...И мир загадочный за занавесом цифр. Цифровая связь - Попов Георгий Леонтьевич (онлайн книга без txt) 📗
Метеорные потоки возникают в процессе распада комет. В межпланетном пространстве твердые частицы комет движутся с огромной скоростью — до 70 км/с. Врываясь в земную атмосферу, они нагреваются до нескольких тысяч градусов, вскипают и испаряются. Раскаленный и светящийся газ мы и наблюдаем в виде "падающей звезды" — метеора. Большинство метеоров сгорает на высоте 80-120 км. Протяженность следа достигает 10–25 км, а время его существования — от 5 до 20 мс.
Оказалось, что следы метеоров хорошо отражают радиоволны. А что если с помощью антенны направить радиолуч на метеорный след? Когда ученые сделали это, то они увидели, что сигнал, улавливаемый приемной антенной, настолько сильный, что можно использовать передатчик небольшой мощности и несложные антенны. Такая линия связи получила название метеорная. Вот только есть у нее один недостаток: передавать биты удается лишь в те промежутки времени, когда на небе появляются метеоры. До этого биты хранятся в памяти, а в момент появления пригодного для связи метеорного следа они "выстреливаются" радиолучом в пространство. Поэтому "коэффициент полезного действия" метеорной линии связи очень мал: передача информации занимает только 10–20 % всего времени.
Космические гости — метеоры — живут мгновения. Постоянные обитатели Вселенной — звезды — существуют вечность. Сколько же всего звезд на небе? Фотографический атлас неба состоит почти из 900 листов. В нем собраны "портреты" почти 2 млрд звезд. И среди них наша ближайшая спутница — Луна.
— А ведь Луну можно использовать в качестве промежуточного ретранслятора, — догадается наш проницательный читатель.
Да, притом "бесплатного" и вечного. Радиолуч направляется на Луну, отражается от ее поверхности и возвращается на Землю. Поскольку на Луне нет приемника и передатчика, то она будет выступать в роли пассивного ретранслятора. Ничего невозможного в организации такой "лунной" радиолинии нет. В 60-х годах XX столетия "роль" пассивного ретранслятора "сыграла" другая звезда — Венера, которая расположена от Земли еще дальше, чем Луна. Правда, не нужно забывать, что до ближайшей нашей спутницы примерно 400000 км. Поэтому отраженные от нее радиоволны вернутся на Землю очень ослабленными и для их приема потребуются громадные чувствительные антенны. Да и передатчики наземных станций придется делать очень мощными. Немаловажно, что космический радиомост Земля-Луна-Земля может существовать лишь в те часы, когда Луна видна на Земле.
…"Бип… бип… бип". Эти сигналы услышал 4 октября 1957 г. весь мир. Наступила эра освоения космоса. Совсем небольшой срок отделяет нас от этой даты, а на космические орбиты уже запущены тысячи искусственных спутников, исправно служащих человеку. Они помогают предсказывать погоду, разведывать недра, составлять подробные карты Земли, осуществлять навигацию самолетов и кораблей и т. д.
Еще задолго до начала космической эры, в 1945 г., английский писатель-фантаст Артур Кларк описал в одном из своих произведений систему связи через космос с помощью искусственного спутника Земли, неподвижно висящего над экватором на высоте 35 880 км и отражающего радиоволны.
Не прошло и полутора десятков лет, как научное предвидение фантаста блестяще осуществилось. В конце 50-х годов сотрудник американской фирмы "Bell Laboratories" Джон Пирс предложил установить на первом англо-американском спутнике "Эхо-1" пассивный ретранслятор (отражатель) в виде тонкого пластмассового шара с алюминиевым покрытием диаметром 30 м и массой 200 кг. Такой шар надувается от баллона со сжатым газом после вывода спутника на орбиту. Просуществовал он недолго, сгорев в верхних слоях атмосферы.
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°.
