6. 3.  История спутниковых систем связи

      Космическая или спутниковая связь по существу является разновидностью радиорелейной (тропосферной) связи и отличается тем, что ее ретрансляторы находятся не на поверхности Земли, а на спутниках в космическом пространстве.

      Впервые идею спутниковой связи представил в 1945 году англичанин Артур Кларк. В радиотехническом журнале он опубликовал статью о перспективах ракет, подобных «Фау-2», для запуска спутников Земли в научных и практических целях. Знаменателен последний абзац этой статьи: «Искусственный спутник на определенном расстоянии от Земли будет совершать один оборот за 24 ч. Он будет оставаться неподвижным над определенным местом и в пределах оптической видимости почти с половины земной поверхности. Три ретранслятора, размещенные на правильно выбранной орбите с угловым разнесением на 120°, смогут покрыть телевидением и УКВ радиовещанием всю планету; я боюсь, что те, кто планирует послевоенные работы, не сочтут это дело простым, но я считаю именно этот путь окончательным решением проблемы».  

      4 октября 1957 г. в СССР  был осуществлен запуск первого в мире искусственного спутника Земли, первого космического объекта, сигналы которого принимались на Земле.  Этот спутник положил начало космической эры. Излучаемые спутником сигналы использовались не только для пеленгации, но и для передачи информации о процессах на спутнике (температура, давление и пр.).  Эта информация передавалась путем изменения длительности посылок, излучаемых передатчиками (широтно-импульсная модуляция). 12 апреля 1961 г. в Советском Союзе впервые в истории человечества осуществлен полет человека в космическое пространство. Космический корабль «Восток» с летчиком-космонавтом  Ю. А. Гагариным на борту был выведен на орбиту спутника Земли. Для измерения параметров орбиты корабля-спутника и контроля работы его бортовой аппаратуры на нем была установлена многочисленная измерительная и радиотелеметрическая аппаратура. Для пеленгации корабля и передачи телеметрической информации использовалась радиосистема «Сигнал», работавшая на частоте 19,955 МГц. Двусторонняя связь космонавта с Землей обеспечивалась радиотелефонной системой, работавшей в диапазонах коротких (19,019 и 20,006 МГц) и ультракоротких (143,625 МГц) волн. Телевизионная система осуществляла передачу на Землю изображения космонавта, что позволяло иметь визуальный контроль за его состоянием. Одна из телевизионных камер передавала изображение пилота в анфас, а другая – сбоку [26].

      Достижения отечественной науки в области освоения космического пространства позволили осуществить предсказания Артура Кларка. В конце 50-х годов прошлого века  в СССР и США  начали проводиться экспериментальные исследования  возможностей использования искусственных спутников Земли в качестве радиоретрансляторов (активных и пассивных) в наземных системах связи. Теоретические разработки в области энергетических возможностей линий спутниковой связи позволили сформулировать тактико-технические требования к устройствам спутникового ретранслятора и наземных устройств, исходя из реальных характеристик технических средств, существовавших в то время [25].

       Учитывая идентичность подходов, экспериментальные исследования в области создания линий спутниковой связи представим на примере США [26]. Первый активный радиоретранслятор «Score» был запущен 18 декабря 1958 года на наклонную эллиптическую орбиту с высотой апогея 1481 км, перигея 177 км. Аппаратура спутника состояла из двух приемопередатчиков, работавших на частотах 132.435 и 132.095 МГц. Работа производилась в режиме замедленной ретрансляции. Запоминание сигнала, посланного наземной передающей станцией, производилась путем записи на магнитную ленту. В качестве источников питания применялись серебряно-цинковые аккумуляторы емкостью 45 ампер – час при напряжении 18 вольт. Продолжительность связи составляла приблизительно 4 мин за 1 оборот спутника. Производилась ретрансляция 1 телефонного или 7 телетайпных каналов. Срок службы спутника равнялся 34 дням. Спутник сгорел при входе в атмосферу 21 января 1959 года.   Второй активный радиоретранслятор «Курьер» был запущен 4 октября 1960 года на наклонную эллиптическую орбиту с высотой апогея 1270 км и перигея 970 км. Аппаратура спутника состояла из 4 приемопередатчиков (частота 150 МГц для передачи команд и 1900 МГц для связи), устройства магнитной памяти и источников питания – солнечных элементов и химических батарей. В качестве первичного источника питания использовались кремниевые солнечные элементы в количестве 19 152 штук. В качестве буферного каскада применялись никель-кадмиевые батареи емкостью 10 ампер – час при напряжении 28-32 вольта. Продолжительность сеанса связи составляла 5 мин за один оборот спутника. Срок службы спутника составил 1 год. 10 июля 1962 года на наклонную эллиптическую орбиту с апогеем 5600 км и перигеем 950 км был запущен активный ретранслятор «Телстар», который предназначался для активной ретрансляции радиосигналов в реальном масштабе времени. Одновременно он ретранслировал или 600 симплексных телефонных каналов, или 12 дуплексных телефонных каналов, или один телевизионный канал. Во всех случаях работа производилась по способу частотной модуляции. Частоты связи: на линии спутник – Земля 4169,72 МГц, на линии Земля – спутник 6389,58 МГц. Продолжительность сеанса связи на линии США – Европа через этот спутник составляла около 2 часов в сутки. Качество передаваемых  телевизионных изображений менялось от хорошего до отличного. По проекту предусматривался весьма значительный срок службы спутника –2 года, однако после четырех месяцев успешной работы отказала командная линия. Было установлено, что причинной отказа явились поверхностные повреждения вследствие действия радиации при прохождении спутником внутреннего радиационного пояса.

       14 февраля 1963 года был запущен первый синхронный спутник системы «Синком» с параметрами орбиты: высота апогея 37 022 км, высота перигея 34185, период обращения 1426,6 минут. Рабочая частота на линии Земля – спутник равна 7360 МГц, на линии спутник – Земля 1820 МГц. В качестве первичного источника питания на спутнике использовались солнечные элементы в количестве 3840 штук общей мощностью 28 Вт при напряжении 27,5 вольт. Связь со спутником поддерживалась только 20 077 секунд, после чего наблюдения велись астрономическими методами.

      23 апреля 1965 г. в СССР был запущен первый спутник связи «Молния-1». С запуском второго спутника связи «Молния-2» 14 октября 1965 г. началась регулярная эксплуатация линии дальней связи через ИСЗ. Позднее была создана система дальней космической связи «Орбита». Она состояла из сети наземных станций и искусственных спутников Земли «Молния», «Радуга», «Горизонт». Ниже, в главе 7, будет показано, что модификации спутников «Горизонт» продолжают функционировать и в XXI веке. Это говорит о  высокой надежности отечественной техники по сравнению с зарубежной.

       Первые станции спутниковой связи были построены, испытаны и введены в эксплуатацию в подмосковном г. Щелково и в Уссурийске. Кабельными и релейными линиями связи они соединялись соответственно с телецентрами и телефонными междугородными станциями Москвы и Владивостока.

      Наиболее подходящей для оборудования земных станций спутниковой системы оказалась аппаратура тропосферной связи ТР-60/120, в которой, как известно, использовались передатчики большой мощности и высокочувствительные приемные устройства с малошумящими параметрическими усилителями. На ее основе разрабатывается приемно-передающий комплекс «Горизонт», устанавливаемый на наземных станциях первой линии спутниковой связи между Москвой и Владивостоком.

      Специально были разработаны передатчики для связной и командно-измерительной линии, параметрические усилители с температурой шума 120 К для установки в подзеркальной кабине антенны, а также совершенно новое оборудование, обеспечивающее стыковку с местными телецентрами и междугородными телефонными станциями.

       В те годы проектировщики земной станции, боясь влияния мощных передатчиков на приемники, устанавливали их на разных антеннах и в разных зданиях (приемном и передающем). Однако опыт использования одной общей антенны для приема и передачи, полученный на линиях тропосферной связи, позволил в дальнейшем перенести приемное оборудование на передающую антенну,  что значительно упростило и удешевило эксплуатацию станций спутниковой связи.

       В 1967 г. через спутник связи «Молния-1» создана разветвленная телевизионная сеть приемных земных станций «Орбита» с центральной передающей станцией под Москвой. Это позволило организовать первые каналы связи между Москвой и Дальним Востоком, Сибирью, Средней Азией, передавать программу Центрального телевидения в отдаленные районы нашей Родины и дополнительно охватить более 30 млн телезрителей.

      Однако спутники «Молния» вращались вокруг Земли по вытянутым эллиптическим орбитам [26]. Для слежения за ними антенны наземных приемных станций должны постоянно поворачиваться. Гораздо проще решают эту задачу спутники, вращающиеся по стационарной круговой орбите, которая находится в плоскости экватора на высоте 36 000 км. Они совершают один оборот вокруг Земли за 24 часа и поэтому кажутся наземному наблюдателю висящими неподвижно над одной точкой нашей планеты. Трех таких спутников достаточно для обеспечения связью всей Земли.

       В 80-е годы прошлого века эффективно функционировали работающие на стационарных орбитах спутники связи «Радуга» и телевизионные спутники «Экран». Для приема их сигналов не нужны были сложные наземные станции. Телевизионные передачи с таких спутников принимаются прямо на несложные коллективные, и даже индивидуальные антенны.

       В 1980-е годы началось развитие персональной спутниковой связи. При этой связи спутниковый телефон непосредственно соединяется со спутником, находящимся на околоземной орбите. Со спутника сигнал поступает на наземную станцию, откуда передается в обычную телефонную сеть. Число спутников, необходимое для стабильной связи в любой точке планеты, зависит от радиуса орбиты той или иной системы спутников.

      Основной недостаток персональной спутниковой связи – ее относительная дороговизна по сравнению с сотовой связью. Кроме того, в спутниковые телефоны встраиваются передатчики большой мощности. Поэтому они считаются небезопасными для здоровья пользователей.

      Самые надежные спутниковые телефоны работают в сети Инмарсат, созданной более 20 лет назад. Спутниковые телефоны системы Инмарсат представляют собой чемоданчик с откидной крышкой размером с первые портативные компьютеры. Крышка спутникового телефона по совместительству является и антенной, которую необходимо поворачивать по направлению к спутнику (на дисплее телефона отображается уровень сигнала). В основном такие телефоны используются на судах, поездах или большегрузных автомобилях. Каждый раз, когда необходимо позвонить или ответить на чей-то звонок, нужно будет устанавливать спутниковый телефон на какую-нибудь ровную поверхность, раскрывать крышку и крутить его, определяя направление максимального сигнала.

       В настоящее время в общем балансе связи на спутниковые системы пока приходится примерно 3 % мирового трафика. Но потребности в спутниковых линиях продолжают расти, поскольку при дальности свыше 800 км спутниковые каналы становятся экономически более выгодными по сравнению с другими видами дальней связи.