Ж у р н а л   о   к о м п ь ю т е р н ы х   с е т я х   и   т е л е к о м м у н и к а ц и о н н ы х   т е х н о л о г и я х
СЕТИ И СИСТЕМЫ СВЯЗИ on-line
  ПОИСК: ПОДПИСКА НА НОВОСТИ: НОМЕР:
    ДОМОЙ • Архив: Новостей | Конференций | НомеровПодписка
 
   
 
   
    
РЕДАКЦИЯ
 
Все о журнале
Подписка
Как проехать
Где купить
Отдел рекламы
График выхода журнала
Адреса в Интернет

РУБРИКАТОР
   
• Инфраструктура
• Информационные
   системы

• Сети связи
• Защита данных
• Кабельные системы
• Бизнес
• Колонка редактора
• Электронная
   коммерция

• Только на сервере
• Системы
   учрежденческой
   связи

• Новые продукты


Rambler's Top100

  

Внеземные релейные линии.

Могут ли ракетные станции обеспечить всемирное радиопокрытие?

Артур Кларк

Английский ученый и писатель Артур Кларк широко известен своими научно-фантастическими романами, но он также внес весьма значительный вклад в развитие телекоммуникаций. В октябре 1945 г. в журнале Wireless World была опубликована его статья “Внеземные релейные линии” (Extra-terrestrial Relays), в которой он впервые предложил использовать для спутников связи круговую экваториальную орбиту с периодом обращения, равным земным суткам. Расположенный на такой орбите космический аппарат оказывается неподвижно висящим над земной поверхностью, поэтому орбита впоследствии получила название геостационарной. Телекоммуникационный спутник на такой орбите обладает рядом важнейших преимуществ перед другими: связь осуществляется непрерывно, круглосуточно, без переходов с одного спутника на другой; антенны земных станций оснащаются упрощенными системами автоматического сопровождения спутника или вообще не имеют их; достигается относительно стабильное значение ослабления сигнала на трассе Земля-космос; зона видимости спутника около одной трети земной поверхности; трех таких спутников достаточно для создания глобальной системы связи (вывод А. Кларка); отсутствует (или становится весьма малым) частотный сдвиг, обусловленный эффектом Доплера. По данным журнала Via Satellite, в марте 2000 г. на геостационарной орбите функционировало 222 коммерческих связных спутника, а производство еще 52 было заказано предприятиям космической отрасли.

В статье “Внеземные релейные линии” А. Кларк описал характеристики геостационарной орбиты и рассмотрел вопросы, связанные с проектированием космической станции и выводом ее на эту орбиту. Мы предлагаем вам, уважаемые читатели, ознакомиться с его статьей, ставшей важной вехой в истории развития науки и техники.

В. Шельгов

Правильно выбрав частоты и траектории передачи радиосигнала, можно организовать телефонную связь между любыми двумя точками или регионами Земли, но параметры радиолинии дальней связи сильно зависят от состояния ионосферы, и вполне возможны случаи, когда такая связь будет просто недоступна. В то же время для мирового сообщества очень важно иметь вещательную службу, обеспечивающую постоянный уровень сигнала в течение всего времени работы в любой точке земного шара.

Неудовлетворительное положение дел с телефонией, телеграфом и телевидением объясняется невозможностью использовать ионосферную связь для передачи соответствующих сигналов. Зона действия телевизионной станции, даже очень удачно расположенной, составляет максимум около 100 миль (примерно 160 км) в поперечнике. Для полного охвата территории такого небольшого государства, как Великобритания, потребовалось бы множество передатчиков, объединенных в сеть коаксиальными кабелями, волноводами или высокочастотными релейными линиями. Последние теоретические исследования показали, что в таких линиях ретрансляторы нужно устанавливать через каждые 50 миль или еще чаще [1]. Телевизионная система подобного типа в масштабе даже очень маленькой страны была бы крайне дорогой. А о покрытии ею большого континента не стоит и думать; подключить к ней можно только самые населенные места.

Не менее серьезные проблемы возникли бы и при попытке объединить телевизионные службы, расположенные в различных частях планеты. Релейные радиолинии длиной в тысячи миль стоили бы миллионы долларов, а организовать трансокеанические соединения при этом было бы невозможно. Все вышесказанное применимо и к распространению широкополосных, частотно-модулированных сигналов или к предоставлению других услуг (включая высокоскоростную факсимильную связь), по своей сути ориентированных на применение ультравысоких частот.

Многим людям предлагаемое в этой статье решение может показаться слишком надуманным, чтобы относиться к нему серьезно. Такой вывод будет ошибочным, поскольку все представленное здесь является логическим продолжением разработок последних 10 лет, включая создание ракеты большой дальности действия, прототипом которой послужила ракета Фау-2. Когда я писал статью, стало известно, что и немцы рассматривали подобный проект, который, на их взгляд, мог быть реализован через 50-100 лет.

Прежде чем двигаться дальше, необходимо коротко рассмотреть некоторые фундаментальные законы движения ракет и астронавтики. Ракета, достигшая достаточно высокой скорости полета за пределами атмосферы, никогда не вернется обратно на Землю. Речь идет об орбитальной (первой космической. - Прим. ред.) скорости, равной 8 км/с, а движущаяся с такой скоростью ракета станет искусственным спутником Земли, вечно обращающимся вокруг нее без расходования энергии, - фактически второй Луной. Германская трансатлантическая ракета А10 смогла бы достичь около половины этой скорости.

Через несколько лет станет возможным создание радиоуправляемых ракет, которые будут выводиться на орбиты за пределами атмосферы с целью передачи на Землю научной информации. Чуть позже уже и пилотируемые ракеты смогут осуществлять подобные полеты, обладая при этом дополнительной энергией, необходимой для ухода с орбиты и возвращения на Землю.

Существует неограниченное число стабильных круговых и эллиптических орбит, на которых могла бы находиться ракета при соответствующих начальных условиях. Скорость, равная 8 км/с, нужна ей для выхода на ближайшую возможную орбиту (сразу за пределами земной атмосферы) с периодом обращения около 90 мин. С увеличением радиуса орбиты скорость движения ракеты по ней уменьшается, поскольку сила притяжения Земли становится меньше и для ее уравновешивания требуется меньшая центробежная сила. Это графически показано на рис. 1. Луна (как и любой другой спутник Земли) тоже “впишется” в эти кривые, если их продолжить. Германские космические станции должны были иметь период обращения около 4,5 ч.

Необходимо отметить, что одна из орбит - радиусом 42 000 км - имеет период обращения ровно 24 ч. Объект, находящийся на этой орбите (при совпадении ее плоскости с плоскостью экватора Земли), будет вращаться вместе с Землей, постоянно находясь над одной и той же точкой ее поверхности. Он окажется неподвижно висящим на небе и в отличие от других небесных тел никогда не будет “восходить” и “заходить”. (Объект на орбите меньшего радиуса будет обращаться вокруг Земли быстрее, чем она вращается вокруг своей оси, и, подобно внутренней луне Марса, “восходить” на западе.)

Используя материалы, доставляемые с помощью ракет, на такой орбите можно построить космическую станцию с жилыми помещениями, лабораториями и всем необходимым для комфорта экипажа, который будет снабжаться регулярно прилетающими ракетами. Этот проект желательно реализовать исключительно в научных целях, поскольку он существенно расширил бы наши знания в области астрономии, физики и метеорологии. На подобную тему написано уже немало [2].

Хотя данное предприятие может показаться фантастическим, для его осуществления потребуются всего в два раза более быстрые ракеты, чем те, что разрабатываются сейчас. Поскольку гравитационная нагрузка на станцию несущественна, для ее строительства подойдут даже самые легкие материалы, а сама она может быть настолько большой, насколько это потребуется.

Предположим, что такая станция уже построена. Ее можно оборудовать приемной и передающей аппаратурой (проблема энергоснабжения которой будет рассмотрена позже) и использовать в качестве повторителя, ретранслирующего сигналы на любой длине волны, способной проникать сквозь ионосферу, между двумя любыми точками “лежащего” внизу полушария. При использовании направленных (антенных) решеток потребление энергии предполагается очень небольшим, так как связь будет осуществляться в зоне прямой видимости. Важно отметить, что наземные решетки будут фиксированными. Сигнал, полученный из любой точки полушария, можно передать на все полушарие. Таким образом, будут удовлетворены требования всех служб связи (рис. 2).

Надо признать, что пока у нас нет прямых доказательств возможности прохождения радиоволн между поверхностью Земли и объектом в открытом космосе - единственное, что мы можем сказать с уверенностью, это то, что достаточно короткие волны не отражаются обратно на Землю. Обнаружить радиосигнал за пределами атмосферы можно было бы с помощью технологии, на которой основана ракета Фау-2, и хочется верить, что в скором времени кто-нибудь что-нибудь в этом направлении сделает. Кроме того, задействовав передатчик довольно большой мощности, мы могли бы исследовать отраженные от Луны сигналы и считать их наличие необходимым доказательством. Пока же имеется лишь визуальное подтверждение того, что сигналы с частотами оптического участка спектра могут проходить через атмосферу с небольшим поглощением, за исключением отдельных частот, на которых возникает эффект резонанса. Также известно, что высокочастотные радиосигналы дважды проходят через Е-слой ионосферы и отражаются от ее F-слоя. Кроме того, получены эхо-сигналы от метеоров, находящихся в пределах F-слоя или над ним. Радиосигналы с частотами от 50 до 100 000 МГц не должны сильно поглощаться в атмосфере или ионосфере.

Одна станция охватит лишь половину земного шара, для организации же глобального обслуживания потребуется, как минимум, три станции, хотя можно использовать и большее их число.

На рис.3 показана простейшая такая система с примерно эквидистантным расположением станций на орбите. Самыми подходящими координатами для них являются: 30° в. д. (Африка и Европа), 150° в. д. (Китай и Океания) и 90° з. д. (Америка). Если станции соединить между собой радиолиниями или оптическими лучами, это даст возможность реализовать любую вещательную службу.

Технические проблемы, связанные с разработкой подобных станций, очень интересны, но мы рассмотрим здесь только некоторые из них. Станции будут оснащаться батареями параболических рефлекторов, размеры которых зависят от используемых частот. При работе на частоте порядка 3000 МГц и диаметре зеркала около 1 м антенна будет излучать на Землю практически всю подводимую к ней энергию (речь, по-видимому, идет о глобальном луче, формируемом с помощью антенны указанного размера. - Прим. ред.). Рефлекторы боўльших размеров могут использоваться для охвата отдельных стран или регионов (в рамках служб меньшего масштаба), обеспечивая при этом экономию энергии. На более высоких частотах не составит труда сформировать луч шириной менее одного градуса, а какие-либо физические ограничения на размер рефлекторов отсутствуют. (Для космической станции угловой размер Земли составляет чуть более 17°.) Если принять меры против кросс-модуляции, то одни и те же зеркала могут использоваться для передачи многочисленных каналов.

Исходя из самой сути этой системы ясно, что требующаяся для ее работы энергия окажется гораздо меньшей, чем при любой другой организации системы вещания, поскольку вся энергия будет излучаться на зону обслуживания, не теряясь впустую.

Оценим уровень мощности передатчика, необходимый для работы вещательной службы на основе космической станции. Напряженность электрического поля e в экваториальной плоскости полуволнового диполя в свободном пространстве на расстоянии d метров определяется по формуле:

e = 6,85 }ПdPw} (B/м),

где P - излучаемая мощность в ваттах [2].

Положив d равным 42 000 км (в реальных условиях это значение меньше), получим P = 37,6 е2 Вт (здесь е выражено в микровольтах на метр).

Если принять e равной 50 мкВ/м, что соответствует требованиям Федеральной комиссии по связи США, предъявляемым к системам с частотной модуляцией, то P будет равна 94 кВт. Такая мощность потребуется для одиночного диполя, но не для их решетки, концентрирующей энергию в направлении Земли. Коэффициент усиления такой решетки может быть в 80 раз выше коэффициента усиления одиночного диполя, а значит, уровень мощности передатчика, необходимый для работы вещательной службы, составит уже около 1,2 кВт.

Вероятно, уровень мощности может быть еще меньше. На Земле для приема сигналов будут использоваться параболические антенны диаметром около фута (30,5 см), обеспечивающие великолепное соотношение сигнал/шум. Уровень помех будет очень мал благодаря используемым частотам и отсутствию на небе других источников сигнала. Для нормальной работы приемного оборудования вполне достаточно напряженности поля, равной 10 мкВ/м, при этом от передатчика потребуется мощность всего 50 Вт.

Если вспомнить, что указанные значения мощности относятся к вещательной службе, то эффективность работы нашей системы становится очевидной: для связи по схеме “точка-точка” необходима мощность всего около 10 Вт. Конечно, все эти значения нуждаются в коррекции с учетом поглощения сигнала в атмосфере и ионосфере, но для большей части радиодиапазона поправка будет невелика. Вызванное этими причинами небольшое снижение напряженности поля на краях зоны обслуживания легко компенсируется применением облучателя с неравномерной диаграммой направленности.

Данная система будет работать значительно эффективнее службы телевещания в Лондоне, использующей передатчик мощностью около 3 кВт, для обслуживания территории радиусом примерно 50 миль (80 км) [5].

Второй важнейшей проблемой является обеспечение электроэнергией многочисленных передатчиков разных служб. В пространстве за пределами атмосферы на один квадратный метр поверхности, перпендикулярной направлению распространения солнечных лучей, падает 1,35 кВт энергии [6]. Солнечные двигатели для наземного применения уже разработаны и являются неплохим решением для тропических стран. В них используются зеркала, фокусирующие солнечный свет на котле парового двигателя низкого давления. Хотя такая машина (в условиях Земли) работает не очень эффективно, она может стать значительно более эффективной в космосе, где все ее элементы будут находиться в вакууме, излучение является интенсивным и постоянным, а низкотемпературный конец цикла близок к абсолютному нулю. Прогресс в областях термо- и фотоэлектроники, возможно, обеспечит более прямое использование солнечной энергии.

Зеркало радиусом 50 м примет более 10 тыс. кВт энергии, по крайней мере четверть которой станет доступной для использования.

Станция будет постоянно находиться в потоке солнечного света, за исключением тех нескольких недель около дней равноденствия, в которые она ежедневно на несколько минут будет попадать в тень Земли. Для проведения расчетов положим, что Земля неподвижна, а Солнце обращается вокруг нее. Станция соприкоснется с тенью Земли в точке А в последний день февраля (рис. 4). С каждым днем, совершая свое суточное обращение вокруг Земли, она все глубже будет заходить в ее тень, достигнув максимального времени затенения 21 марта. В этот день станция будет находиться в тени 1 ч 9 мин. Затем время затенения начнет уменьшаться, и после 11 апреля (точка В) станция снова будет постоянно на свету вплоть до возникновения аналогичной ситуации через 6 мес, в период времени, близкий к осеннему равноденствию, - с 12 сентября по 14 октября. Общее время затенения составит примерно два дня в году, а поскольку максимальное время затенения в течение суток будет немногим более часа, то не составит труда накопить достаточное количество энергии для обеспечения непрерывности обслуживания.

Заключение

Космическая станция имеет следующие преимущества:

1. Она является единственным средством, обеспечивающим полное радиопокрытие всего земного шара с предоставлением всех типов услуг.
2. Можно использовать полосу частот шириной 100 тыс. МГц, а применяя лучи, реализовать практически неограниченное число каналов.
3. Энергетические потребности станции очень низкие, поскольку эффективность “освещения” (обслуживаемой территории) близка к 100%. Кроме того, стоимость энергии очень мала.
4. Как бы ни была велика начальная стоимость станций, она составит всего лишь небольшую часть тех средств, которые пришлось бы затратить на создание наземной сети всемирного масштаба, да и эксплуатационные затраты будут несравнимо меньше.

Приложение. Разработка ракет

Создание достаточно мощных ракет, способных развить орбитальную скорость и выйти в открытый космос, сейчас является делом всего лишь нескольких лет. В этой связи ниже мы дали расчеты, которые могут представлять определенный интерес.

Итак, ракета должна развить скорость 8 км/с. Добавим еще 2 км/с на корректировку курса и преодоление сопротивления воздуха и получим в результате 10 км/с. Основное уравнение движения ракет [2] таково:

V = v loge R, где V - конечная скорость ракеты, v - скорость истечения газов из ее сопла и R - отношение начальной массы ракеты к ее конечной массе (массе полезной нагрузки). Скорость истечения газов у современных ракет на жидком топливе составляет 2-2,5 км/с, но новые конструкции ракет и виды топлива обеспечат гараздо более высокие значения этого показателя. (Кислородно-водородное топливо гарантирует скорость истечения 5,2 км/с, но известны и более мощные комбинации компонентов.) Если положить v равным 3,3 км/с, то R составит 20:1. Однако ракета теряет скорость из-за воздействия гравитации. При постоянном ускорении ракеты a (выражается в метрах на секунду в квадрате) необходимое отношение масс вычисляется по формуле Ro = R(а+g)/а. Для автоматически управляемой ракеты a равно 5g, а, значит, отношение R должно быть 37:1. Такого значения нельзя достигнуть при использовании единой ракеты - потребуется применение ступенчатой конструкции [3].

Эпилог. Атомная энергия

Открытие атомной энергии на полвека приблизило наступление эры космических путешествий. Можно предположить, что ракеты с атомными двигателями появятся не позже чем через 20 лет. Они смогут долететь даже до самых удаленных планет и будут иметь фантастически низкое отношение массы топлива к своей общей массе - всего несколько процентов. Приведенные в приложении уравнения останутся верными, но v увеличится раз в тысячу.

В свете изложенных фактов кажется неразумным затрачивать значительные усилия на создание релейных линий большой протяженности. Даже местные сети, которые скоро будут построены, проработают всего 20-30 лет.

Литература

1. Hansell C. W. Radio-Relay
Systems // Proc. I.R.E. 1945.
Vol. 33. March.

2. Lay Willy. Rockets. Viking Press. N.Y.

3. Noordung Herman. Das Problem
der Befahrung des Weltraums.

4. Hund A. Frequency Modulation. McGraw Hill.

5. MacNamara, Birkinshaw. London
Television Service // J.I.E.E. 1938. Dec.

6. Abbot C. G. The Sun. Appleton Century Co.

7. Journal of the British Interplane-
tary Society. 1939. Jan.




  
1'2001
СОДЕРЖАНИЕ

колонка редактора

• Говорить или молчать?

бизнес

• К инвестициям через реорганизацию

• Государственный регистр населения - крупнейший проект в области информатизации России

• Электропитание четкое, как часы

• Huawei: за десять лет - в десятку

локальные сети

• Магистрали микронных размеров

• Насколько актуально активное тестирование кабельных систем?

• Вездесущий пластик

• Выбирайте автозагрузчик магнитных лент

корпоративные сети

• Кто на свете всех милеее?

• Повышение производительности Linux-систем

• Динамическая DNS: большие удобства - большие хлопоты

• Управление сетью удаленного офиса

системы учрежденческой связи

• Наступление IP-телефонии. Вы готовы?

услуги сетей связи

• VoIP в России. Как корабль назовете...

• WAP как он сеть

• Внеземные релейные линии. Могут ли ракетные станции обеспечить всемирное радиопокрытие

защита данных

• Обеспечение безопасности среды NetWare 5

• Cтратегия риск-менеджмента

электронная коммерция

• Магазин на дискете

• Пересечение HTML и XML

новые продукты

• Зеленоградские модемы, Новые устройства хранения данных компании Hewlett-Packard, Модифицированное радиорелейное оборудование АО "Радиус-2"

только на сервере

• Новая парадигма написания сценариев

• Резервирование сервера DHCP, или Как снизить простои в сети


КАЛЕЙДОСКОП



 Copyright © 1997-2007 ООО "Сети и Системы Связи". Тел. (495) 234-53-21. Факс (495) 974-7110. вверх