Космические радиолинии решают следующие основные задачи: радиосвязь пилотируемых космических кораблей с Землей и между собой; радионаблюдение за полетом и управление полетом космических кораблей; передача с космического корабля радиотелеметрической информации (результатов измерений режима работы аппаратуры, параметров полета, данных научных наблюдений); изучение космоса, поверхностей и атмосфер планет; сбор метеорологических данных.
Траектория искусственных спутников Земли и космических кораблей имеет три характерных участка. На начальном, стартовом участке траектории спутник с ракетой-носителем при работающих двигателях движется в сравнительно плотных слоях атмосферы, где происходит отделение отработанных ступеней ракеты. На втором участке траектории скорость движения спутника несколько превышает первую космическую скорость, и движение вокруг Земли происходит по эллиптической орбите в сильно разряженной атмосфере.
Скорость космического корабля на втором участке траектории превышает вторую космическую скорость, корабль выходит из поля тяготения Земли и движется в межпланетном пространстве. Протяженность радиолинии космический корабль — Земля может достигать сотен миллионов километров. Третий участок траектории соответствует возвращению спутника или корабля и вхождению его в плотные слои атмосферы. На первом и третьем участках траектории расстояния от наземных станций до спутника невелики, и распространение радиоволн осуществляется в пределах прямой видимости. На распространение радиоволн на этих участках траектории основное влияние оказывает образующийся вблизи спутника ионизированный газ. электронная плотность которого на несколько порядков выше, чем в ионосфере.
Основной проблемой при изучении распространения радиоволн на первом восходящем участке траектории спутника или космического корабля является влияние ионизации струи газа, истекающего из сопла ракетного двигателя. Во время включения ракетного двигателя струя газа не имеет четких границ и может окружить всю ракету. При этом газ содержит вещества, которые при высокой температуре струи легко ионизируются. Антенны, расположенные на спутнике или космическом корабле, оказываются окруженными оболочкой ионизированного газа, что приводит к ухудшению условий радиосвязи между спутником и Землей. Спустя некоторое время, необходимое для выхода двигателя на режим, струя двигателя приобретает определенную конфигурацию в виде расширяющегося потока. Электронная плотность убывает примерно обратно пропорционально расстоянию от сопла двигателя. Максимальная электронная плотность, имеющая место вблизи сопла двигателя, достигает 1011 э/см3.
Если рабочая частота достаточно высока, то радиоволны проходят через струю газа, испытывая при этом поглощение, которое уменьшается с повышением рабочей частоты.
По оценкам, имеющимся в литературе, при прохождении радиолинии через центральную, наиболее плотную часть струи поглощение на волне длиной 3 см составляет 3 дБ, а на метровых волнах радиосвязь оказывается невозможной.
На втором участке в зависимости от высоты нахождения спутника и от длины рабочей волны распространение радиоволн невозможно как в пределах прямой видимости, так и за ее пределами. На условия работы радиолинии оказывает основное влияние тропосфера и ионосфера Земли.
На радиолинии Земля — космический корабль определяющим является ослабление сигнала из-за большой протяженности трассы (формула (4)) и поглощение в атмосфере Земли.
График на рис. 64 иллюстрирует величину этих потерь в свободном пространстве для радиолиний различной протяженности, работающих в широком диапазоне частот. При построении графика считалось, что применяются ненаправленные антенны (Gпер = Gпр =l или Gпер (дБ) = Gпр (дБ) = 0).
На графике отмечены расстояния до Луны, Венеры, Марса. Потери увеличиваются с возрастанием рабочей частоты и на космических радиолиниях достигают очень больших значений. Например, на волне частотой 100 МГц на расстоянии 1000 км потери составят 133 дБ, а на трассе Земля — Луна (расстояние 384 400 км) — 184,6 дБ.
Диапазон частот, пригодный для работы радиолинии Земля — космический корабль или спутник, ограничен поглощающими и отражающими свойствами земной атмосферы. Радиоволны длиннее 10 м отражаются от ионосферы и поэтому непригодны для радиосвязи с объектами, находящимися за ее пределами. Поглощение радиоволн в ионосфере с повышением рабочей частоты убывает. При прохождении всей толщи ионосферы волнами, частота которых выше 100 МГц, поглощение не превышает 0,1 дБ. Во время внезапных вспышек поглощения потери возрастают.
Рассеяние поля радиоволн неоднородностями ионосферы и интерференция прямых и рассеянных волн приводит к замиранию амплитуды радиосигналов, прошедших через ионосферу. Для обеспечения непрерывного приема таких сигналов их расчетная мощность должна быть увеличена в метровом диапазоне волн на 2—6 дБ. Расчеты и наблюдения показывают, что влияние рассеяния падает с частотой и на волне 10 см необходим запас мощности только 0,1 дБ.
Верхняя граница частот, применимых на космической радиолинии, определяется поглощением радиоволн в тропосфере и достигает примерно 10 000 МГц. При расположении наземного корреспондента на высоте около 5 км над Землей верхняя граница рабочих частот может быть повышена до 40 000 МГц.
Для радиолинии Земля — ИСЗ, траектория которого проходит ниже основного максимума электронной плотности ионосферы, применимы КВ. Отражение и поглощение КВ в этом случае подчиняется тем же законам, что и на наземных радиолиниях.
При определении угловых координат космического объекта радиотехническими методами вследствие рефракции направление прихода волны, отраженной от объекта или излученной с него, не совпадает с истинным направлением на объект. Угол между истинным направлением на космический объект (АС) и касательной к траектории волны в точке расположения приемной антенны (АК) называется рефракционной ошибкой (угол Δφ на рис. 65). Для точного определения угловых координат космических объектов радиотехническими методами необходимо вносить поправки на рефракционные ошибки, которые определяются теоретическим путем. С достаточной степенью точности можно считать, что ошибки, вызванные рефракцией в тропосфере и ионосфере, суммируются.
Ошибки, вызванные влиянием тропосферы и ионосферы, соизмеримы при рабочей частоте около 200 МГц. На частотах 50—100 МГц тропосферную рефракцию можно не учитывать. На частотах выше 400 МГц ошибки, вносимые ионосферой, ничтожно малы. Тропосфера и ионосфера являются неоднородными средами, параметры которых непрерывно изменяются, отклоняясь от средних значений. Изменения коэффициентов преломления этих сред приводят к изменениям угла прихода радиоволн, и поправка на зенитный угол помимо среднего значения имеет изменяющуюся нерегулярную составляющую.
При определении расстояния до спутника или космического Корабля радиотехническими методами возникают ошибки, вызываемые тем, что не учитывается различие скоростей распространения волны в свободном пространстве и атмосфере — тропосфере и ионосфере.
Ошибка, вносимая тропосферой в определение расстояния, мало зависит от закона изменения показателя преломления тропосферы с высотой, совсем не зависит от рабочей частоты и может достигать 30—80 м. Величина ошибки, вносимой ионосферой, меняется с изменением электронной плотности в ионосфере, но мало зависит от закона изменения электронной плотности с высотой. С увеличением угла возвышения наблюдаемого объекта ошибка уменьшается. Ошибки, вносимые ионосферой в определение расстояний, на частоте 100 МГц при небольших углах возвышения наблюдаемого объекта могут достигать 2—4 км, а на частоте 1000 МГц они не превышают 40 м.
Многочисленные испытания возвращаемых спутников показали, что при вхождении спутника в плотные слои атмосферы, когда высота над поверхностью Земли не превышает 100 км, радиосвязь, со спутником становится невозможной. Понятно, что поддержание радиосвязи в случае приближения спутника к Земле особенно важно, когда на его борту находится экипаж.
Причиной отсутствия радиосвязи является образование вблизи спутника слоя ионизированного газа большой электронной плотности. Спутник приближается к Земле со сверхзвуковыми скоростями, достигающими 6—8 км/с. На высотах, где воздух достаточно плотный, перед спутником возникает ударная волна (рис. 66). За фронтом ударной волны происходит повышение температуры свыше 3000° и плотности газа до нескольких атмосфер.
При таких температурах молекулы газа приобретают большие скорости, и происходит процесс ионизации газа.
Ионизированный газ стекает вдоль боковой поверхности тела спутника. Пространство между телом и фронтом ударной волны увеличивается с расстоянием, а следовательно, электроны распределяются на больший объем и электронная плотность снижается, как это схематически показано на рис. 66 (густота точек качественно характеризует плотность электронов). Спутник оказывается окруженным раскаленным ионизированным газом, а за ним тянется ионизированный след большой протяженности до 10—20 км. Наибольшая электронная плотность образуется при движении спутника на высоте 40—60 км над поверхностью Земли, где они достигают 1015 э/см3. Следовательно, волны вплоть до миллиметровых не распространяются в этом ионизированном газе. Во всем радиочастотном диапазоне поглощение оказывается чрезвычайно большим, и выбором рабочей частоты невозможно улучшить условия радиосвязи. Даже в том случае, когда полного нарушения радиосвязи не происходит, присутствие поглощающего и отражающего ионизированного газа вблизи антенны приводит к изменению входного сопротивления антенны, рассогласованию ее с линией питания, искажению формы диаграммы направленности.
Для борьбы с нарушением радиосвязи при вхождении спутника в плотные слои атмосферы предлагают располагать антенны на боковой поверхности спутника в области меньшей электронной плотности. Делаются попытки уменьшить плотность ионизации введением деионизирующих веществ. Путем наложения постоянного магнитного поля стремятся улучшить условия прохождения радиоволн. Однако в настоящее время проблема осуществления радиосвязи со спутником при вхождении его в плотные слои атмосферы еще не решена.