Космические системы связи

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение 3

Глава 1. Космические системы связи 5

1.1. Ретрансляция 5

1.1.1. Активные ретрансляторы с задержкой 10

1.1.2. Спутники –ретрансляторы без  задержки 12

1.1.3. Неподвижные спутники- ретрансляторы 14

1.2. Спутники 18

Заключение 27

Глава 2. Практическая часть 29

Приложения 30

 

Введение

Освоение космоса, космические  исследования относятся к одному из основных направлений научно-технической  революции. Рассмотрение этого направления  в технико-экономическом аспекте  представит определенный интерес для  специалистов, разрабатывающих международные  программы сотрудничества в области экономики, науки и техники.

Искусственные спутники Земли, обладая такими особенностями, как  возможностью находиться в зоне прямой видимости со значительных территорий поверхности Земли, высокой  скоростью перемещения и регулярностью движения, позволяют эффективно решать важные народнохозяйственные задачи: определение координат (геодезия и навигация), передача информации (телевидение, радиовещание, телефонная и телеграфная связь),  наблюдение за Землей (исследование природных ресурсов и окружающей среды), изучение и контроль процессов в атмосфере.

Большой практический интерес, в частности, представляет вынесение  в космос, например на орбиты искусственных  спутников Земли или на Луну, части  производственно-технических комплексов. На Луну могут быть вынесены вредные, горнодобывающие, энергоемкие виды производства. В условиях космического полета (невесомость, вакуум) могут производиться крупные кристаллы, композитные материалы, уникальная оптика, сверхчистые химические и лекарственные препараты и многое другое. Особое значение в ближайшем будущем будет иметь вынос за пределы Земли вредных, вторично не перерабатываемых отходов производства.

Технические характеристики ракетно-космических систем, а также  успехи в создании радиоэлектронной и оптико-механической аппаратуры позволили приступить уже в наши дни к решению конкретных задач. Среди них особо важное значение имеют задачи, связанные с разносторонним и комплексным исследованием природных ресурсов Земли и окружающей среды. Это объясняется по крайней мере двумя главными обстоятельствами. Первое из них связано со все расширяющейся (причем за последние годы темпы растут лавинообразно) хозяйственной деятельностью человека на нашей планете, требующей форсированной разработки природных ресурсов, второе — со все более существенным влиянием человека и его производственной деятельности на природную среду. Если в прежние годы вопрос стоял о том, чтобы в минимальной степени влиять на экологическую систему планеты, другими словами, не нарушать равновесия в природе, то теперь мы вынуждены на основании глубокого изучения биосферы изменять эти условия, но таким образом, чтобы сохранить природную среду в состоянии, пригодном для комфортной жизни человека. Решать такие глобальные задачи возможно только с помощью космонавтики.

 

 

Глава 1. Космические системы связи

1. Ретрансляция

Проблема дальней радиосвязи приобрела особое значение, как только полеты человека в космос встали на повестку дня. В чем сложность, каковы пути решения этой проблемы? Рассматривать ее можно с двух точек зрения, имея в виду радиосвязь между наземными пунктами управления и космическими летательными аппаратами, а также использование ИСЗ¹ как ретрансляторов для увеличения дальности связи между наземными объектами, самолетами, кораблями и т. д. Эти две задачи различаются по своей постановке, но с технической точки зрения имеют много общего.

Необходимость радиосвязи между  наземными пунктами управления и  космическими летательными аппаратами очевидна. Во время исторического  полета майора Титова, например, связь  с Землей поддерживалась по нескольким радиоканалам, в том числе по двум коротковолновым и одному ультракоротковолновому каналам телефонной связи, а также по двум ультракоротковолновым радиоканалам, по которым передавалось телевизионное изображение.

Для увеличения дальности  и повышения надежности радиосвязи с космическим кораблем ее вели несколько радиостанций, расположенных в различных пунктах СССР. Эти радиостанции служили ретрансляторами, что позволило вести надежную связь с космическим кораблем почти на всех участках его полета.

Использование искусственных  спутников Земли как ретрансляторов в системах наземной связи значительно  повысит ее дальность.

До последнего времени  радиосвязь между наземными пунктами, а также с самолетами, находившимися на расстоянии, превышающем 1000 км, велась только на коротких волнах. Однако коротковолновая радиосвязь сейчас не может нас полностью удовлетворить, и вот почему.

Поскольку коротковолновый  диапазон частот сравнительно небольшой, в нем одновременно без взаимных помех на разных частотах могут работать не более 1000 радиостанций. Сейчас число работающих радиостанций во много раз больше, что приводит к сильным взаимным помехам.

С другой стороны, возрос уровень  промышленных помех на коротких волнах, и для надежной связи требуются  очень мощные передатчики. Кроме  того, коротковолновой радиосвязи принципиально  свойственны такие недостатки, как искажения сигнала из-за многолучевого распространения радиоволн и замирания сигнала в точке приема. В результате надежная радиосвязь на коротких волнах на очень большие расстояния в настоящее время практически невозможна.

Значительно менее загружен и более свободен от промышленных помех диапазон ультракоротких волн. Но они хорошо распространяются только в пределах прямой видимости. В последнее время начали применяться линии дальней связи, использующие рассеивание ультракоротких радиоволн на неоднородностях тропосферы или ионосферы, а также отражения от следов метеоров. Однако для такой связи требуются очень мощные передатчики.

Таким образом, обычная дальняя  наземная радиосвязь испытывает большие  затруднения. Между тем успехи в  освоении космоса показали, что если установить на искусственные спутники Земли ретрансляторы, то с их помощью  можно передавать сигналы на значительные расстояния. Мало того, можно создать системы связи, охватывающие весь земной шар. Эти системы могут служить как для наземной радиосвязи, так и для связи с космическими летательными аппаратами. Идея их создания весьма перспективна.

Использование искусственных  спутников   Земли в системе  связи основывается на ретрансляции отражающей поверхностью или аппаратурой спутника сигналов от передающих наземных станций к приемным. В первом случае ретрансляция называется пассивной, во втором — активной. При пассивной ретрансляции используется большая площадь   отражающей поверхности спутника, которая рассеивает падающую на него часть энергии радиоволн, а наземная приемная радиостанция принимает часть рассеянной спутником энергии. Пассивные спутники передают сигналы без  задержки (в реальном масштабе времени), т. е. обеспечивают мгновенную ретрансляцию.

Такие спутники отличаются простотой и малой стоимостью. Это могут быть надувные тонкостенные оболочки, не содержащие сложной специальной аппаратуры. Они надежны в работе и могут служить весьма продолжительное время. Управлять их работой предельно просто. Еще одним их преимуществом является возможность одновременной и независимой ретрансляции через один спутник практически неограниченного числа сигналов совершенно различных систем связи, соединяющих разные пункты (при условии, что системы работают на разных частотах).

По схеме пассивной  ретрансляции работали американские спутники серии “Эхо”. Тонкостенная оболочка из металлизированных синтетических  пленок имела сферическую форму  диаметром 30 м у “Эхо—1” и 40 м  — у “Эхо—2”. Экспериментальная  эксплуатация этих спутников показала, что связь на их основе недостаточно эффективна. Это объясняется прежде всего слишком большим затуханием сигнала. В связи с этим требуются большие мощности (около 10 МВт) передающих станций и очень высокие чувствительности приемных    наземных устройств. Это определяет сложность и высокую стоимость наземных станций и, следовательно, всей системы космической связи в целом, несмотря на относительно небольшую стоимость самих спутников. Кроме того, слабость отраженных к Земле сигналов обусловливает большие шумы и помехи, а следовательно, низкое качество связи. Все это заставило отказаться от создания в настоящее время эксплуатационных систем связи на основе использования пассивных космических ретрансляторов.

Намного более перспективным  оказался принцип построения космических систем связи на основе активной ретрансляции сигналов. В этом случае аппаратура спутника принимает радиосигналы с Земли, усиливает и затем вновь передает (ретранслирует) их на Землю. Наличие на спутнике специальной приемопередающей аппаратуры позволяет существенно снизить мощность передающей и чувствительность    приемной станции, работающих на Земле. Вызванное этим снижение стоимости наземных станций столь велико, что вполне окупаются затраты на создание достаточно сложного спутника, его запуск и последующую эксплуатацию. Такая система космической связи рентабельнее системы на основе пассивных ретрансляторов и более рентабельна, чем обычные наземные системы связи. Оценки показывают, что, например, в ряде случаев подобная космическая система связи становится экономически   более эффективной по сравнению с обычной наземной уже при дальности связи более 200 км. Высокий уровень мощности приходящего к Земле сигнала при его активной ретрансляции спутником обусловливает высокое качество связи. Эти факторы определили использование для космической системы связи принципа активной ретрансляции сигналов.

Большими достоинствами  обладает космическая система связи  со спутниками на так называемой стационарной орбите, представляющей собой круговую экваториальную орбиту высотой около 30 тыс. км. Такая орбита характерна тем, что спутник на ней находится  в неподвижном относительно поверхности  Земли положении (в связи с  равенством их угловых скоростей  вращения). Со стационарной   орбиты обеспечивается большая зона охвата поверхности. Один стационарный спутник  может обеспечить круглосуточную связь между пунктами, удаленными друг от друга на расстояние около 17 тыс. км, причем для уменьшения потерь сигналов принимается, что спутник а крайних точках виден под углом 7,5°.

Весь диапазон частот, ретранслируемых  спутником связи, делится на поддиапазоны, называемые стволами, причем каждый ствол занимает полосу частот, необходимую для передачи одной телевизионной программы. Однако через него может передаваться не только телевизионная информация, но и, если необходимо, телефонная, телеграфная, фототелеграфная, радиовещательная. Так, например, через один ствол можно передавать одновременно до 600 телефонных разговоров. Чем большее количество стволов имеет связной спутник, тем более информативную связь он может обеспечить, том более “производительной” будет космическая система связи.

Невидимые магистрали проложены  в космическом пространстве искусственными спутниками Земли. Они должны помочь соединить между собой все континенты нашей планеты прочной радио— и телевизионной связью.

На первом искусственном  спутнике Земли был установлен передатчик, работавший на частотах около 20 и 40 мегагерц и имевший мощность 1 ватт. Несмотря на незначительную мощность, сигналы  спутника принимались на расстоянии в несколько тысяч километров. Это привлекло внимание связистов и послужило толчком к разработке систем космической связи.

В таких системах могут  использоваться как активные, так  и пассивные ретрансляторы, устанавливаемые  на искусственных спутниках Земли. Возможно, например, применение неподвижных относительно Земли, или так называемых стационарных, спутников (их угловая скорость должна быть равна угловой скорости вращения Земли) на высоте около 36 000 км и подвижных на низких орбитах.

За рубежом сейчас обсуждается  несколько проектов (на рис. 1 они  указаны цифрами). Первый предусматривает запуск на высоту нескольких тысяч километров двенадцати спутников, которые должны получать с Земли сигналы и, отражая, передавать их на многие тысячи километров.

По второму проекту  три неподвижных стационарных спутника с передающей и приемной аппаратурой должны находиться на высоте около 36 000 км. Аппаратура будет принимать сигналы с Земли, усиливать и направлять в разные стороны. Подвижные спутники могут использоваться как активные ретрансляторы без задержки и ретрансляторы с задержкой в передаче информации.

 

1. Активные ретрансляторы с задержкой

 

На ИСЗ проектируется  устанавливать приёмник, запоминающее устройство и передатчик. Пролетая над одним пунктом, спутник принимает и запоминает информацию; а пролетая над другим, передает ее по команде с Земли этому пункту. Информация передается при движении самих спутников. Поэтому они получили название «курьеров»

 Основной недостаток  этого метода — запаздывание  передаваемой информации, величина которого определяется временем ожидания спутника до передачи на него информации и временем ее «переноса». Первая величина зависит от количества спутников в системе связи, а вторая составляет около 2-3 минут на тысячу километров расстояния при высоте полета спутника 200-500 км.

Преимущество такого вида связи в том, что могут применяться  спутники на низких орбитах (200-500 км), и, поскольку дальность связи невелика, нет нужды в передатчиках большой мощности. Например, если высота орбиты 300 км и связь ведется на частоте 1000 мегагерц, наземное устройство имеет направленную антенну диаметром 5 м, а антенна на спутнике ненаправленная, то для радиотелефонной связи достаточно передатчика мощностью 5 ватт.