Передача информации на большие расстояния была и остается одним из самых важных с практической точки зрения применений искусственных спутников Земли. На первом специализированном связном американском спутнике в 1963 году был передатчик мощностью всего в 5 ватт и ненаправленная передающая антенна. Оттого на Земле сигналы спутника удавалось принимать только специальной антенной размером около тридцати метров. Чтобы выделять слабый сигнал на фоне шумов, на входе наземного приемника пришлось установить сложный и дорогой квантовый усилитель, охлаждаемый жидким гелием.
Космическая техника развивалась, и в 1970-х годах стало возможным выводить спутники связи на так называемую геостационарную орбиту, когда спутник как бы подвешен постоянно над одной точкой земной поверхности. Выросла мощность передатчика, а бортовые антенны заменили направленными, способными формировать узкий луч электромагнитной энергии, «освещающий» сравнительно небольшую часть земной поверхности. То есть мощность излучения не разбрасывалась во все стороны, а направлялась в основном адресату.
В качестве параметра, который характеризовал бы не только передатчик, но и антенну, ввели так называемую эквивалентную излучаемую мощность — произведение мощности бортового передатчика и коэффициента усиления передающей антенны (имеется в виду эффект усиления, связанный с тем, что энергия концентрируется и излучается лишь в определенном направлении). Значение эквивалентной мощности достигло сотен, а затем и тысяч ватт. В результате наземные антенны удалось уменьшить в два-три раза, а для усилителя более не требовалось охлаждения жидким гелием. И все же о непосредственном приеме сигнала на домашний телевизор в этот период можно было только мечтать — стоимость приемной станции составляла около миллиона советских рублей.
Первая в мире распределительная телесистема «Орбита» начала действовать в СССР в 1967 году. Затем аналогичные системы появились в США, Канаде, Индонезии, Индии и в других странах. В 1977 году группа европейских стран организовала консорциум «Евтелсат» для обмена телепрограммами в сети «Евровидения». Основой сети стали три ведущих и один резервный спутник «Евтелсат-1», которые использовались и для передачи коммерческих ТВ-программ в диапазоне 11 ГГц. Еще несколько программ в этом диапазоне транслировались через спутники международной системы «Интелсат» и коммерческий спутник «Астра».
Сегодня многие телезрители обзаводятся собственными приемными системами, позволяющими принимать программы распределительных систем. В 1983 году, когда начались первые передачи через спутник «Евтелсат-1», Для этого требовалась приемная антенна диаметром не менее трех метров и оборудование стоимостью 20000 долларов.
Понадобились годы труда ученых и инженеров, чтобы сделать реальностью «тарелку» диаметром в 60 сантиметров, которую можно установить на балконе где-нибудь в Ижевске или Омске и принимать прямо со спутников десятки программ из разных стран.
Попробуем проследить, как телевизионные программы приходят к зрителю транзитом через спутник на примере «НТВ-плюс». Эта система непосредственного спутникового вещания (СНВ) в России действует и постоянно развивается с середины 1990-х годов.
С февраля 1999 года в этой сети начал работу спутник «Бонум-1», специально подготовленный для цифровой передачи. Современное оборудование цифровой компрессии и цифровой передачи позволяет передать через один ствол (транспондер) спутника вместо одной аналоговой программы до шести цифровых телевизионных, а при статистическом уплотнении — до 8–10 и даже 10–12. Но стоимость оборудования спутника и приемной установки значительно возрастает. В то время, когда создавалась первая сеть непосредственного спутникового вещания, цена цифрового тюнера превышала на мировом рынке тысячу американских долларов, цена же аналогового — в двадцать раз меньше. Это предопределяло выбор аналогового способа. Однако к 1999 году стоимость цифрового тюнера на мировом рынке опустилась примерно до 200 долларов. Это позволило полностью перейти на цифровое вещание. Так, с 1 ноября 1999 года «НТВ-Плюс» перешло на цифровое вещание.
Преимущества цифрового вещания несомненны. Во-первых, это — снижение затрат на спутник (в расчете на одну программу) в 6–10 раз; улучшение пороговых свойств приемника; повышение реального качества изображения и звука. Во-вторых, это — предоставление потребителю дополнительных услуг, таких как воспроизведение программы передач на экране телевизора, удобный выбор каналов, возможность введения пароля и возрастного ограничения телезрителей, звуковое сопровождение на нескольких языках, передача данных, изменение программного обеспечения приемников по эфиру и т.д.
Можно выбрать и вид приема: индивидуальный или коллективный. Если ограничиться только коллективным приемом, то можно уменьшить мощность спутника, поскольку приемная антенна имеет больший размер. Вместе с тем при этом будет потеряна часть потенциальной аудитории. Ведь даже в Европе, при широком развитии кабельных сетей, число индивидуальных спутниковых абонентов составляет почти пятьдесят процентов. Что говорить о России, где практически отсутствует опыт функционирования платных кабельных сетей и договорных отношений между вещателем и владельцем кабельной сети. Поэтому выбор в пользу индивидуального приема становится очевидным, что, впрочем, не исключает коллективного приема.
Массовый характер сети спутникового вещания и необходимость передачи сигналов «открытия» по эфиру заставляет применять сложные системы закрытия. Это необходимая защита от многочисленных «хакеров». Сейчас в «НТВ-Плюс» используется цифровая система закрытия фирмы «France Telecom» (Франция). Фактов ее «пиратского» раскрытия пока не обнаружено, а если это произойдет, меры противодействия предусмотрены.
Выбор основных энергетических параметров системы «НТВ-Плюс» был обусловлен многолетним опытом создания спутников в России и других странах, а также имеющимся на рынке массовым приемным оборудованием, целесообразным размером антенн приемной установки. Для системы «НТВ-Плюс» стали использовать спутник с ЭИИМ 50–48 дБВт. При современных малошумящих усилителях и тюнерах с улучшенными пороговыми свойствами сигнал можно принимать с антеннами диаметром 45–60 сантиметров. При зоне покрытия, соответствующей европейской части России, достаточна мощность ствола на спутнике в 80–100 Вт.
Существенное значение при создании системы имел выбор полосы частот. На международной конференции в Женеве в 1977 году приняли план распределения частотных каналов и позиций спутников на геостационарной орбите. Для западного полушария аналогичный план был принят в 1983 году. Каждая страна восточного полушария получила не менее пяти частотных каналов шириной 27 МГц. В соответствии с планом каждый спутник должен обслуживать одну или несколько территорий, соответствующих границам одной страны. Советский Союз получил 70 частотных каналов на пяти орбитальных позициях.
Другие системы, работающие в диапазоне 12 ГГц, по праву можно назвать «непосредственным спутниковым телевещанием», поскольку на прием не требуется получать разрешение передающей стороны, а цена приемной установки сегодня не больше цены высококачественного телевизора.
Еще в Советском Союзе планировалось создание спутниковой системы в диапазоне 12 ГГц, в частности спутников, рассчитанных на передачу одновременно четырех ТВ-программ в одном широком луче (территории Казахстана, Украины), двух лучах среднего размера (Белоруссия, Узбекистан и другие республики Средней Азии) и одном узком луче (Прибалтика, Закавказье). Мощность бортовых передатчиков предполагалась такой, чтобы для индивидуального приема подходили антенны диаметром 1,1 метра, а для коллективного приема, где влияние оказывают взаимные помехи, — 1,5 метра.
Для размещения спутника «Бонум-1» Государственной комиссией по радиочастотам было выдано разрешение на использование одной из российских позиций в диапазоне СНВ.
«Спутник — самый важный элемент системы, — пишет в журнале «Радио» Л. Кантор. — В системе СНВ используется спутник типа HS376, изготовленный американской компанией Hughes (кстати, их изготовлено уже более 50). Спутник высоконадежен, рассчитан на срок службы 12 лет. Конструкция его необычна. Он имеет форму цилиндра, по всей поверхности которого расположены элементы солнечной батареи. Вращение всего наружного "стакана" способствует стабилизации положения оси спутника в пространстве. Внутренняя часть спутника, на которой расположена приемно-передающая антенна, остается неподвижной (т.е. как бы вращается относительно наружного "стакана" в обратную сторону).
Спутник управляется со станции, расположенной под Москвой. Как показывает опыт, эксплуатационные его параметры поддерживаются с высокой точностью: погрешность сохранения позиции на орбите и наведения антенны существенно меньше заданной величины ±0,1 градуса. Для этого регулярно проводятся сеансы коррекции с помощью установленных четырех корректирующих двигателей и необходимого запаса топлива.
Наведение антенны спутника осуществляется либо по сигналу маяка, совмещенному с сигналами телеуправления, либо по диску Земли. Луч передающей антенны имеет специальную форму, соответствующую необходимой зоне обслуживания. Предусмотрена также возможность переключения передатчиков на второй облучатель, позволяющий сформировать зону восточнее основной. Полезная нагрузка спутника — восемь рабочих стволов с гибким резервом (из трех передатчиков), создающих в указанной зоне ЭИИМ не менее 50 дБВт. Все стволы работают круглосуточно, в том числе в периоды, когда спутник оказывается в тени Земли и его аппаратура питается от аккумуляторных батарей».