книги из ГПНТБ / Константинов П.А. Авиационная радиосвязь

ражающей способностью. Исследования показывают, что такие участки располагаются по сторонам от плоскости большого кру­ га, причем отклонения в ту или другую сторону от прямого на­

жения изменяется в течение суток. Так, для трасс, идущих с во­ стока на запад, в утренние часы эти области лежат севернее большого круга, а в вечерние часы — южнее.

Указанная особенность должна учитываться при ориентации антенн и выборе их характеристик.

Простейшие антенны с диаграммами направленности, приве­ денными на рис. 9.18,а, являются неэффективными, так как в этом случае максимум излучаемой

омощности направлен вдоль большого круга, где располагаются области с наихудшими отражающими свойства­ ми. Однако такие антенны получают­

направленных на эффективно отражающие области по обе сто­ роны от плоскости большого круга (рис. 9.18,6), а также антен­ ны с однолепестковой диаграммой направленности, ориентируе­ мые в любой момент в наивыгоднейшем направлении

(рис. 9.18,в).

Коэффициент усиления антенн не должен быть слишком большим. Дело в том, что при увеличении коэффициента усиле­ ния сужается главный лепесток диаграммы направленности и уменьшается освещенная часть пространства. Это приведет к уменьшению числа отраженных сигналов, принятых радиостан­ цией в единицу времени.

Число сигналов, принятых в единицу времени, возрастает при увеличении мощности передатчика и при повышении чувст­ вительности приемника. Оно пропорционально общему количе­ ству метеорных следов, возникающих в данной области прост­ ранства в единицу времени. Следует иметь в виду, что при элек­ тронной плотности следа N < 1010 эл[м интенсивность отражен­ ного сигнала будет слишком малой. С другой стороны, следы с достаточной электронной плотностью, имеющие такую ориен­ тацию, при которой отраженный сигнал не попадает в точку

4 6 0

приема или попадает в нее слишком ослабленным, также не создают регистрируемых отражений.

При одинаковых параметрах аппаратуры наибольшее число сигналов регистрируется в утренние часы летом и осенью. Отно­ шение максимального количества принимаемых за час метеор­ ных сигналов к минимальному в среднем лежит в пределах

2,5—9.

Большое практическое значение имеет длительность отра­ женных сигналов. Представление об этой характеристике дает-

ния метеорной системы радиосвя­ зи. Очевидно, что передача информации по радиолинии должна

вестись короткими вспышками в моменты появления полезных, следов. Так как информация от корреспондентов поступает не­ прерывно, при отсутствии метеорных следов она должна накап­ ливаться в специальных устройствах—накопителях. Подобный, вид связи иногда называют прерывистой или перемежающейся [16]. Но, несмотря на прерывистость связи, численность, интен­ сивность и длительность отраженных сигналов позволяют сде­ лать связь достаточно надежной.

Упрощенная блок-схема системы метеорной радиосвязи изо­ бражена на рис. 9.20. Система рассчитана на двухстороннюютелеграфную связь. Для связи в одном направлении использует­ ся частота f b а для связи в другом направлении — частота /г- Оба передатчика непрерывно излучают колебания несущих частот. Эти колебания принимаются приемниками, один из ко­ торых настроен на несущую частоту f ь другой — на несу­ щую частоту f2. При отсутствии полезных метеорных следов на­ пряжение на выходе приемников, создаваемое за счет шумов,

будет меньше установленных пороговых значений.

При появлении метеорного следа, способного отражать ра­ диоволны, напряжения на выходе приемников за счет прини­ маемых колебаний несущих частот резко возрастут и станут

46Г.

выше пороговых. Пусковые устройства начинают вырабатывать пусковые сигналы в виде тона частоты F. Колебания несущих частот передатчиков модулируются пусковыми сигналами. На­ личие такой модуляции, обнаруживаемой приемниками другой радиостанции, является сигналом о том, что имеются условия для двухсторонней радиосвязи.

Выделенные напряжения пусковых сигналов воздействуют на управляющие устройства, с помощью которых отпираются цепи передачи информации. С этого момента информация из на­ копительных устройств поступает на вход передатчика и пере­ дается с большой скоростью. Переданная информация прини-

мается приемниками, с выхода которых она поступает в накопи­ тельные устройства также с большой скоростью. Из накопи­ тельных устройств приемников к получателям информация по­ ступает с нормальной скоростью.

Передача по радиолинии будет продолжаться до тех пор, пока уровни принимаемых сигналов не упадут ниже пороговых значений. Когда это случится, передача по радиолинии прекра­ тится, а непрерывно поступающая от отправителей информация будет накапливаться в накопителях передатчиков. При появле­ нии нового метеорного следа процесс повторится.

Чтобы обеспечить достаточно большую среднюю скорость пе­ редачи, во время вспышек информация должна передаваться по радиолинии со скоростью, во много раз большей скорости ее по­ ступления от отправителей. Так, в одной из экспериментальных систем [15], [16], в накопительные устройства передатчиков ин­ формация поступает с постоянной скоростью 60 слов/мин, а во время вспышек передается со скоростью 1300 слов[мин. В при­ емниках информация в накопительные устройства поступает со скоростью 1300 слов/мин, а из накопительных устройств к полу­ чателям — со скоростью 60 слов/мин.

4 6 2

Отношение указанных скоростей равно отношению времени передачи информации по радиолинии к общему времени работы системы. Это отношение называется временным коэффициентом использования канала связи или коэффициентом заполнения. В приведенном примере он составляет около 5%, а в других случаях — 1— 10%.

Описание принципа действия системы метеорной радиосвязи проведено в предположении идентичности обоих каналов. На самом же деле, несмотря на одинаковые приемники и одинако­ вые условия распространения сигналов в обе стороны, из-за различного уровня помех условия приема на концах радиолинии будут различными. В этом случае возможность двусторонней радиосвязи определяется тем приемником, на выходе которого отношение сигнала к шуму в данный момент будет наименьшим.

Вцелях экономии расходования мощности большую часть времени передатчики метеорных систем связи могут работать пониженной мощностью, которая должна быть достаточна лишь для обнаружения узкополосного отраженного сигнала.

Внекоторых случаях требуется обеспечить передачу инфор­ мации в одном направлении. Принцип построения системы свя­ зи при этом аналогичен рассмотренному. Но поскольку встреч­ ное направление будет использоваться лишь для передачи уп­ равляющего сигнала, устройство односторонней системы связи будет проще.

Системы связи за счет отражения от ионизированных мете­ орных следов в принципе могут быть применены и для передачи телефонных сообщений. Для этого на передающей стороне с вы­ хода микрофона производится запись речи на ленту магнито­

фона, движущуюся с нормальной скоростью. При наличии по­ лезных метеорных следов лента протягивается со скоростью, на­ пример, в пять раз превышающей скорость записи. С такой же скоростью производится запись речи на приемной стороне. За­ тем записанное сообщение воспроизводится с нормальной ско­ ростью.

Пока нет достаточных данных о качестве работы метеорных систем связи при передаче телефонных сообщений. Были произ­ ведены лишь опытные передачи в одном направлении.

В заключение проведем сравнение метеорных систем связи с другими системами дальней связи на УКВ. Целесообразно провести сравнение с системами связи, основанными на ионо­ сферном рассеянии, так как эти системы работают примерно в том же диапазоне частот и обеспечивают одинаковую даль­ ность связи.

Сначала укажем преимущества метеорных систем связи по сравнению с системами ионосферного рассеяния. Одним из та­ ких преимуществ является -возможность обеспечения связи при меньшей мощности передатчиков (в десятки раз). Это преиму­ щество объясняется тем, что интенсивность отраженного сигна­

463

ла значительно больше интенсивности сигнала, рассеянного не­ однородностями ионосферы.

Другим преимуществом является возможность передачи бо­ лее широкой полосы частот. При небольших мощностях пере­ датчиков возможная полоса передачи равна 15—20 кгц; при больших мощностях, сравнимых с мощностями передатчиков си­ стем ионосферного рассеяния, ширина полосы частот может быть доведена до 100—200 кгц.

Следующее преимущество состоит в скрытности связи. Оно вытекает из зеркального отражения радиоволн от метеорных следов. Метеорная система связи передает информацию лишь после того, как на передающую радиостанцию поступит пуско­ вой сигнал с приемной радиостанции. Она автоматически вы­ бирает только те метеорные следы, отражения от которых по­ падают в район приемного пункта. Благодаря этому отражен­ ный сигнал может быть перехвачен другим приемником только в том случае, если он находится поблизости от пункта приема. Опыт показывает, что при удалении постороннего приемника от пункта приема на несколько сотен километров возможность ра­ диоперехвата становится ничтожно малой [15], [16].

Ранее указывалось, что в метеорных система-х связи могут использоваться частоты вплоть до 100 Мгц. Возможность при­ менения более высоких частот также является преимуществом рассматриваемых систем, так как это позволит перевести рабо­ ту станции в менее загруженный участок УКВ диапазона.

К указанным преимуществам следует добавить еще одно — меньший вес и габариты применяемых антенн. В метеорных си­ стемах связи могут быть применены простые и легкие пятицли трехэлементиые антенны типа «волновой канал».

Одним из наиболее существенных недостатков данного вида связи является ее прерывистость. Интервалы между сеансами связи могут доходить до нескольких минут, что не всегда допу­ стимо, особенно в военных условиях. К недостаткам следует отнести также относительную сложность оконечной аппаратуры.

§ 4. КОСМИЧЕСКАЯ РАДИОСВЯЗЬ

Диапазон рабочих частот

Проблема освоения космического пространства и извест­ ные успехи в решении этой проблемы выдвигают ряд новых за­ дач в области радиосвязи. Одна из таких задач вытекает из воз­ можности использования искусственных спутников Земли (ИСЗ) в качестве ретрансляторов для увеличения дальности связи между наземными пунктами или между самолетами и Землей. Для решения этих задач должны быть построены системы кос­ мической радиосвязи, в состав которых входят космические объекты.

Принципы космической радиосвязи в значительной степени

464

являются общими с ранее рассмотренными принципами радио­ связи. Однако имеется ряд специфических положений, которые следует учитывать при построении систем космической радио­

связи.

Прежде всего определим диапазон рабочих частот, наиболее подходящих для космической радиосвязи. При решении этого вопроса необходимо принимать во внимание уровни космиче­ ских шумов и собственных шумов приемника, поглощение ра­ диоволн в атмосфере парами воды и кислородом и др.

Представление о среднем уровне космических шумов дают кривые, изображенные на рис. 9.21 [17]. Уровень шумов выра­ жен в абсолютных градусах эквивалентной шумовой темпера­ туры антенны ТА°К.

Наиболее интенсивное космическое радиоизлучение сконцен-' трировано вдоль экватора Галактики, проходящего через сере­ дину полосы Млечного пути. По направлению к полюсам интен-’ сивность космического излучения плавно убывает. Этому соот­ ветствуют две прямых линии на рис. 9.21, которые определяют максимальные и минимальные уровни космических шумов в за­ висимости от того, направлена ли антенна в сторону Млечного пути или в сторону полюсов Галактики. Уровень космического шума убывает при повышении частоты. Приблизительно мож­

радиоизлучением, атмосферы. Тепловое радиоизлучение атмо­ сферы является следствием поглощения ею радиоволн, поэтому атмосферные шумы характеризуют поглощение радиоволн раз­ личного диапазона. Уровень атмосферных шумов возрастает при повышении частоты. Кроме того, он зависит от угла места главного луча антенны. Атмосферный шум будет минималь­ ным, когда антенна направлена вертикально вверх (угол места <р = 90°), так как при этом радиоволна проходит наиболее ко­

наиболее подходящим для космической радиосвязи. При этом имеется в виду система связи Земля—космос—Земля (ЗКЗ).

При выборе рабочей волны для системы связи Земля—кос­ мос—самолет (ЗКС) следует иметь в виду, что атмосферное давление и содержание паров воды уменьшается с высотой, благодаря чему поглощение радиоволн в атмосфере при рас­ пространении между высоко расположенным пунктом связи и космическим кораблем уменьшается. Поэтому для связи самоле­ та с космическим кораблем могут быть применены более высо­ кие частоты — до 40 Ггц и выше [18].

Такие частоты обладают еще одним преимуществом — мень­ шим ослаблением радиосигналов в плазменной оболочке. Изве­ стно [19], что космический корабль при вхождении в атмосферу Земли окутывается оболочкой ионизированного газа или плаз­ мы, которая возникает вследствие сжатия и ударного нагрева­ ния воздуха у носовой части корабля. При прохождении плаз­ менной оболочки радиосигнал испытывает затухание, что может привести к прекращению связи. Однако, если частота сигнала больше так называемой плазменной частоты, затухание сигна­ ла сильно уменьшается и связь оказывается возможной.

Уровень собственных шумов приемника зависит от его кон­ струкции. Эквивалентная температура шумов типового прием­ ника с кристаллическим смесителем на входе более 1000°К. Та­ кой шум будет ограничивать чувствительность приемника. В то же время температура шумов приемника с молекулярным уси­ лителем равна (10—20)°К, и в этом случае чувствительность будет ограничиваться внешними шумами. Молекулярные, пара­ метрические и другие типы малошумящих усилителей являются перспективными для космической радиосвязи.

Шумы имеют меньшее значение при передаче инфор-мацин в направлении Земля—космос, так как мощность наземного пе­ редатчика может быть взята большой. Однако мощность пере­ датчика на космическом корабле ограничена допустимым весом

466

полезной нагрузки. Поэтому параметрические, или молекуляр­ ные усилители целесообразно применять прежде всего -с целью уменьшения шумов приемника наземной радиостанции для

•обеспечения связи в направлении космос—Земля. ДЛя прием­ ника, находящегося на спутнике, антенна которого обращена к Земле, шумовая температура будет составлять величину око­

ло 300°К-

При выборе рабочих частот для космической радиосвязи не­ обходимо принимать во внимание еще целый ряд соображений: к. п. д. передатчиков, габариты и направленность антенн, вза­ имные помехи с другими радиослужбами (например, радиоло­ кационные станции, радиорелейные линии) и др. Учет этих со­ ображений позволит уточнить наивыгоднейшее значение рабо­ чей частоты.

В последние годы ведутся интенсивные исследования по при­ менению для целей связи значительно более коротких волн. В различных устройствах связи широко используются [20], [21] инфракрасные лучи (ИКЛ), которым соответствует область

•длин волн Я = 0,4 мм — 0,76 мк. Имеются сведения о примене­ нии для целей связи еще более коротких волн [22] — волн опти­

мосферу испытывают ослабление вследствие поглощения пара­ ми воды, углекислым газом и в меньшей степени другими атмо­ сферными газами. Однако в спектре имеются «окна» относи­ тельно высокой прозрачности атмосферы, где поглощение будет во много раз меньше [23].

Дальность действия оптических систем связи (это название относится ко всем указанным диапазонам) зависит от располо­ жения пунктов связи. Дальность связи между наземными пунк­ тами обычно изменяется единицами или десятками километров. Во многих случаях такая дальность связи оказывается доста­ точной (связь между военными машинами на марше, между са­ молетами, между кораблями и т. п.). С увеличением высоты над уровнем моря плотность воздуха и количество содержащихся в нем водяных паров уменьшаются, вследствие чего уменьшает­ ся поглощение волн в атмосфере. Наибольшая дальность связи может быть получена, если пункты связи расположены за пре­ делами земной атмосферы. Поэтому оптические системы явля­ ются перспективными для связи между космическими корабля­ ми, между космическими кораблями и другими планетами

ит. п.

,Одна из основных проблем оптической связи состоит в созда­ нии когерентных квантово-механических генераторов и усилите­

лей оптического диапазона. Благодаря высокой направленности излучения генераторы и усилители этого типа при сравнительнонебольшой мощности позволят обеспечить связь на очень боль­ шие расстояния в космическом пространстве, где отсутствует поглощение и рассеяние волн. Предполагается, что применение квантово-механических устройств оптического диапазона по­ зволит получить чрезвычайно узкие лучи, порядка 10~5 радиан.

Практическое осуществление оптической связи сопряжена с рядом трудностей. Одна из трудностей состоит в необходимо­ сти применения точного слежения для обеспечения строгой вза­ имной направленности антенн передатчика и приемника. Другая трудность— необходимость создания сравнительно простых кон­ струкций квантово-механических устройств при повышенных требованиях к точности изготовления.

Принципы построения систем связи

Космические системы связи позволяют увеличить дальность связи между наземными пунктами и между самолетом и землей.

Втаких системах связи космическими объектами являются

= 24 часа и он будет неподвижным относительно фиксирован­

468

Применение трех стационарных спутников, равномерно рас­ положенных по орбите, позволяет построить так называемую глобальную систему связи. Такая система охватывает почти всю поверхность земного шара (98%) за исключением районов, ■близких к полюсам (рис. 9.23).

Каждый спутник охватывает почти половину земной поверх­ ности. В пределах этой зоны он осуществляет ретрансляцию

•сигналов от одной станции к другой. Для связи между' станция­ ми, расположенными в разных зонах, может быть использована

либо прямая ретрансляция между спутниками, либо ретрансля­ ция через промежуточную ретрансляционную станцию, установ­ ленную на Земле в общей части зон обслуживания двух спут­ ников (рис. 9.24).

Система глобальной связи, содержащая ИСЗ на стационар­ ных орбитах, несмотря на ее кажущуюся простоту, обладает рядом существенных недостатков. Прежде всего следует ука­ зать на необходимость запуска из экваториальных районов и на трудность вывода на стационарную орбиту спутников доста­ точно большого веса.

Недостатками такой системы являются, кроме того, сравни-

,тельно слабая помехозащищенность, большая потребная мощ­ ность передающих устройств, а также необходимость стабили­ зации спутников. Дело в том, что практически неточности, до­ пущенные при запуске, лунное притяжение, давление солнечной

радиации и другие причины вызывают отклонения орбиты от стационарной, а следовательно, и перемещение-спутника отно­ сительно какой-либо точки земной поверхности. В связи с этим возникает необходимость периодического корректирования ор­ биты с Земли в течение всего срока существования спутника. ,

469