5. Потери и шумы в спутниковых линиях связи.

5.1. Расположение места приема по отношению к позиции

спутника.

Потери мощности сигнала на линии спутниковой связи зависят от расположения места приема по отношению к позиции спутника.

Каждый геостационарный спутник занимает определенную позицию (уникальную) позицию или участок орбиты, находящейся на высоте 35784 км прямо над экватором. Фактическое положение спутника определяется долготой подспутниковой точки. Для захвата сигнала со спутника в пределах предполагаемой зоны обслуживания антенну необходимо точно установить как по азимуту, так и углу места .

Угол места( или угол возвышения антенны), представляющий собой угол между осью симметрии ДН антенны и касательной к поверхности Земли, вычисляется по следующей формуле:

, градусы (5.1)

где А - широта места нахождения земной станции; В - восточная долгота земной станции минус восточная долгота спутника;

Азимут (истинный азимут) представляет собой угол направления, указывающего на выбранный спутник, который отсчитывается от истинного севера, и вычисляется по формуле:

, градусы (5.2)

Если истинное значение угла азимута вычислено, то магнитный азимут легко рассчитывается путем сложения или вычитания магнитного склонения, соответствующего месту приема сигнала. Величину магнитного склонения можно узнать из местных топографических карт.

Для вычисления длины пути d (наклонной дальности) - расстояния от КА до земной станции используется следующее выражение:

, м (5.3)

где m – отношение радиуса геостационарной орбиты к радиусу Земли.

5.2. Особенности распространения сигналов в спутниковых линиях связи.

Потери сигнала в свободном пространстве. Потери при прохождении сигнала в свободном пространстве L_o или потери на трассе распространения, выражают ослабление сигналов по мере их продвижения к Земле и происходят из-за расходимости луча. Потери на трассе распространения возрастают с увеличением частоты и становятся тем больше, чем ниже угол места. Потери в свободном пространстве выражаются соотношением:

(5.4)

где - длина волны, м; d - наклонная дальность (5.3).

Кроме этих основных потерь, на трассе присутствуют и дополнительные потери , зависящие от многих факторов, проявляющихся независимо друг от друга. Полное значение потерь на трассе .

Поскольку в диапазонах частот, где работают спутниковые системы, шумы, создаваемые различными источниками, имеют аддитивный характер, их суммар­ная мощность выражается формулой

. (5.5)

Потери из-за рефракции и неточности наведения антенны на ИСЗ. На трассе распространения происходят потери энергии сигнала из-за рефракции, т. е. искривле­ния траектории сигнала при прохождении через атмосферу (ионосферу и тропо­сферу). Ионосферную рефракцию (в градусах) можно определить по форму­ле (5.6), из которой следует, что она обратно пропорциональна квадрату частоты и ста­новится пренебрежимо малой при f>5 ГГц.

. (5.6)

Тропосферная рефракция не зави­сит от частоты. Для стандартной модели атмосферы при малых углах места постоянная (регулярная) составляющая тропосферной рефракции, в градусах . Следствия рефракции могут быть устранены или сведены к минимуму в результате априорного учёта регулярной составляющей рефракции на основа­нии данных [1], поскольку нерегулярные флуктуации рефракции обычно малы и не превышают 40" при углах места β  5°. При автоматическом наведении антенн по максимуму приходящего сигнала влияние рефракции прак­тически исключается. Однако при этом появляется новая составляющая потерь - потери из-за неточности наведения антенн земных станций на ИСЗ; она опреде­ляется угловым отклонением оси главного лепестка ДН от истинного направле­ния на ИСЗ, а также шириной и формой лепестка.

Потери из-за неточного наведения антенны могут быть вычислены следующим образом:

, (5.7)

где ₁ – начальная погрешность наведения антенны с фиксированной подвеской на спутник в градусах. Номинальная величина погрешности составляет около 10-20% ширины диаграммы направленности антенны по уровню половинной мощности;

₂ – устойчивость наведения установки под воздействием факторов окружающей среды, таких, как ветер и старение,

₃ – точность удержания спутника на орбите, (номинально около 0.2 градусов);

₀ – ширина диаграммы направленности приемной антенны по уровню половинной мощности.

Фазовые эффекты в атмосфере. С влиянием атмосферы связаны эффект Фарадея и вытекающее из него следствие — фазовая дисперсия сигналов. Как известно, эффект Фарадея обус­ловлен тем, что при распространении линейно-поляризованной волны через ионосферу под действием магнитного поля Земли происходит расщепление этой волны на две составляющие, которые распространяются с различными скоро­стями. Следовательно, между ними появляется фазовый сдвиг, который приво­дит к повороту плоскости поляризации суммарной волны.

При некоторых упрощающих предположениях угол поворота плоско­сти поляризации может быть рассчитан по формуле:

Результаты расчетов по этой формуле для нескольких значений частоты и углов места антенны показывают, что эффект Фарадея приводит к заметному изменению направления вектора поляризации на частотах ниже 5 ГГц, на частотах же выше 10 ГГц с этим явлением можно не считаться. Влияние этого эффекта сказывается в том, что при использовании для связи сигналов с линейной поляризацией будут возникать потери сигнала между коллинеарными антеннами (передающей и приемной)

. (5.8)

Фазо­вые эффекты в атмосфере, точнее их частотно-зависимый характер, приводят к появлению фазовой дисперсии компонент передаваемых сигналов и, следова­тельно, к их искажению при приеме.

Расчеты показывают, что наибольшая полоса сигнала, который может быть передан без фазовых искажений через атмосферу, составляет примерно 25МГц в диапазоне 1ГГц и возрастает до 750МГц в диапазоне 10ГГц.

Указанные ограничения следует иметь в виду при проектировании широко­полосных линий связи.

Деполяризация сигналов в атмосфере. В связи с освоением диапазонов частот выше 10 ГГц и применением в спутниковых системах поляризационного разделения представляет практический интерес описание еще одного эффекта, связанного с прохождением радиоволн через атмосферу, — эффекта деполяризации в гидрометеорах.

Ранее при рассмотрении явления поглощения сигнала в гидро­метеорах не делалось никаких оговорок относительно формы частиц гидрометео­ров, точнее, подразумевалось, что они сферичны. Такая модель гидрометеоров не порождает явления деполяризации. В действительности форма естественных гидрометеоров и в первую очередь капель дождя (основной фактор поглощения) не только несферична, но при наклонном падении даже несимметрична относи­тельно вертикальной оси. Это приводит к появлению различного затухания и различного фазового сдвига для вертикальной и горизонтальной составляющих, а, следовательно, является причиной деполяризации радиоволны и появления кросс-поляризационной компоненты в точке приема. Так, при общем затухании 30… 40 дБ различие затухания волн с горизонтальной и вертикальной поля­ризацией (так называемое дифференциальное затухание) достигает 6 .. 8 дБ на частотах 20 .. 30 ГГц.

Все сказанное относится к радиоволнам с круговой поляризацией. Волны c линейной поляризацией, строго говоря, не должны порождать кросс-поляриза­ционные составляющие. Однако это справедливо для дождей с вертикальным падением и симметричной формой частиц. В действительности всегда имеет ме­сто наклонное падение, причем фактический наклон капель дождя не всегда соответствует наклону ливня, так как в ливне существуют капли с по­ложительным и отрицательным наклонами. Из-за этих факторов линейно-поляризованные радиоволны также будут испытывать деполяризацию, в особенности, когда наклон вектора поляризации отличен от угла наклона ливня. Максимальная деполяризация будет при относительном наклоне вектора поляризации на 45° и уровень кросс-поляризации будет при этом таким же, как и для круговой поляризации.