Космические системы связи

КОСМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ

Новые возможности для повышения качества, оперативности и надежности связи открылись с запуском искусственных спутников Земли. Находясь в поле прямой радиовидимости большого числа удаленных друг от друга наземных пунктов, спутник позволяет объединить их сетью космической связи. В этом случае благодаря прямой видимости спутника с наземных пунктов используются информативные, короткие волны, что обеспечивает надежную и высокоэкономичную передачу большого объема информации на дальние расстояния.

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.

Всеобщий охват населения обширной территории телевидением с помощью наземных средств хотя в принципе и возможен, но сопряжен с большими материальными затратами, необходимыми для постройки уникальных телевизионных башен и линий радиорелейной связи. При этом при использовании кабельных линий приходится усиливать сигналы связи через каждые 6—10 км, а для связи по радиорелейным линиям необходимо через каждые 40—60 км устанавливать сложные ретрансляционные станции. Для их создания потребуются дефицитные строительные материалы и большая армия строителей, которые могли бы быть использованы на других работах. Время, необходимое для ввода в действие таких уникальных наземных сооружений, будет исчисляться десятилетиями. Кроме того, многоэлементность такой системы делает ее малонадежной, неоперативной и низкокачественной. Что же касается организации межконтинентальных передач, то наземными средствами реализовать их через океан практически не представляется возможным. Такая задача под силу только спутниковым системам связи.

В 1973 г. в СССР начал эксплуатироваться новый спутник связи «Молния-2» с диапазоном частот 4—6 ГГц. Он предназначен для организации многоканальной телефонно-телеграфной связи, передачи программ черно-белого или цветного телевидения на сеть системы «Орбита», а также для обеспечения международного сотрудничества в области космической связи. В последующие годы совершенствовались как спутники, так и приемные станции. В Советском Союзе были запущены спутники «Молния-3», «Радуга» и «Экран», которые должны войти в постоянную эксплуатацию в 1975—1980 гг., причем спутник «Экран», располагаясь на стационарной орбите, позволяет принимать сигналы на недорогие малогабаритные наземные антенны коллективного пользования.

Системы космической связи обеспечивают решение национальных задач по удовлетворению внутренних потребностей каждой страны и одновременно расширяют возможности международного обмена информацией.

Сегодня космические системы связи прочно вошли в жизнь. Десятки стран широко используют возможности систем космической связи и телевидения, которые создали предпосылки для обобщения и распространения информации в глобальном масштабе.