Как спутник связи Telstar 1 совершил революцию в спутниковых коммуникациях

«Внимание, вы в Париже! Приглашаю вас провести со мной несколько приятных минут», — говорит диктор. И на телеэкранах миллионов американцев появляется парижская улица. А по ней, напевая песенку, прогуливается известный актер Ив Монтан. Примерно так выглядел дебют международного телевидения в далеком 1962 году. 

И стал он возможным благодаря первому телекоммуникационному спутнику NASA — Telstar 1. Давайте посмотрим на историю его создания, запуска и наследие. 

Что было до запуска Telstar 1

История беспроводного телевидения началась более 100 лет. В мае 1914 года Арчибальд Лоу впервые продемонстрировал свою телевизионную систему публике в Институте автомобильных инженеров Лондона. Она получила название TeleVista и широко освещалась в прессе по всему миру. Тогда это называли термином Seeing by Wireless — просмотр по беспроводной связи. Однако изначально система была протестирована при передаче по обычному телеграфному проводу.

Изобретение Лоу было не лишено очевидных недостатков. Главный из них — наличие селеновой ячейки, используемой для преобразования световых волн в электрические импульсы, с очень большим временем реакции. О комфортном просмотре фильма говорить не приходилось. Однако другие изобретатели принялись за усовершенствование идей Лоу. 

В 1920-х годах появляется множество систем так называемого механического телевидения, основанных на оригинальной конструкции диска Нипкова. Первая передача движущегося изображения произошла 2 октября 1925 года в лаборатории Джона Бэрда. В 1927 году конструкция была полностью переработана Фило Фарнсвортом (изобретатель электронного устройства — диссектора изображений). И параллельно наш соотечественник Владимир Звонарев в 1929 году, основываясь на работах Бориса Розинга, представил вакуумную приемную трубку — кинескоп, и передающая трубку — иконоскоп. 

Первой телевизионной станцией, начавшей регулярное вещание, стала WCFL, созданная Улиссом Санабрией. Она впервые вышла в эфир в Чикаго 12 июня 1928 года, а 12 мая 1929 года передала не только изображение, но и звук. Этот момент можно считать началом гонки между корпорациями, предлагающими телевизионное оборудование и услуги по трансляции, за аудиторию, которая хотела бы смотреть передачи у себя дома.

В 1936 году гигант индустрии RCA демонстрирует полноценную трансляцию с 343 строками и 30 кадрами в секунду высокой (по тем временам) четкости. Кстати, эту технологию использовала немецкая Telefunken во время трансляции знаменитых Олимпийских игр в Берлине. Одновременно в гонку включилась английская BBC — например, трансляция коронации Георга VI привела к продаже 9000 телевизоров. Появилась целая сеть из радиовышек и ретрансляторов, которые позволяли передавать ТВ-сигнал на сотни и тысячи километров. 

Кстати, в СССР телевизионные трансляции посредством радиосигналов официально начались 1 октября 1931 года, о чем писала газета «Известия»:

С 1 октября 1931 г. в Москве впервые в СССР начинаются регулярные передачи движущихся изображений (телевидения) по радио. Передачи организованы Московским радиовещательным узлом НКПиТ под руководством ВЭИ и будут происходить через радиостанцию МОСПС (волна 379 м) ежедневно.

В целом история телевидения — это тема для отдельной обстоятельной статьи. Важно понимать, что к началу Второй мировой войны беспроводные трансляции изображения уже не производили такого впечатления, как фильм «Прибытие поезда на вокзал Ла-Сьота».

Однако существовала общая проблема — радиовышки имели достаточно ограниченные зоны покрытия по понятным причинам. Конечно, их можно строить выше и увеличивать мощность. Но в любом случае, если житель Праги захочет посмотреть выступление комика из Нью-Йорка, это будет невозможно. Как преодолеть это ограничение и транслировать передачи через океан?

Первый вариант — проводной. В 1956 году компания AT&T проложила первый трансатлантический кабель TAT-1, соединивший Соединенные Штаты и Канаду с Великобританией для телефонии и передачи данных. Но технология на тот момент уже не удовлетворяла растущий спрос и имела недостаточную пропускную способность. Кабель имел только 36 независимых каналов передачи речи, а для его работы потребовалось установить 51 усилитель.

Другой вариант описал писатель-фантаст Артур Кларк в далеком 1945 году. В статье «EXTRA-TERRESTRIAL RELAYS» для журнала Wireless World он выдвинул идею искусственных спутников-ретрансляторов. Всего, по его мнению, хватило бы трех спутников, вращающихся на определенной орбите и расположенных под 120˚ относительно друг друга. Тем самым это позволило бы покрыть всю поверхность Земли и обеспечить связь между очень удаленными точками планеты без промежуточных звеньев. 

Правда, сам писатель предполагал, что на реализацию подобной технологии потребуется 50-100 лет. Как показало будущее, на это ушло меньше 20 лет.

Как запустили Telstar 1

4 октября 1957 года произошло эпохальное событие — в СССР запустили первый космический спутник Земли, который получил название «Спутник-1». На его борту находилась радиоаппаратура: 

• Две уголковые антенны. Одна имела плечи длиной 2,4 метра каждый (для связи в УКВ диапазоне), а другая — 2,9 метра (для КВ диапазона). 

• Радиостанция Д-200, которая поочередно передавала данные на частотах 20 и 40 МГц.

Успешная радиосвязь показала, что идеи Артура Кларка не лежали в плоскости фантастики. В 1958 году США запускают спутник связи SCORE и с его помощью отправляют рождественское поздравление от президента Эйзенхауэра. 

Дополнительно NASA посчитали, что можно «обойтись малой кровью» и в 1958-1959 годах разработали пассивный ретранслятор «Эхо-1». Этот аппарат, по сути, являлся большим воздушным шаром диаметром 30,5 метров, выполненным из полиэфирной пленки толщиной 0,013 мм, покрытой алюминиевым напылением. Сам спутник доставлялся на орбиту в свернутом состоянии, после чего внутрь закачивался газ, и он разворачивался. 

Для того, чтобы точно направлять на спутник радиосигнал, в городке Холмдел (штат Нью-Джерси) была построена специальная рупорная антенна на территории объекта Bell Labs. Её максимальный диаметр — 6,1 метров при длине 15 метров. Ширина излучаемого луча — 1,5˚ на частоте 2,39 ГГц, с коэффициентом усиления 43,3 дБ. Вторая антенна DSS 11 располагась в Голдстоуне, Калифорния — она была построена в 1958 году и параллельно использовалась для связи с аппаратами Pioneer. 

«Эхо-1» был запущен 12 августа 1960 года на ракете Delta DM-19 с Мыса Канаверал. Спутник успешно проработал до 1968 года. Он позволил проверить возможность пассивной передачи сигнала и использовался для научных исследований. Одно из них привело к удивительному открытию. 

В 1963 году молодые исследователи Арно Пензиас и Роберт Вильсон, работавшие в Bell Labs, получили разрешение на использование радиотелескопа, обеспечивавшего связь со спутником. В процессе работы они никак не могли избавиться от фонового шума, который мешал стабильной передаче. Дальнейшие исследования показали, что это было так называемое реликтовое излучение, которое пронизывает всю Вселенную. За его открытие Пензиас и Вильсон в 1978 году получили Нобелевскую премию. 

В 1964 году был запущен аппарат «Эхо-2», который имел диаметр 40 метров. Кстати говоря, из-за достаточно низкой орбиты и отличных отражающих свойств оба аппарата были отлично заметны с Земли даже невооруженным глазом и светились ярче большинства звезд.

Однако пассивные ретрансляторы обладали огромными недостатками: например, не имели усиливающей аппаратуры, из-за чего сигнал ослабевал и был крайне нестабилен. Ни о какой массовости и коммерческой составляющей не было и речи. Поэтому решили создать спутник с активным ретранслятором, который бы питался от солнечных батарей. 

Первой «ласточкой» стал военный экспериментальный спутник Courier 1B, который был запущен 4 октября 1960 года. Он работал в диапазоне 1,8-1,9 ГГц и предназначался для приема фотографий, хранения их на магнитофонах и последующей передаче со скоростью 55 000 бит в секунду. Сама сфера массой 225 кг была покрыта 19 200 солнечными элементами, которые заряжали 60 Вт никель-кадмиевые аккумуляторы. После успешной передачи сообщений спутник вышел из строя через 17 дней.

Таким образом, NASA были готовы к следующему шагу — созданию и запуску постоянного телекоммуникационного спутника связи. 

Но очевидно, что он стоил бы немалых денег, да и для использования всех его возможностей требовалось дополнительное коммерческое участие — ведь NASA не являлось телевещательной компанией. Поэтому она обратилась к AT&T Bell Labs. Дополнительно подключили британские и французские коммуникационные компании. 

В результате родилась концепция — создать целую сеть из спутников (от 50 до 120), которые бы вращались на высоте порядка 11 тысяч километров и полностью покрывали всю Землю. По расчетам инженеров Bell Labs, на это потребовалось 25 равномерно распределенных наземных станций. По прикидкам 1961 года, проект оценивался в 500 млн долларов — огромная сумма, которую могла бы потянуть как раз только такой гигант, как AT&T. Причем компания компенсировала NASA 6 млн долларов и взяла на себя все расходы — требовалось только предоставить ракету-носитель.

Сам проект получил название Telstar, а за руководство по созданию первого аппарата Telstar 1 отвечал главный инженер Джон Пирс — человек, который придумал термин «транзистор» и участвовал в создании первой модели этого устройства. Кстати, подробнее про транзисторы можно прочитать в этой статье.

Для Telstar 1 требовалось:

• Обеспечить полностью автономную работу в течение многих лет — то есть использовать солнечные батареи и сократить энергопотребление до минимума. 

• Добиться того, чтобы пропускная способность была на высоком уровне — 600 каналов односторонней телефонной связи, 12 каналов двусторонней связи или одна телевизионная передача в реальном времени. 

• Сделать так, чтобы электроника сохраняла устойчивость даже в условиях жесткого космического излучения и перепадов температур. 

• Добиться компактных размеров и небольшого веса — чтобы в будущем ракеты-носители смогли выводить на орбиту сразу несколько спутников. 

Пирс и команда инженеров Bell Labs занималась разработкой Telstar 1 с 1960 по 1962 годы. В результате получился аппарат в форме шара диаметром 87 см и весом 77 кг, полностью покрытый 3600 небольшими солнечными ячейками, которые суммарно вырабатывали в пике до 15 Вт электроэнергии. Для непрерывной работы использовался блок никель-кадмиевых батарей. 

Большая часть схем была организована на основе транзисторов, что существенно снижало энергопотребление спутника. Непосредственное усиление сигнала в диапазоне от 40 до 70 дБ обеспечивалось при помощи TWT лампы — «усилителя на лампе бегущей волны» с энергопотреблением чуть больше 2 Вт.  

По окружности спутника располагался массив из 72 принимающих антенн (частота 6,39 ГГц) и 48 передающих (частота 4,17 Гц) — это было важно из-за постоянного вращения спутника вокруг своей оси. Верхняя приемная антенна использовалась для приема команд управления с Земли.  

«Telstar ставил перед нами проблемы такой величины, с которыми мы не сталкивались в Echo. Транзисторы и лампа бегущей волны были ключевыми компонентами, но они должны были выдержать запуск ракеты и выжить в течение длительного времени в космосе», — вспоминал Джон Пирс

Сам спутник должен был вращаться на низкой околоземной орбите. Перигей составлял 957 км, апогей — 5642 км. При этом Telstar 1 совершал бы полный оборот вокруг Земли за 2,5 часа и обеспечивал бы связь между США и Европой примерно на 23 минуты. 

Разумеется, для связи со спутником нужны были серьезные приемные и передающие станции на Земле с большими антеннами — мощность активного передатчика на Telstar 1 была слишком небольшой. Для этого использовались объекты:

• В Андовере (США, штат Мэн), где была построена рупорная антенна с параболическим отражателем и мощностью до 2 кВт. Длина антенны составляла 54 метров, площадь выходного отверстия 330 квадратных метров при общем весе конструкции 380 тонн. Расположение было оптимальным для передачи данных в Европу из-за наиболее короткого расстояния по окружности Земли.   

• Племер-Боду (Франция) была построена аналогичная антенна. Как и в случае с антенной в Андовере, она помещалась в огромный купол высотой с семиэтажный дом.

• Гунхилли, Великобритания, использовалась обычная параболическая антенна диаметром 26 метров. 

Более подробное описание технических характеристик Telstar 1 и наземных станций с расчетами можно посмотреть в документации NASA. Также рекомендуем документальный фильм Bell Labs 60-х годов о его производстве.

Как использовали Telstar 1

Запуск первого телекоммуникационного спутника состоялся 10 июля 1962 года при помощи ракеты-носителя Delta DM-19 — той же самой, что выводила на орбиту «Эхо-1». Это был первый космический запуск в сотрудничестве с частной компанией — сейчас это традиционный формат работы. 

Событие широко разрекламировали в СМИ — людям казалось, что теперь во Франции или Великобритании смогут смотреть передачи из США чуть ли не круглосуточно. Но напомним, что по факту связь работала всего порядка 23 минут в день.

Несмотря на удачный запуск, случилась непредвиденная ситуация. Накануне запуска Telstar 1, 9 июля США провели ядерные испытания Starfish Prime в космосе — проще говоря, взорвали атомную бомбу 1,4 мегатонны на высоте 400 км над атоллом Джонстон в Тихом океане. Из-за этого произошел мощный электромагнитный импульс, а также концентрация заряженных частиц в радиационном поле выросла в 2-3 раза. Некоторые спутники на орбите были выведены из строя сразу: TRAAC (но он успел передать данные об увеличении радиационного фона) и Transit 4B. Другие же получили серьезные повреждения, из-за которых связь с ними была потеряна в течение нескольких месяцев —  например, наш «Космос-5». 

Жертвой ядерных испытаний стал и Telstar 1. Забегая вперед: после выхода на орбиту часть его схемотехники начала выходить из строя из-за повышенного воздействия радиации, что сильно сократило срок его службы. Однако на первых порах принимающая и передающая аппаратура работали без нареканий. 

Первый сеанс связи состоялся уже 11 июля 1962 года между Андовером и Племер-Боду — во Францию передали картинку с развевающимся американским флагом. На следующий день 12 июля уже французы передали изображение парижской улицы и задорную песенку в исполнении Ива Монтана, который увидели телезрители — о чем мы говорили в самом начале. 

Но по-настоящему историческое событие произошло 23 июля 1962. Несколько сотен миллионов зрителей с обеих сторон Атлантики, в шестнадцати странах, смотрели пресс-конференцию президента США Джона Кеннеди, где речь шла о стоимости доллара. Причем президент отдельно подчеркнул, что сейчас его выступление транслируется через Telstar 1. 

Ситуация была напряженной: европейские рынки золота были нестабильны из-за информации о том, что США девальвируют доллар. Когда репортер спросил о слухах, Кеннеди решительно их опроверг, что почти сразу повлекло за собой укрепление доллара в Европе. 

Во время трансляции еще показали фрагмент бейсбольной игры между Philadelphia Phillies и Chicago Cubs со стадиона в Чикаго, а также изображения объектов NASA. 

Помимо этого Telstar 1 использовался:

• Для синхронизации времени между США и Великобританией.

• Передачи данных между компьютерами IBM 1401: один располагался в Эндикотте (США), а другой — в Ла-Годе (Франция). 

• Телефонных разговоров высокопоставленных лиц: например, вице-президент Линдон Джонсон общался с послом США во Франции.

• Для показа новой коллекции Dior в прямом эфире.

Ну и для многих других событий. Однако последствия ядерных испытаний стали сказываться на работе спутника уже в ноябре 1962 года. Из-за деградации электроники и солнечных батарей телевизионные трансляции были прекращены. В декабре 1962 года спутник окончательно прекратил работу. Попытки наладить с ним связь до января 1963 года не увенчались серьезными успехами. 

Наследие Telstar 1

Можно точно сказать, что за четыре месяца активной работы Telstar 1 навсегда изменил представление человечества о возможностях передачи сигнала. Например:

• Джон Кеннеди не только упоминал о нем перед своей знаменитой пресс-конференцией, но и подписал «Акт о спутниках связи» — он официально коммерциализировал всю отрасль.

• Папа Иоанн XXIII во время проповеди отметил, что Telstar «помог укрепить братство между народами и ознаменовал новый этап мирного прогресса».

• В честь Telstar был назван официальный мяч ЧМ-1970 в Мексике — Adidas Telstar. 

• Был выпущен аж целый одноименный альбом британской группы The Tornados.

«Запуск Telstar стал поворотным моментом в истории глобальных коммуникаций. Это был поворотный момент в истории земного шара», — Уэйн Клаф, секретарь Смитсоновского университета

7 мая 1963 года на орбиту был выведен спутник Telstar 2 при помощи ракеты-носителя Delta B. Помимо основных телекоммуникационных задач, он также использовался для анализа энергий в поясе Ван Аллена. Проработал до 16 мая 1965 года. 

26 июля 1963 года был запущен спутник геосинхронный спутник связи Syncom 2 — на его борту также было установлено активное трансляционное оборудование. Например, с его помощью Джон Кеннеди в августе 1963 года, за 3 месяца до своего убийства, пообщался с премьер-министром Нигерии. 

Успех спутниковой связи был настолько большим, что в 1964 году была создана международная организация International Telecommunications Satellite Organization (ITSO). В нее сразу же вошли 11 стран. Сейчас организация называется Intelsat. 

23 апреля 1965 года в СССР вывели на орбиту первый спутник связи «Молния-1». Благодаря его работе, жители Дальнего Востока смогли в прямом эфире наблюдать за первомайским парадом в Москве. Впоследствии было запущено еще пять спутников этой серии. По аналогии с ITSO, страны соцлагеря в 1971 году создали свою организацию «Интерспутник», членами которой стали девять государств: Польша, Чехословакия, ГДР, Монголия, Куба и другие. Сейчас в нее входят уже 26 стран. 

Кстати, история Telstar не закончилась на первых двух моделях. В 1980-х была запущена «новая волна» спутников: Telstar-301, Telstar-302 и Telstar-303. С 90-х годов и вплоть до конца 2010-х было запущено еще 18 спутников Telstar. 

Именно Telstar стал настоящей революцией в мире телекоммуникации. С момента его запуска количество спутников на орбите неуклонно росло — вот статистика.

По сути ту идею, которую Bell Labs высказала еще в 1960-х годах, сейчас успешно реализует Илон Маск со своим Starlink, только совсем в другом масштабе. На август 2024 года на орбите их уже больше 6000, и никто не собирается на этом останавливаться — говорят о цифре в 42 000 спутников в ближайшем будущем. Для многих людей такая связь остается единственной возможностью связываться с внешним миром. 

НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:

-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.