Спутники на орбите

В начале необходимо обратиться к истории телевизионного вещания, чтобы понять причины освоения космического пространства для этих целей. На 1 января 1961 года в Советском Союзе было создано 100 мощных и около 170 маломощных передатчиков, что обеспечивало охват телевизионным вещанием примерно 35% населения страны Через пять лет число станций возросло до 170 и 480 соответственно, количество телезрителей увеличилось только на 20%. Стало очевидно, что для обеспечения оставшейся половины населения телевизионным вещанием необходимы огромные финансовые затраты и более тысячи мощных телецентров. Самым оптимальным решением проблемы было в подъеме ретранслятора как можно выше над поверхностью Земли.

В 1965 году первый советский спутник связи "Молния" был выведен на околоземную орбиту. Задачи перед ним стояли самые актуальные: обеспечение бесперебойной телевизионной, радиотелефонной и телеграфной связи. Для трансляции программ со спутника была создана наземная приемная система "Орбита". Это были одни из первых шагов по использованию космической связи. Остановимся немного подробнее на этой системе.

Спутник-ретранслятор вращается на вытянутой эллиптической орбите (рис. 1). Высота апогея составила 40 тыс. км, перигея- 500 км, угол наклона плоскости орбиты относительно плоскости экватора - 63,4°. Период обращения спутника "Молния" вокруг Земли составляет 12 часов. При этом в течение 8.. .9 часов на каждом витке спутника охватывается большая часть территории страны. Как же это происходит? Из второго закона Кеплера следует, что относительно неподвижного земного наблюдателя спутник на большой высоте перемещается медленно, а в перигее, на малой высоте, наоборот очень быстро. Иными словами при движении спутника полная механическая энергия (кинетическая и потенциальная) остается неизменной, вследствие чего при удалении спутника от Земли скорость его движения уменьшается, а при приближении к Земле - увеличивается. Для обеспечения круглосуточного действия такого вида связи необходимо иметь на орбите три спутника со сдвигом на 7... 8 часов. Тот, кто умеет считать деньги, может сказать: "А не слишком ли это дорогое удовольствие?". Еще как слишком! Но это еще "цветочки". А теперь некоторые сведения о наземной системе.

Каждый наземный приемный комплекс имеет большую параболическую антенну диаметром 12 м, изготовленную из специального алюминиевого сплава, и массой 5,5 т. Кроме этого она установлена на полноповоротном опорном устройстве. Общий вес этого устройства составляет почти 50 т! Но и это еще не все. Антенна должна все время перемещаться, отслеживая положение спутника. Поэтому она обладает сложной системой автоматического и ручного наведения. Бортовой передатчик имеет выходную мощность 40 Вт. Для уменьшения уровня внутренних шумов приемника и увеличения его чувствительности, на входе установлен специальный малошумящий параметрический усилитель, охлаждаемый жидким азотом. Ничего себе устройство! Добавлю, что всю эту систему должны обслуживать высококлассные специалисты.

С выхода наземной станции "Орбита" телевизионный сигнал поступает на местный передатчик, который и обеспечивает трансляцию принятой программы. Можно отметить, что уже в 1967 году имелось 20 наземных станций. Кроме "Орбиты" создавались более простые и, следовательно, дешевые ретрансляционные системы "Экран" и "Москва". В 1985 году аудитория зрителей составила около 250 млн. человек. Их обслуживало сотни и тысячи километров радиорелейных линей и кабельных магистралей, почти 500 мощных и около 5000 маломощных передающих станций, 90 станций космической связи "Орбита", более 3 тысяч станций "Экран", более 500 станций "Москва". Применение этой дорогостоящей системы имеет смысл для крупных городов и районов с высокой плотностью населения. А что же делать жителям отдаленных районов? А также жителям, тем, кто обязательно захочет принимать не одну, а несколько телевизионных программ? Ответ напрашивается следующий: использовать спутниковую ретрансляцию, максимально упростить и уменьшить приемный комплекс, что и было успешно сделано. Теперь телевизионные программы можно принимать на антенну диаметром всего лишь 60 см. На рис. 2 показано использование высоко поднятого спутникового ретранслятора для охвата вещанием большой территории на поверхности Земли.

Вы никогда не пробовали спросить в хозяйственном магазине, есть ли в продаже жидкий азот? А в булочной? И не пытайтесь! Да он вам теперь ни к чему. Мощность бортовых передатчиков теперь составляет в среднем 100 Вт, то есть на каждквадратный метр поверхности Земли приходится порядка 50 пВт. Этого оказывается вполне достаточно, чтобы отказаться от применения охлаждаемого параметрического усилителя приемника. Но этого еще недостаточно, так как необходимо отказаться от постоянного отслеживания спутника при его перемещении. То есть нужно спутник "остановить". А он не упадет? Нет, движение ретранслятора остается прежним, 3075 км/с, а перемещение его относительно неподвижного наблюдателя на Земле будет равно нулю, если спутник будет выведен на так называемую геостационарную орбиту. Следовательно, антенну перемещать не надо, один раз поставил, настроил, и порядок!

Так что же такое геостационарная орбита? В далеком 1945 году известный писатель-фантаст Артур Кларк был простым инженером. Неизвестно, падало ли ему на голову яблоко, но именно он высказал мысль об использовании связных спутников на геостационарной орбите. Артур Чарльз Кларк является другом российского художника-космонавта Леонова и в настоящее время проживает на Цейлоне.

Самое главное качество геостационарной орбиты состоит в том, что она имеет форму окружности, лежащей в плоскости экватора Земли, с высотой над ее поверхностью 35875 км; направление вращения спутника в восточном направлении совпадает с направлением суточного вращения Земли с периодом обращения равным или кратным времени оборота Земли вокруг оси, то есть звездным суткам (23 часа 56 минут 4 секунды). Для удобства исчисления сутки у землян округлены до 24 часов. В действительности ко времени оборота вокруг оси мы ежедневно добавляет 3 минуты 56 секунд для того, чтобы сутки составляли 24 часа ровно. В результате за 4 года на Земле наступает високосный год, в котором месяц февраль уже длится не 28, а 29 дней. Любой високосный год делится на четыре без остатка, и именно в такой год на Земле проводятся Олимпийские игры.

На рис. 3 показано положение спутника на геостационарной орбите по отношению к земному шару. Главным достоинством такого положения ИСЗ на ГСО является то обстоятельство, что для неподвижного наблюдателя на земной поверхности спутник кажется неподвижным, зависшим в строго определенной точке небосклона.

Не правда ли масса достоинств? Однако и здесь есть своя "ложка дегтя". Спутники, выведенные на геостационарную орбиту, плохо обслуживают приполярные области. Еще одной проблемой является расположение космодрома. Чем он дальше находится от оси экватора, тем более мощным требуется носитель, что увеличивает затраты на выведение спутника. Несмотря на вышеперечисленные недостатки, все это окупается дешевизной и простотой приемного комплекса. В целом использование спутника-ретранслятора на ГСО имеет ряд преимуществ:
- связь осуществляется непрерывно, круглосуточно, без переходов (заходящего ИСЗ на другой);
- устройство и эксплуатация наземного комплекса упрощается, так как не требуется непрерывного слежения за спутником, во многих случаях даже исключены системы автоматического сопровождения ИСЗ;
- механизм привода (перемещения) передающей и приемной антенн облегчен, упрощен, сделан более экономичным;
- достигнуто более стабильное значение ослабления сигнала на трассе Земля - Космос;
- неизменное (35785 км) расстояние от спутника до Земли обеспечивает постоянство уровня сигнала на входе приемных устройств;
- повышается надежность систем электропитания, поскольку спутник находится вне радиационного поля Земли, вредно воздействующего на его солнечные батареи;
- зона видимости геостационарных ИСЗ составляет около одной трети земной поверхности;
- трех геостационарных ИСЗ достаточно для создания глобальной системы связи;
- упрощается использование спутника-ретранслятора, как звена в сети связи;
- отсутствует (или становится весьма малым) частотный сдвиг, обусловленный эффектом Доплера.

Эффект назван по имени австрийского физика Кристиана Доплера, обосновавшего этот эффекте 1842 году. Всем знакомо такое явление, когда мы находимся на платформе железнодорожной станции, мимо которой с большой скоростью проносится поезд, и машинист подает гудок, легко заметить, что в момент проезда локомотива мимо станции резко изменяется тональность гудка: она становится ниже (частота звука уменьшается).

Эффектом Доплера называют физическое явление, заключающееся в изменении частоты принятых колебаний при взаимном перемещении передатчика и приемника этих колебаний.

Он может возникать также при движении ИСЗ на орбите. На линиях связи через строго геостационарный спутник доплеров-ский сдвиг не возникает, на реальных ИСЗ мало существенен, а на сильно вытянутых эллиптических или низких круговых орбитах доплеровский сдвиг может быть значительным.

Эффект Доплера объясняется изменением расстояния во времени. Однако существенное влияние на свойства каналов связи оказывает и само по себе запаздывание радиосигнала при его распространении по линии Земля - спутник - Земля. Это запаздывание не приводит к каким-либо искажениям передаваемого сообщения, хотя для геостационарного ИСЗ или для ИСЗ на верхней части орбиты "Молния" достигает заметного значения - 300 мс. При передаче однонаправленных сообщений (программ телевидения, звукового вещания, газетных полос, телеграфных и других дискретных сообщений) это запаздывание не ощущается потребителем, но при дуплексной связи запаздывание ответа на 600 мс уже заметно.

Необходимо обратить внимание читателей-телезрителей на следующее обстоятельство. Все вы смотрите разные программы новостей по различным каналам и, пожалуй, обратили внимание, что при обращении диктора к своему собеседнику или корреспонденту, который в данный момент находится за пределами студии телевидения и даже в другой стране, на другом континенте, он отвечает не сразу, а делает вынужденную паузу. Изображение собеседника при этом с помощью цифрового телевидения "врезается" в общую "картинку".

Дальний корреспондент работает на маленькой передвижной спутниковой наземной станции, оснащенной передающей камерой, микрофоном и монитором (служебный телевизор, который принимает видеосигнал по кабелю аналогично радиоточке, а не радиоприемнику). Корреспондент видит изображение со студии и в свое время услышит вопрос ведущего.

Аппаратура этой наземной станции передает сигнал на определенный спутник. На этот же спутник настроена аппаратура наземной станции для передачи новостей. Так вот, в нужный момент видеосигнал из студии к корреспонденту пролетает почти 36 тыс. км на ГСО и возвращается обратно. По сей причине и возникает вынужденная заметная пауза между вопросом диктора и ответом собеседника. Для сведения можно сообщить, что передвижную наземную спутниковую станцию пока имеет только БТ (Белорусское телевидение). При возможности о ней можно будет рассказать более подробно.

А сейчас целесообразно рассказать, как поживает сам спут ник на геостационарной орбите. Так ли отблагодарила ГСО сам спутник за те добрые дела, которые он совершает для землян?

В околоземном пространстве, на высотах ГСО, спутник подвергается воздействию ряда факторов космической среды. В самых трудных условиях эксплуатируются устройства, элементы и материалы, расположенные вне герметичных отсеков на внешней поверхности ИСЗ. Приборы, находящиеся внутри ИСЗ в термоконтейнерах, главным образом "атакует" проникающая радиация - корпускулярные излучения большой энергии: космические лучи, в частности тяжелые ядра. Наиболее интенсивными первичными факторами, влияющими на внешнюю поверхность ИСЗ и его работоспособность, являются космический вакуум, потоки плазмы, корпускулярные и магнитные излучения, микрометеориты. Они способствуют созданию собственной атмосферы ИСЗ и его электролизации на ГСО.

Собственная атмосфера возникает из-за изменения космического вакуума самим ИСЗ за счет эрозии материала с негер-метизированных поверхностей спутника, неизбежных утечек газа и его конденсата из герметизированных отсеков, выхлопных продуктов ракетных двигателей (газы, частицы несгорев-шего топлива).

Собственная атмосфера изменяет физические и химические характеристики космического пространства вблизи ИСЗ.

Кроме того, ионы, атомы и молекулы собственной атмосферы осаждаясь на внешних поверхностях функциональных элементов бортовой аппаратуры, образуют пленку загрязнения, которая под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца, потока частиц (протонов, электронов и т.п.), тепла может увеличиваться. В результате создаются специфические условия для работы аппаратуры ИСЗ или отдельных его узлов, как правило, нарушающие ее нормальное функционирование. Это касается бортового радиоэлектронного оборудования, установленного в негерметизированных отсеках или на внешней поверхности ИСЗ.

Характеристики элементов солнечных батарей ухудшаются из-за деградаций в структуре полупроводников, появляющейся вследствие их "бомбардировки" электронами и протонами космического пространства. На ГСО основной причиной снижения характеристик элементов батарей является "бомбардировка" их протонами, причем наибольшая интенсивность воздействия наблюдается во время вспышек на Солнце. Поскольку вспышки носят циклический характер, реальный срок службы солнечных элементов зависит от времени запуска ИСЗ. Для защиты от радиации солнечных элементов их, например, покрывают жидким кварцем или микропленкой с добавкой церия.

На высотах ГСО на поверхности ИСЗ накапливается электрический заряд, создающий разность потенциалов до 20 кВ, которая может вызывать пробой или образование электрической дуги в вакууме, так как многие материалы не могут выдерживать такие большие напряжения. Эти явления в свою очередь приводят к возникновению электромагнитных помех в различных электрических цепях ИСЗ, которые воздействуют как на входное приемное устройство, так и непосредственно на цепи коммутации и управления. Наблюдались случаи полного выхода из строя полупроводниковых элементов. Кроме того, явления, связанные с возникновением электрической дуги между отдельными частями ИСЗ, приводят к термическому разложению теплозащитного покрытия, то есть испарению или выгоранию материала (алюминия), входящего в состав покрытия, к загрязнению поверхности ИСЗ продуктами испарения, дополнительно нарушая нормальное функционирование светочувствительных приборов ориентации и датчиков давления.

Для устранения воздействия электризации ИСЗ на работу его оборудования принимают следующие конструктивно-технологические меры: заземляют все узлы оборудования и кабелей на основную несущую платформу; в конструкции ИСЗ выбирают правильное сочетание металлических и диэлектрических поверхностей сточки зрения равномерного распределения потенциалов по всей поверхности; уменьшают площади диэлектрических материалов на внешней поверхности ИСЗ или применяют специальные прозрачные и проводящие покрытия, уменьшают число различных отверстий и щелей в конструкции для ограничения проникновения зарядов внутрь корпуса ИСЗ, тщательно экранируют электронные цепи от воздействия электрических и магнитных полей в широком частотном и амплитудном интервалах; разрабатывают электронные схемы, устойчивые к воздействию широкого спектра электромагнитных помех.

Упрощенная структурная схема бортового ретранслятора космической станции представлена на рис. 4. Сигнал, принятый антенной космической станции, поступает на входное устройство (1), в качестве которого на ИСЗ применяют усилители на малошумящих лампах бегущей волны (ЛБВ) или транзисторах. В смесителе (2) с помощью гетеродина осуществляется преобразование принятого сигнала в сигнал промежуточной частоты, который усиливается в устройстве (3).

На бортовом ретрансляторе космической станции могут использоваться устройства разделения, коммутации, объединения сигналов (4), цель которых - подавать сигналы, адресованные тем или иным земным станциям, на передающие антенны с соответствующей зоной обслуживания. Коммутация сигналов может осуществляться в пределах как одного ствола, так и нескольких стволов.

Стволом ретранслятора или земной станции спутниковой связи называют приемопередающий тракт, в котором радиосигнал (радиосигналы) проходит через общие усилительные элементы (общий выходной каскад передатчика) в некоторой выделенной стволу общей полосе частот. Очевидна некоторая условность такого определения, во всяком случае, для земных станций. Так, несколько стволов могут иметь общие элементы: антенну, волноводный тракт, малошумящий входной усилитель. С другой стороны, на земной станции полоса одного ствола может разделяться фильтрами для последующего детектирования сигналов от различных земных станций, проходящих через общий ствол ИСЗ.

Более четкое понятие "ствол" сохраняется для бортового ретранслятора. Диапазон частот, в котором работает система связи, принято разделять на некоторые участки полосы (шириной 35...40 МГц, 80... 120 МГц), усиление сигналов в которых осуществляется отдельным трактом - стволом. В настоящее время вместо понятия "ствол" используют определение "транспондер".

Число транспондеров, одновременно действующих на ИСЗ, составляет обычно 6... 12, достигая на наиболее мощных ИСЗ нескольких десятков. Сигналы этих транспондеров разделяются по частоте, пространству и поляризации. Числом транспондеров, их полосой пропускания и эквивалентной изотропно излучаемой мощности (ЭИИМ) определяется в основном важнейший суммарный показатель ИСЗ - его пропускная способность, то есть число организуемых через ИСЗ каналов-телеграфных и радиотелевизионных. Пропускная способность, по существу, является характеристикой системы, а не ИСЗ.

Пропускная способность транспондера ИСЗ зависит в некоторой степени не только от основных показателей - полосы пропускания и ЭИИМ, но и от других параметров, определяющих искажения передаваемых сигналов - линейности амплитудной характеристики, величины АМ-ФМ преобразования и др. Эти параметры влияют на взаимные помехи между сигналами различных земных станций, на достоверность приема сигналов и тем самым на энергетические потери, обусловленные прохождением сигналов через неидеальный тракт бортового ретранслятора ИСЗ.

По упрощенной схеме бортового ретранслятора (рис. 4) после коммутатора (4) сигнал поступает на усилитель (2), смеситель (5), на оконечный усилитель мощности (6) и передающую антенну. На схеме не показаны резервные элементы и устройства переключения на резерв. Эти устройства достаточно сложны, поскольку степень резервирования различна для каждого элемента тракта в зависимости от его надежности, важности для жизнеобеспечения ИСЗ, продолжительности срока службы.

Другие страницы сайта