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 необходимо 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 Н_с = 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 r_mах 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 F_r 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

(J_Д  ≤ 10 мм/ч), ослабление составляет единицы децибел, увеличиваясь в периоды ливней (J_д > 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           L_и  ≈ 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 ψ_ф 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 ψ_фmах на частоте 100 МГц составляют тысячи градусов, а на частоте 3 ГГц уменьшаются до единиц градусов, поэтому поляризационные потери учитывают на частотах f < 3 ГГц. Абсолютная величина потерь в децибеллах L_ф = 1 / соs²ψ_ф или L_ф = -20lg|соsψ_ф|. Мерой борьбы с этим видом потерь является применение бортовых и земных антенн с круговой поляризацией, тогда L_ф = 0. Если на одном конце линии установлена антенна с круговой поляризацией, а на другом конце - с линейной, то L_ф = 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 δ_р. В инженерной практике часто используют приближенный метод. Угол тропосферной рефракции δ_рт 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,  δ_рт = (n_то - 1)сtg∆, где n_то - приземное значение коэффициента преломления тропосферы. Для среднего состояния ионизации угол ионосферной рефракции, выраженный в градусах, δ_ри =  -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 δ_Р = δ_рт + δ_ри. На рис.11.2 показана зависимость δ_тр и δ_ри от угла возвышения траектории. Из рисунка видно, что при работе на частотах выше 1 ГГц суммарная рефракция определяется тропосферой.

N_emax

Рис.11.2. Характер искривления

траектории на разных участках

атмосферы

Хотя угол δ_тр 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 t_3mах = 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.