Космическая и спутниковая связь

Что такое космическая связь

Космическая связь — передача информации между земными пунктами и космическими летательными аппаратами (КЛА), или между несколькими КЛА. Наиболее частым способом передачи информации через космическое пространство является радиосвязь.

Типы КЛА:

ИСЗ (Искусственный Спутник Земли),

КК (Космический Корабль),

АМС (Автоматическая Межпланетная Станция)

Как и любые другие виды связи космическая связь зависит от множества факторов, но в большей степени, что обусловлено большой дальностью связи и, как следствие, работой с малыми уровнями мощности принимаемых сигналов. С одной стороны она требует специальной аппаратуры, включающей мощные и крупногабаритные антенны, чувствительные приёмные устройстваспособныеотделять шумы, высокоэффективные системы обнаружения, выделения и регистрации радиосигналов.С другой стороны, мощность бортовых радиопередатчиков на КЛА сильно ограниченна, поскольку запускаемый в космос аппарат должен иметь как можно меньший вес.

Из-за того, чтомежду земной поверхностью и орбитой находится ионосфера, оказывающая поглощающее и отражающее влияние на радиоволны средней большой длинны, такая связь должна осуществляться с помощью коротковолновых сигналов (для космической связи оптимален диапазон 1,5 — 30 сантиметров).

Типы космических связей:

Связь Земля — КЛА и КЛА — Земля (связь для передачи необходимой информации между земным пунктом и аппаратом или космонавтами на борту)

Связь КЛА — КЛА (связь между двумя космическими аппаратами для различных целей, например ретрансляция сигнала между двумя спутниками)

Земля — КЛА — Земля (при которой аппарат выступает в роли ретранслятора, передавая сигнал между наземными станциями на значительном удалении. Именно таким образом работает спутниковая связь.)

История развития космической связи

Предвестником метода спутниковой связи можно назвать статью«Внеземные ретрансляторы»1945 года, написанную английским писателем и изобретателем Артуром Кларком. В ней была предложена простая идея — поднять антенну на максимальную высоту. На околоземной орбите этот «внеземной ретранслятор» принимал бы сигналы от наземных источников и передавал их дальше, за линию горизонта. Качество сигнала при этом также возрастает, а количество принимающих станций не ограниченно.

Артур Чарльз Кларк 1917 г. — 2008 г.

В скором времени с развитием науки предсказание Артура Кларка начало сбываться и технология осуществлялась в реальности. Так, например, первым космическим аппаратом, сигнал которого был принят, является первый в мире искусственный спутник Земли ПС-1 (Простейший Спутник -1) или же просто «Спутник-1», запущенный СССР 4 октября 1957 года.

ПС-1

На «Спутнике-1» были установлены расположенные крест-накрест 2 вибраторные антенны, состоящие из 2 плеч-штырей для УКВ диапазона (2.4 м) и КВ диапазона (2,9 м) поочерёдно излучавшие сигнал, установленные так, чтобы обеспечивать максимально равномерное излучение во всех направлениях, что связано с тем, что спутник был не ориентирован. Питание спутника было не возобновляемым и обеспечивалось набором серебряно-цинковых аккумуляторов составлявших 60% от общей массы аппарата и проработавших 21 день после запуска.

Успех миссии ПС-1 стал началом космической конки — соперничества между СССР и США в технологической области освоения космоса. В ходе этой гонки они стали считаться космическими державами.

Отреагировав на запуск советского спутника конгресс США в 1958 году создал организацию NASA (National Aeronautics and SpaceAdministration), которой в 1960 году в космос был выведен пассивный отражающий спутник Эхо-1, а затем, в том же году, и первый экспериментальный активный передающий спутник-ретранслятор Курьер-1B, который также был первым спутником для питания которого использовались солнечные батареи.

Эхо-1

На спутнике отсутствовало какое-либо приёмопередающее оборудование, он представлял собой сферу из тонкой полиэфирной пленки, выполняющей роль рефлектора. Диаметр в разложенном состоянии составлял 30,5 метров, а примерная масса 76 кг. Эхо-1 вошёл в плотные слои земной атмосферы и разрушился 25 мая 1968 года.

Курьер-1B

Всего было 3 спутника этой серии: Курьер-1А, Курьер-1B и Курьер-1C. Первый спутник, Курьер-1А, был потерян в результате неудачного запуска, окончившегося взрывом через 2,5 минуты после старта. Курьер 1B был успешно выведен на низкую околоземную орбиту и перестал отвечать через 17 суток после старта миссии, хотя до сих пор находится на орбите.Третий же спутник был построен, но так и не был запущен.

Первая двухсторонняя космическая связь, и по совместительству первая связь с человеком на орбите, была проведена 12 апреля 1961 года. Ю. А. Гагарин во время полета вокруг земли поддерживал телефонно-телеграфную связь с Землёй на метровых и декаметровых волнах. Специально для этой цели была создана управляемая операторами вручную система космической связи «Заря» (не стоит путать с одноименным многоразовым советским космическим кораблём) и дублирующая её система КВ-связи «Весна», которая использовалась для связи во время полётов космических кораблей «Восток», «восход» и первыми «Союзами».

Юрий Алексеевич Гагарин 1934 г. -1968 г.

Установка системы космической связи «Заря»

Самые дальние космические связи

Радиоволны, как и любые другие электромагнитные волны, распространяются со скоростью света. По этой причине на Земле и близкой орбите задержки в передаче не ощущается, а вот с удалёнными КЛА связь происходит с задержкой. Например ответ от аппаратов на поверхности или орбите Марса доходит до Земли за 6 минут, и чем дальше, тем задержка больше. Также чем дальше объект — тем больше меньше уровень принимаемого сигнала, так какмощность принимаемого сигнала уменьшается пропорционально квадрату расстояния, потому для улавливания таких слабых космических сигналов (от запущенных с земли аппаратов или естественного космического излучения) приходится строить особо крупные отражающие антенны, и даже комплексы таких антенн.

Радиотелескоп РТ-70

Наиболее дальними являются связи с исследовательскими аппаратами класса АМС, направленными с целью изучения к другим планетам и их орбитам. Первая в мире АМС была запущена СССР в начале 1959 года. «Луна-1», также получившая в мировой прессе название «Мечта».

Луна-1

Первая станция достигшая второй космической скорости, она должна была совершить жесткую посадку, разбившись о поверхность Луны, но прошла вблизи(на расстоянии 5-6 тысяч километров),после чего, выйдя за пределы сферы действия земного тяготения, стала первым искусственным спутником солнца. Итог был огромным технологическим прорывом, но главная цель, перелёт с одного небесного тела на другое, так и не была достигнута.

Во второй половине того же года другой аппарат этой же серии, станция «Луна-2», имевшая незначительные конструкционные отличия, впервые достигла поверхности луны, оставив зафиксированное пылевое облако и предположительно образовав кратер диаметром от 15 до 130 метров.

На данный момент наиболее дальние связи с АМС — связи с запущенными в 1977 году NASA аппаратами «Вояджер-1» и «Вояджер-2» самым удалённым и вторым по удалённости от земли АМС соответственно (Более 21,1 миллиардов км и 17,5 миллиардов км от Земли).

Зонд «Вояджер»

Оба «Вояджера» имеют одинаковую конструкцию. На них расположены по 2 антенны: направленная (с отражателем 3.66 м) и ненаправленная. Вынесенные на специальные внешние штанги научные приборы (Различные спектрометры, детекторы, магнитометры и приёмники радиоизлучения). Поскольку из за большой удалённости от Солнца солнечные батареи были бы бесполезны, питание обеспечивают три, также вынесенных на штанге, РИТЭГ (РадиоИзотропный ТермоЭлектрический Генератор).

Самые рекордно дальние связи с людьми в космосе, на данный момент времени,это связи Земля — Луна, с астронавтами программы «Аполлон», начавшейся в 1961 и окончившейся в 1972 году. Всего было 6 успешных полётов с посадкой и 1 аварийный полёт миссии «Аполлон-13», во время которого высадка на поверхность была сорвана, но астронавтам удалось вернуться на землю совершив манёвр с облётом Луны с обратной стороны. В течении всей программы на поверхности естественного спутника земли за пределы орбитального модуля выходили 12 человек, первыми из которых были Нил Армстронг и Базз Олдрин в 1969 году в составе миссии «Аполлон-11».

После закрытия программы полёты человека на Луну не проводились.

Нил Олден Армстронг 1930 г. — 2012 г.

Эдвин Юджин Олдрин-младший (Базз Олдрин)

Космическая связь в наше время

Прямо сейчас на орбите нашей планеты находится приблизительно 9000 спутников, различного назначения, связь с которыми используется нами повсеместно. GPS навигация, наблюдение, научные исследования, прогнозирование погоды, телевещание, передача данных интернет сервисов и т. д. Примерно 60% из них недействующие, т. е. космический мусор. Частично это связано это с тем, что способы снять с орбиты вышедший из строя аппарат слишком ресурсозатратны и на замену просто запускается новый.

Среди них есть радиолюбительские спутники, через которые, имея оборудование, можно проводить связь на некоторых диапазонах, также необходимо учитывать смещение частоты, вызванное эффектом Доплера.

На данный момент в космосе находится 2 действующие космические станции. Китайская станция «Тяньгун» и МКС (Международная Космическая Станция).

Международная Космическая Станция

Станция совершает оборот вокруг земли каждые 90 минут. При желании, можно послушать служебные сигналы МКС, использовать её в качестве ретранслятора, или даже, при удачном стечении обстоятельств, связаться с экипажем. С технической точки зрения это под силу любому радиолюбителю с подходящим оборудованием. Частота приёма станции 145,825 МГц. Первое QSO с МКС было проведено в 2000 году.