Посвящение в радиоэлектронику
Шрифт:
Мирное освоение космоса человечеством продолжается, и одной из наиболее ярких страниц международного сотрудничества явилась стыковка на орбите в июле 1975 года советского и американского космических кораблей «Союз» и «Аполлон». Совершая совместный полет, космонавты в буквальном смысле ходили друг к другу в гости! Но космическая электроника служит не только космонавтам — она немало помогает и в разрешении наших земных насущных проблем.
Когда вы смотрите телевизионные передачи о достижениях космической техники или работе и жизни отважных космонавтов на пилотируемой орбитальной станции, то, вероятно, не задумываетесь, каким путем приходит телевизионный сигнал к вашему приемнику. Этот путь часто включает и космический участок через спутник-ретранслятор. В удаленные районы Сибири и Дальнего Востока программы телевидения передаются только по космическому телевизионному мосту. Каковы же причины, приведшие к созданию космических телевизионных трасс? Одна из причин нам уже известна из
Примерно до 1967 года важная государственная задача охвата телевизионным вещанием всего населения страны решалась путем строительства мощных радиопередающих телевизионных центров (5…50 кВт) и ретрансляторов малой мощности (1…100 Вт). Пока эти станции строились в густонаселенных районах страны, ввод каждой из них означал значительный прирост числа телезрителей. На 1 января 1961 года в стране было построено 100 мощных телевизионных передатчиков и около 170 маломощных ретрансляторов, обеспечивавших телевизионным вещанием примерно 35 % населения. В последующие пять лет число мощных станций и ретрансляторов возросло соответственно до 170 и 480, а прирост числа телезрителей составил лишь 20 %. Стало ясно, что дальнейшее увеличение числа передающих телевизионных станций экономически нецелесообразно. Расчеты показали, что для охвата телевизионным вещанием 95 % населения страны потребовалось бы более 1000 мощных телецентров, многие тысячи километров кабельных и радиорелейных линий для обмена программами, что связано с огромными капитальными затратами.
Единственным реальным средством решения задачи стопроцентного охвата населения страны телевизионным вещанием в сжатые сроки оказалось использование спутниковых систем. 23 апреля 1965 года в Советском Союзе был произведен запуск спутника связи «Молния-1» на высокую эллиптическую орбиту с апогеем в северном полушарии и перигеем в южном. Начальный период обращения спутника был близок к половине суток и составил 11 ч 48 мин. Такой период обращения выбран не случайно: спутник должен появляться над обслуживаемой территорией всегда в одно и то же время, скажем в часы вечерних телепередач. На борту спутника была установлена ретрансляционная аппаратура для передачи программ телевидения и дальней двусторонней многоканальной телефонной, фототелеграфной и телеграфной радиосвязи. Первый прямой телевизионный обмен телевизионными программами между Москвой и Владивостоком состоялся!
Орбита ИСЗ «Молния-1».
На выборе орбиты спутника следует остановиться особо. Орбита представляет собой сильно вытянутый эллипс» в одном из фокусов которого находится центр Земли. Плоскость орбиты наклонена к плоскости экватора под углом около 65°, причем апогей орбиты — наиболее удаленная от Земли точка — находится в северном полушарии. Высота апогея составляет около 40000 км, а высота перигея — всего около 500 км. В соответствии с законами Кеплера, которым подчиняются все движущиеся небесные тела, спутник пролетает приближенную к Земле часть орбиты, включающую точку перигея, очень быстро. Ретранслятор спутника на этом отрезке орбиты, расположенном в южном полушарии, выключается. Зато удаленную от Земли часть орбиты, включающую точку апогея, спутник проходит медленно, он как бы «зависает» на несколько часов над Сибирью и Дальним Востоком. В это время и ведется ретрансляция телевизионных программ. Поскольку период обращения спутника равен 12 ч, в течение суток он совершает два витка вокруг Земли. На первом витке в течение девяти часов обеспечивается связь между любыми пунктами как на территории СССР, так и других стран Европы и Азии. Во время второго витка в течение трех часов возможна связь между европейской частью СССР и Центральной и Северной Америкой.
Корпус спутника связи «Молния-1» выполнен в виде цилиндра, на котором расположены шесть панелей с солнечными батареями и две направленные параболические антенны. Эти внешние устройства раскрываются после вывода спутника на орбиту. В торцах цилиндра расположены датчики ориентации и двигательная установка для коррекции орбиты. На внешней поверхности корпуса расположены также радиаторы системы терморегулирования. Работой спутника управляет программно-вычислительное устройство на основе сигналов командно-измерительной аппаратуры.
Устройство спутника «Молния-1»:
1 — датчики ориентации; 2 — солнечные батареи; 3,4 — направленные антенны; 5 — корректирующая двигательная установка; 6 — радиатор-охладитель; 7 — датчик ориентации антенн на Землю
Основную полезную нагрузку спутника составляет ретранслятор. Принятые с Земли сигналы через приемную антенну поступают на входное устройство и далее — на преобразователь частоты. Основное усиление сигналов происходит на сравнительно низкой промежуточной частоте. Затем сигнал еще раз преобразуется по частоте и усиливается оконечным
усилителем мощности, выполненным на лампе бегущей волны. Усиленный сигнал излучается передающей антенной в сторону Земли. Выходная мощность ретранслятора достигает 40 Вт. Столь большая мощность бортового передатчика позволила упростить оборудование наземных станций и повысить помехоустойчивость связи. Для повышения надежности на спутнике связи «Молния-1» установлено три ретранслятора один рабочий и два резервных.Структурная схема ретранслятора связного спутника:
1 — приемник: 2 — первый гетеродин: 3 — первый преобразователь частоты; 4 — усилитель промежуточной частоты; 5 — второй гетеродин; 6 — второй преобразователь частоты; 7 — усилитель мощности на лампе бегущей волны
При разработке описанного ретранслятора, работающего в диапазоне частот около 1 ГГц, пришлось решить немало технических проблем. На столь высоких частотах дециметрового диапазона обычные лампы и транзисторы уже не могли обеспечить большой выходной мощности. А пригодные для этой цели лампы бегущей волны имели большие габаритные размеры и массу. Было предложено оригинальное решение отказаться от баллона лампы! Ведь космический вакуум более глубок, чем вакуум, создаваемый в земных условиях в баллонах радиоламп. В результате масса и габаритные размеры усилителя мощности значительно снизились.
В 1967 году, к 50-летию Великого Октября, вступила в регулярную эксплуатацию спутниковая телевизионная сеть, работающая со спутниками типа «Молния» и насчитывающая 20 наземных станций «Орбита». К 1983 голу число их приблизилось к сотне. Приемная станция «Орбита» представляет собой комплекс сооружений, состоящий из большой поворотной параболической антенны диаметром 12 м, установленной на круглом железобетонном здании, и приемного устройства, размещенного внутри здания. Зеркало антенны изготовлено из специального алюминиевого сплава, масса зеркала составляет 5,5 т, а вместе с опорно-поворотным устройством — около 50 т. Для уменьшения уровня внутренних шумов, а следовательно, и повышения чувствительности приемного устройства на его входе установлен малошумящий параметрический усилитель, охлаждаемый жидким азотом. Полученная на станции телевизионная программа передастся далее на местный телецентр или ретрансляционную станцию и излучается в эфир в стандартных телевизионных каналах.
С 1974 года основная часть станций сети «Орбита» переведена в диапазон 4 ГГц для работы с новыми поколениями спутников «Молния-2» и «Молния-3». Эти же станции могут работать и с геостационарными спутниками типов «Радуга» и «Горизонт», Что такое геостационарный спутник, следует пояснить особо. Его запускают на очень высокую круговую орбиту, расположенную в плоскости экватора Земли. Высота геостационарной орбиты составляет около 36000 км. при этом период обращения спутника вокруг Земли в точности равен одним суткам, т. е. совпадает с периодом собственного вращения Земли. Вращаясь в ту же сторону, что и вся планета, геостационарный спутник как бы зависает над одной и той же точкой экватора. Антенну наземной станции достаточно навести на геостационарный спутник один раз. Это очень удобно, затруднения возникают лишь в полярных районах, из которых геостационарный спутник «виден» слишком низко над горизонтом. Поэтому полярные районы по-прежнему обслуживаются спутниками, летающими по вытянутым эллиптическим орбитам.
Стоимость сооружения наземной станции «Орбита» довольно высока. Поэтому строительство их экономически оправдано лишь в крупных населенных пунктах с числом жителей не менее пятидесяти тысяч. Когда все такие пункты были оснащены приемными станциями, развитие сети «Орбита» приостановилось и была поставлена задача создания новых, гораздо более дешевых спутниковых систем телевизионного вещания.
Новая система спутникового телевизионного вещания «Экран» создавалась специально для охвата телевидением небольших поселков, сел и деревень, полевых станов и экспедиций, разбросанных по бескрайним просторам Сибири, Крайнего Севера и частично Дальнего Востока. Зона обслуживания системы достигает площади 9 млн. кв. км, что составляет около 40 % всей территории страны.
Телевидение проникает в отдаленные уголки страны.
Первый спутник «Экран» был запущен 26 октября 1976 года на геостационарную орбиту. К этому времени уже была развернута опытная сеть из 60 приемных установок. Для системы «Экран» был выбран диапазон частот около 700 МГц, что по расчетам обеспечивало минимум стоимости системы. В приемных установках этого диапазона можно использовать недорогие транзисторные усилители и простые многоэлементные антенны типа «волновой канал». Спутник «Экран» оснащен передатчиком с огромной выходной мощностью: 200 Вт, что позволило получить высокое качество изображения при использовании простых приемных установок. Огромная раскрывающаяся в космосе антенна спутника содержит 96 спиральных излучателей, формирующих требуемую диаграмму направленности. Высоконаправленная антенна решает и еще одну задачу: уменьшает до допустимого значения уровень сигнала на территории сопредельных государств, использующих диапазон 700 МГц для наземного телевизионного вещания, и таким образом устраняет взаимные помехи.