"Aviația și cosmonautica" 1962 №5, p.28-33
Problema comunicării radio pe distanțe lungi a dobândit o semnificație deosebită, de îndată ce au fost înscrise pe ordinea de zi zborurile omului în spațiu. Care este complexitatea, care sunt modalitățile de a rezolva această problemă? Tratați poate fi din două puncte de vedere, referindu-se la comunicațiile radio dintre managementul stațiilor terestre și vehicule spațiale, precum și utilizarea sateliților artificiali (prin satelit) ca repetor pentru creșterea gamei de comunicare între obiectele de la sol, avioane, nave și altele asemenea. D. Aceste două sarcinile diferă în formularea lor, dar din punct de vedere tehnic, ele au mult în comun.
Pentru a spori raza de acțiune și pentru a îmbunătăți fiabilitatea comunicațiilor radio cu nava spațiale, a fost efectuată de mai multe stații radio situate în diferite puncte din URSS. Aceste posturi de radio au servit drept repetoare, ceea ce a permis menținerea unei comunicări sigure cu nava spațiale în aproape toate zonele zborului său.
Utilizarea sateliților Pământului artificial ca repetoare în sistemele de comunicații terestre va crește semnificativ intervalul.
Până de curând, comunicațiile radio între stațiile de sol, precum și cu aeronavele aflate la o distanță mai mare de 1000 km, au fost efectuate doar pe unde scurte. Cu toate acestea, comunicațiile radio de scurtă durată nu ne pot satisface complet și de aceea.
Deoarece domeniul de frecvențe de undă scurt este relativ mic, nu mai mult de 1000 de stații radio pot funcționa simultan fără interferențe la frecvențe diferite. Acum numărul de posturi radio de lucru este de mai multe ori mai mare, ceea ce duce la o interferență puternică.
Fig. 1. Unele proiecte de telecomunicații la distanță.
Pe de altă parte, nivelul zgomotului industrial pe unde scurte a crescut, iar transmițătoarele foarte puternice sunt necesare pentru o comunicare sigură. În plus, comunicațiile radio cu undă scurtă sunt în mod inerent inerente unor astfel de deficiențe, cum ar fi distorsiunea semnalului datorată propagării în mai multe canale a undelor radio și atenuarea semnalului la punctul de recepție. Ca rezultat, comunicațiile radio de înaltă fidelitate scurtă pentru distanțe foarte lungi sunt acum practic imposibile.
Gama de unde ultra-scurte este mult mai puțin încărcată și mai liberă de interferențe industriale. Dar ele sunt bune doar în linie de vedere. Recent, au fost utilizate linii de comunicare pe distanțe lungi, folosind dispersia undelor radio ultrascurte pe neomogenitățile troposferei sau ionosferei, precum și reflecții ale urmele meteorilor. Cu toate acestea, pentru o astfel de conexiune sunt necesare emițătoare foarte puternice.
Astfel, comunicațiile radio convenționale pe distanțe lungi terestre se confruntă cu mari dificultăți. Între timp, progresele înregistrate în explorarea spațiului au arătat că, dacă instalați transpondere pe sateliți de pământ artificiali, le puteți folosi pentru a transmite semnale pe distanțe semnificative. Mai mult decât atât, este posibil să se creeze sisteme de comunicații care să acopere întregul glob. Aceste sisteme pot servi atât pentru comunicațiile terestre radio, cât și pentru comunicarea cu nave spațiale. Ideea creării lor este foarte promițătoare.
Căile nevăzute sunt amplasate în spațiul cosmic de sateliții artificiali ai Pământului. Ar trebui să ajute la conectarea tuturor continentelor planetei noastre cu o conexiune solidă la radio și televiziune.
La primul satelit artificial din pământ, a fost instalat un emițător care funcționează la frecvențe de aproximativ 20 și 40 megahertzi și are o putere de 1 watt. În ciuda puterii reduse, semnalele satelit au fost recepționate la o distanță de câteva mii de kilometri. Acest lucru a atras atenția semnalelor și a servit ca un impuls dezvoltării sistemelor de comunicații spațiale.
În astfel de sisteme, pot fi utilizați atât repetivi activi, cât și pasivi, instalate pe sateliți de pământ artificiali. Este posibil, de exemplu, să se utilizeze sateliții fixi staționari relativ la Pământ (sau viteza lor unghiulară ar trebui să fie egală cu viteza unghiulară a rotației Pământului) la o altitudine de aproximativ 36.000 km și mobilă în orbite reduse.
În străinătate, sunt discutate mai multe proiecte (acestea sunt indicate în figurile 1 din figurile 1). Primul presupune lansarea la altitudinea a câteva mii de kilometri de doisprezece sateliți, care ar trebui să primească semnale de pe Pământ și, reflectând, să le transmită la mai multe mii de kilometri.
Conform celui de-al doilea proiect, trei sateliți staționari fixați cu echipamente de transmisie și recepție ar trebui să fie la o altitudine de aproximativ 36.000 km. Echipamentul va recepționa semnale de pe Pământ, va amplifica și va direcționa în direcții diferite. Sateliții mobili pot fi utilizați fără întârziere ca transponderi activi și repetați cu întârziere în transmiterea informațiilor.
RETRANS ÎNTÂRZIAT ÎNTÂRZIAT ACTIV
Se proiectează instalarea unui receptor, a unui dispozitiv de memorie și a unui transmițător pe satelit. Flying peste un punct, satelitul primește și își amintește informații; și care zboară peste altul, o trece printr-o comandă de la Pământ până la acest punct. Informațiile sunt transmise atunci când sateliții se mișcă. Prin urmare, ei au fost numiți "curieri" (Figura 2).
Fig. 2. O schemă de comunicare care utilizează sateliți întârziat.
Principalul dezavantaj al acestei metode este întârzierea informațiilor transmise, mărimea cărora este determinată de timpul de așteptare al satelitului înainte de transferul informațiilor către el și de timpul "transferului" acestuia. Prima valoare depinde de numărul de sateliți din sistemul de comunicații, iar al doilea este de aproximativ 2-3 minute pe mia de kilometri de distanță la o altitudine de zbor a satelitului de 200-500 km.
Durata sesiunii de comunicare, în timpul căreia informația este transmisă sau primită de la satelit pe unde ultrascurte, este limitată de momentul în care satelitul este găsit în linia de vedere din punctul de comunicare. La o altitudine de zbor de 200-500 km, este de aproximativ 3 minute.
Pentru a determina posibilitatea de a folosi sateliți pentru a transmite informații între stațiile de sol din Statele Unite au lansat sateliți de comunicații „Courier“ cu patru receptoare, memorie 272 000 de cuvinte și patru emițătoare la fiecare 5-8 wați. Satelitul ar putea primi simultan și transmite informații la mai multe frecvențe.
SATELIT-RETRANS FĂRĂ ÎNTÂRZIERE
Ei primesc informații și le transmit în același timp pe o frecvență diferită. Dacă satelitul zboară la altitudine mare față de suprafața Pământului, intervalul de comunicare crește (Figura 3). Dependența domeniului de comunicare de altitudinea de zbor a satelitului nu este dificil de determinat, este construită în Fig. 4.
Două variante de construire a unui sistem de comunicații care utilizează astfel de sateliți sunt fundamental posibile. Mai întâi de toate, sateliții controlați, urmând orbitele date la anumite distanțe unul față de celălalt. Apoi, puteți să vă asigurați că în orice moment între corespondenții de la sol există cel puțin un satelit și comunicarea a fost neîntreruptă.
Dar cea mai realistă aplicație a sateliților neguționați. Nu exclude pauzele în comunicare. Să calculam numărul de sateliți necesari. Fie q probabilitatea ca satelitul să fie în vizibilitatea ambelor puncte. Apoi (1 - q) n = # 947; - probabilitatea ca niciun satelit din n să nu poată fi utilizat pentru comunicare. Prin urmare, numărul necesar de sateliți va fi:
Fig. 3. Sistem de comunicare fără întârziere.
Calculele pentru legătura de comunicare din Oceanul Atlantic dau următoarea relație (vezi tabelul) între altitudinea orbită h și numărul necesar de sateliți n cu probabilitatea unei întreruperi în comunicare # 947; = 0,1.
Avantajul sistemului descris este absența întârzierii în transmiterea mesajelor. Cu toate acestea, un astfel de sistem are dezavantaje proprii: pentru o conexiune fiabilă este nevoie de un număr mare de sateliți.
Nu sunt excluse și alte variante ale sistemelor de comunicații care utilizează reflectoare pasive în spațiul cosmic. Elementele reflectorizante pasive pot servi ca satelit, lună, corpuri metalice împrăștiate.
Necesitatea unor transmițătoare puternice, desigur, este un dezavantaj al repeaterilor pasivi. Dar ele au și o serie de avantaje. În primul rând, este necesar să se observe simplitatea designului și fiabilitatea ridicată a repeaterilor pasivi. În plus, aceștia pot transmite simultan mesaje cu număr aproape nelimitat de corespondenți, în timp ce un repetor activ poate transmite mesaje de la un singur corespondent pe un canal.
Fig. 4. Dependența domeniului de comunicare L și puterea emițătorului necesară din altitudinea h a satelitului - repetorul activ fără întârziere.
Dacă cantitatea de informații este mică și se folosesc antene direcționale, puterea necesară pentru comunicare va fi mică, iar repetoarele pasive se pot dovedi benefice.
Un satelit natural al Pamantului, Luna, poate fi de asemenea un reflector pasiv. Dar, după cum este îndepărtat de pe pământ la o distanță mare (385 000 km) și suprafața Lunii reflectă doar câteva procente din energia electromagnetică incidente, este nevoie de un puternic transmițător pentru a comunica.
Cu toate acestea, utilizarea Lunii ca repetor pasiv are avantajele sale - fiabilitate ridicată și invulnerabilitate a sistemului de comunicații.
În presa străină se discută un proiect pentru crearea, la o altitudine de 3-4 mii de kilometri, a unei centuri de obiecte metalice împrăștiate capabile să reflecte undele electromagnetice. Se presupune că, folosind reflectarea undelor radio de pe această bandă, va fi posibil să se efectueze o comunicare pe distanțe lungi în banda VHF în același mod ca și în banda de undă scurtă atunci când se reflectă din ionosferă. Cu toate acestea, nu există dovezi convingătoare că o astfel de bandă va crea un sistem eficient de comunicare. Între timp, acele de metal împrăștiate în spațiul cosmic vor interfera cu cercetarea radiofizică și astronomică, reprezentând un ecran în jurul Pământului și ar crea o amenințare semnificativă pentru nave spațiale.
Dacă porniți un satelit în planul ecuatorului în direcția rotației Pământului într-o orbită circulară
Fig. 5. Comunicarea spațială cu sateliți fixați-repetori.
36 000 km, va rămâne staționară față de suprafața pământului. Acest lucru nu este dificil de dovedit prin luarea în considerare a condițiilor de echilibru pentru forțele care acționează asupra satelitului.
Crearea unor astfel de sateliți deschide mari oportunități pentru construirea unui sistem mondial de comunicații spațiale. Așa cum se poate vedea din fig. 5, trei sateliți sunt suficienți, situați la vârfurile unui triunghi echilateral, pentru a acoperi întregul pământ, cu excepția zonelor mici lângă poli. În cea mai simplă formă, sistemul de comunicare poate consta dintr-un satelit. Acesta va servi aproximativ 30% din suprafața Pământului.
Totuși, crearea unui satelit fix este asociată cu mari dificultăți datorită nevoii de a-și stabiliza poziția față de suprafața Pământului. În acest scop, se propune utilizarea unor canale radio speciale care să permită determinarea deplasării satelitului în raport cu o anumită poziție și generarea comenzilor pentru motoare. În plus, este nevoie de un sistem de orientare prin satelit în spațiu.
Utilizarea sateliților fixați ca repetați pasivi este dificilă deoarece necesită prea multă putere de transmițător la sol. Pentru telecast stabile la dimensiuni relativ acceptabile antene terestre (aproximativ 1000 de metri) și despre mai multe putere de transmisie terestră aparate mii kW necesar ca diametrul satelitului artificial sub formă de sfere a fost egală cu aproximativ un kilometru. Puterea necesară va fi redusă în mod semnificativ dacă un reflector direcționat de dimensiuni mari este instalat pe satelit. Un astfel de reflector poate fi gonflabil (din plastic metalizat) cu câteva zeci de metri în dimensiune. În același timp, satelitul are nevoie de un sistem de orientare a reflectorului.
Un avantaj important al sistemului cu sateliți fixați ai Pământului este continuitatea comunicării. Satelitul este mereu în locul său și este gata să retransmită semnalele. Este adevărat că un astfel de sistem este complex și nu poate fi folosit în regiuni polare.
Care sunt principalele probleme care apar în străinătate atunci când se creează sisteme de comunicare spațială? Se poate observa că canalele de comunicare radio spațială sunt construite pe aceleași principii ca și cele "terestre", dar există câteva caracteristici.
Datorită gamei largi de comunicări și imposibilității instalării unui emițător de mare putere pe un vehicul spațial, apare problema primirii semnalelor slabe. De asemenea, este necesar să se ia în considerare efectul asupra zgomotului cosmic, zgomotul cosmic și zgomotul termic al receptorului însuși asupra receptorului.
Există două moduri posibile: folosind corectarea erorilor cele mai multe metode de transmitere și primirea informațiilor, care sunt utilizate în condiții normale nu este necesară, și dezvoltarea unor receptoare cu zgomot redus, și anume receptoare parametric si amplificatoare special moleculare ...
În canalele de comunicare spațială, atunci când nava spațială se mișcă, apare efectul Doppler. Se manifestă într-o schimbare a frecvenței semnalelor transmise. Pentru a combate acest fenomen, se folosește un fenomen dăunător pentru reglarea automată a receptorului la frecvența semnalului recepționat.
Undele radio transmise de pe Pământ către o navă spațială trec prin ionosferă, unde undele radio lungi și scurte se distrug. Undele radio mai scurte decât câțiva centimetri atenuează în troposferă. Dacă luăm în considerare faptul că zgomotul intrinsec al receptoarelor cu lungime de undă de cuplare descrescătoare crește, de obicei, putem alege unde de cuplare optimă pentru a obține raportul maxim dintre puterea semnalului recepționat și puterea de zgomot a receptorului.
Se pare că, pentru receptoarele mai puțin perfecte cu amplificatoare parametrice, cele de măsurare sunt optime, pentru receptoare mai sofisticate cu amplificatoare moleculare - cuplaj de decimetru și centimetru. Cu toate acestea, fără retransmitere, ele permit comunicarea numai în linia de vedere. Pentru comunicații radio, un scurt val de 10-20 m poate fi folosit în spatele liniei de orizont. Cu o anumită atenuare, ele pătrund prin ionosferă și, reflectate de pe suprafața Pământului și ionosfera, se răspândesc pe distanțe lungi.
Puterea necesară pentru comunicațiile radio este redusă drastic cu antene direcționale. Câștigul de putere este mai mare decât direcția "mai accentuată" a antenei. Antena trebuie direcționată corect către antena corespondentului. Pentru a face acest lucru, trebuie să știți poziția acestuia din urmă și să aveți un sistem special de orientare a antenei. Precizia sistemului de orientare ar trebui să fie mai mare cu cât antena este mai orientată și cu atât mai multă putere.
Recent, au fost făcute mari progrese în generarea de grinzi înguste de energie electromagnetică. Prin incitarea anumitor oscilații în unele cristale, este posibil să se creeze un fascicul îngust și aproape ne-divergent de unde electromagnetice. Dacă această rază este îndreptată exact către antena receptoare, atunci aproape toată energia transmisă va fi recepționată. În acest sens, comunicarea poate fi efectuată pe distanțe lungi, utilizând emițătoare cu putere redusă și receptoare simple cu sensibilitate scăzută. Întreaga complexitate este în direcția exactă de transmitere către antena receptoare.
Repetoarele instalate pe sateliți artificiali ai Pământului permit crearea unor sisteme de comunicații pe distanțe lungi. Aceste sisteme pot fi folosite atât pentru comunicarea cu Pământul, cât și pentru avioane și nave spațiale. Cele mai potrivite pentru acest scop sunt sistemele de comunicație cu repetoare active fără întârziere, care nu necesită transmițătoare puternice și antene voluminoase de înaltă direcție. Astfel de repetoare pot fi instalate atât pe sateliți fixi (staționari) artificiali lansați la o înălțime de 36.000 km, cât și pe cele mobile amplasate la altitudini joase.
Am atins doar câteva chestiuni de comunicare radio spațială. Lansarea sateliților artificiali, a stațiilor interplanetare și a navelor spațiale cu un bărbat la bord a deschis o nouă eră. Acum, pe orbite există noi sateliți sovietici Cosmos-1, Kosmos-2, Kosmos-3 și Kosmos-4.
Lansarea lor este extrem de importantă pentru studierea condițiilor de trecere a semnalelor radio prin ionosferă și pentru îmbunătățirea fiabilității comunicațiilor radio. Înaintea noastră, fereastra spre viitor a fost deschisă și orizonturile largi au fost deschise pentru o nouă îndrăzneală. Acum este dificil să înțelegi tot ceea ce promite această realizare cea mai mare pentru creșterea numărului de comunicații radio și de televiziune, dar primele rezultate au fost deja obținute.
Într-un efort de a-și aduce realizările în explorarea spațiului cosmic în serviciul întregii omeniri, poporul sovietic a susținut și susținut întotdeauna cooperarea internațională extinsă în domeniul explorării spațiului.
În mesajul lui Nikita Hrușciov, președintele SUA pentru studiul și utilizarea spațiului cosmic, sunt programate o serie de probleme pentru soluționarea căreia Statele Unite și Statele Unite își pot unește acum eforturile.
Una dintre ele este utilizarea sateliților de pământ artificiali pentru crearea de sisteme internaționale de comunicare ultra-lungă. "Implementarea unor astfel de proiecte," spune mesajul, "poate duce la o îmbunătățire semnificativă a comunicațiilor și a televiziunii pe glob. Oamenii vor avea un mijloc de comunicare sigur, vor exista oportunități fără precedent de a extinde contactele dintre popoare. "