"Авіація і космонавтика» 1962 №5, С.28-33
Проблема дальнього радіозв'язку набула особливого значення, як тільки польоти людини в космос встали на порядок денний. У чому складність, які шляхи вирішення цієї проблеми? Розглядати її можна з двох точок зору, маючи на увазі радіозв'язок між наземними пунктами управління і космічними літальними апаратами, а також використання штучних супутників Землі (ШСЗ) як ретрансляторів для збільшення дальності зв'язку між наземними об'єктами, літаками, кораблями і т. Д. Ці дві завдання розрізняються по своїй постановці, але з технічної точки зору мають багато спільного.
Для збільшення дальності і підвищення надійності радіозв'язку з космічним кораблем її вели кілька радіостанцій, розташованих в різних пунктах СРСР. Ці радіостанції служили ретрансляторами, що дозволило вести надійний зв'язок з космічним кораблем майже на всіх ділянках його польоту.
Використання штучних супутників Землі як ретрансляторів в системах наземного зв'язку значно підвищить її дальність.
До останнього часу радіозв'язок між наземними пунктами, а також з літаками, які перебували на відстані, що перевищує 1000 км, велася тільки на коротких хвилях. Однак короткохвильова радіозв'язок зараз не може нас повністю задовольнити, і ось чому.
Оскільки короткохвильовий діапазон частот порівняно невеликий, у ньому одночасно без взаємних помех не різних частотах можуть працювати не більше 1000 радіостанцій. Зараз число працюючих радіостанцій у багато разів більше, що призводить до сильних взаємних перешкод.
Мал. 1. Деякі проекти телекомунікації.
З іншого боку, зріс рівень промислових перешкод на коротких хвилях, і для надійного зв'язку потрібні дуже потужні передавачі. Крім того, короткохвильового радіозв'язку принципово властиві такі недоліки, як спотворення сигналу через багатопроменевого поширення радіохвиль і завмирання сигналу в точці прийому. В результаті надійний радіозв'язок на коротких хвилях на дуже великі відстані в даний час практично неможлива.
Значно менш завантажений і вільніший від промислових перешкод діапазон ультракоротких хвиль. Але вони добре поширюються тільки в межах прямої видимості. Останнім часом почали застосовуватися лінії телекомунікації, що використовують розсіювання ультракоротких радіохвиль на неоднорідностях тропосфери або іоносфери, а також відображення від слідів метеорів. Однак для такого зв'язку потрібні дуже потужні передавачі.
Таким чином, звичайна далека наземна радіозв'язок відчуває великі труднощі. Тим часом успіхи в освоєнні космосу показали, що якщо встановити на штучні супутники Землі ретранслятори, то з їх допомогою можна передавати сигнали на значні відстані. Мало того, можна створити системи зв'язку, що охоплюють всю земну кулю. Ці системи можуть служити як для наземного радіозв'язку, так і для зв'язку з космічними літальними апаратами. Ідея їх створення досить перспективна.
Невидимі магістралі прокладені в космічному просторі штучними супутниками Землі. Вони повинні допомогти з'єднати між собою всі континенти нашої планети міцної радіо- і телевізійної зв'язком.
На першому штучному супутнику Землі був встановлений передавач, який працював на частотах близько 20 і 40 мегагерц і мав потужність 1 ват. Незважаючи на незначну потужність, сигнали супутника приймалися на відстані в кілька тисяч кілометрів. Це привернуло увагу зв'язківців і послужило поштовхом до розробки систем космічного зв'язку.
У таких системах можуть використовуватися як активні, так і пасивні ретранслятори, що встановлюються на штучних супутниках Землі. Можливо, наприклад, застосування нерухомих відносно Землі, або так званих стаціонарних, супутників (їх кутова швидкість повинна бути дорівнює кутової швидкості обертання Землі) на висоті близько 36 000 км і рухомих на низьких орбітах.
За кордоном зараз обговорюється декілька проектів (на рис. 1 вони вказані цифрами). Перший передбачає запуск на висоту декількох тисяч кілометрів дванадцяти супутників, які повинні отримувати з Землі сигнали і, відображаючи, передавати їх на багато тисяч кілометрів.
За другим проектом три нерухомих стаціонарних супутника з передавальної і приймальні апаратурою повинні знаходитися на висоті близько 36 000 км. Апаратура буде приймати сигнали з Землі, посилювати і направляти в різні боки. Рухливі супутники можуть використовуватися як активні ретранслятори без затримки і ретранслятори з затримкою в передачі інформації.
АКТИВНІ ретранслятор ЗАТРИМКА
На ШСЗ проектується встановлювати приймач, пристрій і передавач. Пролітаючи над одним пунктом, супутник приймає і запам'ятовує інформацію; а пролітаючи над іншим, передає її по команді з Землі цього пункту. Інформація передається при русі самих супутників. Тому вони отримали назву «кур'єрів» (рис. 2).
Мал. 2. Схема зв'язку, що використовує супутники-ретранслятори з затримкою.
Основний недолік цього методу - запізнювання переданої інформації, величина якого визначається часом очікування супутника до передачі на нього інформації і часом її «перенесення». Перша величина залежить від кількості супутників в системі зв'язку, а друга становить близько 2-3 хвилин на тисячу кілометрів відстані при висоті польоту супутника 200-500 км.
Тривалість сеансу зв'язку, під час якого інформація передається на супутник або приймається з нього на ультракоротких хвилях, обмежується часом знаходження супутника в межах прямої видимості від пункту зв'язку. При висоті польоту 200-500 км вона становить близько 3 хвилин.
Щоб визначити можливість використання ШСЗ для передачі інформації між наземними пунктами, в США запустили зв'язковий супутник «Кур'єр» з чотирма приймачами, запам'ятовуючим пристроєм на 272 000 слів і чотирма передавачами потужністю 5-8 ват кожен. Супутник міг одночасно вести прийом і передачу інформації на декількох частотах.
Супутники-ретранслятор БЕЗ ЗАТРИМКИ
Вони приймають інформацію і одночасно передають її на іншій частоті. Якщо супутник летить на великій висоті щодо поверхні Землі, то дальність зв'язку збільшується (рис. 3). Залежність дальності зв'язку від висоти польоту супутника неважко визначити, вона побудована на рис. 4.
Принципово можливі два варіанти побудови системи зв'язку за допомогою таких супутників. Перш за все - керовані супутники, такі по заданих орбітах на певних відстанях один від одного. Тоді можна домогтися, щоб в будь-який момент між наземними кореспондентами перебував хоча б один супутник і зв'язок була безперебійної.
Але найбільш реально застосування некерованих супутників. При цьому не виключені перерви в зв'язку. Підрахуємо число необхідних супутників. Нехай q - ймовірність того, що супутник знаходиться в межах видимості обох пунктів. Тоді (1-q) n = # 947; - ймовірність того, що жоден супутник з n не може бути використаний для зв'язку. Звідси необхідне число супутників буде:
Мал. 3. Система зв'язку без затримки.
Розрахунки для лінії зв'язку через Атлантичний океан дають наступне співвідношення (див. Таблицю) між висотою орбіти h і необхідним числом супутників n при ймовірності перерви в зв'язку # 947; = 0,1.
Перевага описуваної системи - відсутність запізнювання в передачі повідомлень. Однак такій системі властиві і недоліки: для надійного зв'язку треба велике число супутників.
Не виключені також і інші варіанти систем зв'язку, що використовують пасивні відбивачі в космічному просторі. Пасивними відбивачами можуть служити ШСЗ, Місяць, розсіяні металеві тіла.
Необхідність потужних передавачів, природно, є недоліком пасивних ретрансляторів. Але вони мають і ряд переваг. Перш за все необхідно відзначити простоту конструкції і високу надійність пасивних ретрансляторів. Крім того, вони можуть одночасно ретранслювати повідомлення практично необмеженого числа кореспондентів, в той час як активний ретранслятор по одному каналу може передавати повідомлення тільки одного кореспондента.
Мал. 4. Залежність дальності зв'язку L і необхідної потужності передавача від висоти польоту h супутника - активного ретранслятора без затримки.
Якщо обсяг інформації невеликий та застосовуються спрямовані антени, то потужність, потрібна для зв'язку, буде невеликою, і пасивні ретранслятори можуть виявитися вигідними.
Пасивним відбивачем може бути і природний супутник Землі - Місяць. Але оскільки вона віддалена від Землі на велику відстань (385 000 км) і поверхня Місяця відображає всього лише кілька відсотків падаючої на неї електромагнітної енергії, то для зв'язку потрібно потужний передавач.
Однак використання Місяця як пасивного ретранслятора має і свої переваги - високу надійність і невразливість системи зв'язку.
В іноземній пресі обговорюється проект створення на висоті 3-4 тисяч кілометрів пояса з розсіяних металевих предметів, здатних відображати електромагнітні хвилі. Передбачалося, що, використовуючи відображення радіохвиль від цього поясу, можна буде вести далекий зв'язок в діапазоні УКВ приблизно так само, як в діапазоні коротких хвиль при їх відображенні від іоносфери. Однак переконливих доказів того, що такий пояс дозволить створити ефективну систему зв'язку, немає. Тим часом металеві голки, розсіяні в космічному просторі, будуть заважати при радіофізичних і астрономічних дослідженнях, представляючи собою екран навколо Землі, а також створять значну загрозу для космічних літальних апаратів.
Якщо запустити супутник в площині екватора в напрямку обертання Землі на кругову орбіту висотою близько
Мал. 5. Космічний зв'язок за допомогою нерухомих супутників-ретрансляторів.
36 000 км, то він буде залишатися нерухомим щодо земної поверхні. Це неважко довести, розглянувши умови рівноваги сил, що діють на супутник.
Створення таких супутників відкриває великі можливості для побудови всесвітньої системи космічного зв'язку. Як видно з рис. 5, досить трьох супутників, розташованих на вершинах рівностороннього трикутника, щоб охопити зв'язком всю Землю за винятком невеликих районів у полюсів. У найпростішому варіанті система зв'язку може складатися з одного супутника. Вона обслуговуватиме зв'язком приблизно 30% поверхні Землі.
Однак створення нерухомого супутника пов'язано з великими труднощами через необхідність стабілізувати його положення відносно поверхні Землі. Для цього передбачається використовувати спеціальні дальномірні радіоканали, що дозволяють визначати зміщення супутника щодо заданого положення і виробляти команди на двигуни. Крім того, необхідна система орієнтації в просторі антен супутника.
Використання нерухомих супутників в якості пасивних ретрансляторів утруднено тому, що для цього потрібно дуже велика потужність наземного передавача. Для стійкої телевізійної передачі при порівняно прийнятних розмірах наземних антен (близько 1000 м) і потужності наземної передавальної апаратури близько кількох тисяч квт потрібно, щоб діаметр штучного супутника у вигляді сфери дорівнював приблизно одному кілометру. Необхідна потужність істотно зменшиться, якщо на супутнику встановити спрямований відбивач великих розмірів. Такий відбивач може бути надувним (з металізованої пластмаси) розміром в декілька десятків метрів. При цьому на супутнику необхідна система орієнтації відбивача.
Важлива перевага системи з нерухомими супутниками Землі - безперебійність зв'язку. Супутник завжди знаходиться на своєму місці і готовий ретранслювати сигнали. Правда, така система складна і не може використовуватися в полярних районах.
Які ж основні проблеми, що виникають за кордоном при створенні систем космічного зв'язку? Можна відзначити, що канали космічної радіозв'язку будуються на тих же принципах, що і «земної», але є деякі особливості.
Через великої дальності зв'язку і неможливості встановити на космічному літальному апараті передавач великої потужності встає проблема прийому слабких сигналів. Необхідно враховувати і вплив на приймач шумів Землі, космічних шумів і теплових шумів самого приймача.
Можливі два шляхи: використання найбільш завадостійких способів передачі і прийому інформації, застосовувати які в звичайних умовах немає необхідності, і розробка приймачів з малим рівнем власних шумів, т. Е. Приймачів з параметричними і особливо молекулярними підсилювачами.
У каналах космічного зв'язку під час руху космічного літального апарату виникає ефект Доплера. Він проявляється в зміні частоти переданих сигналів. Для боротьби з цим, шкідливим явищем вдаються до автопідстроювання приймача під частоту сигналу.
Радіохвилі, що направляються з Землі на космічний літальний апарат, проходять крізь іоносферу, в якій довгі і короткі радіохвилі загасають. Радіохвилі коротше декількох сантиметрів загасають в тропосфері. Якщо врахувати, що власні шуми приймачів зі зменшенням довжини хвилі зв'язку, як правило, ростуть, то можна вибрати оптимальну хвилю зв'язку, щоб отримати максимальне відношення потужності сигналу до потужності власних шумів приймача.
Виявляється, для менш досконалих приймачів з параметричними підсилювачами оптимальними є метрові, для більш досконалих приймачів з молекулярними підсилювачами - дециметрові і сантиметрові хвилі зв'язку. Однак без ретрансляції вони дозволяють вести зв'язок тільки в межах прямої видимості. Для радіозв'язку за лінією горизонту можна використовувати короткі хвилі діапазону 10-20 м. Вони з деяким загасанням проникають крізь іоносферу і, відбиваючись від поверхні Землі і іоносфери, поширюються на великі відстані.
Потужність, необхідна для радіозв'язку, різко знижується при спрямованих антенах. Виграш в потужності тим більший, чим «гостріше» спрямованість антени. Антену треба точно направляти на антену кореспондента. Для цього необхідно знати положення останнього і розташовувати спеціальною системою орієнтації антени. Точність системи орієнтації повинна бути тим вище, ніж «гостріше» спрямованість антени і більше одержуваний виграш в потужності.
Останнім часом досягнуто великих успіхів у генеруванні вузьких пучків електромагнітної енергії. Порушуючи певні коливання в деяких кристалах, вдається створити вузький і майже нерасходящійся пучок електромагнітних хвиль. Якщо цей пучок направити точно на приймальну антену, то майже вся передана енергія буде прийнята. При цьому зв'язок можна вести на великі відстані, використовуючи передавачі малої потужності і прості малочутливі приймачі. Вся складність тут в точній напрямку передачі на приймальну антену.
Ретранслятори, встановлені на штучних супутниках Землі, дозволяють створити системи телекомунікації. Ці системи можуть знайти застосування як для зв'язку з Землею, так і з літаками і космічними літальними апаратами. Найбільш придатні для цієї мети системи зв'язку з активними ретрансляторами без затримки, які не вимагають потужних передавачів і громіздких антен з високою спрямованістю. Такі ретранслятори можуть встановлюватися як на нерухомих (стаціонарних) штучних супутниках, запущених на висоту 36 000 км, так і на рухомих, що знаходяться на малих висотах.
Ми торкнулися лише деяких питань космічної радіозв'язку. Запуск штучних супутників, міжпланетних станцій і космічних кораблів з людиною на борту відкрив нову еру. Зараз на орбітах перебувають нові радянські супутники «Космос-1», «Космос-2», «Космос-3» і «Космос-4».
Їх запуск має надзвичайно важливе значення для вивчення умов проходження радіосигналів через іоносферу і підвищення надійності космічної радіозв'язку. Перед нами відкрилося вікно в майбутнє і відкрилися широкі горизонти для нових дерзань. Зараз важко охопити думкою все, що обіцяє це найбільше досягнення для збільшення дальності радіо- і телевізійної зв'язку, але перші результати вже отримані.
Прагнучи поставити свої досягнення в дослідженнях космосу на службу всьому людству, радянські люди завжди виступали і виступають за широке міжнародне співробітництво в галузі освоєння космосу.
У посланні Н. С. Хрущова президентові США з питань вивчення та використання космічного простору намічений ряд проблем, для вирішення яких вже зараз можуть об'єднати свої зусилля СРСР і США.
Одна з них - використання штучних супутників Землі для створення міжнародних систем наддалекої зв'язку. «Здійснення таких проектів, - йдеться в посланні, - може призвести до значного поліпшення засобів зв'язку і телебачення на земній кулі. Люди отримають надійний засіб спілкування, виникнуть небачені досі можливості для розширення контактів між народами ».