Вторник, 16 июля, 2024

16+

Как работает спутниковая связь?

Время на чтение 6 мин.

10 июля 1962 года с космодрома на мысе Канаверал стартовала ракета-носитель «Дельта». В качестве полезной нагрузки она несла спутник «Телстар» — первый в истории активный спутник связи, который открыл новую эру в сфере коммуникации. Теперь даже самые отдаленные друг от друга точки Земли могли связаться друг с другом, не завися от прокладки кабелей и строительства радиовышек.

Первые идеи

Как работает спутниковая связь?
Титульный лист книги Поточника. Изображение: author.today

В 1929 году в Берлине вышла книга «Проблема преодоления космического пространства: Ракетный двигатель» за авторством Германа Ноордунга. Под этим псевдонимом скрывался австро-венгерский инженер словенского происхождения, один из пионеров космонавтики Герман Поточник. Помимо концепции обитаемой космической станции, в ней он описал идею стационарного спутника, который постоянно как бы висел над одной точкой Земли на высоте около 36 тысяч километров.

Эту идею спустя 16 лет подхватил Артур Кларк. Более известный как писатель-фантаст, Кларк занимался наукой и техникой, с отличием окончил Королевский колледж Лондона по специальностям «Физика» и «Математика», а служа в британских ВВС, разрабатывал радары и системы автоматической посадки самолетов. В 1945 году, ссылаясь на работу Поточника, британец опубликовал статью (pdf) «Внеземные ретрансляторы», в которой последовательно изложил принципы использования спутников на геостационарной орбите для связи. При этом Кларк не запатентовал свою идею — и этим решением, вероятно, обеспечил бурное развитие спутниковой коммуникации во второй половине ХХ века.

Шары для связи

Первый спутник связи под названием «Эхо-1» был выведен на орбиту в августе 1960 года. Он представлял собой шар диаметром 30,5 метра, изготовленный из полиэфирной пленки с тонким алюминиевым напылением. «Эхо-1» не имел собственного радиооборудования (кроме радиомаяка, позволявшего следить за его местоположением). Направленные на спутник радиоволны просто отражались от его металлической поверхности и возвращались на Землю.

Как работает спутниковая связь?
«Эхо-1» в ангаре. Фото: Википедия

Если «Эхо-1» был так называемым пассивным спутником связи, то запущенный спустя два года «Телстар-1» стал первым активным (и все современные телекоммуникационные спутники являются активными). На «Телстар-1» установили одну принимающую антенну и множество передатчиков, расположенных в центральной части. На оставшейся поверхности сферического спутника разместили солнечные панели.

Построенный Bell Labs в сотрудничестве с NASA, а также почтовыми и телеграфными службами Британии и Франции, «Телстар-1» обеспечил трансатлантическую связь. Уже в день запуска через него передали пробный телевизионный сигнал, а спустя две недели он уже передавал телефонные, телевизионные и факсимильные сообщения.

Увы, век «Телстара-1» оказался недолог. Буквально накануне запуска спутника США провели ядерные испытания в атмосфере. Из-за них концентрация заряженных частиц в радиационном поясе Земли увеличилась на порядки. Их деструктивное воздействие привело к быстрой деградации электроники и солнечных панелей, и уже в декабре 1962 года «Телстар-1» сломался. Его работу удалось ненадолго восстановить, но уже через два месяца он окончательно замолчал, хотя и остается на орбите по сей день.

Как работает спутниковая связь?
Макет спутник «Телстар» в Музее науки в Лондоне. Фото: Tiia Monto / Википедия

Орбита не резиновая

Принцип действия спутниковой связи не отличается от обычного радио. Расстояние, на которое можно передать сигнал, зависит от длины кабеля (если мы говорим о проводном радио) или высоты вышки. По сути спутник представляет собой очень-очень высокую вышку, настолько высокую, что радиус ее действия составляет тысячи и даже десятки тысяч километров. Максимальная зона покрытия спутника может включать половину земного шара, а значит, вместо множества радиовышек можно обеспечить связи всего одной.

Коммуникационные спутники размещаются на геостационарной орбите на высоте почти 36 тысяч километров над экватором. Запуская их, угловую скорость рассчитывают так, чтобы она совпадала со скоростью вращения Земли вокруг своей оси. Таким образом спутник движется синхронно с планетой и как бы зависает над одной точкой поверхности, обеспечивая связью заданный район.

Впрочем, у геостационарной орбиты есть и недостатки. Прежде всего, она не резиновая, и разместить там можно конечное количество аппаратов. Большая высота задает свои требования: более мощные и, следовательно, дорогие ракеты-носители, более мощные передатчики, чтобы сигнал не затух, пока доберется до спутника. Наконец, аппараты на геостационарной орбите не могут обеспечить связью приполярные районы.

Как работает спутниковая связь?
Adidas Telstar — официальный мяч Чемпионата мира по футболу 1970 года — назван в честь спутника «Телстар-1» и повторяет его форму. Фото: Википедия

Выходом из положения становится размещение телекоммуникационных спутников на наклонной орбите. Такие орбиты находятся под определенным углом к земному экватору (если этот угол равен 90 градусам, то орбиту называют полярной). Но в таком случае для наблюдателя на поверхности спутник уже не будет неподвижным. Чтобы обеспечить круглосуточную связь, необходимо вывести на одну орбиту не менее трех аппаратов, на наземные станции оборудовать системами слежения, которые будут наводить приемники и передатчики на спутники.

Системы спутниковой связи сталкиваются и с другими проблемами. На них оказывают влияние атмосферные эффекты, вызванные большим расстоянием между наземной станцией и спутником помехи и затухание сигнала, а также задержка распространения сигнала. Кроме того, на рынке телекоммуникационных услуг значительную конкуренцию спутник составляют волоконно-оптические сети и мобильная связь стандартов LTE и 5G.

Тем не менее спутниковая связь остается важным средством коммуникации, на ее основе создаются системы спутникового интернета, а в отдаленных регионах планеты она остается единственным способом связи с внешним миром.

Оставьте ответ

Пожалуйста, введите свой комментарий!
Пожалуйста, введите ваше имя здесь