погоде. Наиболее подходящей для метеорологических ИСЗ является геостационарная орбита, поскольку она обеспечивает постоянную точку обзора, позволяющую ученым отслеживать структуру облаков и прогнозировать их перемещение.
• Космические аппараты дистанционного зондирования в основном применяются для многоцелевого мониторинга окружающей среды и географического картографирования. Такие искусственные спутники дистанционного зондирования Земли движутся вокруг нашей планеты по полярной / неполярной орбите LEO или GEO. Спутниковые созвездия географических информационных систем (ГИС) – это разновидность космических аппаратов дистанционного зондирования, основной функцией которых является получение спутниковых снимков для ГИС-картирования и дальнейшего пространственного анализа в ГИС.

Искусственные Спутники Для Систем Навигации

Спутниковые созвездия для обслуживания навигационных систем находятся на расстоянии от 20 до 37 тыс. км от поверхности Земли. Искусственный спутник этого типа отправляет на Землю сигналы, по которым можно определить время, его положение в пространстве и техническое состояние. Существует два основных типа космических навигационных систем:

• Глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС), космические аппараты которой передают сигналы, принимаемые ГНСС-приемниками и используемые для определения местоположения, что обеспечивает глобальное покрытие. Примерами ГНСС являются европейская система Galileo, американская GPS и китайская навигационная спутниковая система BeiDou ^{What is GNSS? (2021, December 03). European Union Agency for the Space Programme.}.
• Региональная навигационная спутниковая система (РНСС) – это автономная локальная система навигации, которая обеспечивает покрытие в региональном масштабе. К примеру, индийский проект IRNSS был создан, чтобы обеспечить граждан Индии надежным сервисом для определения местоположения ^{IRNSS Programme. (2023, February 6). Indian Space Research, Department of Space (ISRO/DOS).}.

Искусственные Спутники Для Астрономических Исследований

По сути, астрономический ИСЗ – это гигантский телескоп, расположенный на определенной орбите. Этот космический аппарат обеспечивает отличную видимость без помех со стороны земной атмосферы, а на функционирование его инфракрасного съемочного оборудования не влияет температура земной поверхности. Искусственные спутники, используемые для астрономических наблюдений, отображают космические объекты в десять раз лучше, чем самый мощный телескоп на Земле.

Искусственные спутники Земли для астрономических исследований делятся на несколько различных типов:

• Астрономические космические аппараты служат для исследования различных небесных тел и явлений в космосе – от создания карт звездных и планетных поверхностей и съемки планет нашей Солнечной системы до изучения черных дыр.
• Искусственные спутники для исследования климата, оснащенные определенными типами датчиков, позволяют ученым собирать комплексные, многогранные данные о Мировом океане и ледяном покрове, участках суши, а также биосфере и атмосфере нашей планеты.
• Биоспутники делают возможными космические исследования клеток и структур растений и животных. Благодаря совместной работе ученых из разных регионов такие искусственные спутники играют важнейшую роль в развитии медицины и биологии.

В большинстве случаев ИСЗ могут выполнять несколько функций одновременно. И все же, для получения более полных и точных результатов проводимых исследований ученым часто рекомендуют ориентироваться на космические аппараты нескольких типов. В этом плане полезным инструментом является платформа EOSDA LandViewer, которая содержит космические снимки (в том числе высокого разрешения) из разных источников и имеет удобный интерфейс для поиска и загрузки нужных изображений.

Последние Достижения Космической Технологии И Перспективы Ее Развития

Все искусственные спутники Земли, классифицируемые как по орбите, так и по назначению, стали неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. Помимо обеспечения связи, навигации, пространственного анализа, прогнозирования погодных условий, ликвидации последствий стихийных бедствий и получения астрономических знаний, эти космические аппараты помогают нам глубже понять свое место на Земле и во Вселенной.

Благодаря техническому прогрессу, в частности уменьшению размеров компьютеров и других комплектующих, процесс вывода на орбиту искусственных спутников дистанционного зондирования Земли стал значительно проще. В 2022 году на орбите Земли находилось 6905 действующих космических аппаратов, а это на 43,8% больше, чем в предыдущем году ^{Salas, E. B. (2023, February 6). Number of active satellites from 1957 to 2022 (Chart). Statista Search Department.}. Несомненно, это число будет расти, и в конечном итоге население нашей планеты сможет располагать такими возможностями, о которых раньше можно было только мечтать.

Космические технологии способны значительно улучшить нашу жизнь, поэтому необходимо непрерывно вкладывать ресурсы в их развитие. Искусственные спутники Земли позволяют осуществлять мониторинг и сбор данных о труднодоступных регионах в режиме реального времени, что дает возможность принимать взвешенные решения относительно таких актуальных проблем, как изменение климата и стихийные бедствия. Расширяя возможности связи в сельских и слаборазвитых регионах, искусственные спутники способствуют экономическому росту и помогают преодолеть «цифровой разрыв», что в конечном итоге обеспечит достойное и стабильное будущее для всего человечества.