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 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.