Главная Случайная страница


Категории:

ДомЗдоровьеЗоологияИнформатикаИскусствоИскусствоКомпьютерыКулинарияМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОбразованиеПедагогикаПитомцыПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРазноеРелигияСоциологияСпортСтатистикаТранспортФизикаФилософияФинансыХимияХоббиЭкологияЭкономикаЭлектроника






ЛЕКЦИЯ 11. ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН ПРИ СВЯЗИ С ИСКУССТВЕННЫМИ СПУТНИКАМИ ЗЕМЛИ


Все большее применение находят земные линии большой протяжен­ности, на которых обмен информацией между оконечными пунктами ве­дется с помощью ретрансляционной станции, установленной на борту ИСЗ. Работа идет по схеме Земля - ИСЗ - Земля (рис.11.1). Условия рабо­ты космических линий имеют ряд особенностей, которые необходимо учитывать при изучении процессов распространения. Установлено, что

Рис.П.1. Линия спутниковой связи

оптимальные высоты полета связных ИСЗ ле­жат в пределах 10000...40000 км над поверхно­стью Земли. Такое расположение бортовых ретрансляторов приводит к необходимости ис­пользовать на космических линиях частоты вы­ше 100 МГц (λ < 3 м), не отражающиеся от ионосферы. Для оценки условий распростране­ния требуются более конкретные сведения о частотных полосах спутниковой связи, по­скольку при переходе от метровых к децимет­ровым и далее сантиметровым и миллиметро­вым волнам условия распространения значи­тельно усложняются. До настоящего времени

фиксированная спутниковая связь работала в различных полосах диапазо­на 1...10ГГц (30...3 см). В этом же диапазоне работают космические систе­мы другого назначения службы космических исследований, метеорологии, исследования Земли, подвижной связи и навигации. Развитие космических систем привело к переуплотнению этого диапазона. Поэтому при разра­ботке новых линий связи обращаются к частотам выше 10 ГГц, которые до настоящего времени относительно мало использовались и в наземных системах.

Большинство внутренних и международных спутниковых линий связи в настоящее время работает в полосах 6/4 и 8/7 ГГц (числитель соот­ветствует полосе частот на участке линии Земля - ИСЗ, знаменатель - ИСЗ - Земля). В более высоких частотных диапазонах выделены полосы 14/12 и 30/20 ГГц. В направлении Земля - ИСЗ используется большая частота, на которой величина потерь сигнала больше, т.к. на Земле можно устано­вить передатчики большей мощности и антенны с большим коэффициен­том усиления. Основные явления, сопровождающие распространение ра­диоволн таких частот, сводятся к ослаблению в атмосферных газах, ослаблению в осадках, изменению поляризации волн за счет эффекта Фарадея и осадков, случайным флуктуациям амплитуды и фазы принимаемого поля, вариациям углов прихода, ограничению полосы частот, передаваемой без искажении. При оценке условии работы космических систем связи необ-


ходимо также учитывать, что полосы частот в диапазоне ниже 10 ГГц, за­крепленные за космическими линиями, одновременно используются на­земными службами. Для возможности совместной работы этих систем введены ограничения на предельно допустимую плотность потока мощно­сти, создаваемую бортовым передатчиком у поверхности Земли. В зависи­мости от частотной полосы и угла наклона траектории распространения волны нормируемая плотность потока не должна превышать -140...-150 дБВт/м2 (10-14...10-15 Вт/м2) в полосе 4 кГц. Прием столь слабых полей яв­ляется одной из основных особенностей работы космических линий. По­этому наземный прием должен проходить при минимально возможных уровнях внешних и внутренних шумов. При движении ИСЗ по любой ор­бите, кроме геостационарной (экваториальная круговая орбита с высотой Нс = 35860 км), происходит перемещение ИСЗ относительно земных пунк­тов передачи и приема. При этом изменяются угол возвышения траекто­рии распространения волны относительно линии горизонта и длина пути, проходимого волной в атмосфере. При малых углах возвышения условия распространения значительно ухудшаются. Поэтому спутниковые линии связи работают только при ∆ ≥ 5°. При проектировании таких линий должны учитываться изменяющиеся условия распространения при пере­мещении спутника в секторе углов возвышения от 5 до 90°.

Перемещение, спутника относительно наземной станции обусловли­вает прием, сопровождающийся эффектом Доплера. Доплеровское смеще­ние частоты является причиной искажения спектра сигнала. Высокие тре­бования к устойчивости работы спутниковых систем связи делают необ­ходимым тщательное изучение условий распространения на линии.

Основные потери в тракте распространения. Основные потери передачи.Большая протяженность линии Земля - ИСЗ, оцениваемая де­сятками тысяч километров, является причиной больших значений основ­ных потерь передачи L0. Если высоты орбит спутников составляют 10000...36000 км, то максимальная дальность между наземным пунктом и спутником изменяется в пределах 17000...40000 км. Таким расстояниям соответствуют основные потери передачи на частоте 3 ГГц от 185 до 193 дБ, а на частоте 30 ГГц - от 205 до 214 дБ. Для компенсации таких боль­ших потерь необходим высокий энергетический потенциал линии, кото­рый в значительной степени обеспечивается сложным наземным оборудо­ванием. При расчете энергетики определяют основные потери для макси­мального расстояния rmах между ИСЗ и наземным пунктом при минималь­но допустимом угле возвышения ∆min траектории распространения волны.

Ослабление и деполяризация волн в тропосфере.В диапазонах частот, выделенных для космических линий связи, ослабление волн в тро­посфере может быть значительным. Напомним, что ослабление в тропо­сфере складывается из потерь в газах, рассеяния и поглощения в дожде, тумане,

облаках. Поглощение в газах в диапазоне частот 1...10 ГГц при уг­лах возвышения ∆ ≥ 5° невелико. Однако при повышении частоты ослаб­ление быстро возрастает и на частоте 20 ГГц множитель ослабления Fr достигает значения минус 10 дБ. Ослабление в дожде незначительно на частотах

f ≤ 6 ГГц при любой интенсивности дождя и углах возвышения траекторий

∆ ≥ 5°. Но на частотах f ≥ 10 ГГц, даже в условиях умеренного дождя

(JД ≤ 10 мм/ч), ослабление составляет единицы децибел, увеличива­ясь в периоды ливней (Jд > 40 мм/ч) до десятков децибел. Ослабление в дожде приводит к необходимости повышать энергетические запасы на ли­ниях, работающих на частотах этого диапазона. Однако не всегда такие запасы могут быть реализованы. Для уменьшения ослабления рекоменду­ют работать при больших углах возвышения, когда путь, проходимый че­рез толщу дождя, относительно невелик. В эксплуатационных системах космической связи запас по мощности 6...10 дБ можно обеспечить проду­манным расчетом и конструированием, но запас более 10...15 дБ обеспе­чить трудно и дорого. Следовательно, устойчивость выше 99,5% на часто­тах 20 и 30 ГГц можно получить только специальными методами, напри­мер одновременным приемом на станциях, разнесенных по расстоянию настолько, чтобы зоны сильных дождей на них не совпадали. В умеренно континентальных районах зоны сильных дождей, особенно ливней, имеют обычно ограниченную протяженность. В районах интенсивных туманов необходимо также учитывать ослабление в этом виде осадков. В интен­сивных осадках, особенно в дожде, кроме ослабления наблюдается явле­ние деполяризации. Отметим только, что явление деполяризации следует учитывать при работе на частотах выше 10 ГГц, когда два канала работают в одном частотном диапазоне, но с ортогональными поляризациями. Де­поляризация приводит к взаимным помехам между каналами.

Тепловые и поляризационные потери связанные с прохождени­ем радиоволн через ионосферу.В ионосфере потери передачи, обуслов­ленные ее конечной проводимостью, определяются по приближенной формуле Lи ≈ 2500 / f2[МГц] ,откуда видно, что на частотах f > 100 МГц потери не превышают 0,25 дБ. Тепловые потери в ионосфере учитывают только на частотах ниже 100 МГц.

Поляризационные потери обусловлены рассогласованием поляриза­ций принимаемого поля и приемной антенны в результате эффекта Фарадея. Перемещение спутника, а также изменения параметров ионосферы являются причиной непрерывного изменения угла поворота ψф плоскости поляризации принимаемого поля. Если поле с вращающейся поляризацией принимать на антенну с линейной поляризацией, то появятся поляризаци­онные замирания, что эквивалентно потерям.

 

Расчеты показывают, что углы ψфmах на частоте 100 МГц составляют тысячи градусов, а на частоте 3 ГГц уменьшаются до единиц градусов, по­этому поляризационные потери учитывают на частотах f < 3ГГц. Абсо­лютная величина потерь в децибеллах Lф = 1 / соs2ψф или Lф = -20lg|соsψф|. Мерой борьбы с этим видом потерь является применение бортовых и зем­ных антенн с круговой поляризацией, тогда Lф = 0. Если на одном конце линии установлена антенна с круговой поляризацией, а на другом конце - с линейной, то Lф = 3 дБ.

Влияние рефракции.В тропосфере и ионосфере происходит ис­кривление траекторий радиоволн на линиях Земля-ИСЗ. Различают регу­лярную рефракцию и случайные флуктуации угла рефракции. Влияние ис­кривления траекторий проявляется в виде двух явлений. При достаточно узких диаграммах направленности антенн земных станций (меньше при­мерно 1°) искривление траектории может привести к «потере» спутника. При измерении координат ИСЗ за счет рефракции появляются ошибки в определении угла места (угла возвышения ∆) ИСЗ. Степень искривления траектории оценивают углом рефракции δр. В инженерной практике часто используют приближенный метод. Угол тропосферной рефракции δрт можно определить по простой формуле, если угол возвышения траектории ∆ ≥ 5° и искривление траектории мало, т.е. имеет место квазипрямолиней­ное распространение в пределах тропосферы. Поскольку спутник распо­ложен далеко за пределами тропосферы, то указанное приближение сводит закон рефракции к случаю астрономической рефракции оптических волн, рассмотренному еще Лапласом, когда угол рефракции определяется разно­стью коэффициентов преломления в оконечных пунктах линии. В среде, окружающей спутник, коэффициент преломления n = 1 и при приеме на Земле угол тропосферной рефракции, выраженный в градусах, δрт = (nто - 1)сtg∆, где nто - приземное значение коэффициента преломления тропосферы. Для среднего состояния ионизации угол ионосферной реф­ракции, выраженный в градусах, δри = -57 соs∆ / (f2 [МГц] sin3∆), т.е. ионо­сферная рефракция, в отличие от тропосферной, зависит от частоты. Сум­марный угол рефракции при прохождении волны через всю толщу атмо­сферы δР = δрт + δри. На рис.11.2 показана зависимость δтр и δри от угла воз­вышения траектории. Из рисунка видно, что при работе на частотах выше 1 ГГц суммарная рефракция определяется тропосферой.

Nemax
Рис.11.2. Характер искривления траектории на разных участках атмосферы

 

 

Хотя угол δтр невелик и для тра­екторий с ∆ ≥ 5° оценивается значением не более 10', на космических линиях он может быть соизмерим с шириной диаграммы на­земной приемной антенны. Поэтому при из­менении условий рефракции в процессе изме­нения приземного значения коэффициента преломления могут наблюдаться колебания уровня сигнала на входе приемника. Мерой борьбы с этим явлением служит введение те­кущих поправок в ориентацию антенн, рас­считанных на основании измерений в районе расположения земной стан­ции. На регулярную рефракцию налагаются случайные флуктуации угла рефракции, связанные со случайными флуктуациями коэффициента пре­ломления. Однако обычно среднеквадратическое значение угла нерегу­лярной рефракции на порядок меньше среднеквадратического значения угла регулярной рефракции.

Флуктуации уровня сигнала.На трассах Земля-ИСЗ при углах возвышения более 5° прием сопровождается быстрыми неглубокими за­мираниями интерференционного происхождения. Точки приема, помимо прямой волны, достигает множество волн слабой интенсивности, рассеян­ных на локальных неоднородностях в тропосфере и ионосфере. На часто­тах, обычно используемых на космических линиях, в основном, проявля­ются тропосферные мерцания, характеризующиеся следующими законо­мерностями. Глубина флуктуации увеличивается с уменьшением угла воз­вышения траектории и при укорочении длины волны. Чем короче волна, тем шире спектр размеров рассеивающих неоднородностей. На более по­логих траекториях путь, проходимый волной в тропосфере, увеличивается и все большее число неоднородностей участвует в рассеянии. Амплитуда флуктуации несколько увеличивается с расширением диаграммы направ­ленности антенны. Измерения при углах ∆ ≥ 5° в диапазоне частот 4...6 ГГц на антеннах с диаметрами 20...40 м показали, что распределение мгновенных значений амплитуд подчиняется нормально-логарифмическому закону и стандартное отклонение не превышает 0,5...0,6 дБ. На очень пологих траекториях, когда спутник находится вбли­зи линии горизонта, наблюдаются глубокие замирания за счет интерфе­ренции соизмеримых по амплитудам прямой и отраженной от земли волн, так как при ∆→0° коэффициент отражения от земли стремится к единице при любом виде шероховатости земной поверхности и любой поляризации волны. При перемещении ИСЗ или связи геостационарного спутника с подвижным объектом, например кораблем, разность хода между интерфе­рирующими волнами меняется и амплитуда результирующего сигнала испытывает замирания, глубина которых может превышать 10...15 дБ. Это явление наряду с некоторыми другими приводит к необходимости работы с углами возвышения ∆ ≥ 5°.

Внешние шумы, влияющие на работу радиолиний.На работу кос­мических линий существенное влияние оказывают внешние шумы, в отли­чие от наземных систем, работающих в тех же частотных диапазонах, где условия приема лимитируются внутренними шумами аппаратуры. Объясняется это тем, что на космических линиях низкий уровень прини­маемого сигнала приводит к необходимости использовать земные прием­ники с параметрическими или молекулярными усилителями высокой час­тоты, часто охлаждаемые азотом или гелием. При этом внутренние шумы приемника в диапазоне 1...10 ГГц снижаются до 10...300 К и космические шумы, шумы атмосферы и Земли становятся соизмеримы, а в неблагопри­ятных случаях значительно превосходящими по уровню внутренние шумы приемника. Энергетика космических линий обычно рассчитывается с уче­том только протяженных источников внешних шумов. Излучение точеч­ных (дискретных) источников попадает на вход приемника в течение очень малого процента времени, определяемого моментами совпадения ориентировки диаграммы направленности антенны с направлением на точечный источник в процессе слежения за перемещающимся спутником.

Суммарный уровень шумов космического излучения и нагретой ат­мосферы имеет четко выраженное «окно», расположенное в диапазоне 1...10 ГГц. Нижняя граница «окна» лимитируется космическим излучени­ем, которое на частотах ниже 1 ГГц достигает яркостной температуры в сотни градусов, чем ограничивает диапазон применимых частот при рабо­те с малошумящими приемниками. Верхняя граница закрывается шумами атмосферы, которые на частотах больше 10 ГГц быстро возрастают и достигают максимальной температуры 200...300 К на частотах 20...25 ГГц. При оценке атмосферных шумов необходимо учитывать, что их уровень на входе приемника понижается по мере подъема диаграммы направлен­ности приемной антенны над линией горизонта. При увеличении угла ∆ уменьшаются длина пути, проходимая волной в атмосфере, и соответст­венно объем, в пределах которого заключены излучающие молекулы ат­мосферного газа, что и является причиной уменьшения шума на входе приемника. Уровень атмосферного шума резко возрастает при углах ∆<5...7°. При малых углах на входе приемника велики также шумы земли, в приеме которых в этом случае участвуют не только боковые, но и глав­ный лепесток диаграммы направленности антенны. Для уменьшения на входе приемника шумов атмосферы и земли рекомендуют работать при углах возвышения более 5...7°, что согласуется с требованиями минималь­ных флуктуации уровня полезного сигнала.

При средних метеорологических условиях, узкой диаграмме направленно­сти антенны, углах возвышения больше 5°, в диапазоне частот 4...6 ГГц суммарная шумовая температура от внешних источников оценивается зна­чением 30...50 К. Температура возрастает при наличии осадков. Для бор­тового приемника основным внешним источником помех, когда бортовая антенна ориентирована в направлении на Землю, является радиоизлучение нагретой поверхности Земли.

Запаздывание сигналов.Особенностью трасс Земля - ИСЗ - Земля является большое время распространения (запаздывания) сигналов между корреспондирующими пунктами, обусловленное большой протяженно­стью трасс. Определение времени запаздывания t3 ведут без учета неодно­родности среды, принимая скорость распространения на всем пути равна скорости света с0. По международным нормам ограничивается максимально допустимое время запаздывания, которое для телефонного канала от абонента не должно превышать примерно 400 мс. На спутниковых линиях связи максимально возможное запаздывание соответствует расположению, спутника на линии горизонта относительно обоих оконечных земных пунктов приема. Для геостационарной орбиты t3mах = 300 мс и нормы на запаздывание могут быть выполнены при одной ретрансляции через спутник. Изменение времени запаздывания по мере перемещения ИСЗ относительно наземных пунктов вызывает трудности в системах, требующих высокой степени синхрониза­ции сигналов станций, работающих через один космический ретранслятор.

Последнее изменение этой страницы: 2016-06-09

lectmania.ru. Все права принадлежат авторам данных материалов. В случае нарушения авторского права напишите нам сюда...