КОСМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

Автор: 29.06.2010

КОСМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ. В космосе широко используются системы связи самого различного назначения: для передачи информации (телеметрической, спец. измерительной, телефонной, телеграфной, телевизионной и пр.); для передачи сигналов команд и управления КЛА; для проведения траекторных измерений. Без систем К. с. не может обойтись ни один КЛА. Более широко используется радиосвязь, но в ряде случаев применяется и оптическая связь.

Системы К. с. можно разделить по направлению связи на три вида: 1) между земными пунктами связи и ИСЗ или др. КЛА; 2) между двумя или, — несколькими земными пунктами связи через какие-либо аппараты или искусственные средства, расположенные в космосе; 3) между КЛА. В зависимости от назначения линии связи, типа и назначения КЛА скорости передачи информации и применяемые средства могут быть резко различны. Напр., значительно различаются линии связи земной пункт — ИСЗ на низкой орбите и земной пункт — дальний межпланетный КЛА. Для связи с ИСЗ характерны: большая скорость изменения направления связи, весьма малое время взаимной видимости, относительно небольшие дальности и соответственно достаточно большие уровни сигналов; для связи с дальними КЛА — крайне малые уровни принимаемых сигналов, но значительно большее время взаимной видимости, поскольку изменение направления земной пункт — дальний КЛА определяется в основном скоростью суточного вращения Земли.

Основные особенности космич. систем связи, отличающие их от наземных систем связи: непрерывное (часто весьма быстрое) изменение положения КЛА; необходимость знания текущих координат КЛА и наведения приемных и передающих антенн земного пункта связи на заданный КЛА; непрерывное изменение частоты принимаемых сигналов за счет Доплера эффекта; ограниченные и изменяющиеся во времени зоны взаимной видимости земного пункта и КЛА; ограниченная мощность бортовых передатчиков КЛА; большие дальности и вследствие этого работа с весьма малыми уровнями принимаемых сигналов. Все эти особенности вынуждают создавать для К. с. спец. комплексы аппаратуры, включающие: наводящиеся антенны больших размеров; приемные устройства с малым уровнем шумов; высокоэффективные системы обнаружения, выделения и регистрации сигналов. Необходимость знания текущего положения КЛА требует периодич. измерения его координат и вычисления параметров его траектории. Т. о., система К. с. может существовать только при совместном действии измерит, средств (система траекторных измерений), вычислительного центра и комплекса управления КЛА. Для каналов К. с. в зависимости от их направления и назначения применяются различные диапазоны частот. Распределение частот и порядок их использования определяется регламентом радиосвязи.

Связь Земля — КЛА. Связь между земным пунктом и КЛА предназначается для обеспечения двухсторонней передачи всех видов необходимой информации. Линии Земля — борт КЛА (3 — Б) и борт КЛА — Земля (Б — 3) несут разную информационную нагрузку и имеют различный энергетический потенциал. Линия 3 — Б обеспечивает передачу на КЛА сигналов команд управления, сигналов траекторных измерений, при обитаемых К К — связь (телефон, телеграф, телевидение) с космонавтами. Линия Б — 3 осуществляет: контроль управления, траекторные измерения, передачу телеметрич. измерений и целевой информации (напр., метеорологич., научной, навигац. или др., в зависимости от назначения КЛА), а также связь экипажа с Землей в обитаемых КК. Линия Б — 3, как правило, имеет значительно более низкий энер-гетич. потенциал, т. к. мощность передатчика КЛА ниже мощности передатчика земной станции в линии 3 — Б (обычные мощности на КЛА единицы — десятки вт, на земной станции единицы — десятки кет). Однако основной поток информации идет именно но линии Б — 3. Это вынуждает применять на земных пунктах для приема информации с КЛА антенны с весьма большой эффективной площадью (десятки м2), а в случае приема информации с межпланетных КЛА, поскольку мощность принимаемого сигнала уменьшается пропорционально квадрату расстояния, необходимы эффективные площади в сотни и тысячи м2. Эффективные площади 2—5 тыс. м2 достигаются только В уникальных дорогостоящих антенных системах. При этом может быть обеспечена телефонная связь на расстояния до Венеры и Марса.

Начало радиосвязи с человеком в космосе было положено 12 анр. 1961, когда летчик-космонавт 10. А. Гагарин впервые в истории человечества облетел Землю на КК «Восток» и во время всего полета поддерживал устойчивую двустороннюю телефон но-телеграфную связь с Землей на KB и УКВ. В последующих полетах КК «Восток» и «Восход» радиосвязь с Землей совершенствовалась и была с успехом опробована между КК в групповых полетах. Во время полета на КК «Восток-2» в авг. 1961 впервые из космоса на Землю передавалось изображение летчика-космонавта Г. С. Титова; был применен бортовой магнитофон для записи речи и автоматич. ускоренного считывания записи по командам с Земли при полете КК вблизи земной станции связи. При передаче телевизионного изображения для сужения спектра частот число кадров было уменьшено до 10 в сек. В дни группового полета летчиков-космонавтов А. Г. Николаева и П. Р. Поповича в авг. 1962 родилось советское космовидение, к-рое в дальнейшем прочно вошло в практику космич. полетов и позволило телезрителям стать свидетелями полета многоместных КК «Восход» и выхода в открытое космич. пространство летчика-космонавта А. А. Леонова.

Связь через ИСЗ. Обычно связь на большие расстояния обеспечивается по радиорелейным линиям прямой видимости, состоящим из двух оконечных и ряда промежуточных пунктов — ретрансляторов. Расстояние между промежуточными пунктами определяется пределами прямой видимости. На Земле это обычно не более 50—70 км. При установке одного промежуточного ретранслятора на борту ИСЗ с высокой орбитой обеспечивается связь между двумя пунктами, удаленными на тысячи км. Связные ИСЗ могут применяться как в отдельных линиях связи, так и в сетях радиорелейных линий для передачи телевизионных программ, многоканальной телефонии и телеграфии и др. видов информации. Для связи могут использоваться ИСЗ, обращающиеся по различным орбитам и на разных высотах. Основные варианты орбит для связных ИСЗ: круговая стационарная (см. ИСЗ стационарный), сильно вытянутая эллиптич. синхронная (см. ИСЗ с эллиптической синхронной орбитой), средневысокая круговая, низкая круговая.

ИСЗ на стационарной орбите постоянно находится над выбранной точкой экватора и обеспечивает круглосуточную связь между земными станциями на широтах меньше 75° в радиусе до 8000 км от точки, над к-рой расположен спутник. Три таких ИСЗ, находящихся на равном удалении вдоль экватора, осуществляют связь

любых земных станций в пределах указа        широт. Весьма удобны

сильно вытянутые эллиптич. синхронные орбиты с апогеем над центром обслуживаемой линии связи и с периодом обращения в половину или целые сутки. При надлежащем выборе угла наклонения и места расположения апогея орбиты спутник будет большую часть времени суток находиться в пределах видимости из заданного района. Для районов, расположенных на шпротах выше 70°—75°, этот вариант орбит оказывается наиболее выгодным. Для работы с ИСЗ на стационарной или эллиптической синхронной орбите приходится использовать на земных пунктах связи антенны больтого размера, т. к. расстояние ИСЗ — земной пункт превышает 30 000 км и мощность принимаемых сигналов мала. ИСЗ на средне-высоких и низких круговых орбитах обеспечивают значительно большие мощности принимаемых сигналов. Однако уменьшение высоты полета сокращает время взаимной видимости спутника и земного пункта связи, уменьшает возможные расстояния и приводит в конечном счете к значит, увеличению количества спутников, требуемых для непрерывной связи. Кроме того, усложняется система слежения и наведения антенн земных станций. При малой высоте полета непосредственная связь между удаленными пунктами невозможна и приходится применять систему радиолиний с задержанной ретрансляцией. Однако уровни принимаемых сигналов достаточно велики и не нужны большие и дорогостоящие антенные системы, благодаря чему связь с низкими ИСЗ может проводиться даже небольшими подвижными пунктами.

ИСЗ связи для ретрансляции сигналов может быть оснащен ретранслятором активным, обеспечивающим усиление ретранслируемых сигналов, или ретранслятором пассивным, т. е. отражателем. Пассивный ретранслятор может обслуживать радиосеть, состоящую из большого числа линий с различными частотами радиосигналов, т. к. отражатель отражает или рассеивает энергию многих одновременно приходящих радиосигналов, без взаимных помех. Активный ретранслятор может обслуживать сеть связи только с ог-раниченным числом линий, причем для устранения взаимных помех необходимо применять частотное, временное или кодовое разделение линий, поддерживать необходимый уровень сигналов и не допускать перегрузок ретранслятора. Кроме ИСЗ с пассивным ретранслятором в виде отражателя, были предложены и испытаны линии связи с рассеянными отражателями в виде пояса иголок и ионизированных частиц облака.

При работе с пассивными ретрансляторами для обеспечения необходимого уровня принимаемого сигнала приходится резко увеличивать мощность передатчиков земных станций или сужать полосу пропускания частот линий и понижать скорость передачи сообщений. Для экономичности связи применяют многоканальные линии радиосвязи и повышают скорость передачи сообщений, что приводит к необходимости увеличения полосы пропускания частот линией. Широкая полоса требуется также для ретрансляции телевидения. С расширением полосы пропускания растет опасность искажения сообщений помехами радиоприему, поскольку принимаемые радиосигналы слабы. Поэтому прием сообщений с допустимыми искажениями — важнейшая задача, решаемая увеличением мощности радиосигналов, выбором частот связи, уменьшением уровня шумов радиоприемников, применением эффективного кодирования, выбором типа модуляции, способа приема и обработки радиосигналов при малом отношении сигнал/помеха и др. Напр., частоты радиосигналов выбирают в пределах от 1 до 10 Ггц, т. к. на меньших частотах резко растут помехи от шумов космоса, а на больших — от шумов атмосферы; в первых каскадах усилителей радиоприемников земных станций используют малошумящие квантовые усилители и параметрические усилители, охлаждаемые жидким гелием.

Мощность радиосигналов на входе радиоприемника земной станции повышается с увеличением размеров ее антенны, мощности передатчика и размеров антенны активного ретранслятора, В линии связи с пассивным ретранслятором для этой цели увеличивают мощность передатчика и размеры антенны земной станции, размеры отражателя ретранслятора или переходят к ретрансляторам с направленным рассеянием энергии на земную станцию. Перечисленные меры имеют свои пределы, т. к. увеличивают стоимость оборудования линии связи и ее эксплуатации.

Связь между КЛА. Связь между КЛА может осуществляться для обмена информацией между экипажами двух или нескольких КК, одновременно находящихся в космосе. Сюда же относится и связь между экипажами КК и космонавтами, находящимися в свободном космосе. Кроме того, может осуществляться связь между двумя автоматическими КЛА с целью ретрансляции сигналов, измерения положения, навигации, управления движением и сближения.

Особенности связи между КЛА следующие. Как правило, связь обеспечивается между взаимодействующими КЛА, т. е. на сравнительно небольших расстояниях. Из-за трудности взаимной ориентации антенн КЛА предпочтительна ненаправленная связь. Нет воздействия атмосферы, а при высоких орбитах — и ионосферы, что обеспечивает более свободный выбор диапазона частот. При выборе диапазона частот и организации связи между ИСЗ необходимо учитывать возможность помех от мощных наземных станций. Системы К. с. могут усложниться в дальнейшем при высадке космич. экспедиции на Луну или др. небесные тела, так как потребуется поддерживать связь с КК, остающимся на планетоцентрической орбите, и с Землей. В недалеком будущем будут созданы системы передачи телевизионных программ через спец. ИСЗ непосредственно на бытовые телевизионные приемники; при этом открываются возможности полной телефикации и обеспечения передачи центральных программ в любое место. С изобретением квантовых оптич. генераторов когерентных колебаний (лазеров) становится перспективной оптич. связь, т. к. на оптич. волнах можно передать на сверхдальние расстояния (до десятков световых лет) одновременно тысячи, десятки тысяч сообщений узким лучом (с расхождением не более единиц секунд) при относительно малых размерах излучателей и потребляемой мощности. Но узкоианравл. излучение и прием оптич. волн требуют тщательной стабилизации устройств, ориентации оптич. систем на КЛА, сложного вхождения в связь и поддержания ее. Наиболее выгодны оптич. линии связи между КЛА, находящимися за пределами земной атмосферы, т. к. атмосфера сильно поглощает и рассеивает энергию оптич. волн.