Космические системы связи

Продолжительность сеанса связи, во время которого информация передается на спутник или принимается с него на ультракоротких волнах, ограничивается временем нахождения спутника в пределах прямой видимости от пункта связи. При высоте полета 200-500 км она составляет около 3 минут.

Системы космической радиосвязи, использующие спутники — «курьеры», являются простейшими, но практическое значение их огромно. Достаточно сказать, что в таком режиме работает аппаратура и искусственных спутников Земли, предназначенных для космических исследований. Во время облета Земли информация, получаемая с различных датчиков, накапливается на спутнике в запоминающем устройстве, а при пролете над приемным пунктом передается на Землю. Так было во время полета майора Титова. На космическом корабле «Восток-2» был установлен магнитофон, на ленте которого записывалось все, что говорил летчик-космонавт. Когда он пролетал над приемным пунктом, записанная информация по команде передавалась на Землю.

Чтобы определить возможность  использования ИСЗ для передачи информации между наземными пунктами, в США запустили связной спутник «Курьер» с четырьмя приемниками, запоминающим устройством на 272 000 слов и четырьмя передатчиками мощностью 5-8 ватт каждый. Спутник мог одновременно вести прием и передачу информации на нескольких частотах.

2. Спутники –ретрансляторы без  задержки

Они принимают информацию и одновременно передают ее на другой частоте. Если спутник летит на большой  высоте относительно поверхности Земли, то дальность связи увеличивается. Зависимость дальности связи  от высоты полета спутника нетрудно определить.

Принципиально возможны два  варианта построения системы связи  с помощью таких спутников. Прежде всего — управляемые спутники, следующие по заданным орбитам на определенных расстояниях друг от друга. Тогда можно добиться, чтобы в любой момент между наземными корреспондентами находился хотя бы один спутник и связь была бесперебойной.

Но наиболее реально применение неуправляемых спутников. При этом не исключены перерывы в связи. Подсчитаем число необходимых спутников. Пусть  q — вероятность того, что спутник находится в пределах видимости обоих пунктов. Тогда (1-q)n = γ — вероятность того, что ни один спутник из n не может быть использован для связи.

Преимущество описываемой  системы — отсутствие запаздывания в передаче сообщений. Однако такой  системе свойственны и недостатки: для надежной связи надо большое  число спутников.

Не исключены также  и другие варианты систем связи, использующих пассивные отражатели в космическом  пространстве. Пассивными отражателями могут служить ИСЗ, Луна, рассеянные металлические тела.

В печати сообщалось о запуске  экспериментального спутника «Эхо-1». Это пассивный ретранслятор, представляющий собой надувной баллон диаметром 30 м и весом 60 кг. Поверхность баллона покрыта алюминиевой фольгой с коэффициентом отражения радиоволн 0,98. Если на Земле приемник и передатчик будут иметь направленные антенны диаметром 5 м, то для телефонной связи на расстоянии 8000 км с помощью такого спутника потребуется передатчик мощностью в несколько мегаватт. Построить столь мощный передатчик в настоящее время затруднительно.

Необходимость мощных передатчиков, естественно, является недостатком пассивных ретрансляторов. Но они обладают и рядом преимуществ. Прежде всего необходимо отметить простоту конструкции и высокую надежность пассивных ретрансляторов. Кроме того, они могут одновременно ретранслировать сообщения практически неограниченного числа корреспондентов, в то время как активный ретранслятор по одному каналу может передавать сообщения только одного корреспондента.

 Если объем информации  невелик и применяются направленные  антенны, то мощность, потребная для связи, будет небольшой, и пассивные ретрансляторы могут оказаться выгодными.

Пассивным отражателем может  быть и естественный спутник Земли  — Луна. Но поскольку она удалена  от Земли на большое расстояние (385 000 км) и поверхность Луны отражает всего лишь несколько процентов  падающей на нее электромагнитной энергии, то для связи требуется мощный передатчик.

Однако использование  Луны как пассивного ретранслятора  имеет и свои преимущества — высокую  надежность и неуязвимость системы  связи.

В иностранной печати обсуждается  проект создания на высоте 3-4 тысяч километров пояса из рассеянных металлических предметов, способных отражать электромагнитные волны. Предполагалось, что, используя отражение радиоволн от этого пояса, можно будет вести дальнюю связь в диапазоне УКВ² примерно так же, как в диапазоне коротких волн при их отражении от ионосферы. Однако убедительных доказательств того, что такой пояс позволит создать эффективную систему связи, нет. Между тем металлические иголки, рассеянные в космическом пространстве, будут мешать при радиофизических и астрономических исследованиях, представляя собой экран вокруг Земли, а также создадут значительную угрозу для космических летательных аппаратов.

3. Неподвижные спутники- ретрансляторы

Если запустить спутник  в плоскости экватора в направлении  вращения Земли на круговую орбиту высотой около 

  36 000 км, то он будет  оставаться неподвижным относительно  земной поверхности. Это нетрудно  доказать, рассмотрев условия равновесия  сил, действующих на спутник. 

Создание таких спутников  открывает большие возможности  для построения всемирной системы космической связи. Как видно из рис. 5, достаточно трех спутников, расположенных на вершинах равностороннего треугольника, чтобы охватить связью всю Землю за исключением небольших районов у полюсов. В простейшем варианте система связи может состоять из одного спутника. Она обслужит связью примерно 30% поверхности Земли.

Однако создание неподвижного спутника связано с большими затруднениями из-за необходимости стабилизировать его положение относительно поверхности Земли. Для этого предполагается использовать специальные дальномерные радиоканалы, позволяющие определять смещение спутника относительно заданного положения и вырабатывать команды на двигатели. Кроме того, необходима система ориентации в пространстве антенн спутника.

Если на спутнике установлена  ненаправленная антенна, то из-за его  большого удаления от Земли потребуется  передатчик большой мощности (например, для радиотелефонной связи —  около 300 ватт). Если же установить на спутнике направленную антенну диаметром 3 м и направить ее на Землю, то необходимая мощность передатчика уменьшится (до 0,5 ватта). В обоих случаях предполагается, что связь ведется на частоте 1000 мегагерц, а диаметр антенны наземной станции равен 5м.

Использование неподвижных  спутников в качестве пассивных  ретрансляторов затруднено потому, что  для этого требуется слишком  большая мощность наземного передатчика. Для устойчивой телевизионной передачи при сравнительно приемлемых размерах наземных антенн (порядка 1000 м) и мощности наземной передающей аппаратуры около нескольких тысяч кВт нужно, чтобы диаметр искусственного спутника в виде сферы был равен примерно одному километру. Требуемая мощность существенно уменьшится, если на спутнике установить направленный отражатель больших размеров. Такой отражатель может быть надувным (из металлизированной пластмассы) размером в несколько десятков метров. При этом на спутнике необходима система ориентации отражателя.

Важное преимущество системы  с неподвижными спутниками Земли  — бесперебойность связи. Спутник  всегда находится на своем месте  и готов ретранслировать сигналы. Правда, такая система сложна и  не может использоваться в полярных районах.

Каковы же основные проблемы, возникающие за рубежом при создании систем космической связи? Можно отметить, что каналы космической радиосвязи строятся на тех же принципах, что и «земной», но имеются некоторые особенности.

Из-за большой дальности  связи и невозможности установить на космическом летательном аппарате передатчик большой мощности встает проблема приема слабых сигналов. Необходимо учитывать и воздействие на приемник шумов Земли, космических шумов и тепловых шумов самого приемника.

Возможны два пути: использование  наиболее помехоустойчивых способов передачи и приема информации, применять которые в обычных условиях нет необходимости, и разработка приемников с малым уровнем собственных шумов, т. е. приемников с параметрическими и особенно молекулярными усилителями.

В каналах космической  связи при движении космического летательного аппарата возникает эффект Доплера. Он проявляется в изменении частоты передаваемых сигналов. Для борьбы с этим, вредным явлением прибегают к автоподстройке приемника под частоту принимаемого сигнала.

Радиоволны, направляемые с  Земли на космический летательный  аппарат, проходят сквозь ионосферу, в которой длинные и короткие радиоволны затухают. Радиоволны короче нескольких сантиметров затухают в тропосфере. Если учесть, что собственные шумы приемников с уменьшением длины волны связи, как правило, растут, то можно выбрать оптимальную волну связи, чтобы получить максимальное отношение мощности принимаемого сигнала к мощности собственных шумов приемника.

Оказывается, для менее  совершенных приемников с параметрическими усилителями оптимальными являются метровые, для более совершенных  приемников с молекулярными усилителями  — дециметровые и сантиметровые волны связи. Однако без ретрансляции они позволяют вести связь только в пределах прямой видимости. Для радиосвязи за линией горизонта можно использовать короткие волны диапазона 10-20 м. Они с некоторым затуханием проникают сквозь ионосферу и, отражаясь от поверхности Земли и ионосферы, распространяются на большие расстояния.

Мощность, необходимая для  радиосвязи, резко снижается при  направленных антеннах. Выигрыш в мощности тем больший, чем «острее» направленность антенны. Антенну надо точно направлять на антенну корреспондента. Для этого необходимо знать положение последнего и располагать специальной системой ориентации антенны. Точность системы ориентации должна быть тем выше, чем «острее» направленность антенны и больше получаемый выигрыш в мощности.

В последнее время достигнуты большие успехи в генерировании  узких пучков электромагнитной энергии. Возбуждая определенные колебания  в некоторых кристаллах, удается создать узкий и почти нерасходящийся пучок электромагнитных волн. Если этот пучок направить точно на приемную антенну, то почти вся переданная энергия будет принята. При этом связь можно вести на большие расстояния, используя передатчики малой мощности и простые малочувствительные приемники. Вся сложность здесь в точном направлении передачи на приемную антенну.

Ретрансляторы, установленные  на искусственных спутниках Земли, позволяют создать системы дальней связи. Эти системы могут найти применение как для связи с Землей, так и с самолетами и космическими летательными аппаратами. Наиболее пригодны для этой цели системы связи с активными ретрансляторами без задержки, которые не требуют мощных передатчиков и громоздких антенн с высокой направленностью. Такие ретрансляторы могут устанавливаться как на неподвижных (стационарных) искусственных спутниках, запущенных на высоту 36 000 км, так и на подвижных, находящихся на малых высотах.

2. Спутники

Принцип построения космических  систем на основании активной ретрансляции радио- и телевизионных сигналов оказался более перспективным. При его использовании аппаратура спутника принимает сигналы с  Земли, усиливает их и снова отправляет на Землю. Если на спутнике смонтирована приемо-передающая аппаратура, то это позволяет существенно снизить мощность передающей и чувствительность приемной аппаратуры. Несмотря на то что в этом случае материальные затраты на спутник увеличиваются, все же такая система более совершенна. А с практической точки зрения использование этого способа для радио- и телевизионной связи на сверхдальние расстояния просто необходимо.

     Учеными были  произведены расчеты, согласно  которым для надежного охвата всей территории России телевизионным вещанием потребовалось бы 5000 башен высотой 100 метров, 1000 башен высотой 300 метров, 700 башен высотой 500 метров. Кроме этого, вместе с возведением башен и установкой антенных устройств пришлось бы монтировать студии с аппаратурой, иметь значительный штат обслуживающего персонала и пр. Все это потребовало бы очень больших капиталовложений.

     Например, затраты  на строительство Останкинской  телебашни вполне себя окупили,  потому что в зоне ее вещания  велика плотность населения. А в тех местах, где плотность населения мала, возведение подобных башен — весьма нерентабельное дело.

     Если применяется  система радиорелейной связи,  то отпадает необходимость создания студий при каждой башне. Такой способ связи имеет в своей основе последовательную передачу радио- и телевизионных сигналов от одной промежуточной вышки до другой. В связи с тем, что Земля имеет кривизну поверхности, этот фактор ограничивает передачу прямолинейно распространяющихся сигналов, поэтому и радиорелейных станций требуется значительное количество. К примеру, если башня имеет высоту в 100 метров, то можно произвести передачу сигнала только на расстояние в 30-40 километров, а при высоте в 300, 500 и 1000 метров — на расстояние соответственно в 60, 100, 150 километров. А сами башни представляют собой сложнейшие инженерные сооружения, на возведение которых требуются большие материальные затраты. Тогда становится вполне очевидными, что использование искусственных спутников Земли для обеспечения радиотелевизионной связи наиболее выгодно.