Со времени запуска первого советского искусственного спутника Земли (ИСЗ) мысль о возможности использования спутников для увеличения дальности действия УКВ радиолиний приобрела реальную основу. Создание новых систем спутников, запускаемых на различные орбиты, разработка антенн с большим коэффициентом усиления, использование квантовомеханических усилителей, позволяющих значительно повысить чувствительность наземных приемных устройств, а также создание передатчиков большой мощности и применение весьма эффективных методов модуляции дали возможность решить задачу использования искусственных спутников Земли для дальней УКВ радиосвязи, передачи телевидения, наблюдения за погодой.
Подобные радиолинии состоят из наземной приемной и передающей станций и некоторого числа спутников, выполняющих роль промежуточных станций. Спутники могут работать как активные и как пассивные ретрансляторы.
Пассивные ретрансляторы обычно представляют собой пустотелые шары диаметром несколько десятков метров, поверхность которых металлизирована. Так, американский спутник «Эхо-2», запущенный в 1964 г., представляет собой надувной шар диаметром 41 м. Пассивные ретрансляторы делятся на стабилизированные, ориентированные определенным образом относительно Земли, и нестабилизированные. Стабилизированные пассивные ретрансляторы требуют применения электронных систем управления пространственным положением аппарата, что ликвидирует их основное достоинство — простоту.
Пассивные ретрансляторы отличаются большой надежностью, долговечностью и могут служить для передачи широкой полосы частот без искажений. Недостатком пассивных ретрансляторов является требование большой мощности наземных передатчиков и высокого коэффициента усиления передающих и приемных антенн. Мощность сигнала в приемной антенне сильно ослаблена: она оказывается обратно пропорциональной квадрату произведения расстояний от передающей антенны до спутника и от спутника до приемной антенны.
При применении активных ретрансляторов на спутнике принятый с Земли сигнал усиливается и затем передается на приемную наземную станцию. Активные ретрансляторы могут работать с задержкой и без задержки. При работе с задержкой принятый над передающим пунктом сигнал на спутнике «запоминается» и передается в нужном месте над другим пунктом на приемную станцию. При работе без задержки спутник непрерывно передает принятые сигналы, только на другой частоте.
Активные ретрансляторы требуют установки на спутниках приемно-передающих устройств, что снижает надежность и долговечность их работы. При использовании активных ретрансляторов не предъявляется высоких требований к мощности наземного передатчика и направленности наземных антенн. Для получения одной и той же мощности в приемной наземной антенне активный спутник-ретранслятор должен иметь существенно меньшую массу, чем пассивный. Активный спутник позволяет передать больше информации в единицу времени, чем пассивный.
Сложным вопросом является выбор орбиты для каждого конкретного спутника с учетом его назначения. Необходимо учитывать количество и расположение наземных пунктов, характер передаваемой информации, параметры ракеты-носителя, влияние космических условий — рентгеновского и ультрафиолетового излучения и много других факторов.
Понятно, что ретрансляция возможна только в те отрезки времени, когда спутник находится в пределах прямой видимости от передающей и приемной наземных станций. Оказывается, что зона видимости существенно расширяется только при увеличении высоты спутника до 8000 км, дальнейшее увеличение высоты влияет мало. С точки зрения постоянства зоны связи и постоянства уровня сигнала выгоднее круговые орбиты с постоянным расстоянием от поверхности Земли. Но эллиптическая орбита может экономичнее обеспечивать работу радиолиний в ограниченном диапазоне широт, например над территорией Советского Союза. С другой стороны, уровень сигнала при эллиптической орбите непостоянен, так как меняется расстояние до спутника и необходимо менять усиление сигнала. Установлено, что если высота спутника не превышает 9250 км, то можно применять сравнительно простые спутники и устанавливать на них ненаправленные антенны. На больших высотах целесообразно применять направленные стабилизированные антенны.
Для обеспечения непрерывной радиосвязи между двумя пунктами необходимо несколько спутников и тем больше, чем ближе к Земле проходят их орбиты.
Весьма привлекательной представляется мысль об использовании стационарных спутников, скорость движения которых выбрана таким образом, что они постоянно находятся над одним и тем же пунктом на поверхности Земли, как бы «висят» над Землей. Система из трех таких спутников могла бы обеспечить прием и передачу радио и телевидения в любые точки земного шара, кроме приполярных районов. Однако выход из строя одного спутника нару
шает работу всей системы; необходима большая мощность передатчиков, устанавливаемых на спутниках, а также возникает ряд других сложностей.
Выбор экономически выгодного варианта системы спутниковой радиолинии весьма сложен. Стоимость радиолинии распределяется между стоимостью самого спутника, стоимостью его запуска и стоимостью наземных станций. Радиолиния оказывается экономически оправданной, если продолжительность безотказной работы спутника составляет несколько лет.
Выделение диапазона рабочих частот для спутниковых радиолиний также оказалось нелегкой задачей. Пригодны только УКВ, поскольку только для этих волн ионосфера прозрачна. Диапазон УКВ сильно загружен, и частоты, выделенные для спутниковых радиолиний, совпадают с частотами некоторых наземных радиолиний. Необходимо применять специальные меры по устранению взаимных помех на этих линиях путем ограничения мощности передатчиков и ориентации направленных антенн.
Установлено, что оптимальные условия работы с точки зрения ослабления сигнала и уровня внешних шумов имеют место на частотах 2000—6000 МГц. Сигнал, принимаемый на земле, оказывается очень слабым, поскольку мощность передатчика на спутнике ограничена источниками питания и не превосходит 50 Вт, а потери на сферическую расходимость волны (в свободном пространстве) достигают 150 дБ. Прием таких слабых сигналов приводит к необходимости применения очень больших приемных антенн и приемников с малым уровнем шумов.
Расчет мощности в приемной антенне или необходимой мощности передатчика при заданной мощности в приемной антенне ведется по формуле (3). Кроме того, необходимо учесть потери энергии волны в тропосфере и ионосфере.