Системы спутниковой связи
Введение
Спутники играют важнейшую роль в повышении качества жизни людей в условиях современной цифровой экономики. От спутниковых технологий так или иначе зависит почти каждая отрасль - от сельского хозяйства до банковского сектора и транспорта. Спутниковая связь присутствует повсюду, но зачастую остается невидимой для широкой общественности, что, с одной стороны, свидетельствует об ее успешной интеграции в рынок электросвязи в целом, а с другой - препятствует порой правильному пониманию ее жизненно важного значения для взаимосвязанного мира.
1.История появления спутниковой связи
В 1945 году в статье «Внеземные ретрансляторы» («Extra-terrestrial Relays»), опубликованной в октябрьском номере журнала «Wireless World», английский учёный, писатель и изобретатель Артур Кларк предложил идею создания системы спутников связи на геостационарных орбитах, которые позволили бы организовать глобальную систему связи. Впоследствии Кларк на вопрос, почему он не запатентовал изобретение (что было вполне возможно), отвечал, что не верил в возможность реализации подобной системы при своей жизни, а также считал, что подобная идея должна приносить пользу всему человечеству.
1.1 Первый искусственный спутник земли
Запуск первого в мире искусственного спутника Земли был осуществлен в Советском Союзе 4 октября 1957 г. в 22 ч. 28 мин. 34 с по московскому времени. Впервые в истории сотни миллионов людей могли наблюдать в лучах восходящего или заходящего солнца перемещающуюся по темному небосводу искусственную звезду, созданную не богами, а руками человека. И мировое сообщество восприняло это событие как величайшее научное достижение.
В январе 1956 г. было подготовлено и 30 января подписано постановление Правительства о создании неориентированного ИСЗ под секретным шифром «Объект Д» массой 1000?1400 кг с аппаратурой для научных исследований массой 200?300 кг. К июлю 1956 г. был закончен проект первого ИСЗ, излучения Солнца, магнитных полей, космических лучей, теплового режима спутника, торможения его в верхних слоях атмосферы, продолжительности существования на орбите, и т. д. К концу 1956 г. выяснилось, что сроки создания ИСЗ буду сорваны из-за трудностей изготовления надежной научной аппаратуры. Тем не менее, проект «Объекта Д» был одобрен спец комитетом Совета Министров СССР. А ранее, 12 февраля 1955 г. в полупустыне, в районе станции Тюратам, силами армии под командованием генерала Шубникова началось строительство научно-исследовательского и испытательного полигона № 5 (с 1961 г. это место известно как космодром Байконур).
В течение 1955?1956 гг. было закончено изготовление первого технологического комплекса ракеты носителя Р?7, проведены ее испытания на Ленинградском металлическом заводе совместно с реальной стартовой системой. На огневых стендах под Загорском (ныне город Пересвет) начали огневые испытания отдельных блоков ракеты. Под руководством Н. Пилюгина проводили моделирование и комплексную отработку системы управления. (высота ракеты носителя Р-7 составляет 342,2 метра)
Запустить ракету в космос пытались 4 раза но из-за сбоев в аппаратуре и ненадежности оболочки ракеты, Королевым был предложен упрощенный вариант.17 сентября 1957 г. на полигон прибыла ракета-носитель 8К71ПС (изделие М1?ПС). Ее существенно облегчили по сравнению со штатными ракетами. Макетная головная часть была снята и заменена переходником «под спутник». С центрального блока сняли всю аппаратуру системы радиоуправления -- точность ведь не требовалась. Сняли одну из систем телеметрии. Упростили автоматику выключения двигателя центрального блока. Таким образом, стартовая масса ракеты была облегчена на 7 т по сравнению с первыми образцами.
4 октября 1957 г. в 22 ч. 28 мин. 3 с по московскому времени был осуществлен старт. Через 295,4 с спутник и центральный блок ракеты-носителя вышли на орбиту. Впервые была достигнута первая космическая скорость, рассчитанная основателем классической физики и закона всемирного тяготения англичанином Исааком Ньютоном (1643?1727 гг.). Она составляла для первого ИСЗ 7780 м/с. Наклонение орбиты спутника равнялось 65,1о, высота перигея 228 км, высота апогея -- 947 км, период обращения 96,17 мин. когда на полигоне приняли ставшие тут же известными всему человечеству сигналы «БИП?БИП?БИП», так началось существование спутниковой связи. Первый спутник существовал 92 дня (до 4 января 1958 г.). За это время он совершил 1440 оборотов, центральный блок работал 60 дней: он наблюдался простым глазом как звезда 1-й величины.
Первые исследования в области гражданской спутниковой связи в западных странах начали появляться во второй половине 50-х годов XX века. В США толчком к ним послужили возросшие потребности в трансатлантической телефонной связи. В 1957 году в СССР был запущен первый искусственный спутник Земли с радиоаппаратурой на борту. 12 августа 1960 года специалистами США был выведен на орбиту высотой 1500 км надувной шар. Этот космический аппарат назывался «Эхо-1». Его металлизированная оболочка диаметром 30 м выполняла функции пассивного ретранслятора.
Рисунок 1. Воздушный шар «Эхо-1»
20 августа 1964 года 11 стран подписали соглашение о создании международной организации спутниковой связи Intelsat (International Telecommunications Satellite organization), но СССР в их число не входил по политическим причинам. 6 апреля 1965 года в рамках этой программы был запущен первый коммерческий спутник связи Early Bird «ранняя пташка», произведенный корпорацией COMSAT.
Рисунок 2. Инженеры работают над первым в мире коммерческим спутником связи Early Bird
По сегодняшним меркам спутник Early Bird (ИНТЕЛСАТ 1) обладал более чем скромными возможностями: обладая полосой пропускания 50 МГц, он мог обеспечивать до 240 телефонных каналов связи. В каждый конкретный момент времени связь могла осуществляться между земной станцией в США и только одной из трёх земных станций в Европе (в Великобритании, Франции или Германии), которые были соединены между собой кабельными линиями связи. В дальнейшем технология шагнула вперед, и спутник ИНТЕЛСАТ 9 уже обладал полосой пропускания 3456 МГц.
В СССР долгое время спутниковая связь развивались только в интересах Министерства Обороны СССР. В силу большей закрытости космической программы развитие спутниковой связи в социалистических странах шло иначе чем в западных странах. Развитие гражданской спутниковой связи началось соглашением между 9 странами социалистического блока о создании системы связи «Интерспутник» которое было подписано только в 1971 году.
1.2 Развитие спутниковой связи
Как известно, в Советском Союзе в начале 1965 г. была создана и введена в эксплуатацию система спутниковой связи "Молния-1", по названию спутника. Эта система позволила организовать связь Москвы (станции в Медвежьих Озерах и Щелково) с районами Дальнего Востока (станции в Уссурийске и Петропавловске-Камчатском), Сибири (станция в Улан-Удэ), Средней Азии (станция в районе озера Балхаш).
В системе "Молния-1" передавались программы телевизионного (ТВ) и радиовещания (РВ), полосы газет, а также осуществлялись телефонные и телеграфные связи с указанными районами. К концу 1967 г. в стране были введены еще 20 станций, которые с имеющимися станциями образовали первую в мире систему распределения телевидения "Орбита" (главный конструктор Н. В. Талызин, НИИР). Система расширялась, количество станций росло, и с учетом разницы во времени по часовым поясам в дальнейшем была создана под руководством того же конструктора распределительная система телевизионного вещания "Москва", в которой использовались спутники "Горизонт", "Экран" и "Экспресс".
Вернемся к начальному периоду создания системы "Молния-1". При ее разработке энергетика радиолинии была рассчитана с некоторым запасом, что позволило создать и параллельно ввести в эксплуатацию систему спутниковой связи "Корунд" и комплекс "Ручей". Эти средства использовались в интересах обороны страны для организации телефонных и телеграфных связей с войсками, расположенными в любом регионе, а также для передачи сигналов оповещения. Задействовались ретрансляторы тех же спутников "Молния-1" на основных и сопряженных витках, работа осуществлялась через один ствол одновременно, с частотным разносом.
Такого рационального использования средств наши главные соперники, американцы, достичь не могли, так как мощность ретрансляторов на их спутниках была всего 6...8 Вт, а на наших - 40 Вт. Это преимущество в энергетике радиолинии позволило конструкторам СССР снова удивить мир созданием в 1973 г. перевозимой и самолетной станций "Контакт" для телефонной связи во время визитов и перелетов руководства страны.
Характерен такой пример. Перед визитом Л. И. Брежнева в США в нашем посольстве в Америке была установлена первая станция "Контакт". Леониду Ильичу была предоставлена возможность переговорить с нашим послом в США А. Ф. Добрыниным. Связь была настолько хорошей, что он сказал Добрынину: "...я тебя так хорошо слышу, как из соседней комнаты. Вот давай теперь будем считать эту связь основной". С тех пор спутниковая связь стала не только основной для высшего руководства страны и Вооруженных Сил, но и получила импульс для дальнейшего развития в целом.
Советские инженеры, опередив американских специалистов, первыми в мире, в 1974 г., создали перевозимую станцию МАРС для передачи ТВ изображения и звука в реальном масштабе времени из районов, где не было стационарных станций спутниковой связи (конструктор С. В. Бородич, НИИР). Она использовалась для трансляции ТВ репортажей во время стартов космических кораблей или показа других важных событий, происходящих как в стране, так и за рубежом (в Индии, на Кубе, в Болгарии и др.).
В СССР государственная система спутниковой связи "Молния-1" работала в диапазоне 800...1000 МГц. Однако, в соответствии с Регламентом радиосвязи, принятым Международным союзом электросвязи на Всемирной конференции радиосвязи, этот диапазон не предназначался для спутниковой связи, а был отведен для фиксированной подвижной связи, для использования в радиовещательной и радиолокационной службах, а также для воздушной радионавигации. Поэтому государственную систему спутниковой связи надо было перевести в другой диапазон. Для этого проведена очень большая работа. Были построены новые и переоборудованы новой аппаратурой действующие наземные станции, и все - без перерыва телевизионного и радиовещания, телефонной и телеграфной связи. Был создан новый ретранслятор, работающий в диапазоне 4/6 ГГц, и модернизирован спутник. Все это позволило расширить возможности спутниковой связи, создать на спутнике многоствольные ретрансляторы.
Перевод государственной системы спутниковой связи в новый диапазон начался в 1971 г., с выводом на высокоэллиптическую орбиту спутника "Молния-2" с двуствольным ретранслятором, работающим в диапазоне частот 4/6 ГГц, что можно считать началом создания в СССР новой государственной системы спутниковой связи, работающей в наиболее перспективном диапазоне частот.
В середине 1973 г. был введен в эксплуатацию трехствольный ретранслятор на спутнике "Молния-3", имеющий также высокоэллиптическую орбиту. Такие высокие орбиты (в апогее около 40 тыс. км) очень удобны для организации связи на территории нашей страны, так как зона радиовидимости с такого спутника охватывает всю территорию Советского Союза и всю северную полярную область Земли. Получить такую же зону радиовидимости со спутников, находящихся на геостационарной орбите в любых точках над экватором, невозможно.
Недостатком системы со спутниками на высокоэллиптических орбитах является необходимость перевода антенн земных станций с одного спутника на другой 4 раза в сутки, из-за чего возникают кратковременные перерывы связи (в среднем до 30 с).
С вводом в эксплуатацию многоствольного спутника "Горизонт", выведенного на геостационарную орбиту в 1975 г., завершилось создание новой системы спутниковой связи в нашей стране. Система была названа по имени спутника -
"Горизонт". Первые спутники системы были расположены в точках стояния над экватором 14° з. д.; 35° и 80° в. д. На каждом из них было по шесть стволов, работающих в диапазоне 4/6 ГГц, и один ствол в диапазоне 11/14 ГГц, ширина полосы частот каждого ствола - 36...40 МГц. Вскоре на спутнике "Горизонт" был введен ствол ретранслятора, работающий в диапазоне 1,5/1,6 ГГц, для организации связи с подвижными объектами или малыми станциями, а также между ними.
В 1976 г. был выведен на геостационарную орбиту спутник "Экран" с точкой стояния над экватором 99° в. д., который позволил создать зону непосредственного телевизионного вещания в районах Урала и Западной Сибири. Первоначально разработка ретранслятора этого спутника осуществлялась при непосредственном участии В. А. Шамшина (НИИР).
Ретрансляторы на этих спутниках -гетеродинного типа, сигналы в них усиливаются в основном на промежуточной частоте (обычно 70...120 МГц). Через каждый ствол ретранслятора возможна передача одной ТВ программы со звуковым сопровождением или нескольких несущих для передачи телефонной или другой информации.
Одновременно стремительно развивались и совершенствовались государственные и ведомственные системы спутниковой связи в других странах, международные системы.