книги / Физические основы получения информации

ров между членами экипажа, а также для оповещения пассажи­ ров и трансляции развлекательных программ.

ет собой радиотелефон с параллельным включением абонентов. Через абонентские аппараты можно подключаться к сред­

ствам дальней и ближней связи.

6.О РБИ ТЫ СПУТНИКОВ КОСМ ИЧЕСКИХ СИСТЕМ

6.1.Спутниковая связь

Ккосмическим радиотехническим системам относятся:

-системы спутниковой связи (ССС);

-спутниковые радионавигационные системы (СРНС). Впервые эксплуатационная линия космической связи была

реализована в 1956 г. в США между Вашингтоном и Гавайски­ ми островами с использованием Луны.

Первой телевизионной передачей, переданной в СССР из Америки по каналу спутниковой связи, была прямая трансляция похорон американского президента Джона Ф. Кеннеди. Качест­ во передачи было очень плохим, но факт впечатлял.

Связь осуществлялась с помощью американского спутни­ ка «Эхо», запущенного 12 августа 1960 г. Принцип работы его был предельно прост - огромный надувной шар из металлизи­ рованного пластика отражал радиоволны. Сигнал был очень слабым, а сами спутники крайне уязвимыми - малейшее повре­ ждение оболочки микрометеоритом выводило такой пассивный ретранслятор из строя.

Уже в 1962 г. в космосе появились активные спутни­ ки - «Telstar» и «Rele», позволявшие передавать телевизионную и почтовую информацию между Америкой и Европой.

Американцы же запустили 19 августа 1964 г. первый гео­ стационарный спутник-ретранслятор «Sincom-З».

А 23 апреля 1965 г. начал работу советский спутник «Молния-1»; выведенный на высокую наклонную эллиптиче­ скую орбиту, он соединил Москву и Владивосток надежным и всепогодным каналом связи.

101

На первых порах у космической связи было немало недос­ татков. Поскольку спутник вращается вокруг Земли, то с каждой точки земной поверхности он виден всего несколько минут, а на следующем обороте он пролетает уже над другим местом, так как Земля тоже вращается. Поэтому для установления надежной связи необходима группировка из многих десятков низкоорби­ тальных спутников.

Можно вывести спутник и на высокую геостационарную орбиту так, чтобы он делал оборот вокруг Земли ровно за звезд­ ные сутки (23 часа 56 минут и 4 секунды). В этом случае, с точ­ ки зрения земного наблюдателя, спутник будет постоянно ви­ сеть над определенной точкой земного экватора, и для обес­ печения бесперебойной связи достаточно просто направить ан­ тенну спутникового телефона прямо на него. Правда, в этом случае нужна существенно большая мощность радиосигнала для связи и одним спутником, поскольку Земля круглая,, все равно обойтись не удастся - их нужно 3, а лучше 4. Так что при раз­ вертывании системы бесперебойной связи с помощью космиче­ ских средств приходится выбирать - или 4 геостационарных спутника, или полсотни низкоорбитальных аппаратов.

В первом случае - это старейшая морская система спутни­ ковой связи «Inmarsat» со спутниковым телефоном размером с ноутбук, во втором - системы «Iridium» и «Globalstar» и косми­ ческий телефон размером лишь чуть больше размера первых мобильных сотовых трубок.

Работу системы «Iridium» обеспечивают 66 спутников. Благодаря такому количеству орбитальных аппаратов спутнико­ вый телефон всегда «видит», как минимум, два пролетающих спутника, выбирая для связи тот, который ближе. Низкое распо­ ложение спутников позволяет телефонам работать с мощно­ стью, лишь немного превышающей выходную мощность сото­ вых телефонов стандарта GSM 900.

Для идентификации абонента в системе «Iridium» исполь­ зуется такая же SIM-карта, как и в сотовых телефонах стандарта GSM. Поэтому спутниковые телефоны очень часто делают ду­ альными, т.е. способными работать как в наземной сотовой се­ ти, так и в спутниковой, когда наземного сигнала нет.

102

Наземные станции сопряжения соединяют спутниковые телефоны со всевозможными земными телекоммуникационны­ ми сетями.

Особенностью системы «Iridium» является ее полная ав­ тономность. Благодаря межспутниковым каналам связи она мо­ жет работать, предоставляя связь между двумя спутниковыми телефонами, даже если все наземные станции сопряжения будут уничтожены.

Сейчас коммерческая продажа спутниковых телефонов «Iridium» возобновлена, но массовым спросом они не пользуют­ ся, поскольку гражданские глобальные системы «Globalstar» и «Inmarsat», а также локальная «Типа» вполне удовлетворяют потребности в связи во время путешествий по просторам мате­ риков и океанов.

Сегодня огромное семейство телекоммуникационных спутников обеспечивает трансляции передач телевидения, ра­ дио, а также работу Интернета, служа вполне мирным целям. Так что, хотя военные и первыми осознали значение космоса как инструмента для глобальной системы коммуникации, граж­ данское население Земли сейчас использует спутники не менее интенсивно и продуктивно. Другое дело, что если обычный че­ ловек может легко обойтись без спутникового телевидения и те­ лефона, то крылатая ракета вряд ли сможет преодолеть сотни километров до цели, если ее лишить связи с космосом.

6.2. Развитие космических систем

Можно выделить следующие этапы развития космических систем:

- середина 60-х XX в.: запуск первых спутников - начало использования спутников-ретрансляторов для многоканальной дальней связи, передачи телепрограмм и т.д.;

-70-е годы: создание систем подвижной спутниковой свя­ зи, спутникового телевидения коллективного пользования;

-80-е годы: зарождение технологии VSAT (Very Small Aperture Terminal) - технологии малых спутниковых термина­ лов, устанавливаемых прямо у пользователей, и непосредствен­

ного спутникового телевидения;

103

-конец 90-х: начало эксплуатации глобальных спутнико­ вых систем связи.

Вскором будущем спутниковая связь станет персонально возможной в глобальном масштабе, т. е. будет обеспечена дося­ гаемость абонента в любой точке мира путем набора его теле­ фонного номера, что откроет новые возможности для образова­ ния, науки и предпринимательства.

Выделяют три вида систем спутниковой связи:

-системы пакетной передачи данных;

-систем ы речевой (радиотелефонной) связи и спутнико­ вого телевидения;

-системы для определения местоположения потребителей (спутниковые навигационные системы).

Систем ы пакетной передачи данных предназначены для передачи в цифровом виде любых данных (телексных, факси­ мильных сообщений, компьютерных данных). В таком режиме работает электронная почта.

При радиотелеф онной связи в спутниковых системах ис­ пользуют цифровую передачу сообщений, при этом должны вы­ полняться общепринятые международные стандарты. Задержка сигнала на трассе распространения не должна превышать 0,3 с,

ипереговоры абонентов не должны прерываться во время сеан­ са связи.

Втаких системах:

-спутники должны оснащаться высокоточными система­ ми ориентации и стабилизации для удержания луча их антенн в заданном направлении;

-количество спутников должно быть достаточным для обеспечения сплошного и непрерывного покрытия зоны обслу­ живания;

-для обеспечения достаточного количества каналов связи следует применять многолучевые антенные системы, работаю­ щие на высоких частотах (более 1,5 ГГц), что требует сложных конструкций антенн;

-для обеспечения непрерывности радиотелефонной связи через спутник, оснащенный многолучевыми антенными системами, требуется большое количество наземных узловых (шлюзовых) станций.

104

6.3. Спутниковые радионавигационные системы

4 октября 1957 г был произведен первый в истории чело­ вечества искусственный спутник Земли (ИСЗ). Измерение доп­ леровского сдвига частоты передатчика этого ИСЗ на пункте с известными координатами позволило определить параметры его движения.

Обратная задача была очевидной: по измерению того же доплеровского сдвига при известных координатах ИСЗ найти координаты пункта наблюдения. Так был разработан дифферен­ циальный доплеровский траверзный метод определения коор­ динат потребителя.

В 1964 г. в США была создана доплеровская спутниковая навигационная система (НС) первого поколения «Transit». Ос­ новное назначение ее - навигационное обеспечение пуска с под­ водных лодок баллистических ракет Polaris.

Для коммерческого использования система стала доступна в 1967 г. Семь спутников системы имели круговые полярные ор­ биты с высотой над поверхностью Земли 1100 км. Период об­ ращения спутника составлял 107 мин.

В 1963 г. перешли к опытно-конструкторским разработ­ кам первой отечественной низкоорбитальной СРНС «Цикада». В 1967 г. выведен на орбиту первый отечественный навигаци­ онный спутник. В 1979 г. введена в эксплуатацию «Цикада», в нее вошли 4 НС, которые были выведены на круговые орбиты высотой 1000 км; наклонение орбит 83°, плоскости орбит рав­ номерно распределены вдоль экватора. Эта СРНС позволяла по­ требителю в среднем через полтора-два часа входить в радио­ контакт с одной из НС и определять координаты своего место­ положения при продолжительности связи до 5-6 минут.

После дооснащения аппаратурой обнаружения НС «Цика­ да» преобразована в систему «Коспас». А в дальнейшем «Коспас» и американо-французско-канадская система образовали единую службу поиска и спасения «Sarsat».

Спутниковые системы первого поколения имели ряд су­ щественных недостатков: низкую точность определения коор­ динат динамичных объектов; прерывность измерений.

105

Одной из основных проблем, возникающих при создании спутниковых навигационных систем, обеспечивающих навига­ ционные определения по нескольким спутникам, является высо­ кая синхронизация сигналов (шкал времени) спутников. Рассо­ гласование опорных генераторов приводит к ошибкам.

Другая важная проблема - высокоточное определение и прогнозирование параметров орбит ИСЗ.

Разработанные в США кварцевые генераторы, испытан­ ные в 1967 г. и 1969 г. на спутниках, сняли первую проблему.

В то же время ВВС США вели программу по использова­ нию широкополосных сигналов, модулированных псевдошумовым кодом. Корреляционные свойства такого кода позволяют использовать одну частоту сигнала для всех спутников с кодо­ вым разделением сигналов.

В 1973 г. эти программы были объединены в одну под на­ званием «Navstar - GPS» (Navstar - NAVigation Satellite providing Time And Range - навигационный спутник, обеспечи­ вающий определение времени и расстояния; GPS - Global Positioning Sistem).

К 1996 г. развертывание навигационной системы было за­ вершено.

В СССР летные испытания высокоорбитальной глобаль­ ной навигационной спутниковой системы (ГЛОНАСС) начались в 1982 г. запуском спутника «Космос-1413».

По своей структуре ГЛОНАСС и GPS считаются система­ ми двойного действия, т.е. могут использоваться как в военных, так и в гражданских целях.

Эти системы относятся к категории пассивных систем с самоопределением. На ИСЗ имеется радиопередатчик. Аппара­ тура, содержащая радиоприемник, устройство обработки сигна­ лов и предназначенная для вычисления координат, находится на подвижных объектах.

Применяемый в системах принцип состоит в том, что спе­ циальные приемники, установленные у потребителей, измеряют расстояния до нескольких (не менее 3) спутников и определяют координаты по линиям пересечения поверхностей равного уда­ ления.

106

В настоящее время создается европейская гражданская система глобального позиционирования «Galileo».

6.4. Классификация орбит космических аппаратов

Орбиты космических аппаратов (КА) классифицируют по форме, по наклонению, по периодичности прохождения аппара­ та над точками земной поверхности.

По форме выделяют орбиты:

- круговые - трудно реализуемые на практике и требую­ щие частой коррекции с помощью бортовых корректирующих ракетных двигателей КА;

- близкие к круговым. Это наиболее распространенный тип орбит КА. На таких орбитах высоты апогея ( Я а ) и перигея

( IIп) различаются на несколько десятков километров;

- эллиптические. Высоты Я а и Я п могут значительно

различаться (например, Я а = 38 000...40 000 км, Я п= 400...

...500 км). Данные орбиты также широко применяются в систе­ мах спутниковой связи;

-геостационарные. Это круговые экваториальные орбиты

спериодом обращения спутника, равным периоду суточного вращения Земли. Находясь на высоте приблизительно 36 000 км над поверхностью Земли, КА имеют большую площадь обзора и не изменяют своего положения относительно ее поверхности. Это позволяет использовать направленные антенны в системах спутниковой связи;

-параболические и гиперболические. Эти орбиты приме­ няются при изучении планет Солнечной системы.

Под наклонением орбиты понимается угол между плоско­ стями экватора Земли и орбиты КА. Наклонение отсчитывается от плоскости экватора до плоскости орбиты против хода часо­

вой стрелки. П о наклонению различают орбиты: - прямые (наклонение орбиты / < 90°);

-обратные (/ > 90°);

-полярные (/ = 90°);

-экваториальные (/ = 0).

107

По периодичности прохождения КА над точками земной поверхности выделяют орбиты:

-синхронные изомаршрутные;

-синхронные квазимаршрутные.

Изомаршрутные орбиты характеризуются тем, что про­ екции орбиты КА на земную поверхность (трассы) совпадают ежесуточно.

При движении КА по квазимаршрутной орбите его про­ екции на земную поверхность совпадают один раз в несколько суток.

В ы сота орби т космических аппаратов (КА) выбирается на основании анализа многих факторов:

-энергетических характеристик радиолиний;

-задержки при распространении радиоволн;

-близости к орбите радиационных поясов Ван Аллена;

-размеров и расположения обслуживаемых территорий. Кроме того, на выбор высоты орбиты влияют способ ор­

ганизации связи и требование обеспечения необходимого значе­ ния угла места КА.

Низкоорбитальные группировки различных космических систем располагаются на высоте от 700 до 1500 км.

Это обусловлено тем, что на орбитах, расположенных ни­ же 700 км, плотность атмосферы достаточно велика и вызывает уменьшение эксцентриситета и постепенное снижение высоты апогея.

Дальнейшее снижение орбиты приводит к повышенному расходу топлива, увеличению числа маневров КА для поддер­ жания заданной орбиты.

На высотах больше 1500 км располагается первый радиа­ ционный пояс Ван Аллена, в котором невозможна работа элек­ тронной бортовой аппаратуры.

С низкоорбитальных систем началось развитие спутнико­ вой связи. Они содержали небольшое число спутников, передат­ чики которых работали на одной частоте. К недостаткам систем относились малое время радиоконтакта, поэтому существовала проблема создания межспутниковой связи, и малый ресурс электропитания.

108

С начала 90-х годов низкоорбитальные спутниковые сис­ темы стали вновь интенсивно развиваться. Это обусловлено возможностью предоставления услуг персональной связи при использовании сравнительно дешевых малогабаритных спутни­ ковых терминалов, отвечающих требованиям биологической защиты человека от излучения СВЧ (уровень допустимой мощ­ ности радиотелефона ограничен 50 мВт).

К современным низкоорбитальным спутниковым систе­ мам связи относятся «Iridium» и «Globalstar».

Среднеорбитальные (средневысотные - 5000-15 000 км над поверхностью Земли) КА находятся между первым и вто­ рым радиационными поясами Ван Аллена. В системах таких КА задержка в распространении сигналов через спутник-ретрансля­ тор составляет около 150 мс, что практически неуловимо для человеческого уха и, следовательно, позволяет использовать та­ кие спутники для радиотелефонной связи. Кроме того, фактора­ ми, способствующими развитию таких КА, является большой срок эксплуатации (до 10 лет) и небольшое количество спутни­ ков (при 12 спутниках обеспечивается глобальное обслу­ живание).

Недостаток - вывод спутника на средневысотную орбиту значительно дороже, чем на низкую.

К современным спутниковым системам связи относятся «Inmarsat», «Odissey».

Геостационарные космические системы с высотой орбит спутников 36 000 км обладают следующими преимуществами:

-спутник всегда находится над определенной точкой по­ верхности Земли;

-отсутствуют перерывы в связи из-за относительного пе­ ремещения КА и пользовательского терминала;

-нет необходимости в организации межспутниковой связи;

-большинство абонентских спутниковых терминалов, ис­ пользующих технологию VSAT, обслуживаются спутникамиретрансляторами, находящимися на геостационарной орбите;

-систем а из трех геостационарных спутников практиче­ ски обеспечивает глобальный обзор земной поверхности.

109

Крупный недостаток геостационарных спутников радио­ связи - большое время задержки распространения радиосигна­ лов при радиотелефонной связи.

Во избежание недостатков низкоорбитальных спутнико­ вых систем связи высоту орбит ИСЗ повышают. Спутниковые системы размещаются не только на геостационарных круговых орбитах, но и на высокоэллиптических орбитах. Системы на та­ ких орбитах имеют известное преимущество - за счет высоты орбиты длительность связи со спутником увеличивается. Время видимости, согласно 2-му закону Кеплера, увеличивается у спутника, находящегося близко к апогею его орбиты.

По высокоэллиптической орбите движутся, например, аме­ риканские спутники связи «Telstar» (перигей около 1 тыс. км, апогей 11 тыс. км), российские спутники связи типа «Молния» (орбита с апогеем над северным полушарием около 40 тыс. км и перигеем около 500 км, наклонение орбиты 65°, период обраще­ ния спутника 12 часов). Радиовидимость спутника над террито­ рией от Москвы до Дальнего Востока обеспечивается в течение 9 часов на одном витке.

Низкоорбитальные спутниковые системы имеют лучшие энергетические характеристики радиолиний, но уступают сред­ невысотным в продолжительности активного существования КЛ. Дело в том, что при периоде обращения спутника около 100 мин (для низких орбит) в среднем 30 мин из них приходится на теневую сторону Земли. Поэтому бортовые аккумуляторные батареи должны выдерживать приблизительно 5000 циклов за­ ряда / разряда в год.

Для круговых орбит с высотой 10 000 км период обраще­ ния составляет около 6 часов, из которых лишь несколько минут КА проводит в тени Земли.

Однако низкоорбитальные спутники попадают в зону пря­ мой видимости потребителя (абонента) лишь на 8-12 мин. Значит, для обеспечения непрерывной связи любого абонента требуется много КА, которые последовательно (при помощи шлюзовых станций или межспутниковой связи) должны обеспе­ чивать непрерывную связь.

110