МАВЗУ 22. ЕР СУНЪИЙ ЙЎЛДОШЛАРИ ОРҚАЛИ АЛОҚА ТИЗИМЛАРИДА РАДИОТЎЛҚИНЛАРНИ ТАРҚАЛИШ ХУСУСИЯТЛАРИ

Икки охиридаги станциялар орасидаги ахборотни катта узунликка эга бўлган линияр орқали Ерни сунъий йўлдошга (ЕСЙ) ўрнатилган ретрансляторлар ёрдамида қўлланилиши табора кўп кўлланилмоқда. Фаолият Ер – ЕСЙ – Ер схема бўйича олиб борилади (22.1-расм). Космик линияларни ишлаш шароитида тарқалиш жараёнини ўрганишда ҳисобга олиш керак бўлган бир қатор хусусиятоарга эга. Алоқа ЕСЙ ларини Ер сиртига нисбатан оптимал учиш баландлиги 10 000...40 000 км оралиғида бўлиши ўрнатилган. Борт ретрансляторларини бундай баландликда жойлашиши ионосфера сиртидан аксланмайдиган 100 МГц дан (λ < 3 м) катта частоталарни қўллаш заруриятига олиб келади. Тарқалиш шароитларига баҳо бериш учун сунъий йўлдош алоқасининг частота полосалари тўғрисида аниқ маълумотлар талаб қилинади, чунки метрлидан дециметрлига ва кейинчалик сантиметрли, миллиметрли тўлқинларга ўтишда тарқалиш шароити сезиларли мураккаблашади. Ҳозирги вақтгача ўзгармас сунъий йўлдош алоқаси 1...10 ГГц (30...3 см) турли диапазон полосасида ишлаган. Худи шу диапазонда бошқа мақсаддаги космик тизимлар ишлаган, масалан, космик тадқиқотлар, метеорология, Ерни тадқиқот қилиш, ҳаракатдаги ва йўналтириш хизматлари. Космик тизимларни ривожланиши бу диапазонни қайтадан зичлаштиришга олиб келди.

22.1-расм. Сунъий йўлдош орқали алоқа линияси

Шунинг учун янги алоқа линияларни лойиҳалашда, ҳозирги вақтгача ердаги тизимларда ҳам нисбатан кам ишлатилган 10 ГГц дан катта бўлган частоталарга қаратилган.

Кўпчилик ички ва халқаро сунъий йўлдош алоқа линиялари ҳозирги вақтда 6/4 ва 8/7 ГГц полосаларда ишлайди (Ер – ЕСЙ алоқа линиясида ишлатиладиган частота полосаси Есй да пастроқ қийматга эга). Баландроқ частота диапазонида 14/12 ва 30/20 ГГц полосалари ажратилган. Ер – ЕСЙ йўналиши бўйича сигнал йўқотиш қийматти катта бўлган частоталар қўлланилади, чунки Ерда катта қувватли узатгич ва катта коэффициентга эга бўлган антенналарни ўрнатиш мумкин. Бундай частоталардаги радио тўлқинларни тарқалишида кузатиладиган асосий ходисалар - атмосфера газларидаги кучсизланишларга, ёғингарчиликдаги кучсизланишларга, Фарадей эффекти ва ёғингарчилик ҳисобига тўлқинларни қутбланиши ўзгариши, қабул қилинаётган майдон амплитудаси ва фазасини тасодифий флуктуацияси, келиш бурчаклари ўзгариши (вариацияланиши), бузилишсиз узатиладиган частота полосаларини чегараланиши. Космик алоқа тизимларни ишлаш шароитларини баҳолашда космик линияларга бириктирилган бириктирилган 10 ГГц диапазонидаги частота полосаларни бир вақтни ўзида Ердаги хизматларда ҳам қўлланилишини ҳисобга олиш зарур. Бу тизимларни биргаликда фаолият олиб боришлари учун Ер сиртида бортдаги узатгичлар ҳосил қиладиган қувват оқимини руҳсат этилган зичлигига чегараланишлар киритилган. Частота полосаси ва тўлқинни тарқалиш траекториясининг қияланиш бурчагига боғлиқ равишда оқимни меъёрлаштирилган зичлиги 4 кГц частота полосасида -140...-150 дБ Вт/м² (10^-14...10^-15 Вт/м²) дан ошмаслиги керак. Бундай кучсиз майдонларни қабул қилиш космик линияларни ишлаши асосий хусусиятларидан бири ҳисобланади. Шунинг учун ердаги қабул мумкин бўлган минимал ташқи ва ички шовқинлар сатҳида амалга ошиши керак. Геостационар орбитадан (Н_й = 35860 км баландлигда жойлашувчи экваториал доиравий орбита) ташқари иҳтиёрий орбита бўйича ҳаракатланаётганда ЕСЙ ни Ердаги узатиш ва қабул қилиш пунктларига нисбатан силжиши юз беради. Бунда атмосферадан ўтиб келувчи тўлқинни йўл узунлиги ва горизонт чизиғига нисбатан тўлқинни тарқалиш траекторияси орасидаги бурчак ўзгаради. Шунинг учун сунъий йўлдош орқали алоқа линиялари фақат ∆ ≥ 5° да ишлайди. Бундай линияларни лойиҳаланаётганда 5 дан 90° гача бўлган кўтарилиш бурчаги секторида сунъий йўлдошни силжишларида тарқалиш шароитини ўзгаришини ҳисобга олиш керак. Ердаги станцияга нисбатан сунъий йўлдошни силжиши қабул қилишни Доплер эффекти билан юз бериши кузатилади. Частотани Доплер силжиши сигнални спектрини бузилиш сабаби ҳисобланади. Сунъий йўлдош орқали алоқа линияларни барқарор ишлашига қўйиладиган юқори талаблар линиядаги тарқалиш шароитларини синчковлик билан ўрганиш зарурлигини келтриб чиқаради.

Тарқалиш трактидаги асосий йўқотишлар. Узатишдаги асосий йўқотишлар. Бир неча ўн минг километрлар билан баҳоланадиган Ер – ЕСЙ линиянинг катта узунлиги, узатишни асосий йўқотишларининг L₀ катта қийматда бўлиш сабаби ҳисобланади. Агар сунъий йўлдошларнинг орбиталарини баландлиги 10 000…36 000 км ни ташкил қилса, унда Ердаги пункт билан сунъий йўлдош орасидаги максимал масофа 17000…40000 км оралиғида ўзгаради. Бундай масофаларга 3 ГГц частотадаги узатишда 185 дан 193 дБ гача, 30 ГГц частотада эса 205 дан 214 дБ гача асосий йўқотишлар мос келади. Бундай катта йўқотишларни компенсация қилиш учун Ердаги мураккаб ускуналари ёрдамида м аълум даражада таъминланадиган линияни катта энергетик салоҳияти (потенциали) зарур бўлади. Энергетик ҳисоблашда тўлқин тарқалиш троекториясини минимал руҳсат этилган кўтарилиш бурчаги Δмин бўлгандаги Ер пункти билан ЕСЙ орасидаги максимал масофа учун rmах асосий йўқотишлар аниқланади.

Тропосферада тўлқинларни кучсизланиши ва қутбланишини бузилиши. Космик алоқа линиялари учун ажратилган частота диапазонларида, тўлқинлар кучсизланиши катта бўлиши мумкин. Эслатиб ўтиш жойизки, трапосферадаги йўқотишлар газдаги йўқотишлар, сочилишларда ва ёмғир, туман, булутлардаги ютилишлардан йиғилади. 1…10 ГГц частота диапазонида газлардаги ютилишлар ∆ ≥ 5° кўтарилиш бурчакларида катта эмас. Лекин частота ошганда кучсизланиш кескин кўтарилади ва 20 ГГц частотада кучсизланиш кўпайтириш ҳади F_r минус 10 дБ қийматига етади. f ≤ 6 ГГц частоталарда ёмғирдаги иҳтиёрий жадаллигида ва траекториясини кўтарилиш бурчаги ∆ ≥ 5° бўлганда йўқотишлар кам бўлади. Лекин f ≥ 10 ГГц частоталарда, мутаддил ёмғир пайтида (J_ё ≤ 10 мм/с) бўлганда ҳам бир неча децибеллни ташкил ташкил қилади, жала даврида (J_ё > 40 мм/с) ўнлаб децибеллга ошади. Бу частота диапазон частоталарида ишлаганда, ёмғир пайтидаги кучсизланишлар линиялардаги энергетик заҳирани ошириш заруриятига олиб келади. Лекин ҳар доим бундай захираларни амалга ошириш мумкин бўлмай қолади. Кучсизланишни камайтириш учун юқориланиш бурчагини катта олган ҳолда ишлаш тавсия этилади, бунда ёмғир томчилари билан кесишиш йўли нисбатан кичик бўлади. Эксплуатацион космик алоқа тизимларида қувват бўйича заҳира 6…10 дБ ни ўйлаб топилган ҳисоб-китоб ва қурилиш усуллари билан таъминлаш мумкин, лекин 10…15 дБ дан юқори қийматни таъминлаш қийин ва қиммат бўлади. 20 ва 30 ГГц частотадан 99,5% юқори бўлган барқарорликни махсус усуллар билан олиш мумкин, масалан, кучли ёмғир зоналари мос келмадиган масофада жойлашган станцияларда бир вақтда қабул қилиш. Кучли ёмғир, айниқса жала мўътадил иқлим бўлган ҳудудларда, кучсизланишдан ташқари қутбланиш ўзгариши ҳодисаси кузатилади. Айтиб ўтиш лозимки, қутбланиш ўзгариш ҳодисасини 10 ГГц частотадан юқори бўлган частотада ҳисобга олиш лозим, бунда иккита канал битта частота диапазонида ишлайди, лекин ортоганал қутбланиш билан бўлади. Бу ҳолда қутбланиш бузилиши каналлар орасида ўзаро ҳалақитларга олиб келади.

Радио тўлқинларни ионосфера орқали ўтиши билан боғлиқ иссиқлик ва қутбланиш йўқотишлари. Ионосферада узатиш йўқотишлари L_и ≈ 2500/f²[МГц] таҳминий формула билан аниқланадиган якуний ўтказувчанлигига боғлиқ, бундан кўриниб турибдики, f > 100 МГц частотада йўқотишлар 0,25 дБ дан ошмайди.

Қутбланиш йўқотишлари қабул қилинаётган сигнал қутбланишининг мослиги бузилишига ва қабул қилиш антеннасини Фарадей эффекти натижасига боғлиқ. Сунъий йўлдошни силжиши, ҳамда ионосферани параметрларини ўзгаришлари қабул қилинаётган майдонни қутбланиш теккислигини бурилиш бурчагини ψф узлуксиз ўзгариши сабаби ҳисобланади. Агар айланувчи қутбланишли майдонни чизиқли қутбланишни қабул қиладиган антенна билан қабул қилинса, унда қутбланиш тинчланишлари ҳосил бўлади, бу эса йўқотишларга эквивалентдир.

Ҳисоблашлар 100 МГц частотада бурчак ψ_фmах минглаб градусни ташкил қилади, 3 ГГц частотада эса бир неча градусларгача камаяди, шунинг учун қутбланиш йўқотишлари f < 3 ГГц частоталарда ҳисобга олинади. Йўқотишларни абсолют децибеллдаги қиймати L_ф = 1 / соs²ψ_ф ёки

L_ф = -20lg|соsψ_ф| бўлади. Бундай турдаги йўқотишлар билан курашиш чораси бортдаги ва Ердаги станцияларда айланма қутбланишли антенналарни қўллаш ҳисобланади, унда L_ф = 0. Агар линияни бир учида айланма қутбланишли антенна, иккинчи учида – чизиқли қутбланишли антенна ўрнатилган бўлса, унда L_ф = 3 дБ га тенг бўлади.

Рефракцияни таъсири. Тропосфера ва ионосферада Ер – ЕСЙ линиясидаги радио тўлқинларнинг траекториясини эгилиши (қийшайиши) содир бўлади. Доимий рефракция ва рефракция бурчагини тасодифий флуктуацияси фарқланади. Траекторияни эгилишини таъсири икки кўринишда намоён бўлади. Ер станциясидаги етарлича тор йўналтириш диаграммали (таҳминан 1º) антенналарда, траекторияни қийшайиши сунъий йўлдошни «йўқолишига» олиб келиши мумкин. ЕСЙ ларининг координаталари ўлчашда рефракция ҳисобига ЕСЙ жойлашиш бурчагини (кўтарилиш бурчаги Δ) ни аниқлашда ҳатоликлар пайдо бўлади. Траекторияни эгилиш даражаси рефракция бурчаги δ_р билан анқланади. Тропосферани рефракция бурчагини δ_р оддий формула ёрдамида аниқлаш мумкин, агар троекторияни кўтарилиш бурчаги ∆ ≥ 5° ва троекторияни эгилиши оз бўлса, яъни тропосфера оралиғида квази тўғри чизиқли тарқалиш ўрни мавжуд бўлади. Сунъий йўлдош трапосфера дан узоқда жойлашганлиги сабабли, кўрсатилган яқилашиш рефракция қонунини Лаплас томонидан кўриб чиққан оптик тўлқинларни астрономик рефракцияси ҳолига олиб келади, бунда рефракция бурчаги линиянинг учидаги пунктларидаги синиш коэффициентларини айирмаси билан аниқланади. Сунъий йўлдош жойлашган муҳитда синиш коэфффициенти n = 1 ва Ерда қабул қилинганда градусларда белгиланган трапосфера рефракцияси бурчаги δ_тр = (n_то - 1)сtg∆, бунда nто тропосферани синиш коэффициентининг ерлашган қиймати. Ионлашишдаги ўртача ҳолати учун градусларда белгиланган ионосфера рефракциясининг бурчаги,

δ_ир = -57соs∆/(f² [МГц] sin³∆), яъни ионосфера рефракцияси трапосфера рефракциясидан фарқли равишда частотага боғлиқ. Ҳамма атмосфера қатламларидан тўлқинни ўтишдаги рефракцияни умумий бурчаги

δ_Р = δ_тр + δ_ир. 22.2-расмда δ_тр ва δ_ир ларни траекторияни кўтарилиш бурчаги боғлиқлиги кўрсатилган. Расмдан 1 ГГц юқори бўлган частоталарда ишлаганда умумий рефракция тропосфера билан аниқланиши кўриниб турибди.

22.2-расм. Атмосферани турли қисмларида траекторияни эгилиш табиати

δ_тр бурчагида катта бўлмаса ҳам ва ∆ ≥ 5° ли траектория учун 10΄ дан катта бўлмаган қиймат билан баҳоланади, космик линияларда у ердаги қабул қилиш антеннанинг диаграммаси кенглигига яқин бўлиши мумкин. Шунинг учун ерлашган синиш коэффициентини қийматини ўзгариш жараёнида рефракция жараёнини ўзгаришида қабул қилгич киришидаги сигнал сатҳини тебраниши кузатилиши мумкин. Бундай ходисалар билан курашиш чоралари Ер станциясини жойлашиш ҳудудидаги ўлчашлар асосида ҳисобланган антенналарни йўналишларига жорий тузатишларни киритиш хизмат қилади. Доимий рефракцияга синиш коэффициентининг тасодифий флуктуацияларига боғлиқ бўлган рефракцияни бурчагини тасодифий флуктуацияси қўшилади. Лекин одатда доимий бўлмаган рефракция бурчагининг ўртача квадратик қиймати доимий рефракция бурчагининг ўртача квадратик қийматидан бир оз кичкина бўлади.

Сигнал сатҳини флуктуацияси. Ер – ЕСЙ трассасида кўтарилиш бурчаги 5˚ дан катта бўлганда, қабул қилиш интерференцион келиб чиқишли тез чуқур бўлмаган тинчланишлар билан кузатилади. Қабул қилиш нуқтасига тўғри тўлқиндан ташқаритропосфера ва ионосферадаги локал ножинсликлардан сочилган жадаллиги кучсиз кўп тўлқинлар етиб келади. Космик линияларда одатда қўлланиладиган частоталарда, асосан қуйида келтирилган қонуниятлар билан характерланадиган тропосфера милтиллаши намоён бўлади. Флуктуация чуқурлиги траекториянинг кўтарилиш бурчаги кичиклашиши ва тўлқин узунлиги қисқаришига боғлиқ равишда катталашади. Тўлқин қанча кисқа бўлса, сочувчи ножинсликлар ўлчамларининг спектри шунча кенг бўлади. Яссироқ бўлган траекторияларда тропосферадан ўтувчи тўлқинни босиб ўтувчи йўли катталашади ва сочилишда ундан ҳам кўп сонли ножинсликлар қатнашади. Флуктуациянинг амплитудаси антеннанинг йўналтириш диаграммасини кенгайиши билан бир оз катталашади. 4...6 ГГц частота диапазони ∆ ≥ 5° бурчагида 20...40 м диаметрли антенналар бўлгандаги ўлчашлар амплитудалар оний қийматлар тақсимланиши нормал-логарифмик қонунга бўйсинишини кўрсатди ва стандарт оғиш 0,5...0,6 дБ дан ошмайди. Жуда ҳам ясси бўлган траекторияларда сунъий йўлдош горизонт чизиғига яқинида жойлашганда тўғри ва ердан аксланган тўлқинлар амплитудаси бўйича яқин бўлгандаги интерференция ҳисобига чуқур тинчланишлар кузатилади, чунки ∆→0° ер сиртлари иҳтиёрий турдаги ғадир-будирликдаги ва иҳтиёрий қутбланишли тўлқинларда, ердан аксланиш коэффициенти бирга интилади. ЕСЙ ёки геостационар сунъий йўлдошга ҳаракатдаги объект силжисда, масалан, кема билан, интерференцияланувчи тўлкинлар орасидаги юриш фарқи ўзгаради ва натижавий сигнал амплитудаси чуқурлиги 10...15 дБ дан катта бўлиши мумкин бўлган тинчланишга тўгри келади. Бу ҳодиса бир қатор бошқалар билан ∆ ≥ 5° кўтарилиш бурчагида ишлаши зарурлигига олиб келади.

Радиолиниялар ишлашига таъсир этувчи ташки шовқинлар. Космик линияларнинг ишлашига қабул қилиш шароитида қурилманинг ички шовқинлари билан чегараланган ҳолда қайд этилган частотада ишловчи ердаги тизимлардан фарқли улароқ ташқи шовқинлар катта таъсир ўтказадилар. Буни қуйидагича тушунтириш мумкин, яъни космик линияларда сатҳи жуда паст булган сигналарни қабул қилиш учун ердаги қабул қилгичувчи қурилмаларда азот ёки гелий билан совитиладиган юқори частотали параметрик ёки молекуляр кучайтиргичларни қўллаш лозим бўлади. Бу ҳолда, 1...10 ГГц диапазон оралиғида қабул қилгичнинг ички шовкинлари 10...300 К гача камаяди ҳамда космик шовқинлар, атомосфера шовқинлари ва Ернинг шовқинлари бир бирларига тенглашиб қолади, ёмон об-хаво вақтида ташқи шовқинлар қабул қилгичнинг ички шовқинларининг сатҳидан ортишига олиб келади.

Космик нурланиш ва қизиган атмосфераларнинг умумий шовқинларининг сатҳи 1...10 ГГц диапазонда аниқ келтирилган «дераза»си мавжуд. «Дераза» нинг қуйи чегараси 1 ГГц дан пастда, кам шовқинли қабул қилгич билан ишлаганда, қабул қилаётган частота диапазонни чегаралашдан кўра 100 градус ҳароратли ёруғлик температурасига етади. «Дераза» нинг юқори чегараси эса атмосфера шовқинлари билан ёпилиб 10 ГГц дан юқорида уннинг сатҳи тезда ошиб кетади ва 20...25 ГГц частоталарда ҳарорати максимумга етади 200...300 К. Атмосфера шовқинларини баҳолашда қабул қилиш антеннасининг йўналтириш диаграммасини горизонт линиясидан кўтарилган сари қабул қилгич киришида уларнинг сатҳи кичиклашишини ҳисобга олиш зарур. Δ бурчаги катталашиши билан атммосферада тўлқин босиб ўтадиган йўли ва мос равишда қабул қилгияч киришида шовқин кичиклашишига сабаб ҳисобланувчи нурловчи атмосфера малекулалари чегараси билан ўралган ҳажм ҳам қичиклашади. Атмосфера шовқинининг сатҳи ∆< 5...7° бурчакларида жадаллик билан ўсади. Кичик бурчакларда қабул қилгич киришида ер шовқинлари ҳам катта, қабулда бу ҳолда йўналтириш диаграммасининг фақат ён япроқлар эмас, балки асосий япроғи ҳам иштирок этади. Қабул қилгич киришида атмосфера ва ер шовқинларини камайтириш учун 5...7° дан юқори бўлган кўтарилиш бурчакларида ишлаш тавсия қилинади, бу эса фойдали сигнал сатҳининг минимал флуктуациялари талабларига мослашади.

Ўртача метеорологик шароитлар, антеннани йўналтириш диаграммаси тор, кўтарилиш бурчаги 5° дан катта, 4…6 ГГц частота диапазонида ташқи манабалардаги умумий шовқин ҳарорати 30…50 К қиймати билан баҳоланади. Ёғингарчилик мавжудлигида температура ошади. Бортдаги антенна Ер йўналишида йўналтирилганда борт қабул қилгичи учун асосий ташқи ҳалақитлар қиздирилган Ер сиртини нурланиши ҳисобланади.

Сигналлар кечикиши. Ер – ЕСЙ – Ер трассасининг хусусияти бўлиб, трасса узунлиги катта бўлганлиги сабабли корреспондент пунктлар орасида сигнални узоқ вақт (кечикиб) тарқалиши ҳисобланади. Кечикиш вақтини аниқлаш t_к муҳитни ножинслигини ҳисобга олмаган ҳолда, бутун йўл бўйича тарқалиш тезлигини ёруғлик тезлигига тенг деб олинади. Халқаро меъёрларга кўра абонентдан келаётган телефон канал учун руҳсат этилган максимал кечикиш вақти 400 мс дан ошмаслиги керак. Сунъий йўлдош алоқа линияларида максимал мумкин бўлган кечикиш икки охиридаги қабул қилиш пунктларини горизонт чизиғига нисбатан сунъий йўлдош жойлашишига мос келади. Геостационар орбита учун t_кmax = 300 мс ва кечикишдаги меъёрлар битт ретрансляцион сунъий йўлдош орқали бажариш мумкин бўлади. ЕСЙ Ердаги пунктларга нисбатан силжишига боғлиқ равишда кечикиш вақтини ўзгариши битта космик ретранслятор орқали ишлайдиган станциялардаги сигналлар юқори даражадаги синхронизацияни талаб қилувчи тизимларда қийинчиликлар келтириб чиқаради.