Спутниковая связь

В шестидесятые годы результате успешного освоения космического пространстве появилась возможность осуществления нового вида дальней радиосвязи, основанного на использовании для ретрансляции радиосигналов искусственных спутников Земли (ИСЗ).

Основная особенность спутниковых систем связи, отличающая их от земных, заключается в том, что зона, обслуживаемая одним спутником, может простираться на целые континенты или даже охватывать почти половину поверхности земного шара. При этом расстояние между наиболее удаленными пунктами связи достигает 17—18 тыс. км. Это свойство делает спутниковую связь незаменимой в тяжелых географических условиях, когда необходимо преодолевать большие водные просторы, горы, леса или болота, где сооружение наземных линий связано с большими трудностями.

Стоимость каналов спутниковой связи не зависит от расстояния между земными станциями, поэтому такие системы оказываются выгоднее радиорелейных и кабельных при расстоянии между пунктами свыше 1000—1500 км. При этом, чем более разветвлена спутниковая система (то есть, чем больше в ней число станций) и чем больше ее пропускная способность, тем она эффективнее и экономически выгоднее.

Достоинством спутниковой связи является также возможность одновременной работы через один ретранслятор большого числа земных станций. При этом связь может быть как радиальной, то есть одной станции (центральной) со всеми остальными, так и по принципу каждый с каждым, предполагающему одновременную связь всех станций между собой.

Чрезвычайно важная и специфическая особенность систем спутниковой связи состоит в возможности их оперативного взаимодействия с наземными магистральными линиями для ликвидации перегрузок в часы пик. Установлено, что потребность в телефонной связи и телевизионных каналах в течение суток крайне неравномерна. Так, телефонная связь в течение суток имеет три явно выраженных пика (рис. 1); в 8—12 ч, в 14—16 н и в вечернее время, когда линии загружены внеслужебными переговорами абонентов. Еще более неравномерна потребность в телевизионных каналах, которые, по существу; начинают работать утром, а максимально используются в вечернее время.

Если построить наземную линию связи такой емкости, чтобы обеспечить всю потребность абонентов и телезрителей в часы пик, то коэффициент ее использования не превысит 30%, причем значительную часть времени она будет вообще простаивать. Если же наземную линию рассчитывать на среднесуточную нагрузку, то в часы деловой активности будет наблюдаться трех-четырех кратная ее перегрузка.

Решением проблемы является сочетание наземных линий со спутниковыми. Первые должны быть рассчитаны на среднесуточную нагрузку, а в часы пик необходимое число каналов добавляется за счет спутниковых линий. Эффективность такой системы может быть весьма высокой, особенно если учесть, что часы наибольшей нагрузки в разных часовых поясах сдвинуты во времени и, следовательно, одни и те же спутниковые каналы могут использоваться поочередно в разных поясах.

Еще одним весьма ценным качеством спутниковой связи является возможность связи с подвижными объектами (см. вкладку, рис. 2). Любой подвижный объект, находящийся в зоне ИСЗ и оборудованный соответствующей аппаратурой, может передавать и принимать сигналы этого спутника. При этом скорость перемещения объекта не является препятствием к установлению двусторонней связи.

Перечисленные особенности делают спутниковую связь своего рода уникальным и чрезвычайно эффективным средством радиосвязи.

Одним из основных параметров космической системы связи является тип орбиты спутника. Из всего многообразия орбит, отличающихся высотой, формой и наклонением для связных спутников, признаны наилучшими две: геостационарная (круговая) и эллиптическая.

Спутник, запущенный на круговую орбиту высотой около 36 тыс, км, лежащую в экваториальной плоскости, совершает один оборот вокруг Земли за 24 ч. Поскольку Земля также совершает поворот вокруг своей оси за 24 ч, он оказывается как бы висящим неподвижно (стационарно) относительно наземного наблюдателя (см. вкладку, рис. 3). Такой спутник называется геостационарным. Он виден круглосуточно и обеспечивает непрерывную связь в пределах всей зоны видимости, которая представляет собой эллипс, вытянутый с севера на юг (см. вкладку, рис. 5) и охватывающий более 30% поверхности земного шара. Три геостационарных спутника, разнесенные по орбите на 120°, позволяют создать глобальную систему связи, охватывающую почти вею поверхность Земли, за исключением северных и южных приполярных областей.

Следует отметить, однако, что несферичность Земли, возмущающее влияние Луны и других космических тел, приводят к тому, что спутник, запущенный математически точно на геостационарную орбиту, не остается неподвижным, а совершает суточные колебания и медленно дрейфует по орбите (на рис. 3 этот дрейф показан пунктиром). Для удержания спутника в заданной области небесной сферы на нем устанавливают корректирующие двигатели, которые периодически включаются по команде с Земли и возвращают спутник в исходное положение.

На стационарной орбите имеются две устойчивые точки — 68° в. д. и 112° з. д., в которых возмущающие силы уравновешиваются и спутник, находящийся в такой точке, не дрейфует по орбите. При отсутствии периодической коррекции спутники неизбежно приходят в одну из этих точек. Таким образом, отработавшие свой срок и брошенные спутники постепенно будут собираться в этих устойчивых точках, которые называют кладбищами стационарных спутников.

Ввиду того, что спутники, расположенные на геостационарной орбите, не позволяют охватить связью приполярные области земного шара, расположенные севернее 75° с, ш. и южнее 75° ю. ш., для Советского Союза с его обширной территорией за Полярным кругом более удобной является другая — эллиптическая орбита типа Молния с высотой апогея 40 тыс, км и с углом наклонения 63,5° (рис. 4). Спутник, выведенный на такую орбиту, также вращается синхронно с Землей, но имеет период обращения 12 ч и совершает за сутки два полных витка (нечетный и четный), появляясь над одними и теми же районами Земли всегда в одно и то же время.

Зона видимости спутника типа Молния на нечетных и четных витках показана на рис. 5 вкладки. Она охватывает все северное полушарие, включая всю территорию СССР с прилегающими акваториями. С юга эта зона ограничена на нечетных витках кривыми красного цвета, а на четных — зелеными. Цифры на кривых указывают интервалы времени, в течение которых обеспечивается видимость в соответствующих зонах.

Скорость относительного перемещения спутника по эллиптической орбите непостоянна. Если за ноль отсчета принять положение спутника в перигее, то за первый час он восходит над северным полушарием и набирает высоту около 14 000 км, за второй час поднимается до высоты 26 000 км, а за третий — до 32 000 км. Далее скорость относительного перемещения уменьшается, и спутник в течение 6—8 ч не выходит из ограниченной области небесной сферы, медленно перемещаясь вблизи апогея. Длительность сеанса связи через такой спутник составляет 6—8 ч.

Если же через равномерные интервалы времени на одинаковые эллиптические орбиты, плоскости которых взаимно смещены, как показано на рис. 4 вкладки, вывести три-четыре спутника, то можно обеспечить круглосуточную связь в северном полушарии.

Многочисленными исследованиями было установлено, что связь через спутники наиболее целесообразно осуществлять, в диапазоне частот 1—10 ГГц, где находится так называемое радиоокно, в котором космические шумы и поглощение радиоволн в атмосфере незначительны. В соответствии с этим в 1963 г. Чрезвычайная административная конференция радиосвязи (ЧАКР) выделила для спутниковой связи полосы частот шириной примерно по 500 МГц в диапазонах 4 ГГц (для линий спутник — Земля) и 6 ГГц (для линий Земля — спутник).

В настоящее время все коммерческие системы спутниковой связи работают в этих диапазонах частот, занимая их полностью или частично. Ввиду незначительной ширины выделенных полое, а также из-за того, что их используют и другие радиослужбы (в частности, наземные радиорелейные линии), пропускная способность этих диапазонов ограничена и будет исчерпана уже в ближайшее десятилетие, Поэтому был поставлен вопрос об освоении более высоких частот— выше 10 ГГц. Состоявшаяся в 1971 г. Всемирная административная конференция радиосвязи (ВАКР) выделила для спутниковой связи еще ряд полос в диапазонах 10— 30 ГГц, в том числе: 500 МГц в диапазоне 11 ГГц; 500 МГц— 14 ГГц, 3500 МГц— 20 ГГц; 3500 МГц —30 ГГц.

Создание внутригосударственной системы спутниковой связи СССР началось в 1965 г. с запуска спутника Молния-1, работавшего в диапазоне частот 0,8—1 ГГц. Через два года после этого к 50-летию Великого Октября было завершено строительство первых 20 земных станций Орбита, обеспечивших подачу Центральной телевизионной программы более чем 20 млн. телезрителей Крайнего Севера, Сибири, Дальнего Востока и Средней Азии.

За минувшее пятилетие система развилась как количественно, так и качественно. Были запущены спутники Молния-2, имеющие гораздо большую, чем Молния-1, пропускную способность и работающие в диапазоне 4/6 ГГц. Существенно расширилась сеть земных станций Орбита. Число их возросло до 47. Большая часть из них переведена в новый диапазон частот. Повысилось качество приема передаваемых сообщений.

В настоящее время в СССР используются спутники Молния-2 с выходной мощностью передатчика 40 Вт. Основные характеристики этих спутников аналогичны спутникам Молния-1, неоднократно описывавшимся в литературе, и потому здесь не приводятся.

Большая мощность спутника позволила использовать сравнительно простые и дешевые земные приемные станции с параболическими антеннами диаметром 12 м и малошумящими приемниками, охлаждаемыми жидким азотом. Размещение этих приемников в техническом здании (а не в антенной кабине) позволило существенно упростить их обслуживание.

Созданы земные станции с антеннами диаметром 7 м, в том числе транспортабельная приемо-передающая станция Марс, предназначенная для организации актуальных телевизионных передач с места событий (см. фото в тексте). В ноябре 1973 г. эта станция была привезена в Дели, С ее помощью велись через спутники Молния-2 телевизионные передачи, посвященные визиту, в Индию Генерального секретаря ЦК КПСС Л. И. Брежнева.

В СССР создан специальный космический морской флот, оснащенный большими антеннами (диаметрами 25 и 12 м) и радиооборудованием, необходимым для передачи информации через спутники Молния. На фото вкладки показан флагман этого флота — корабль Космонавт Юрий Гагарин.

СССР обладает в настоящее время самой развитой внутригосударственной системой спутниковой связи, которая широко используется как в народном хозяйстве, так и для проведения научных исследований в космосе.

В 1971 г. было подписано соглашение о создании международной системы спутниковой связи — Интерспутник. Система предназначена для удовлетворения потребностей стран-участниц в телефонном обмене, а также передаче телевизионных и радиовещательных программ. Создается она по инициативе НРБ, ВНР, ГДР, Республики Куба, МНР, ПНР, СРР, СССР и ЧССР.

На первом этапе страны-участницы организации строят на" своих территориях земные станции и пользуются каналами советских спутников, предоставляемыми им СССР бесплатно. На втором этапе, по мере развития обмена, СССР предоставит странам-участницам каналы в аренду.

Общий вид типовой земной станции Интерспутник показан на фото вкладки. Антенна диаметром 12 м с контррефлектором располагается на крыше здания из бетона и стекла, в котором размещается радиотехническое оборудование, состоящее из малощумящего приемника с параметрическим усилителем, охлаждаемым жидким азотом, двух передатчиков (телевизионного и телефонного) мощностью по 3 кВт, низкочастотного телевизионного и телефонного оборудования.

В настоящее время уже построены и действуют три земные станции системы Интерспутник: в СССР, Монголии и на Кубе. Строятся станции в НРБ, ГДР и ЧССР.

Другая международная система космической связи — Интелсат объединяет свыше 80 стран-участниц, Владельцем системы является консорциум Интелсат, в который входят Администрации связи всех стран-участниц. США представлены в этом консорциуме корпорацией спутниковой связи (КОМСАТ), которая является главным совладельцем и выступает от имени всех совладельцев как Директорат консорциума.

Коммерческая эксплуатация системы Интелсат началась в 1965 г. В настоящее время в систему входят свыше 70 земных станций и несколько спутников типа Интелсат-3, Интелсат-4.

Современный спутник системы Интелсат-4 конструктивно выполнен в виде цилиндра диаметром 2,4 м и высотой 2,8 м. Вес спутника на орбите около 500 кг. Поверхность цилиндра образована элементами солнечной батареи (свыше 42 тыс. штук), обеспечивающими мощность питания более 500 Вт. Внутри цилиндра расположены системы обслуживания спутника и 12-ствольный ретранслятор. Каждый ствол обеспечивает полосу частот 36 МГц. Выходная мощность 6—8 Вт. Сверху расположены антенны.

Интересно отметить, что стабилизация спутника на орбите осуществляется вращением его вокруг своей оси, при этом система антенн синхронно вращается в обратном направлении и тем самым сохраняет постоянную ориентацию на Землю.

Стандартная земная станция системы Интелсат имеет параболическую антенну диаметром около 30 м с контррефлектором. В одной из антенных кабин, расположенной вблизи зеркала и вращающейся вместе с ним, находится малошумящий параметрический усилитель, охлаждаемый жидким гелием. В другой кабине, расположенной ниже и вращающейся лишь в горизонтальной плоскости, находится передающее оборудование, в том числе выходные каскады передатчика мощностью 1—5 кВт, выполненные на лампе бегущей волны.

За 15 лет, прошедших с момента вывода на орбиту первого связного спутника, в СССР и США запущено их более 40. Во всем мире построено более 120 земных приемных станций, из них 47 — в СССР. Это дает основание утверждать, что спутниковая связь прочно вошла в жизнь и стала неотъемлемой частью мировой сети связи.

По каким основным направлениям будет идти развитие систем спутниковой связи в будущем? Видимо, в дальнейшем будет происходить освоение все более высоких частот (до 20 ГГц и выше), увеличение числа спутников в системе (от 1—2 до 5—8), повышение их пропускной способности, продолжится рост числа земных станций, упростится их оборудование.

Благодаря повышению точности ориентации спутников станет возможным использование на них не только широконаправленных антенн, но и остронаправленных с шириной луча 0,5—1° для обслуживания локальных территорий. А это, в свою очередь, позволит применять на Земле все более простые приемные станции с антеннами малых размеров (до 2 м).

Большие усилия предпринимаются в направлении упрощения эксплуатации земных станций и сокращения их обслуживающего персонала, С этой целью создаются системы контроля, отображения и управления, с помощью которых один два диспетчера смогут следить за состоянием всей аппаратуры, проводя ее дистанционную проверку, а в случае необходимости и настройку.

В будущем, несомненно, удельный вес космических систем в общей сети связи будет увеличиваться, станут более мощными действующие системы, будут созданы новые.

Таково в общих чертах современное состояние спутниковой связи. За прошедшие 15 лет она совершила стремительный скачок от уникальных экспериментальных линий до больших эксплуатационных систем. И хотя на пути ее развития еще предстоит преодолеть много трудностей и нерешенных проблем, впереди у нее широкие перспективы.