24.4. КОСМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

24.4.1. Радиорелейные станции на спутниках для наземной связи

Сверхвысокочастотные радиолинии, предназначенные для обеспечения дальней и заокеанской связи, можно создавать на основе использования спутников Земли, работающих в режиме ретрансляторов [50, 140, 340, 386, 387, 388]. Пирс [213] ввел следующее деление таких орбитальных радиорелейных линий; а) радиолинии с

использованием активных и пассивных ретрансляторов; б) радиолинии на базе спутников-ретрансляторов с малым периодом обращения и относительно низкими орбитами, находящихся на небольших расстояниях друг от друга, либо спутников-ретрансляторов с периодом обращения 24 час, стационарных по отношению к Земле. В случае использования пассивных ретрансляторов полоса используемых частот оказывается практически неограниченной, так как пассивный ретранслятор является линейной отражающей системой и может быть использован одновременно для отражения целого спектра частот без появления перекрестных искажений. В противоположность пассивным активные ретрансляторы обладают ограниченными динамическим диапазоном и полосой пропускания. Следовательно, их можно использовать для обеспечения работы ограниченного числа каналов, уровень и природу сигналов в которых необходимо тщательно контролировать с целью уничтожения возможности появления взаимных помех.

Для того чтобы период обращения спутника был равен 24 час, он должен находиться на экваториальной орбите с расстоянием от центра Земли в 42 000 км. При наличии средств для точного управления положением спутника на нужной орбите надежную связь можно обеспечить с помощью стабилизированных антенн или рефлекторов [306, 327, 378]. В случае использования спутника в режиме пассивного ретранслятора последний должен иметь на борту плоский рефлектор; на Земле должны устанавливаться стабилизированные антенны очень больших размеров. В случае же поддержания связи с помощью активных ретрансляторов на спутнике устанавливается антенна с высоким коэффициентом направленного действия и соответствующая аппаратура, в то время как на Земле будут расположены антенны средних и небольших размеров. С помощью минимум трех спутников можно обеспечить круглосуточную связь по всей поверхности земного шара, за исключением небольших поясов у полюсов по 8° [360], и в этом случае оказывается целесообразным использовать сверхвысокочастотный диапазон [354]. Однако для выведения спутников на синхронные орбиты [390] требуется дорогостоящая система ракет-носителей; кроме того, большие расстояния вызывают необходимость применения весьма мощных передатчиков и приемников с низким коэффициентом шума; при этом время задержки сообщения, обусловленное конечным временем распространения, оказывается равным 0,55 сек.

Низкие орбиты можно разделить на полярные, экваториальные и наклонные. Использование тех или иных орбит зависит от расстояния между спутником и точками, с которыми надо обеспечить связь в течение полета. Эти расстояния надо выбирать возможно более короткими в соответствии с требованием наблюдения большей части орбиты спутника одновременно с передающего и приемного пунктов. Можно показать [212], что для обеспечения связи в Северной Атлантике между, например, Ньюфаундлендом, расположенным на 48° северной широты и 55° западной долготы, и Гебридскими

островами, расположенными на 58° северной широты и 7° западной долготы, наиболее выгодным является использование спутников, находящихся на полярных орбитах.

В силу того что в общем случае период вращения Земли не кратен периоду вращения спутника, спутник, находящийся на орбите, будет появляться в самых разнообразных точках с равной вероятностью, что позволяет подсчитать его среднюю «видимость» из любой точки. Полагая, что минимальный угол места равен 7,25°, а высота орбиты получаем, что средняя «видимость» спутника равна 0,177, а максимальное расстояние, с которого он наблюдается, будет Если есть среднее значение части полезного времени наблюдения спутника, то вероятность того, что с некоторой точки не будет видно ни одного из N спутников, равна Если эту величину приравнять среднему значению части времени отсутствия связи то получаем следующее выражение для требуемого числа спутников:

Для условий приведенного примера направления связи при минимальном угле места 7,25° и высоте полета спутника получаем, что величина N оказывается равной 12, 15 и 24 для равных 0,1, 0,05 и 0,01 соответственно.

Спутник совершает один оборот вокруг Земли по круговой орбите на высоте за 1,75 часа, а при полете на высоте будет совершать его за 4 час. Высокая относительная скорость вращения спутника является причиной появления заметного допплеровского сдвига частот [324, 366]. Это приводит к необходимости иметь сложную аппаратуру слежения, работающую совместно с обеими наземными антеннами. Компромиссным решением является вывод спутника на орбиту, наклоненную к плоскости экватора на 69,4° с апогеем перигеем и периодом обращения 6 час. В случае такой наклоненной орбиты апогей остается фиксированным, и при появлении спутника в северном полушарии его можно использовать для поддержания связи в течение нескольких часов каждый день. Наличие четырех таких спутников, фазы орбит которых сдвинуты на 90°, позволит осуществлять непрерывную связь между всеми точками, расположенными севернее 50° северной широты, долготы которых отличаются не более чем на 100°.

При расчете характеристик системы связи между точками на поверхности Земли с помощью спутников-ретрансляторов необходимо учитывать множество факторов. Мощность шумов на входе приемника равна где включает составляющие, связанные с приемником, антенной и небом. Как показано на рис. 24.5, величины этих составляющих являются функцией частоты. Влияние земной атмосферы [127, 319, 325] становится весьма заметным при малых углах места и более высоких частотах; при низких частотах более заметным оказывается шум галактик. С учетом шума

усилителей получаем широкий оптимум [355, 374, 375] для рабочих частот радиорелейной связи с использованием спутников, простирающийся от 2 до

При конструировании реальных систем связи с использованием спутников для обеспечения низкого уровня шума необходимо учитывать несколько взаимосвязанных факторов [348,349, 368]. Первый каскад приемника можно выполнять на электронных лампах, мазерах [305, 337, 347] или в виде параметрического усилителя [395] в зависимости от принятой [364] шумовой температуры системы. Затухание входной линии передачи должно сохраняться малым, так как увеличение затухания на 0,1 дб увеличивает эквивалентную шумовую температуру системы на 6° К.

Рис. 24.5. Характеристики приемника для связи в космосе. Шумовая температура различных типов приемников сравнивается с шумовым фоном Галактики» зтмосфериков при угле возвышения 10° и шумами антенны (из статьи Nergaard L. S., RCA Rev., 1959, 20, p. 3).

Наличие боковых лепестков диаграммы направленности, как это будет показано в разд. 26.1, приводит к увеличению эквивалентной шумовой температуры антенны. Дополнительный шум вносится также дождем [336, 392] и такими дискретными источниками излучения, как Солнце [293], но главное влияние оказывает излучение земной поверхности [396] при температуре 290° К. Несмотря на возможность получения некоторого выигрыша путем применения отражающих экранов, антенны [119, 353, 389] необходимо конструировать таким образом, чтобы обеспечить низкий уровень шума путем уменьшения боковых лепестков и доли излучения первичного излучателя, минующей зеркало.

В случае пассивного ретранслятора, выполненного в виде отражающей сферы диаметром затухание радиоволн на интервале

распространения можно определить путем некоторого преобразования формулы (23.1)

где геометрическое среднее расстояний от спутника до передающей и приемной точек. Например, если см, то затухание радиоволн на интервале распространения равно 185,1 дб. Для типовой системы с частотной модуляцией [62], полоса пропускания которой равна а частота несущей равна при шумовой температуре приемника 20° К величина оказывается равной —133,8 дб по отношению к Из уравнения (24.10) получаем, что в данном случае величина равна 43,9 дб по отношению к т. е. Полагая размеры антенны неизменными, для случая имеем И в том и в другом случае мы получили значения мощности передатчика, достижимые в реальных условиях.

Можно полагать, что активный ретранслятор представляет собой широкополосный малошумящий усилитель, величина выходной мощности которого ограничивается лишь соображениями срока службы и габаритов. Связь активного ретранслятора с передающим и приемным пунктами на Земле осуществляется с помощью ненаправленных антенн, а именно диполей, эффективная поверхность которых равна Определяющими факторами являются размер и шумовая температура антенны в приемном пункте на Земле и выходная мощность передатчика спутника. Величину затухания радиоволн на интервале распространения можно определить путем преобразования формулы (23.1) к виду

Полагая все параметры идентичными рассмотренному случаю пассивного ретранслятора, получим, что мощность передатчика спутника должна быть равна Для обеспечения такой величины выходной мощности необходим источник питания мощностью в несколько ватт. Этим требованиям удовлетворяют солнечные батареи. Для нормальной работы активного ретранслятора, находящегося на -часовой орбите, требуется значительно большая мощность передатчика. Однако ее можно уменьшить путем использования стабилизированной в пространстве высоконаправленной антенны.

Результаты анализа, свидетельствующие о том, что связь с помощью спутников [316] окажется удовлетворительной для обеспечения работы многоканальной телефонии [349], телеметрии [370] и телевидения [361], были подтверждены различными экспериментами. С помощью спутника «Тирос» оказалось возможным получить телевизионное изображение в инфракрасных лучах, которое после записи на магнитную ленту несколько позднее было передано на Землю и принято наземной станцией. Требуемая для работы

аппаратуры мощность обеспечивалась солнечными батареями. С помощью спутника «Курьер» была обеспечена работа четырех телефонных и двадцати телеграфных каналов. Аппаратура спутника позволяла одновременно с передачей информации на Землю осуществлять ее прием, запоминание и последующую передачу в нужный момент времени.

Пассивный спутник «Эхо» [350, 371] представляет собой наполненный газом баллон из пластика, покрытый алюминием. Диаметр газонаполненной сферы равен Наземный передатчик мощностью работал на частоте размер параболоида передающей антенны равен Прием обеих составляющих радиоволн с круговой поляризацией осуществлялся с помощью малошумящего рупорного рефлектора [318, 352, 373] с апертурой около После разложения радиоволн с круговой поляризацией на две составляющие с ортогонально-линейными поляризациями последние поступают на вход двухканального мазера [372] по отдельным волноводам. Полная шумовая температура системы, равная 18,9° К, определяется следующими составляющими температуры: неба 2,3° К, антенны 2° К, волновода 7° К, мазера 7° К, смесителя 0,6° К. Опыт применения спутника «Телестар» показал [397, 398], что активные спутники имеют достаточную практическую ценность.

В разд. 26.5 приведен вывод уравнений для определения интенсивности радиоволн, отраженных от поверхности Луны. Из характеристик, приведенных на рис. 26.16, следует, что величина затухания радиоволн на пути распространения до Луны и обратно равна 200 дб. Отсюда становится ясным, что для обеспечения радиосвязи за счет использования отражения от Луны [24, 111] требуются мощные передатчики, высоконаправленные антенны и чувствительные приемники.

В работе [259] приведено сообщение о первом случае приема телеграфного сигнала путем использования отражения от Луны; частота несущей быларавна В другой работе [362] упоминается о последующем удачном опыте осуществления телефонной связи таким же способом. Было обнаружено, что при приеме отраженного сигнала наблюдается быстрыми медленный фединг, причем первый объясняется неровностью поверхности Луны, а второй — явлением вращения Фарадея, имеющим место в ионосфере. В процессе опытов по определению качественных и количественных характеристик связи [323, 394] использовались передатчик мощностью работающий на частоте и антенна диаметром [358]. Применение антенны, рассчитанной на прием волн с круговой поляризацией, позволило ликвидировать явление медленного замирания; при этом глубина быстрого фединга была на уровне 4 дб в течение 50% времени. Опыты показали, что использование Луны в качестве элемента радиорелейной линии оказывается эффективным для обеспечения работы телефонные и телеграфных линий связи [393].