Данная статья является частью книги Спутниковое телевидение и любезно предоставлена для ознакомления читателям "РадиоЛоцмана" издательством "Ремонт и Сервис".
(1.1) Достоинства спутниковых систем связи
Идея вещания через спутники разработана задолго до первого запуска спутника-ретранслятора. Причина использования спутников как ретрансляторов сигнала банальна: так дешевле! Поясню на простом примере. Обычная эфирная антенна принимает сигнал с телестанции, сигнал на которую передан другой станцией. Возникает цепь телестанций, их называют наземными радиорелейными постами или ретрансляторами.
Рис. 1.1.1. Релейный метод передачи сигнала на большие расстояния
Но расстояние между этими ретрансляторами не может быть большим: сигналы затухают в атмосфере, так как на их распространение влияет погода, всевозможные преграды: деревья, высотные строения... При проектировании ретрансляционных сетей необходимо учитывать множество требований. Например, нельзя использовать одинаковые частоты между тремя ближайшими станциями, иначе это приведет к взаимным помехам, и жители, проживающие на границе нескольких станций, не смогут устойчиво принимать сигналы. Наша страна занимает огромную территорию. Соответственно, для покрытия больших расстояний нужно множество таких ретрансляторов, что требует немалых экономических затрат. Спутниковые системы связи не имеют таких ограничений, они могут ретранслировать сигнал на огромные территории.
Интересная справка: расстояние от спутника до Земли весьма велико, до 40000 км. Поэтому при передаче появляются заметные задержки сигнала. Например, электромагнитная волна от Земли до спутника и обратно, с учетом задержки сигнала в аппаратуре, «путешествует» 2…5 секунд. Это делает бессмысленным передачу сигналов точного времени обычными методами.
Впервые вывести летательные аппараты в верхние слои атмосферы попытались инженеры фашистской Германии, создав управляемое ракетное «оружие возмездия». В 1944 году немецкими ракетами «Фау-1» был обстрелян Лондон с целью деморализации боевого духа населения и защитников города и выведения Великобритании из войны. В сентябре того же года немцы применили усовершенствованные «Фау-2», достигавшие таких высот, что система противовоздушной обороны английской столицы оказалась бессильной. Своих целей гитлеровцы не добились, но привлекли внимание множества специалистов к разработкам ракетного оружия.
Кстати! Двигатели этих ракет работали на чистом спирте…
Один из офицеров британской армии, будущий писатель-фантаст Артур Кларк (род. в 1917 г, умер 19 марта 2008 года ), в 1945 году опубликовал статью в журнале «Wireless World», где предложил принцип спутниковой связи и возможности превращения подобных ракет в «неземные ретрансляторы».
Рис. 1.1.2. Артур Кларк
Причем он рассчитал геостационарную орбиту, на которой, по его мнению, достаточно было расположить три спутника, чтобы покрыть УКВ вещанием всю планету. Электроэнергию для радиопередатчика автор статьи предлагал извлекать из света при помощи солнечных батарей. Практики рассматривали статью как научно-фантастическую, думается, и сам автор не осознавал, что его предложения очень скоро изменят мир. Артур Кларк полагал, что на реализацию идеи потребуется 50 лет.
Впоследствии идея спутникового теле- и радиовещания принесла автору множество наград, в том числе международную премию имени Маркони, золотую медаль Института Франклина, премию Линдберга и другие. Международный астрономический союз «International Astronomical Union» официально присвоил геостационарной орбите наименование «Орбита Кларка» («The Clarke Orbit»).
В 1954 году Джон Пирс (директор по исследованиям Лабораторий Белла), ничего не подозревая о проекте Кларка, предложил похожую концепцию в разговоре с группой инженеров Принстонского университета.
(1.2) История развития спутникового вещания в СССР
Поднять ретранслятор на возможно высокую точку при помощи самолета предлагал еще П. В. Шмаков 1937 году. Но только спустя 20 лет, в 1957 году, во время VI Всемирного фестиваля молодежи и студентов в Москве, идею осуществили. На высоту четырех километров поднялись самолеты «ЛИ-2» с активными передатчиками на бортах, что дало возможность экспериментально транслировать фестиваль в Смоленск, Киев и Минск.
13 мая 1946 года Совет министров СССР принял развернутое Постановление по вопросам реактивного вооружения, создание которого объявлялось важнейшей государственной задачей. Документ предписывал организацию специального комитета по реактивной технике и десятков новых предприятий: научно-исследовательских институтов, конструкторских бюро; заводы перепрофилировались на производство новой техники, создавались полигоны для испытаний. На базе артиллерийского завода №88 был развернут Государственный союзный научно-исследовательский институт (НИИ-88), ставший впоследствии головной организацией по всему комплексу работ в данной области. 9 августа того же года приказом министра обороны Королев был назначен главным конструктором баллистических ракет дальнего действия, а 30 августа он стал начальником отдела баллистических ракет СКБ НИИ-88. 17 сентября начались летно-конструкторские испытания «изделия № 1» — ракеты «Р-1».
На первом этапе (до 1954 года) разработка идеи запуска спутника велась в условиях непонимания и противодействия. В нашей стране главным идеологом и руководителем практической работы по осуществлению выхода в космическое пространство был Сергей Павлович Королев (1907 — 1966).
Рис. 1.2.1. Сергей Павлович Королев
26 июня 1954 года Королев представил министру оборонной промышленности Дмитрию Устинову докладную записку «Об искусственном спутнике Земли». В записке говорилось: «В настоящее время имеются реальные технические возможности достижения с помощью ракет скорости, достаточной для создания искусственного спутника Земли. Наиболее реальным и осуществимым в кратчайший срок является создание искусственного спутника Земли в виде автоматического прибора, который был бы снабжен научной аппаратурой, имел радиосвязь с Землей и обращался вокруг Земли на расстоянии порядка 170…1100 км от ее поверхности. Такой прибор будем называть простейшим спутником».
1955 год. СССР активно работает над созданием ИСЗ. 30 января 1956 года Совет министров СССР принимает постановление о разработке объекта «Д» (ИСЗ весом 1000…1400 кг и с научной аппаратурой на 200…300 кг). Срок запуска — 1957 год. Эскизный проект готов уже к июню. Ведется разработка наземного командно-измерительного комплекса (КИК) для обеспечения полета спутника. Постановлением Совета Министров СССР от 3 сентября 1956 года на территории нашей страны вдоль трассы полета было предписано организовать семь наземных измерительных пунктов (НИП). Задача возлагалась на Министерство обороны, головной организацией определен НИИ-4. К концу 1956 года выяснилось, что к назначенному сроку подготовить объект «Д» не удастся, и было принято решение срочно разработать небольшой простой спутник.
7 февраля 1957 года вышло постановление Совета министров СССР о запуске «Первого ИСЗ».
4 октября 1957 года в 22 ч 28 мин. по московскому времени «Спутник-1» был выведен на орбиту. Первые сигналы из космоса он начал подавать сразу после отделения от последней ступени ракеты.
Рис. 1.2.2. Первый искусственный спутник Земли
По заводской документации спутник назывался «ПС-1», то есть простейший спутник. Он был устроен довольно просто.
Рис. 1.2.3. Устройство первого ИСЗ
На борту спутника была установлена система терморегулирования, источники электропитания, два радиопередатчика, работавших на разных частотах и подающих сигналы в виде телеграфных посылок (знаменитое «бип-бип-бип»).
В готовом виде «Спутник-1» (такое название он получил) весил всего 83,6 кг; его диаметр составил 58 см. Для лучшего отражения солнечного света и создания необходимого теплового режима корпус выполнили из алюминиевого сплава. Электропитание аппарата обеспечивали серебряно-цинковые аккумуляторы, способные работать в течение 2...3 недель. Внутри аппарата размещались два радиопередатчика, передающие информацию о давлении и температуре внутри спутника. С помощью полученных данных ученые изучали условия прохождения радиоволн из космоса на Землю. Передатчики работали поочередно, сменяясь после непрерывной работы, в течение 14 сек. На внешней поверхности аппарата установили четыре стержневидные антенны длиной 2,9 м, занимающие рабочее положение после выхода на орбиту. Такая четырех антенная система снижала влияние вращения «Спутника-1» на качество принимаемых на Земле сигналов. Во внутреннем пространстве сферы, заполненной азотом, постоянная температура поддерживалась с помощью вентиляции, регулируемой специальными температурными датчиками.
Спутник находился на орбите 92 дня (до 4 января 1958-го), совершив 1440 оборотов, затрачивая на каждый виток 96 мин. 10,2 сек. После чего сгорел в плотных слоях атмосферы. Максимальная его удаленность от поверхности Земли составила 947 км. Аппарат был выведен на орбиту с перигеем 228 и апогеем 947 км. Но этот день стал началом новой, космической эры человечества, а русское слово «спутник» вошло во многие языки мира.
Первая официальная фотография советского спутника была сделана 17 октября телескопом обсерватории Южной Калифорнии. То, что это именно спутник, можно было понять по его перемещению относительно двух звезд в созвездии «Возничего». Международные договоры предусматривали, что космический аппарат называется спутником, если он совершит не менее одного оборота вокруг Земли, в противном случае его считают ракетным зондом. Спутник с установленными радиопередатчиками считается активным. Примером пассивного спутника стал знаменитый американский шар «Эхо-1» (12 августа 1960 года) с алюминиевым покрытием для отражения радиосигнала.
Реакция мировой общественности на это событие оказалась весьма бурной. Равнодушных не было. Миллионы и миллионы «простых людей» планеты восприняли это событие как величайшее достижение человеческой мысли и духа. Время прохождения спутника над теми или иными населенными пунктами заранее объявлялось в печати, и люди на разных континентах выходили ночью из своих домов, смотрели на небо и видели: среди привычных неподвижных звезд одна — движется! А русское слово «спутник» превратилось из слова технического в общеупотребительное.
В США запуск первого спутника произвел настоящий шок. Оказалось вдруг, что СССР, страна, не успевшая еще толком оправиться от войны, имеет мощный научный, промышленный и военный потенциал и что с ней надо считаться. Престиж США как мирового лидера в научно-технической и военной области пошатнулся. Это вызвало недоумение и страх: в небе над головой беспрепятственно и безнаказанно летает чужой аппарат! И нет уже чувства защищенности и сознания собственного превосходства. Это было событием не только для руководящей верхушки США, но и для миллионов простых американцев. О глубине потрясения свидетельствуют слова одного из высокопоставленных политических деятелей: «Я не верю, что это поколение американцев желает примириться с мыслью, что каждую ночь приходится засыпать при свете коммунистической луны».
Исторический факт: Американские ученые смогли осуществить запуск первого спутника лишь 1 февраля 1958 года.
3 ноября того же 1957 года запущен второй спутник весом 508,3 кг. Это была уже настоящая научная лаборатория. Впервые в космическое пространство отправилось высокоорганизованное живое существо — собака Лайка.
В ноябре 1957 года. к Первому секретарю ЦК КПСС Н. С. Хрущеву обратилась группа специалистов (С. В. Новаковский, С. И. Катаев, Л. А. Дружкин) с предложением начать работы по реализации космического вещания. Ученым было ясно, что выбор спутника в качестве высокой «точки подвеса» идеален: в безвоздушном пространстве радиоволны распространяются почти без затухания, чего нельзя сказать об атмосфере Земли.
В 1965 году. в СССР уже эксплуатировался искусственный спутник Земли — ИЗС «Молния-1» с орбитой в виде эллипса. Спутник при движении по эллиптической орбите вокруг Земли в некоторые периоды времени находился вне видимости земного пункта приема что вело к перерывам космической связи. Для ликвидации этого нежелательного явления требовалось несколько спутников (система спутников).
Сам спутник имел две параболические антенны: одну рабочую и одну резервную. 23 апреля 1965 г была осуществлена первая трансляция ТВ сигнала из Владивостока в Москву при помощи советского спутника связи «Молния» в СССР. В 1966г провели несколько опытных передач «Москва — Париж».
В 1967 года начала действовать система Российского спутникового ТВ «ОРБИТА». Она позволяла через искусственный спутник Земли передавать одну программу Центрального телевидения: «Первый канал». Для нее использовали параболические антенны диаметром 12 метров и фокусным расстоянием 3м, усилители работали в жидком азоте. Алюминиевая «тарелка» весила почти 30 тонн. На территории страны было установлено несколько приемных станций. Из-за сложной орбиты движения спутника постоянно осуществлялась подстройка приемной антенны под спутник.
В 1975 году был запущен спутник «Радуга» с периодом 23ч 54м и наклоном орбиты 0,3 градуса для расширения возможности «ОРБИТЫ». Приемные станции «Орбита» были построены практически во всех крупных городах отдаленных районов Сибири, Крайнего Севера, Дальнего Востока. В то же время строительство таких станций в малых населенных пунктах оказалось невыгодно. Поэтому дальнейшее развитие системы «Орбита» было прекращено.
В 1976 году ввели в эксплуатацию спутник «Экран». Он предназначался для обеспечения ТВ вещанием районов Сибири и Дальнего. Вещание производилось на частоте 700 МГц с мощность передатчика 200 Вт. При этом земные приемные станций были простоты по конструкции.
В 1979 году в действие вступила новая распределительная спутниковая система «Москва» в диапазонах 6/4 ГГц.
В 1980 году начал эксплуатироваться спутник «Горизонт», имеющий мощный 40-ваттный передатчик диапазона 4 ГГц («С» диапазон) для передачи ТВ сигналов на относительно простые земные приемные станции системы «Москва». На ИСЗ «Горизонт» имелся также один передатчик диапазона 11 ГГц («Ку» диапазон), применяемый для передачи ТВ программ. Использование систем «Экран» и «Москва» (9 спутников) позволило организовать распределение двух ТВ программ, формируемых в Москве по всей территории СССР с учетом временного сдвига для вещания в удобное для зрителей время.
(1.3) Первые шаги спутникового телевещания
Первым спутником, при помощи которого осуществили передачу телевизионного сигнала, был американский спутник «Telstar-I», выведенный на эллиптическую орбиту 10 июля 1962 г.
Рис. 1.3.1. Американский ИСЗ «Telstar-1»
Но это была не геостационарная орбита. До «пояса Кларка» США удалось добраться лишь 26 июля 1963 года со спутником связи «Syncom 2» (Synchronous Communications Satellite)
Строительство спутника «Telstar-1» обошлось стране в 6 млн. долларов. По тем временам это были довольно приличные деньги. Проектирование и производство спутника были выполнены в очень сжатые сроки: конструкторы взялись за проект осенью 1960 года, а летом 1962 года он уже работал на орбите.
Шарообразный спутник имел диаметр 88 см и питался от 3600 солнечных элементов. Он был вполне универсальным: передавал телевизионный сигнал, телефонные, телеграфные и радиосообщения по всей территории земного шара.
11 июля 1962 года, на следующий день после того, как ракета-носитель «Delta», стартовавшая с мыса Канаверал во Флориде, вывела этот спутник на орбиту, специалисты компании «AT&T» («American Telephone and Telegraph») провели экспериментальный сеанс спутниковой связи между США, Англией и Францией. Впервые был осуществлен трансатлантический видеоперегон при помощи спутника. Зрители американского кабельного телевидения увидели изображение национального флага, развевающегося над американской наземной станцией в Андовере. А затем на их экранах появились аналогичные изображения с наземных станций во Франции и Англии. Новый спутник связи разжег воображение людей во всем мире. Суммарная телевизионная аудитория, наблюдавшая дебют «Telstar-1», исчислялась сотнями миллионов.
А 16 июля 1962 года эта же компания провела первый пробный телесеанс передачи цветного телевизионного сигнала между Америкой и Европой с помощью этого же спутника.
Данный спутник стал технологическим прорывом для своего времени. В нем были реализованы десятки оригинальных инноваций «Лабораторий Белла». Например, его питание обеспечивалось 3,600 солнечными батареями, изобретенными в «Лабораториях Белла» в 1954 году, а для микроволнового передатчика в спутнике использовались лампы бегущей волны, придуманные в Европе во время Второй мировой войны и усовершенствованные Пирсом в 50-х годах. «Лаборатории Белла» разработали систему управления для ракеты-носителя, которая выводила «Telstar-1» на орбиту, а также наземные станции и антенны, позволявшие вести спутник.
Оборудование этого спутника позволяло одновременно передавать либо один телевизионный канал, либо около 500 телефонных звонков (современные телекоммуникационные спутники могут передавать уже более 500 телевизионных каналов и несколько тысяч телефонных звонков). Первый телефонный разговор через спутник состоялся между председателем совета директоров компании AT&T Фредом Каппелем и вице-президентом США Линдоном.
На орбите «Telstar-1» проработал по сегодняшним меркам совсем недолго — всего 7 месяцев — и прекратил работу в феврале 1963 года. За это время он успел поучаствовать в прямых трансляциях бейсбольных матчей, концертов, репортажей с Всемирной выставки в Сиэтле и с пресс-конференций президента США. Через «Telstar-1» шел обмен видеотрансляциями между США и 16 европейскими странами.
Одна из основных заслуг первого «Telstar-1» в том, что с его помощью удалось наглядно продемонстрировать возможность использования спутников для передачи голоса, данных и видеоинформации между континентами. И это стало гигантским скачком вперед в создании глобальных коммуникаций, которыми мы пользуемся сегодня. «Telstar-1» уничтожил различия между телефонным звонком к себе домой из ближайшего телефона-автомата и звонком на другой континент. Более того, с момента вывода первого активного спутника на орбиту начался отсчет эры трансконтинентального телевидения.
(1.4) Новая эра. «НТВ Плюс»
Эра подлинно спутникового телевидения непосредственного приема в России была открыта компанией «НТВ Плюс». Непосредственным приемом называют метод приема сигнала от спутника индивидуальной приемной спутниковой антенной, которая установлена непосредственно у потребителя, т.е. абонент принимает сигнал со спутника индивидуальной антенной, без использования наземного ретранслятора.
В январе 1994 и ноябре 1995 года на геостационарную орбиту были выведены спутники телевизионной ретрансляции типа «Галс-1» и «Галс-2». Спутник «Галс-1» был выведен на геостационарную орбиту с координатой 36° восточной долготы в январе 1994 года, масса спутника составляет 2,5 тонны, мощность системы электропитания 2,4 кВт. Спутник «Галс-2» был выведен на орбиту с той же координатой, что и первый, в ноябре 1995 года. Мощность передатчиков, установленных на этих спутниках, составляла соответственно 85 и 45 Вт.
В 1999 году «НТВ-Плюс» взяла в аренду французский спутник «TDF-2». После этого его перевели с прежней позиции 19° западной долготы на новую позицию 36° восточной долготы, где находились спутники «Галс».
25 мая 2000 года на орбиту в позицию 36° восточной долготы был выведен еще один спутник «Eutelsat W4», позволивший расширить зону действия: обслуживает европейскую часть России, Белоруссии и части Украины. Спутник сможет вещать в этой позиции около 8—10 лет и будет заменен новым в конце 2009 года.
Остальные главы можно прочесть на сайте издательства www.remserv.ru
