Műholdak (satellites)
Témák:
Először (ma):
Műholdakról általában
Majd következőként: GPS navigáció COSPAS/SARSAT (S&R)
Űrállomásokról, űrhajókról nem lesz szó…
Elnevezése:
Nem műbolygó vagy mesterséges bolygó – mert azok a Nap körül keringenek
Helyesen: műhold (ez mindig bolygó körül)
Szatellit (satellite) (lat. – satelles: testőr, kísérő, csatlós)
Szputnyik (orosz): útitárs
Kepler
Newton egyenletei
(bolygók elliptikus mozgása a Nap körül)
(nehézségi erő, centripetális gyorsulás)
Galilei
(tárgyak szabadesése független a tömegüktől)
Történeti visszatekintés
A legelső ötletek
Az elméleti megközelítés elég egyszerű – lőjünk ki valamit az űrbe helyes sebességgel és pontos röppályán, és az évekig – ha nem örökké – ott is fog maradni. Ha a keringési pálya helyes távolságban van az űrben, a műhold ugyanazon távolságban kering majd a Földtől.
A legelsők
1957 októberében a hírközlő állomások egy rendszeres, az űrből érkező sípolást (beeping) hallhattak. A jelet az orosz Szputnyik-1-től fogták, amely az első ember alkotta műhold, amely működött. Az amerikai mesterséges holdat ezután, 1958 januárjában bocsátották fel.
Az orosz…
d=585 mm
Az amerikai…
Történeti visszatekintés
A NASA Syncom programja 1963-tól (GEOs) 1963 júliusában a Hughes Aircraft Corporation fellőtte a világ első geostacionárius műholdját a NASA számára, ez a Syncom 2 volt (az 1. a fellövéskor felrobbant, megsemmisült). E 2. műholdon helyezték el az első 2-oldalú telefonkapcsolatot kezelni képes eszközöket, ezen John F. Kennedy elnök Washingtonból a nigériai Abubaker Balewa miniszterelnökkel beszélt. A 3. Syncom műhold élő műholdas adásban közvetítette az 1964-es Olimpiai Játékokat, Tokióból.
Történeti visszatekintés
Az EARLY BIRD (1965)
Az első kereskedelmi kommunikációs műhold volt (a COMSAT cég számára készült) a Hughesnál. A műhold fellövése 1965. április 6-án történt, 22300 mérföldes geoszinkron pályára állt az Egyenlítő fölött. Ez megteremtette Európa és Észak-Amerika között a teljes hírközlési „rálátást”. Az Early Bird nem rendelkezett akkumlátorral, így csak a napelemeire hagyatkozva működhetett, ha nem volt napárnyékban.
Történeti visszatekintés
Kommunikációs továbblépés Az Intelsat 3 műholdak fellövésével 1969-től globális TV és kommunikációs hálózatok épültek ki az Atlanti-, a Csendes- és az Indiai-óceánok felett. A ’80-as évek sokcsatornás rendszereinek bevezetésével nőtt a hatékonyság‚ mivel a műhold energiáját a Föld kisebb területeire lehetett összpontosítani, így egyszerűbb vevőket, alacsonyabb költségű földi állomásokat lehetett kialakítani. A kapacitás is jelentős mértékben megnőtt (az egyidejű televíziós és kommunikációs csatornák számával).
Mi a működési alapelv? 1.
2.
3.
A földi állomás üzenetet küld a GHzes tartományban (Uplink) A műhold veszi és visszasugározza A jeleket (Downlink) A többi földi állomás is veszi a jeleket a hasznos erőtéri területen (Footprint)
Emlékezzünk az előző félévről…
Az antenna mérete (így a műholdé is) az alkalmazott frekvenciától függ…
A frekvencia és a hullámhossz között fordított arányossági a viszony (3 GHz - ~ 10 cm)
Ha a hullámhossz nő (vagyis a frekvencia csökken), nagyobb antennákra van szükség a jelek vételéhez.
A műholdas antennák és a sávok
C-Band
Ku-Band
A leggyakrabban használt sávok: C-sáv (4 - 8 GHz) , a Kuband (11 - 17 GHz) , és a Ka-band (20 - 30 GHz ).
Műhold-rendszer, ma…
(Nagy méretben, képként nézendő)
Alacsony földközeli pálya Low-Earth-Orbit (LEO)
Magasság (160-2000 km) Keringési idő tipilkusan 88 …127 perc . Előnyök: Csökken az adások késése Nincs szükség nagy méretű és teljesítményű vevő berendezésekre. Egyszerűnn fellőni („kis” rakéta) Hátrányok: Kisebb fedésterület (min. 50 műhold a kellő fedéshez). Folyamatos mozgásuk miatt 1 földi állomáshoz kiszolgálásához sok műhold szükséges – automatikus átadás a műholdak között Kisebb élettartam a légkör hatásai miatt (5-8 év) /pl. GEO 10 év/. Legtöbb űrszemét (lásd később ) Alcsoportok: szolgáltatási „kis”, „nagy” és „mega” (v. szuper) LEOs.
A „kis” LEO alkalmazások
0.8 GHz tartomány
Kicsi, olcsó eszközök
Járműkövetés, környezetvédelmi monitoring, kétirányú adatkommunikáció. Rövid, keskenysávú kommunikációhoz.
Pl. a LEO-ra
IRIDIUM műholdas mobil szolgáltató rendszer 66 műhold, 11 pályasíkon 780 km magasság 48 spot-nyaláb műholdanként (~ d=402 km /nyaláb) Teljes fedésterület: d=4505 km Minden nyaláb és a fedésterület átfedi egymást
A „nagy” LEO alkalmazások
2 GHz+ tartomány
Globális szolgáltatások, általában szabályozási követelményekkel
Olyan technológiák, mint a nagysebességű, szélessávú adatkommunikáció, video konferencia. Hang- és adatkapcsolat. Kommunikációs és valósidejű hangtovábbítás, mobil eszközök…
A „mega” (szuper) LEO alkalmazások
20-30 GHz tartományban
Főleg szélessávú , ált. csomagkapcsolt adattovábbításra, semmint hangra. Előnyei, hátrányai hasonlóak a többi LEO-hoz és leginkább a műholdak közötti adatkapcsolati vonalakon időveszteség és eldobott jelek nélküli kommunikációt eredményez.
Szép és jó példa: a Hubble teleszkóp
Osztálya: LEO 1990. ápr.24- (2018? Csendes-ó.) Röppálya: 569 km Keringési idő: 100 perc Sebesség: 17,000 mf/óra Problémák: A röppálya a tömegvonzás és a naptevékenység miatt fokozatosan „romlik”. A ‚napmaximum’ során a növekszik a magasságokon érzékelhető sűrűség, ilyenkor a vonzás (drag) sokkal nagyobb a műholdokon (a nap-minimumhoz képest).
Middle-Earth-Orbiting (MEO) MEO-k az 1243 mi - 22300 mi magasságtartományban A keringési pályák alapvetően a kommunikációs és navigációs műholdak számára vannak fenntartva, az É-i és a D-i sarkokat is lefedendően.
A MEO-k egy részermár elliptikus pályán mozog;
Kb. min. 12 keringő műhold szükséges a H24-ben való folyamatos, globális lefedettség biztosításához.
Az elliptikus körpálya elemei
!
!
Nulla-elhajlású röppálya, i = 00 Műhold 0o elhajlású körpályán
A nyomvonal a Földön
GSO pálya Geostacionárius
A Hubble Space Telescope röppályája i = 28.50
A nyomvonal a Földön
GEO pálya (geoszinkron)
‚Tundra’ geoszinkron röppályája, i 63.40
A nyomvonal a Földön (torzított 8-as)
A ‚Molniya’ röppályája, i 63.40 A nyomvonal a Földön
Sarki röppálya, i 900
A nyomvonal a Földön
Nap-szinkron röppálya •
• •
Olyan földcentrikus röppálya, amikor a magasságot és az inclinációt úgy szabályozzák, hogy ugyanazt a földfelszíni pontot ugyanabban a (napszinkron) időben repülje át a műhold. Vagyis a Nappal bezárt ugyanazon szög a kulcs! Megfigyelés, kémkedés, fotózás, időjárás-felderítés, stb.
A Landsat-7 Föld-leképező műhold röppályája (pl. Google Earth)
Geostacionárius röppálya GSO műhold relatív pozíciói
Az Inmarsat globális fedésterülete Telefon és adattovábbítás
A két leggyakoribb műhold-formáció képi összehasonlítása
Geoszinkron - Föld röppálya (GEO)
A röppálya a Föld forgásához egyező irányú, szinkronizált (azonos a szögsebességük) a Föld rögzített földrajzi hosszúsága fölött látszik, melytől szabályos kitérésekkel északi és déli irányban eltér. Enyhe inklináció, tengelyforgási ideje = a Föld forgási idejével (23h56’14”) A Föld adott pontja felett minden nap ugyanabban az időpontban ugyanabba az égi pozícióba visszatérni látszik.
Geostacionárius - Föld röppálya (GSO)
A geoszinkron röppályák spec. változata, 0 fok elhajlással, az Egyenlítő fölött; A geostacionárius műholdakat széleskörűen alkalmazzák a kommunikációs és időjárásmegfigyelő feladatokra.
Tipikus várható élettartamuk 10-15 év. Mivel a GSO-k a föld körül az egyenlítő fölött keringenek, az északi és a déli sarkon nem nyújtanak fedést, 35786 km magasság
GEOs and Weather
Olyan magasságon, hogy 24 órás, a Föld forgási sebességével egyező röppálya-sebességgel forogjon a Föld körül Ezzel állítható elő pl. a TV-n látott felhő műholdkép; Kb. 1 percenként készít felvételt.
A GEO-kat: 3-9 év időtartamra tervezik; Méréseit elektromos feszültségként és annak változásaival mérik, digitalizálják és így juttatják le a földi állomásra. Az eszközök általában: kis teleszkóp vagy antenna;
Letapogató (scanning) mechanika 1 v. több érzékelő, a látható vagy infravörös vagy mikrohullámú sugárzás detektálására.
Pro-k és Con-ok a GEO-nál Előnyök: Az időjárási helyzetkép megjeleníthető.
Hátrányok:
A TV műsorszórás szakadásmentes.
A hosszabb Föld műhold távolság miatt a jelek hosszabb ideig „utaznak”.
H24-ben képesek pl.a hurrikánok fejlődését követni.
A telefonbeszélgetések nehézségei növekszenek. GEO-kat nem pozícionálnak az északi és a déli sarkok környékére.
Űrszemét (space debris) Kb. 170 millió 1 cm-nél kisebb roncsdarab 670 000 1-10 cm közötti, kb. 8000 db., krikett labdánál nagyobb űreszköz kering a Föld körül.
Ebből kb. 1420 a működő műhold;
Computer-generálta kép 2016, kb. a HEO-tól nézve
A külső a GSO gyűrú, a belső a „LEO felhő”
Mir űrállomás 1986-2001.
Fénykorában…
A vég… 2001. márc. 23.
Roncstemető
Roncstemető a Csendes-óceánon 43° 34′ 48″ S, 142° 43′ 12″ W
A Jules Verne műhold földi légkörbe visszatérése és megsemmisülése
Felhasználás szerinti felosztás: • • •
• • • • • • •
"Killer Satellites" are satellites that are designed to destroy enemy warheads, satellites, and other space assets Astronomical satellites are satellites used for observation of distant planets, galaxies, and other outer space objects Biosatellites are satellites designed to carry living organisms, generally for scientific experimentation Communications satellites are satellites stationed in space for the purpose of telecommunications. Miniaturized satellites are satellites of unusually low masses and small sizes Navigational satellites are satellites which use radio time signals transmitted to enable mobile receivers on the ground to determine their exact location. Reconnaissance satellites are Earth observation satellite or communications satellite deployed for military or intelligence applications. Earth observation satellites are satellites intended for non-military uses such as environmental monitoring, meteorology, map making etc Tether satellites are satellites which are connected to another satellite by a thin cable called a tether Weather satellites are primarily used to monitor Earth's weather and climate
• Recovery satellites are satellites that provide a recovery of reconnaissance, biological, space-production and other payloads from orbit to Earth • Manned spacecraft (spaceships) are large satellites able to put humans into (and beyond) an orbit, and return them to Earth. Spacecraft including spaceplanes of reusable systems have major propulsion or landing facilities. They can be used as transport to and from the orbital stations • Space stations are man-made orbital structures that are designed for human beings to live on in outer space. A space station is distinguished from other manned spacecraft by its lack of major propulsion or landing facilities. Space stations are designed for medium-term living in orbit, for periods of weeks, months, or even years
Röppálya szerinti felosztás (ma már kombinált megoldások is /pl. Cospas-Sarsat/): • Low Earth orbit (LEO), 2,000 km alatt • Medium Earth orbit (MEO) 2,000 km-35,786 km • High Earth orbit (HEO) magasabban,mint 35,786 km
Satellite Tracking System http://www.satflare.com/track.asp?q=25544# TOP http://scaleofuniverse.com/ http://eyes.nasa.gov/download.html http://science.nasa.gov/realtime/jtrack/Spac ecraft.html
A magyar műhold „csoda”…
A MaSat (2012- február 13-tól 1061 napig keringett… - 3 hónapra tervezték…) 10x10x10 cm-es CubeSat altípusú, pikoműhold Utolsó adatcsomag: jan. 9-én 21.21-kor (ARG-ból) 2015. január 11-én 0:45 előtt megsemmisült
Folytatódik (?) a magyar „csoda”…
Navigációs rendszerek… GPS – MEO, 20180 km (36/31 műhold) GLONASS – MEO, 19130 km (27/24) GALILEO – MEO, 23222 km (30/11) BeiDou – GEO/MEO, (21500 km) (27/20) IRNSS* – HEO, 36000 km, (7/7)
*Indian Regional Navigation Satellite System
