Инженер-майор А. ВЕЛИЧКИН,
кандидат технических наук
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 искусственных спутников Земли (ИСЗ) 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 не 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.
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.
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» (рис. 2).
 Рис. 2. Схема связи, использующая спутники-ретрансляторы с задержкой. |
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.
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.
Они принимают информацию и одновременно передают ее на другой частоте. Если спутник летит на большой высоте относительно поверхности Земли, то дальность связи увеличивается (рис. 3). Зависимость дальности связи от высоты полета спутника нетрудно определить, она построена на рис. 4.
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. Отсюда необходимое число спутников будет:
 Рис. 3. Система связи без задержки. |
Расчеты для линии связи через Атлантический океан дают следующее соотношение (см. таблицу) между высотой орбиты h и необходимым числом спутников n при вероятности перерыва в связи γ= 0,1.
| h км | 850 | 2400 | 4000 |
| n | 63 | 17 | 10 |
Преимущество описываемой системы — отсутствие запаздывания в передаче сообщений. Однако такой системе свойственны и недостатки: для надежной связи надо большое число спутников.
На рис. 4 изображена кривая зависимости необходимой для радиотелефонной связи мощности активного ретранслятора Р от высоты полета спутника h. Предположим, что антенна на спутнике ненаправленная, а на Земле — направленная диаметром 5 м. Тогда для связи нужна сравнительно небольшая мощность.
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.
 Рис. 4. Зависимость дальности связи L и необходимой мощности передатчика от высоты полета h спутника — активного ретранслятора без задержки. |
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 УКВ 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.
Если запустить спутник в плоскости экватора в направлении вращения Земли на круговую орбиту высотой около
 Рис. 5. Космическая связь с помощью неподвижных спутников-ретрансляторов. |
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.
Мы коснулись лишь некоторых вопросов космической радиосвязи. Запуск искусственных спутников, межпланетных станций и космических кораблей с человеком на борту открыл новую эру. Сейчас на орбитах находятся новые советские спутники «Космос-1», «Космос-2», «Космос-3» и «Космос-4».
Их запуск имеет чрезвычайно важное значение для изучения условий прохождения радиосигналов через ионосферу и повышения надежности космической радиосвязи. Перед нами распахнулось окно в будущее и открылись широкие горизонты для новых дерзаний. Сейчас трудно охватить мыслью все, что сулит это величайшее достижение для увеличения дальности радио— и телевизионной связи, но первые результаты уже получены.
Стремясь поставить свои достижения в исследованиях космоса на службу всему человечеству, советские люди всегда выступали и выступают за широкое международное сотрудничество в области освоения космоса.
В послании Н. С. Хрущева президенту США по вопросам изучения и использования космического пространства намечен ряд проблем, для разрешения которых уже сейчас могут объединить свои усилия СССР и США.
Одна из них — использование искусственных спутников Земли для создания международных систем сверхдальней связи. «Осуществление таких проектов, — говорится в послании, — может привести к значительному улучшению средств связи и телевидения на земном шаре. Люди получат надежное средство общения, возникнут невиданные доселе возможности для расширения контактов между народами».