РАДИОРЕТРАНСЛЯТОРЫ НА ОРБИТЕ
РАДИОРЕТРАНСЛЯТОРЫ НА ОРБИТЕ
Разве можем мы быть полностью удовлетворены современным состоянием радиосвязи и особенно телевидения? Слишком уж от многих факторов зависит качество приема радиопередач. Это не только мощность радиостанций и чувствительность приемников. Это и время суток, и погода, и состояние верхних слоев атмосферы. Кроме того, это различные искусственные помехи приему — радиотехнические и промышленные. И конечно же, расстояние до станции — источника радиосигналов.
До обидного мал радиус действия телецентров — передачу самых крупных телестудий смотрят лишь в радиусе не больше 100–150 км. Объясняется это тем, что для телевидения выбран самый плохой с точки зрения дальнего распространения диапазон длин волн — УКВ, которые распространяются лишь на расстоянии прямой «видимости» передающей антенны. Но этот выбор был вынужденным, поскольку для телевидения необходим особый характер передающих волн — спектр частот, излучаемых телевизионным передатчиком, должен быть достаточно велик, а это достигается лишь уменьшением длины волн.
Попытки проведения кабельных линий с целью увеличения качества и дальности радио- и телепередач пока не дают хороших результатов из-за сильного затухания сигналов. Приходится на каждые б — 8 км кабеля ставить промежуточные усилители и на каждые 100 км — усилительный пункт с источником питания. Да и проводная связь не в состоянии охватить все уголки земного шара и обеспечить многоканальные передачи между любыми двумя точками.
В последнее время увеличение дальности телеприема и получение более качественной радиотелефонной связи достигается сооружением радиорелейных линий. Радиорелейная связь работает обычно в сантиметровом диапазоне волн, что еще больше увеличивает полосу частот. Очевидно, что дальность распространения таких волн также невелика, поэтому высокие башни — ретрансляторы с рупорными антеннами наверху и усилителями приходится строить на небольшом расстоянии Друг от друга. Правда, мощность ретрансляторов составляет всего лишь несколько ватт при мощности передатчика телецентра в несколько киловатт.
Однако и радиорелейные линии едва ли смогут разрешить проблемы всемирной связи. Решение этой задачи под силу лишь искусственным спутникам Земли и орбитальным космическим станциям.
Вообще говоря, искусственный спутник Земли может выполнять роль пассивного отражателя радиосигналов без их усиления. Для такой цели предназначен, например, американский спутник «Эхо». Такая схема, имея ряд преимуществ, в общем оказывается невыгодной из-за ослабления сигнала, приходящего на Землю. Поэтому будущее принадлежит активным космическим ретрансляторам, которые, воспринимая земные радиосигналы, смогут усиливать их и посылать обратно на Землю.
Спутник, запущенный на большую высоту, может быть оборудован средствами приема, усиления и передачи на Землю радиосигналов большой мощности, так как проблема источника энергопитания на такой станции может быть надежно решена с помощью преобразования солнечной энергии или же атомных электростанций.
Система всемирной радио- и телесвязи может быть создана в виде трех активных космических спутников-ретрансляторов, вращающихся одновременно по одной, например экваториальной, круговой орбите, но непременно имеющей высоту 35 800 км. Почему именно на этой высоте? Как показывают несложные расчеты, для получения замкнутой круговой орбиты на такой высоте скорость вращения спутника вокруг Земли должна быть равной 3072 м/сек, т. е. период обращения вокруг Земли составит 24 час. А это значит, что спутник как бы повиснет над какой-то точкой земного шара, что и требуется для удобства ретрансляции. Такие ретрансляторы называются стационарными. Хотя они будут иметь некоторое смещение относительно поверхности Земли, вызванное неравномерностью ее гравитационного поля, но смещение это будет одинаковым для всех трех ретрансляторов и особого значения не имеет. Антеннам наземных передатчиков не придется следить за спутником-ретранслятором. Направление излучения и расстояния между источником и ретранслятором и между ретранслятором и приемными станциями будут практически неизменными. Три таких «неподвижных» космических тела обеспечат полное перекрытие поверхности Земли (рис. 4). Останется «незакрытой» лишь около 2 % поверхности Земли в районе полюсов.
Рис. 4. Схема организации всемирной радиосвязи:
1 — стационарный спутник Земли; 2 — распределительная станция; 3 — передатчик; 4 — приемник
В поле зрения одного ретранслятора сигналы будут передаваться только с его помощью. Передача на большие расстояния будет осуществляться через два ретранслятора. Предлагают и другой метод, когда сигнал между ретрансляторами будет «касаться» Земли и усиливаться наземной станцией, но тогда потребуется строительство еще трех релейных станций на Земле.
Проблемы «транскосмической» связи на этом не заканчиваются. Придется подумать и о преодолении различных помех для качественной радиосвязи, возникающих в космосе. Одной из них является так называемый фединг Фарадея — длительные «замирания» радиоволн при прохождении ионосферы и магнитного поля Земли, связанные с неравномерностью ионизированной среды в околоземном пространстве, приводящей к отклонению радиоволн.
Правда, на некоторых, вполне определенных частотах излучаемых сигналов эти «замирания» почти незаметны. Вообще, по целому ряду причин выбор частоты космической ретрансляции очень важен. Если учесть, например, что лишь на частотах свыше 100 мгц почти не существует ионосферных и искусственных помех, то станут очевидными преимущества высоких частот. Эти и некоторые другие соображения приводят к выводу, что рабочие частоты для всемирной системы радио- и телесвязи должны находиться в диапазоне 1000-10000 мгц, т. е. передачи должны идти на дециметровых и даже сантиметровых волнах.
Существуют и другие помехи распространению УКВ в пространстве. Например, при создании космических ретрансляторов необходимо учесть, что в определенные дни года, когда Земля, ретранслятор и Солнце будут находиться на одной прямой, возникнут сильные помехи приему наземными станциями сигналов из космоса. Подсчитано, что для системы всемирной связи такие помехи будут возникать дважды в год в течение 8 дней каждый раз продолжительностью 12 мин, в течение которых радиосвязь будет затруднена [22].
Идея создания системы из трех стационарных спутников на высоте почти 36 тыс. км вполне осуществима, но технически довольно сложна. Поэтому разрабатываются системы всемирной и трансконтинентальной связи с помощью искусственных спутников, вращающихся на меньших высотах. Разумеется, при этом потребуется более чем три ретранслятора. Их будет тем больше, чем меньше высота орбиты. И конечно, с такими системами будет очень трудно добиться постоянной и надежной всемирной связи.
Спутник Земли может выполнять и другие задачи, связанные с ретрансляцией радиосигналов. Например, спутник-навигатор окажет помощь мореплавателям, авиационным штурманам и путешественникам в определении их местоположения. Станция, излучающая специальный радиосигнал, будет надежным, хотя и пассивным помощником при ориентировке. Данные о точном местоположении станции-навигатора будут периодически вырабатываться на Земле с последующей засылкой на борт спутника и на ориентируемые объекты. Но космическая станция может иметь и активные средства навигации (например, инерциальные, радиоастрономические или допплеровские), которые по запросу будут сами точно определять и сообщать свои координаты, а в будущем — координаты и истинный курс ориентируемого корабля или самолета, а также метеообстановку.