«Наука и жизнь» 1981, №12, с. 22-24, 2-3 с. вкл.
сканировал Игорь Степикин
ЩЕДРАЯ ЗВЕЗДА «ЭКРАНА»
Заметки с международной выставки «Связь-81».
Р. СВОРЕНЬ, специальный корреспондент журнала «Наука и жизнь».
СИСТЕМЫ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ. Рис. Ю. Чеснокова. |
В украшенном осенним золотом московском парке «Сокольники», в этой огромной и признанной всем миром выставочной республике, — еще одно крупное экспо. На этот раз свои последние достижения и серийную продукцию, то, что выпускается уже огромными тиражами, демонстрируют фирмы, заводы, конструкторские бюро, исследовательские лаборатории, создающие аппаратуру радиосвязи и радиовещания, телефонии, телевидения, звукозаписи, высококачественного воспроизведения звука, вычислительной техники, систем передачи данных, словом, той самой замечательной техники, которая обеспечивает уже привычное, точнее, уже просто необходимое информационное изобилие нашего индустриального века.
Экспозиции выставки — огромное многообразие приборов, аппаратов, установок, машин — разместились в павильонах общей площадью в пять раз превышающей размеры футбольного поля. Здесь соседствуют фирмы и предприятия 24 стран, демонстрируя то, что стало их специальностью, —аппаратуру для той или иной области радиотехники и связи. А в четырех советских павильонах, и прежде всего в огромном стеклянном кубе флагмана выставки — павильоне №4, более двухсот наших предприятий и исследовательских институтов показывают технику практически всех тематических направлений. Павильон №4 — это своеобразная энциклопедия современной советской электросвязи, и начальные ее страницы, первые экспонаты, которые видишь, войдя в павильон, относятся к системам спутниковой связи. В задуманном художниками полумраке первого зала на фоне темного небосвода, усыпанного большими остроугольными звездами, вы видите где-то очень высоко большую и сложную серебристую машину с ячеистыми крыльями солнечных батарей и несколькими антеннами. Это «Горизонт», один из новейших наших спутников связи, земной дублер далеких рукотворных звездочек, годами несущих вахту в холодном космосе.
Спутниковая связь... Ее короткую историю нужно, видимо, начинать с радиосигналов первого нашего спутника, со звучавшего четверть века назад над миром скромного телеграфного попискивания «бип-бип-бип...», принесшего ошеломляющее сообщение: человек построил и вывел на орбиту первую космическую машину. А спустя восемь лет, уже после запуска десятков спутников и десятка пилотируемых кораблей, появился первый наш спутник-связист — «Молния-1», сразу же перебросивший радиомост из столицы на Дальний Восток. Еще через два года в стране работала уже целая система спутниковой связи «Орбита».
В наше время на человека обрушивается такой интенсивный поток новостей науки и техники, что некоторые новые термины мы вписываем в свой лексикон, даже не успев достаточно детально вникнуть в скрывающееся за ними существо дела. Этим, видимо, и объясняется, что экскурсоводам выставки иногда приходилось слышать наивный, казалось бы, и в то же время бьющий в самое существо дела вопрос: «А зачем вообще нужна связь через спутники?» И в самом деле — зачем? Ведь радиоволны и без спутников покрывают огромные расстояния, их невидимые нити еще в начале века связали разделенные океанами континенты планеты... Чтобы ответить на это наивное «А зачем вообще нужна?..», придется вспомнить о словосочетании «Полоса частот», которое малоизвестно широкой публике, хотя является одной из самых важных характеристик систем телевидения, связи, радиовещания, звукозаписи и т. п. Позвольте дать по этому поводу короткое пояснение, взяв в качестве наглядного пособия рояль.
Представьте себе, что на нем поочередно играют три музыканта и что первому разрешено ударять только по двум-трем крайним левым клавишам, второму — отдана одна соседняя с ними октава, двенадцать басовых клавишей, и третьему — вся остальная клавиатура, примерно 74 клавиши. Не стоит, видимо, комментировать те мелодии, которые могут прозвучать с учетом отведенных этим музыкантам частотных интервалов, или, как сказал бы радист, с учетом выделенной каждому из них полосы частот.
Этот придуманный пример поможет пояснить особенности различных радиодиапазонов — длинных, средних, коротких, метровых, дециметровых, сантиметровых и миллиметровых радиоволн. Вот частотные границы длинноволнового радиовещательного диапазона: нижняя граничная частота — 150 кГц (килогерц), верхняя — 420 кГц, то есть частотная вместимость диапазона, его полоса частот (интервал между наименьшей частотой и наибольшей) — 270 кГц; цифра эта получилась из простой арифметики: 420 — 150 = 270. Каждая радиовещательная станция вопреки объявлению диктора «Наша станция работает на такой-то частоте...» излучает не одну, а множество разных частот, обычно в интервале 10 кГц. То есть каждая станция, как скажут радисты, занимает в эфире полосу частот 10 кГц, например, от 160 ДО 170 кГц или от 320 до 330 кГц. И таких десятикилогерцовых участков для разных передатчиков в длинноволновом диапазоне можно выделить не более 27 (опять арифметика — 270 : 10 =27), иначе соседние по частоте станции будут «налезать» друг на друга, создавать взаимные помехи.
Весь этот расчет, напомним, относится к самым длинным волнам. При переходе к более коротковолновым диапазонам их частотная емкость резко возрастает. Полоса частот коротковолнового диапазона, например, уже не 270, а 27000 кГц, (от 3000 до 30000 кГц), диапазона метровых волн — 270000 кГц, сантиметровых — 27000000 кГц. Проще говоря, на метровых волнах могло бы работать, не мешая друг другу, в тысячу раз больше станций, чем на длинных, а на сантиметровых — в миллион раз больше. Не говоря уже о том, что еще есть телевидение, каждой станции которого нужна полоса не 10 кГц, а 6,5 МГц (то есть 6500 кГц) и для которого поэтому весь длинноволновый диапазон все равно что две рояльные клавиши для музыканта.
История радиотехники — это в огромной мере история освоения все более коротковолновых диапазонов с их огромными частотными территориями. Причем за словом «освоение» стоит не только разработка новой аппаратуры, но и придумывание разных способов перехитрить природу. Дело в том, что одни только длинные радиоволны, распространяясь над Землей, могут огибать все препятствия, следовать за кривизной земного шара и таким образом проходить многие тысячи километров, — все другие радиоволны Землю не огибают и поэтому далеко за горизонт не уходят. Диапазоны, достаточно просторные для телевидения, способные вместить многие тысячи вещательных и связных радиостанций, сама природа обрекла на обидное близкодействие, на, так сказать, радиус общения в несколько десятков километров.
Этот запрет на расстояние первыми обошли радиолюбители — примерно шестьдесят лет назад они обнаружили, что короткие волны могут проходить тысячекилометровые дистанции, отразившись от огромных невидимых зеркал, подвешенных высоко над планетой, от ионизированных слоев атмосферы. Сразу же в коротковолновый диапазон, до того заброшенный, забытый, хлынули тысячи нуждающихся в дальних радиоконтактах — моряки, авиаторы, геологи, полярники, связисты, метеорологи, — и вскоре соотношение между возможностями и потребностями снова стало оцениваться мрачным понятием «теснота в эфире». Только лет тридцать — сорок назад на службу дальней радиосвязи были поставлены дециметровые и сантиметровые волны — их научились перебрасывать на большие расстояния, Как эстафету, по цепочке радиорелейных станций («Принял? Передай дальше»), расположенных на расстоянии 40 — 60 км одна от другой. И, наконец, в середине шестидесятых годов началась эпоха активных спутниковых ретрансляторов — спутник принимает сигналы земной радиостанции, усиливает их и через свой бортовой передатчик вновь направляет на Землю, перебрасывая таким образом широкополосный космический радиомост на тысячи километров.
Обратите внимание на слово «широкополосный» — спутниковые ретрансляторы нужны именно для того, чтобы создавать сверхдальние каналы радиосвязи на дециметровых и сантиметровых волнах, то есть в тех диапазонах, для которых характерна очень широкая полоса частот, а значит, есть возможность одновременно передавать по этим каналам большое количество радиопрограмм, телеграмм, телефонных переговоров и, что особенно ценно, программ телевидения. Главный смысл спутниковой связи как раз и состоит в возможности легко сочетать тысячекилометровые расстояния и широкую полосу частот, то есть большие информационные емкости каналов связи.
Сегодня в нашей стране работает несколько спутниковых систем связи (см. 2— 3 стр. цветной вкладки). По-прежнему в строго «Орбита», которая за прошедшие годы сильно выросла и видоизменилась. Сейчас в эту систему входит более 80 станций, в том числе много приемопередающих. Это значит, что через такую станцию «Орбиты» можно не только получать телевизионные программы из Москвы, но и передавать местные программы в столицу.
Через приемопередающие станции «Орбиты» можно вести также большое число телефонных разговоров, используя, например, традиционное частотное уплотнение линий дальней связи — вспомогательный передатчик каждого телефонного канала работает на своей поднесущей частоте; все эти разные поднесущие частоты сами в эфир не выходят: не мешая друг другу, они «нагружают» основной передатчик спутниковой связи, в месте приема фильтры выделяют поднесущие частоты разных телефонных каналов и рассылают их нужным абонентам; подобным же способом в каждый телефонный канал, занимающий полосу около 3000 Гц (3 кГц), можно втиснуть примерно 20 телеграфных каналов, каждому из которых нужна полоса частот всего 50—60 Гц. А еще по системе «Орбита» в отдаленные районы фототелеграфным способом передаются полосы центральных газет, и в местных типографиях почти в тот же час, что и в Москве, готовят печатные матрицы, которые раньше доставлялись самолетами.
Кроме спутников «Молния-3» (они, как и их предшественники, движутся по вытянутым эллиптическим орбитам), систему «Орбита» теперь обслуживают еще два спутника «Радуга», находящиеся на так называемых стационарных орбитах. Эти спутники вращаются в плоскости земного экватора на высоте около 36000 километров и совершают полный оборот вокруг Земли ровно за сутки, то есть вращаются синхронно с вращением Земли вокруг ее оси. А это значит, что спутники неподвижно висят над определенной точкой земной поверхности, за это они названы стационарными. Стационарные спутники «Радуга», находящиеся в точках, соответствующих 35 и 85 градусам восточной долготы (широта не указывается, все стационарные спутники находятся над экватором), входят в международный реестр под именем «Стационар-2» и «Стационар-3».
Находящиеся на стационарных орбитах спутники «Горизонт» с регистрационными именами «Стационар-4» и «Стационар-5» и координатами 14° западной долготы и 53° восточной долготы используются для системы связи «Интерспутник», связавшей телеграфными, телефонными и телевизионными каналами столицы Алжира, Афганистана, Болгарии, Венгрии, Вьетнама, ГДР, Лаоса, Монголии, Польши, СССР, ЧССР.
Важнейшую роль в передаче программы Центрального телевидения на восток страны сыграла спутниковая система «Экран». Ее щедрая звездочка — стационарный спутник «Экран», зарегистрированный в международных каталогах как «Стационар-Т», висит над Землей примерно на меридиане Тайшета (99° восточной долготы) и раздает первую телевизионную программу огромным территориям Сибири и Крайнего Севера. Главная особенность системы — сравнительно высокая мощность передатчика на спутнике: примерно 200 ватт против 30—40 ватт на других спутниках связи. Сравнительно мощный сигнал, который приходит со спутника, позволил заметно упростить антенны и сам приемник земной приемной станции. Антенна — это уже не многометровая металлическая чаша, выполненная с высокой точностью, а всего лишь несложная конструкция из металлических трубок, направленная к тому же всегда в одну точку небосвода, туда, где висит ее «Стационар». Приемник не требует постоянного обслуживания, так же, как и местный ретранслятор, который распространяет принятую телевизионную программу по округе уже, разумеется, в обычных телевизионных каналах и в доступном для любых «Рубинов» и «Рекордов» виде. Наземная аппаратура системы «Экран» настолько неприхотлива, что ее устанавливают даже в отдельных таежных селах, где удовлетворяются поразительно малой мощностью ретранслятора — один ватт. Уже сегодня приемная сеть "Экрана» — это почти 2 тысячи станций со своими ретрансляторами, они включили в большую телевизионную сеть страны территории, где проживают 20 миллионов человек.
К сожалению, стратегия «Экрана» — «Мощный передатчик, простой приемник» — приемлема далеко не всегда. Уже и системы спутниковой связи чувствуют жесткие ограничения, порожденные теснотой в эфире, — многие диапазоны, выделенные спутникам, совпадают с диапазонами других радиотехнических систем, в частности радиорелейных линий, и чтобы не создавать для них помех, спутниковые передатчики приходится делать очень маломощными.
Прогресс техники позволил упростить приемные станции спутникового телевидения даже в системах со сравнительно маломощными бортовыми передатчиками. Примером может служить система «Москва», которая вместе с разветвленными радиорелейными и кабельными линиями позволит на обширных территориях страны организовать трансляцию не только первой, но уже и второй телевизионной программы. Программа передается со стационарных спутников сорокаваттным передатчиком, а наземные приемные станции «Москвы» обходятся неподвижной чашеобразной антенной диаметром всего 2,5 метра. Уже сегодня в европейской части страны можно увидеть около сотни таких антенн, в недалеком будущем число приемных станций «Москвы», как, впрочем, и «Экрана», заметно возрастет.
Советский Союз участвует в работе ряда действующих международных спутниковых систем связи и в реализации новых проектов, в частности в создании международной системы «Инмарсат». С помощью трех стационарных спутников (у каждого из них будет свой дублер — система должна быть абсолютно надежной) «Инмарсат» свяжет тысячи торговых и пассажирских судов с многими морскими портами и друг с другом. Моряки и сейчас не оторваны от берега, но дальняя радиосвязь на коротких волнах, где устойчивость, а иногда и сама возможность связи зависят от состояния ионосферы, не сможет, видимо, конкурировать со спутниковой системой, устойчивой, надежной, как домашний телефон, позволяющей вести интенсивный обмен информацией по телефону или телексу, передавать метеорологические и иные карты, фотокопии документов. Автоматика по запросу судна немедленно выделит ему свободный канал связи, а наземный центр (у нас создаются два таких центра — в Одессе и Находке) соединит судно с нужным абонентом в его стране или за рубежом, Еще одна международная система КОСПАС-САРСАТ создается совместно Советским Союзом, США, Францией и Канадой, Название советской части системы КОСПАС говорит о ее назначении — Космическая Система Поиска Аварийных Судов и самолетов. В ней будут использованы низкоорбитальные спутники, каждый из которых делает виток вокруг Земли примерно за полтора часа и покрывает околоземное пространство густой сеткой своих траекторий. Судно, терпящее бедствие, выбрасывает в море аварийный радиобуй (АРБ), два передатчика которого подают сигналы на частотах 121 и 406 МГц; первая предназначена для спасателей и судов, находящихся в районе бедствия, вторая — для спутников системы поиска. Они улавливают сигналы, которые излучает радиобуй, и, анализируя изменение частоты (за счет доплеровского эффекта — спутник движется относительно излучателя), мгновенно вычисляют координаты попавшего в беду судна или совершившего вынужденную посадку самолета. Собранная информация либо сразу направляется наземным станциям системы КОСПАС-САРСАТ (у нас строятся две такие станции — в Архангельске и Владивостоке), либо, если спутник находится далеко от станции, записывается в память и передается на Землю при первой же возможности.
В советском павильоне выставки «Связь-81» аппаратура спутниковой связи была представлена достаточно широко. Посетители видели и сами спутники «Горизонт», «Молния-3» и «Экран» с его огромной передающей антенной — прямоугольной плоскостью размером с платформу большого грузовика, а на ней ровными рядами несколько десятков спиралей-излучателей. Видели мы и аппаратуру наземных станций — довольно компактную корабельную «Волну», небольшую сравнительно антенную чашу приемников системы «Москва», совсем уже простые на вид антенны-трубки для приемников системы «Экран», аварийный радиобуй системы «КОСПАС», плавающий в большом демонстрационном аквариуме и мигающий на всякий случай маленькой яркой лампочкой. Все это было убедительным вещественным подтверждением быстрого прогресса спутниковой связи, дебютировавшей всего каких-нибудь пятнадцать лет назад. Все также напоминало, что спутниковая связь, бывшая еще совсем недавно технической экзотикой, стала явлением рядовым, если не сказать прозаическим, и заняла свое место а нашем сложном информационном хозяйстве, разнообразие и совершенство которого так убедительно продемонстрировала выставка «Связь-81» и о котором мы попытаемся рассказать в одном из следующих номеров журнала.