...И мир загадочный за занавесом цифр. Цифровая связь

Какие только идеи создания космического радиомоста с тех пор не высказывались? Предлагалось, например, выбрасывать из контейнера искусственного спутника Земли на высоте 4 тыс. км множество металлических иголок для создания из них отражающих поясов. Другая идея состояла в распылении из контейнера ракеты на высоте в несколько сотен километров облака металлических частиц. Однако идеи пассивной ретрансляции сигнала космическими объектами до сих пор не нашли широкого применения.

Советские ученые предложили иной путь развития спутниковых линий связи. Они создали первый в мире космический мост с использованием на спутнике активного ретранслятора.

Так, 23 апреля 1965 г. в СССР был запущен искусственный спутник Земли "Молния-1", на борту которого находилась приемопередающая ретрансляционная станция. В таком спутнике радиолуч, посланный с Земли, принимается антенной, усиливается, затем "меняет" длину волны и на этой новой длине излучается той же самой антенной в направлении Земли.

Вы обратили внимание, что спутниковая линия связи по существу схожа с радиорелейной? Отличие, пожалуй, лишь в том, что на ней имеется только одна промежуточная станция и поднята она высоко над Землей. На спутниковой линии тоже организуют несколько радиостволов, по каждому из которых цифровая информация переносится с огромной скоростью — десятки и сотни мегабит в секунду.

Вдумайтесь, читатель, биты, несущие людям телевизионное изображение, газетную полосу, телеграфное сообщение, телеграмму, данные от ЭВМ, для того чтобы быстрее и надежнее доставить эту информацию нам, совершают сначала путешествие… в космос.

Давайте и мы с вами совершим небольшую "прогулку" по космическому радиомосту. Начнем с космической станции. Она находится на спутнике. Связной спутник — это, как правило, цилиндрический герметичный корпус с несколькими антеннами. Так, на советском спутнике связи "Молния-1" установлены две антенны (одна из них резервная), а на международном спутнике связи "Интелсат-4" — целое антенное хозяйство из шести антенн. Раскрываются они после вывода спутника на орбиту по команде бортового вычислительного комплекса или по команде с Земли. Вместе с антеннами раскрываются панели солнечных батарей, питающих аппаратуру космической станции. (На некоторых зарубежных спутниках солнечные батареи представляют собой огромное число маленьких зеркал, буквально "обклеивающих" весь корпус.)

Как навести антенну спутника на Землю? Процедура непростая. Вот как это происходит на спутнике типа "Молния". Когда спутник выведен на орбиту, специальные двигательные устройства останавливают его вращение. После этого оптический датчик, размещенный на днище спутника, управляет двигателями так, чтобы поймать в поле своего зрения Солнце. В результате операции "захвата" солнечные батареи оказываются ориентированными на Солнце. Но найденное положение нужно еще и сохранить. Тогда в работу вступает специальный маховик — гироскоп. Он и удерживает станцию в требуемом положении.

Осталось теперь навести на Землю антенны. Это делает другой датчик, которому поручено "следить" за Землей.

В процессе полета спутника неизбежно возникают отклонения от требуемого положения спутника относительно Солнца и Земли. Если же учесть, что необходимо периодически корректировать и саму орбиту спутника, то легко представить, какой сложный комплекс технических проблем приходится решать при организации космического моста.

Но это еще не все. Если поставить на спутнике антенну с очень узким лучом, например шириной 1° или даже 0,5°, то, дабы не "промахнуться" и попасть лучом в район приемной станции, нужно очень точно осуществлять ориентацию спутника на Землю и очень тщательно стабилизировать положение спутника. Чтобы понять сложность задачи, приведем только одну цифру. В этом случае стабилизация должна быть такой, при которой отклонение спутника от требуемого положения не превышало бы 0,1° за 7 лет! Между тем иметь узкий луч выгодно, так как чем он уже, тем более сконцентрирована энергия радиоволны вблизи земной станции и, стало быть, тем проще ее приемная антенна. На современных спутниках связи встречаются антенны, формирующие лучи шириной от 22° до 0,6°.

Вы еще не забыли, что мы с вами находимся на "экскурсии" на космической станции? Тогда давайте "заглянем" внутрь ее. Здесь расположена приемопередающая аппаратура. Электромагнитное колебание той частоты, которую излучала земная станция, от антенны по волноводному тракту передастся в приемник. Но что это? Приемник, оказывается, настроен совсем на другую частоту. Представьте, что будет, если у вашего домашнего радиоприемника установить ручку не на ту частоту, на которой вещает радиостанция, — вы просто ничего не услышите! В чем тут дело?

Случалось ли вам наблюдать, когда вы едете в поезде, как меняется звук свистка локомотива встречного поезда? Свисток слышится недолго, может быть 2–3 с, но и за это короткое время можно уловить, что сначала его звук высокий, а когда встречный локомотив, промелькнув мимо вашего вагона, удаляется от вас, звук становится низким. Изменению частоты колебания волн, когда наблюдатель и источник волн движутся либо навстречу друг другу, либо в разные стороны друг от друга, дали название эффект Доплера, по имени австрийского физика и астронома Христиана Доплера. Он первый открыл и объяснил это явление в 1842 г.

При перемещении спутника относительно земной станции также возникает эффект Доплера. Электромагнитные колебания, излучаемые земным передатчиком на частоте f₀ воспринимаются на борту спутника как колебания с частотой f₀ + f. Этот набег частоты f для спутника типа "Молния", работающего на частоте 4 ГГц, может составить через час после прохождения апогея 60 кГц. Вот потому-то приемник космической станции и настроен на другую частоту, отличающуюся на величину доплеровского сдвига.

Надо сказать, что эффект Доплера наблюдается только для тех спутников, которые имеют эллиптическую орбиту. Спутник "Молния-1", о котором вели речь, выведен как раз на такую орбиту. Траектория его движения вокруг Земли является эллипсом, верхняя точка (апогей) которого удалена от нашей планеты на расстояние около 40 тыс. км, а нижняя (перигей) — на расстояние около 500 км. Орбита спутника наклонена к плоскости экватора под углом 63,5°. Спутник, выведенный на такую орбиту, имеет период обращения 12 ч и, совершая за сутки два полных витка, появляется над одними и теми же районами Земли в одно и то же время. Скорость перемещения спутника максимальна в перигее и замедляется в апогее. С территории нашей страны он виден в течение 8 ч. Чтобы космический мост работал круглосуточно, нужно иметь три спутника, сменяющие друг друга.

Но можно сделать так, что спутник "повиснет" над Землей и будет оставаться все время неподвижным. Для этого нужно вывести его на орбиту, лежащую в плоскости экватора и удаленную от Земли на 35800 км (вспомните гениальное предвидение Артура Кларка!). Период обращения спутника на ней равен 24 ч. Вот почему спутник, вращающийся в том же направлении, что и Земля, будет казаться земному наблюдателю неподвижным. Такая орбита называется геостационарной, а спутник на ней — стационарным.

Теперь "спустимся" на Землю и завершим нашу "экскурсию" на земной станции. Земная станция — это прежде всего здание, где размещается приемопередающая аппаратура, и большая (диаметром 12–25 м) параболическая антенна, которая может одновременно передавать и принимать радиоволны (разных частот или длин, разумеется). Такая антенна очень чувствительна и может улавливать сигналы из космоса, ослабленные в сотни тысяч и даже миллионы раз. Устанавливается она на специальном опорно-поворотном устройстве. Любопытно, что масса антенны составляет 5,5 т, а вместе с опорно-поворотным устройством — 50 т. Потому здание земной станции делают обычно железобетонным.