космический летательный аппарат на околоземной орбите, который принимает радиосигналы электросвязи от наземных радиостанций, усиливает их и передает обратно. Такие искусственные спутники Земли служат ретрансляторами сигналов телевизионного вещания, телефонной связи и цифровой информации для систем электросвязи глобального географического масштаба. См. также КОСМОСА ИССЛЕДОВАНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ .
Орбиты. Связной спутник может быть выведен на низкую околоземную орбиту, на околоземную орбиту промежуточной высоты или на геостационарную орбиту, высота которых над поверхностью Земли составляет (в порядке перечисления) около 1000, 10 000 и 36 000 км. Орбита первого типа проходит ниже двух радиационных поясов Земли, второго типа - между ними, а третьего - выше их. См. АТМОСФЕРА .
На геостационарной орбите спутник совершает один оборот вокруг Земли ровно за сутки. Поскольку за это время Земля совершает тоже один оборот вокруг своей оси, спутник кажется неподвижным на экваторе. Главное преимущество геостационарной орбиты в том, что антеннам наземных радиостанций не требуется отслеживать спутники, движущиеся по небосводу; нужно лишь наводить антенну всегда в одну точку на протяжении срока службы спутника. Крупным же ее недостатком является задержка примерно на четверть секунды между передачей радиосигнала одной наземной радиостанции и приемом - другой, возникающая из-за больших расстояний, которые должен проходить сигнал.
Главное преимущество околоземной орбиты меньшей высоты в том, что для вывода на нее требуется менее мощный носитель. Поскольку расстояние от наземной радиостанции до спутника меньше, оборудование спутника может быть менее мощным. Однако спутники на таких орбитах движутся относительно наземных радиостанций, поэтому для обеспечения непрерывности охвата необходимы следящие антенны и нельзя обойтись одним-единственным спутником.
Технические средства. Для спутниковой связи необходимы технические средства трех видов: спутники, наземные радиостанции и ракеты-носители для вывода на орбиту. Эти технические средства несколько различаются в зависимости от типа орбиты, на которую выводится связной спутник.
Спутники. Связной спутник состоит из ракетного блока, обеспечивающего питание, управление полетом и контроль бортовых систем, и блока связного оборудования, назначение которого - прием, усиление и ретрансляция сигналов с Земли. Многие связные спутники стабилизируются вращением вокруг одной оси. Такой спутник, подобно гироскопу, сохраняет неизменной свою ориентацию в пространстве. Кроме того, вращение способствует поддержанию равномерного распределения температуры по всему объему спутника. Применяются также спутники с трехосной стабилизацией, осуществляемой при помощи маховиков (гиродинов) и ракетных двигателей малой тяги. Спутники с трехосной стабилизацией несколько сложнее стабилизируемых вращением, но их солнечные батареи способны вырабатывать больше электроэнергии, а антенны легче направить на наземные радиостанции. Солнечные батареи (см. БАТАРЕЯ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ) покрывают всю поверхность вращающихся связных спутников либо располагаются на специальных раскладных панелях трехосно-стабилизируемых спутников и преобразуют в электроэнергию около 20% энергии падающего на них солнечного света. Солнечные батареи небольшого спутника вырабатывают примерно 1 кВт электроэнергии, что соответствует мощности, потребляемой десятью 100-Вт электролампами. На более крупных спутниках 1990-х годов солнечные батареи вырабатывали до 10 кВт.
Наземные радиостанции. Наземные станции спутниковой системы связи передают радиосигналы на спутники и принимают сигналы от них. Спутниковый передатчик 1990-х годов передавал в среднем примерно 20-40 Вт на один ретранслятор (устройство, принимающее и передающее радиосигнал). Это намного больше мощности типичного телефона сотовой связи (0,5 Вт), но радиосигнал спутника должен пройти расстояние до 36 000 км и может содержать до 1000 телефонных разговоров. Поэтому приемная система наземной радиостанции должна быть в миллиард раз более чувствительной, чем приемная станция сотовой телефонной связи, а это значит, что необходимы антенны больших размеров и приемники с очень низким уровнем шума. На заре спутниковой связи наземные радиостанции снабжались огромными антеннами диаметром до 30 м. В 1990-х годах на наземных станциях использовались "антенны очень малого раскрыва" (VSAT - very small aperture terminal) диаметром 1-2 м и более крупные антенны диаметром 2-10 м; получили распространение также бытовые телевизионные антенны диаметром 45-60 см.
Ракеты-носители. Ракета-носитель выводит спутник на заданную околоземную орбиту. За отдельными исключениями, почти все ракеты-носители связных спутников разрабатывались на основе старых межконтинентальных ракет (см. РАКЕТНОЕ ОРУЖИЕ), созданных в 1950-х годах. Новые ракеты-носители появились в 1980-х годах. Первыми носителями, которые разрабатывались не как баллистические ракеты военного назначения, были американский многоразовый воздушно-космический аппарат (MBKA) "Шаттл" и ракета "Ариан", разработанная Европейским космическим агентством. "Шаттл" предназначался главным образом для обслуживания программы пилотируемых космических полетов НАСА, а ракета "Ариан" - в первую очередь для запуска связных спутников. После того как в 1986 взорвался MBKA "Челленджер", НАСА прекратило коммерческие запуски. В результате к системе "Ариан" перешла львиная доля контрактов на запуски связных спутников. В 1990-х годах на коммерческий рынок вышли также китайская ракета "Великий поход" и российская - "Протон". Путь "Великого похода" был отмечен авариями; что касается "Протона", то его номинальная надежность (95%) и большая масса спутника (4 т) предвещали ему коммерческий успех.
Запуск - это момент наибольшего риска на протяжении срока службы связного спутника. Общая вероятность благополучного запуска составляет около 90% (для конкретных ракет-носителей она меняется в пределах от 70 до 95%). Таким образом, в среднем 10% всех запусков оказываются неудачными и заканчиваются потерей спутника.
Состояние и перспективы развития. С конца 1990-х годов компания "Комсат" (Communications Satellite), осуществляющая запуски связных спутников в США, оказалась перед перспективой сильнейшей конкуренции со стороны общественных телефонных систем. Дело в том, что волоконно-оптический телефонный кабель обеспечивает высокое качество сигнала, не вносит задержки времени и примерно равен по затратам спутникам (см. ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА). Стало ясно, что со временем такие кабели для прямой связи (без переприемов) будут требовать меньших затрат, чем спутники. Однако компания "Комсат", зона действия спутников которой охватывает океаны, полагала, что для вещательной передачи телевизионного сигнала, речевого сигнала и цифровых данных спутники больше подходят, нежели кабельная связь, если не считать крупных городов. Кроме того, спутниковая связь представляется более экономичной, чем кабельная, при обслуживании малочисленных разбросанных пользователей, например телефонных абонентов в сельской местности.
В 1976 министерство ВМС США инициировало серию запусков связных спутников "Марисат" для обслуживания морских судов (см. ВОЕННО-КОСМИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ), и это привело к созданию Международной организации морской спутниковой связи "Инмарсат", которая начала действовать в 1982. Когда организация "Инмарсат" запустила более мощные спутники, у них нашлись и сухопутные пользователи в отдаленных областях. Возник рынок мобильной спутниковой связи - с подвижными сухопутными объектами. К концу 1990-х годов он был освоен. Компания "Америкен мобил сателлайт" (AMSC) запустила геостационарный спутник мобильной связи для обслуживания абонентов Северной Америки. Компания "Иридиум" к концу 20 в. создала сеть из 20 спутников на низких околоземных орбитах, которая обеспечивала бы сотовую мобильную связь на суше в масштабах всего земного шара, а также запустить спутники того же назначения на орбиты промежуточной высоты.
Экономические факторы и государственное регулирование. Развитие спутниковой связи определяется в первую очередь экономическими факторами, хотя важную роль играет и политика. Сначала главной сферой применения связных спутников представлялась речевая связь, затем упор стали делать на телевидение, а к концу 20 в. начала бурно развиваться передача цифровых данных.
Первоначальным крупным экономическим стимулом развития спутниковой связи явилось то, что спутники могли обеспечивать прямую (без переприемов) трансокеанскую связь при значительно меньших затратах, чем коаксиальные подводные кабели, проложенные в 1950-1960-х годах. Разница в затратах тогда была более чем десятикратной, но она исчезла в конце 20 в. Поскольку кабель вносит меньшую задержку времени, он больше подходит для речевой (телефонной) связи. В конце 1990-х годов по волоконно-оптическому кабелю можно было передавать почти все трансокеанские телефонные сигналы.
В конце 1970-х годов начался взрывоподобный рост кабельного телевидения со спутниковой ретрансляцией. К концу 20 в. большинство населения земного шара получило возможность приема многочисленных телевизионных каналов, адресно предоставляемых компаниями кабельного телевидения, которые сами принимают их через космические ретрансляторы компаний спутниковой связи. Вся спутниковая связь, без учета спутников "Интелсат", почти на две трети использовалась для телевизионного вещания.
В конце 1970-х годов начали также возникать частные спутниковые сети, целиком обслуживающие одну компанию. Благодаря появлению "антенн очень малого раскрыва" VSAT компании получили возможность устанавливать связь между всеми своими офисами посредством антенн диаметром 3-6 м. Такие сети использовались главным образом для обмена цифровыми данными. Даже телефонные разговоры, как правило, передавались в цифровой форме. С помощью антенн VSAT и большего диаметра в 1970-х годах обеспечивалась телефонная связь с поселками на Аляске. В 1990-х годах спутники впервые были применены для "сельской" телефонии во всем мире. В некоторых экспериментах спутниковая ретрансляция выполняла функции протяженных телефонных линий, а сотовая - функции местных шлейфов.
Еще в середине 19 в. был создан Международный союз электросвязи (МСЭ) для стандартизации телеграфной техники. В конце 20 в. он стал играть роль международного центра стандартов и координации по всем видам электросвязи. Пользование определенными частотами и орбитальным положением для спутниковой связи требует координации через МСЭ со всеми другими заинтересованными сторонами в области электросвязи. Обилие геостационарных спутников привело к нарушениям духа регламентаций МСЭ. В конце 20 в. метод справедливого и обеспеченного правовой санкцией выделения орбитальных положений и частот еще не был найден. См. также РАДИО И ТЕЛЕВИДЕНИЕ .