Как было получено изображение обратной стороны Луны

Передача сигналов с борта космической станции на Землю

Важнейшей проблемой, возникшей при фотографировании изображения Луны, явилась проблема передачи радиосигналов на большие расстояния. Как известно, дальность действия систем радиосвязи зависит от излучаемой мощности радиопередатчика, направленности антенн, чувствительности приемных устройств, потерь при излучении и приеме и т. д. Создавая межпланетную автоматическую станцию, советские специалисты должны были решить сложные задачи конструирования бортовой и наземной аппаратуры. Конструкторы и ученые стремились к тому, чтобы бортовая аппаратура космической станции имела минимальный объем, небольшой вес и потребляла немного электрической энергии. Большое внимание было уделено надежности работы бортовых радиотехнических устройств.

Рассмотрим теперь подробнее, как осуществляется передача сигнала с космической станции. Для этого представим себе передающую антенну космической лаборатории в виде точечного излучателя (рис. 12), излучающего энергию равномерно во всех направлениях. На расстоянии R от точки излучения вся излучаемая в пространство энергия будет проходить через поверхность воображаемой сферы, имеющей радиус R. Приемная антенна на Земле способна уловить энергию электромагнитных колебаний, пронизывающих лишь ограниченную площадь, которую мы обозначим Sпр.

Отношение энергии Рпр, принятой на Земле, ко всей энергии РК, излучаемой бортовым радиопередатчиком, можно определить из выражения

т. е. эта энергия будет равна отношению площади приемной антенны к площади сферы, описанной радиусом, равным расстоянию между точками приема и передачи.

Рис. 12. К расчету излучаемой передатчиком межпланетной станции энергии, достигающей наземной приемной антенны.

Величина SПР зависит от геометрической конфигурации приемной антенны. Допустим, что SПР = 1 м2. Тогда при максимальном удалении радиопередатчика автоматической межпланетной станции от Земли, равном 470 000 км (с этого расстояния именно и производилась передача) получим:

Полученный результат говорит, что при наибольшем удалении от Земли каждый ватт мощности, излучаемой радиопередатчиком автоматической межпланетной станции, соответствует на земной поверхности потоку энергии, примерно в три раза меньшему одной миллиардной от одной миллиардной доли ватта на каждый квадратный метр земной поверхности. В произведенном подсчете не учтены потери энергии на поглощение в ионизированных слоях атмосферы и на отражение от Земли и верхних участков атмосферы. Таким образом, действительная доля принимаемой энергии будет даже меньше расчетной. Очевидно, что уверенный прием таких слабых сигналов осуществлять очень трудно.

Что же можно предпринять для увеличения энергии принимаемых радиосигналов?

Для этой цели можно было бы использовать антенны направленного действия. Направленным действием, как известно, называют способность антенны излучать энергию в нужном направлении (если речь идет о передающей антенне) или принимать сигналы с нужного направления (если речь идет о приемной антенне). Из этого следует, что желательно было бы передающие антенны автоматической межпланетной станции сконструировать так, чтобы по возможности можно было облучать только ту площадь Земли, на которой установлены приемные антенны, и не излучать энергии в других направлениях.

Однако добиться направленного действия антенны космической лаборатории трудно из-за вращения станции вместе с установленными на ней антеннами, т. е. вследствие изменения ориентации антенны по отношению к земным наблюдательным пунктам. Для того, чтобы связь со станцией не прекращалась при ее вращении, антенны станции излучают радиосигналы равномерно во всех направлениях, так что мощность излучения, приходящаяся на единицу поверхности, будет одинаковой для всех точек воображаемой сферы, в центре которой находится передатчик станции.

Ввиду того что в наземную приемную антенну попадает лишь часть излучаемой энергии, которая определяется отношением эффективной площади приемной антенны к поверхности воображаемой сферы с радиусом, равным расстоянию от космической станции до при-емкого пункта, то вполне естественным является стремление использовать большие приемные антенны, обладающие большим коэффициентом направленного действия.

В теории приемных антенн доказывается, что наибольшая полезная мощность, которую способна отдать приемная антенна на вход приемника, выражается формулой

где S — плотность потока электромагнитной энергии, вт/м2;

λ — длина волны, м;

GM — наибольший коэффициент усиления антенны, под которым понимают число, показывающее, во сколько раз большая, мощность поступает на вход приемного устройства при приеме на антенну данного типа по сравнению с мощностью, которую можно получить, применяя в качестве приемной антенны простой полуволновый вибратор.

Величина коэффициента усиления Gм связана с коэффициентом направленности антенны D следующим соотношением:

где ηΑ — к. п. д. антенны.

Допустим, что коэффициент направленного действия приемной антенны составляет 60, а к. п. д. — 0,9; тогда максимальная энергия принятого сигнала на входе приемного устройства для S = 0,364·10-18вт/м2 и λ = 15 м будет равна:

Что же мешает приему таких сигналов? Казалось бы, что может быть проще: если надо получить на выходе приемного устройства определенный уровень сигнала, то нужно лишь увеличить число усилительных каскадов и проблема будет решена. Однако решение этой проблемы затрудняется не малой величиной принимаемого сигнала, а наличием помех радиоприему. Действительно, каким бы малым ни был входной сигнал, его можно усилить в любое число раз, но вместе с полезным сигналом усиливаются и паразитные сигналы. А если мощность шумов превышает мощность полезного сигнала, то каков смысл их совместного усиления?

Существует множество природных источников электромагнитных колебаний. Любая электрическая искра — это уже очаг возникновения электромагнитных волн. Непрерывно создаются радиопомехи атмосферными электрическими разрядами. Мешают радиоприему всевозможные промышленные установки и приборы, порождающие электромагнитные колебания. Такими установками являются высокочастотные промышленные устройства, электромедицинское оборудование, электротранспорт, автомобили, электросварочное оборудование и др. К внешним источникам шумов относят также непостоянство напряжений источников питания, механические вибрации и т. д. Кроме того, Земля облучается электромагнитными колебаниями космического происхождения. Все эти мешающие радиоизлучения по своей физической природе такие же, как и радиосигналы, — вот почему так трудно преградить им путь в радиоприемник.

Правда, в диапазоне волн, используемых на третьей космической ракете, внешние помехи действуют слабо. Но в этом радиодиапазоне, как и в любом другом, имеется еще один источник помех, не упоминавшийся нами ранее. Этим источником является само радио-приемное устройство. Появление помех в радиоприемнике объясняется так называемыми электрическими флуктуациями в его различных деталях и узлах (сопротивлениях, конденсаторах, катушках, радиолампах). Флуктуации приводят к тому, что на концах сопротивлений и в контурах приемника из-за беспорядочного движения свободных электронов непрерывно возникают меняющиеся электрические напряжения, даже тогда, когда на входе приемника нет никаких сигналов. При этом величина напряжения флуктуаций пропорциональна величине активной составляющей сопротивления цепи. Обычно для оценки величины флуктуационного напряжения пользуются его так называемым среднеквадратичным значением. Если величина активного сопротивления участка цепи не зависит от частоты, то спектр флуктуационного напряжения оказывается практически равномерным вплоть до ультравысоких частот. Для подсчета напряжения шума принимают во внимание лишь те частотные составляющие флуктуационного напряжения, которые лежат в пределах полосы пропускания устройства.

Мешающие напряжения порождаются и радиолампами. Ламповые шумы вызываются отклонениями величин анодного и сеточного токов от средних значений при неизменных напряжениях питания. Основная причина колебаний анодного и сеточного токов заключается в том, что ток эмиссии не остается постоянным вследствие непрерывного статистического изменения числа электронов, вылетающих из катода. Это явление носит название дробового эффекта.

Для удобства расчетов обычно считают, что анодный ток идеально постоянен и что флуктуации анодного тока вызваны некоторым переменным напряжением, приложенным между сеткой и катодом лампы. Считается, что это напряжение создается флуктуациями зарядов в некотором эквивалентном по шуму сопротивлении. Величина этого шумового сопротивления определяется параметрами и режимом работы лампы; оно возрастает при увеличении количества сеток.

Флуктуации величины сеточного напряжения лампы вследствие непостоянства сеточного тока пропорциональны корню квадратному из величины сеточного тока. Отсюда следует, что если необходимо уменьшить уровень шумов, то лампу желательно использовать при возможно меньших сеточных токах.

Особенно вредны шумы, возникающие в первом каскаде радиоприемника (во входном контуре и первой лампе).

Хотя общее напряжение шумов незначительно по величине и составляет лишь ничтожные доли вольта, оно оказывается соизмеримым с уровнем сигнала автоматической межпланетной станции и может даже превзойти во много раз уровень полезного сигнала. При этом надо учитывать и то, что в самом сигнале изображения передающего телевизионного устройства имеются помехи, обусловленные различными элементами аппаратуры, в том числе флуктуациями тока луча проекционной трубки, флуктуациями фототока, тока вторичной эмиссии в фотоэлектронном умножителе и т. д.

Если величина помех на входе первого усилительного каскада, вызываемых различными причинами, превышает уровень принимаемого сигнала, прием этого сигнала будет затруднен или вообще невозможен, так как в последующих каскадах приемника шумы будут усиливаться в огромное число раз. Таким образом, предельная чувствительность приемника ограничена помехами, т. е. уровнем помех определяется наименьший уровень сигнала, который может быть принят данным радиоприемным устройством. В телевидении считается, что для получения хорошего качества телевизионного изображения амплитуда полезного сигнала должна превосходить эффективное значение шумового напряжения не менее чем в несколько десятков раз.

Принимая различные меры, можно уменьшить уровень помех, вызываемых внешними причинами. Шумы же, возникающие в передающем и приемном устройствах из-за электрических флуктуаций, неизбежны. Их удается ослабить, но совсем устранить невозможно, так как мы не в состоянии остановить тепловое движение молекул.

Рассмотрим теперь понятие мощности шумов. Любое активное сопротивление, являясь источником шумов, при подключении его ко внешней цепи может выделить в этой цепи шумовую мощность, наибольшее значение которой выражается формулой