книги из ГПНТБ / Константинов П.А. Авиационная радиосвязь

Отсутствие радиосвязи в районе полюсов, в особенности с точки зрения потребностей военной радиосвязи, также является недостатком системы со стационарными спутниками. Здесь сле­ дует иметь в виду, что при прохождении ИСЗ вблизи горизонта связь будет ненадежна по причине возрастания уровня атмо­ сферных шумов, поэтому угол места антенн ер обычно берется не менее 10°. Это приводит к увеличению площади «неосвещен­ ных» околополярных районов. Для устранения указанного не­ достатка такую систему придется дополнить связными спутни­ ками, движущимися по наклонным или полярным орбитам.

Более легко осуществимая система связи может быть пост­ роена на основе использования нестационарных спутников, дви­ жущихся по сравнительно низким орбитам на высотах пример­ но до 10 000 км. Для непрерывной связи между двумя пункта­ ми необходимо, чтобы в любой момент хотя бы один спутник был виден одновременно из двух корреспондирующих пунктов. Антенны наземных станций должны в этом случае следовать за спутником, причем каждая наземная станция должна быть снабжена по крайней мере двумя антеннами, чтобы избежать перерыва связи при переходе с одного спутника на другой.

Потребное число спутников зависит от многих факторов: от закономерности запуска спутников во времени, от высоты орби­ ты и др. Оно будет меньше при точном расчете орбит и чередо­ вании моментов встречи диаграмм направленности антенн ИСЗ и наземных станций. В действительности спутники подвержены воздействию различных возмущений, нарушающих точную за­ кономерность появления спутников в некоторой зоне простран­ ства. Для низких орбит (с высотой перигея ниже 1000 км) ос­ новными возмущающими факторами являются действие грави­ тационного поля Земли и тормозящее действие верхних слоев земной атмосферы, для высоких орбит начинает сказываться возмущающее влияние Луны и других небесных тел. Таким об­ разом, можно считать, что различные спутники появляются в некоторой зоне пространства случайно, независимо друг от'дру­ га. При таких условиях число спутников, необходимое для под­ держания связи с заданной надежностью, будет увеличиваться.

Определение необходимого числа спутников может быть произведено на основании геометрических соотношений. Пред­ положим, что спутники движутся по круговым орбитам на вы­ соте Н, причем плоскость орбиты совпадает с плоскостью боль­ шого круга, проходящего через конечные пункты связи, а .допу­ стимый угол места равен f . Из рис. 9.25 видно, что

г3+ Н = OF + FC = r3cos ф + r3sin ф tg (ф + ер),

откуда

470

а проекция этой величины на поверхность Земли, т. е. горизон­ тальная дальность, равна

В общем случае плоскость орбиты не совпадает с плоскостью большого круга, проходящего через конечные пункты связи, и картина будет более сложной. Зона взаимной видимости есть площадь, общая для двух окружностей радиуса г, в центрах ко­ торых находятся конечные пункты связи (рис. 9.26).

Вероятность нахождения спутника в зоне одновременной видимости зависит от географических координат зоны, от па­ раметров орбиты, от длины трассы связи и от ее расположения относительно движения спутника, от минимального угла места антенны. Расчет величины Pi должен проводиться для конкрет­ ной трассы связи.

Число необходимых спутников для обеспечения заданной надежности связи тем меньше, чем больше величина Ру. В уса-

471

мом деле, вероятность отсутствия одновременной видимости спутника есть 1 — Pi. Если число спутников равно п и момен­ ты их появления в зоне одновременной видимости случайны и

Зона одновременной

Площадь обзора видимости

антенны № 1

Площадь обзора антенны N*2

Круговая или эллиптическая

fПроекция V ^ ' Vх орбита

Jзоны одно-

■.временной) видимости

Земля

Рис. 9.26. Зона одновременной видимости и ее проекция на поверхность Земли

независимы, вероятность того, что одновременно из двух пунк­ тов не будет виден ни один из них, равна

Вероятность Рп есть вероятность нарушения связи при на­ личии п спутников на случайных орбитах. Задаваясь этой вели­

472

большую величину зоны одновременной видимости, благодаря чему необходимое число спутников уменьшается. Но при этом на борту спутников-ретрансляторов приходится устанавливать более мощные передатчики, что приводит к увеличению веса и усложняет запуск спутников.

Имеет значение также форма орбит. В ряде случаев более выгодными могут оказаться эллиптические орбиты. Вблизи пе­ ригея ИСЗ движется быстрее, чем вблизи апогея. Для увеличе­ ния длительности связи орбиту необходимо располагать так, чтобы апогей находился вблизи пунктов связи. Выведение спутника на эллиптическую орбиту проще, чем на точную круго­ вую орбиту. Все эти факторы следует учитывать при проекти­ ровании системы связи.

При конструировании радиостанций необходимо учитывать специфические условия их работы в космических системах свя­ зи. Прежде всего следует учитывать значительные допплеров­ ские смещения частоты в системе с движущимися спутниками. Если составляющая скорости перемещения космического объек­ та вдоль линии связи v = 8 км/сек (примерно такое значение имеет первая космическая скорость у поверхности Земли), то относительная величина допплеровского смещения будет равна

частоты без компенсации недьзя, так как это потребует сущест­ венного расширения полосы пропускания приемника, .что приве­ дет к ухудшению отношения сигнал/шум. В таких случаях для компенсации отклонения частоты за счет эффекта Допплера применяется система АПЧ по корреспонденту.

Для космических систем связи следует применять наиболее эффективные методы модуляции и манипуляции, которые обес­ печивают высокую помехоустойчивость и требуют меньшей за­ траты мощности источников питания, что очень важно для бор­ товых радиостанций. Сюда относятся КИМ, ФМ, ЧМ, ОМ, а также двухполосная модуляция с подавленной несущей.

Часто применяются системы с поднесущими частотами. В та­ ких системах сообщения модулируют соответствующие подне­ сущие, которые, в свою очередь, модулируют колебание несу­ щей частоты.'На приемной стороне допплеровское смещение не­ сущей частоты устраняется узкополосной системой фазовой АПЧ, а сообщения выделяются путем детектирования поднесу­ щих частот.

В космических системах большое значение имеет скрытность связи. С этой точки зрения весьма перспективными являются широкополосные системы связи, принцип действия которых рас­ смотрен в § 2 настоящей главы.

■ 4 7 3

Методы ретрансляции

Для увеличения дальности действия космических систем связи применяется ретрансляция сигналов. Ретрансляторы' бы­ вают двух типов: активные и пассивные.

Активный ретранслятор представляет приемо-передающую радиостанцию, которая переизлучает принятые сигналы, повы­ шая при этом их уровень. По существу активный ретранслятор, устанавливаемый на ИСЗ, представляет промежуточную радио­ станцию радиорелейной линии. Здесь также возможны два ре­ жима работы: с переприемом и без переприема.

Активные ретрансляторы разделяются на ретрансляторы без задержки и ретрансляторы с задержкой. В последнем слу­ чае ретранслятор с помощью запоминающего устройствана­ капливает информацию, принятую от самолета или наземной радиостанции, и передает ее в тот момент, когда он попадает в зону видимости приемного пункта. Для выполнения такой ра­ боты ретранслятор должен иметь аппаратуру управления, дей­ ствующую по команде с Земли или по заранее составленной программе. Когда задержка информации допустима, такая связь может оказаться удобной. Она обеспечивает высокую скрыт­ ность связи и требует незначительных мощностей.

Пассивный ретранслятор отражает падающую на него энер­ гию. В зависимости от формы он может быть ненаправленным и направленным [25]. Ненаправленным пассивным ретранслято­ ром является шар, отражающий энергию равномерно во всех направлениях. Поверхность шара должна иметь металлическое покрытие. Направленным пассивным отражателем может быть плоская пластина, уголковый отражатель, параболоид, полу­ волновый диполь и др.

Отраженная часть мощности выражается через эффективную отражающую поверхность о, под которой понимается площадь нормального радиолучу сечения некоторого фиктивного объек­ та, находящегося в точке расположения ретранслятора, равно­ мерно рассеивающего по всем направлениям всю падающую на него энергию и создающего у приемной антенны такую же плот­ ность потока мощности, что и реальная отражающая поверх­ ность. В общем случае эффективную отражающую поверхность можно рассматривать как произведение площади сечения S на коэффициент усиления переизлученного сигнала

Когда размеры отражающего объекта больше длины волны, ве­ личина 5 может быть представлена физической площадью, про­ ектируемой нормально на падающую плоскую волну. Исключе­ нием является очень тонкий полуволновой диполь, физическая площадь которого много меньше эффективной площади, соот­ ветствующей его электрическому действию.

4 7 4 •

Эффективная отражающая поверхность для шара, плоской пластины и полуволнового диполя соответственно выражается следующими формулами:

с

(9.51)

4 4itS2

(9.52)

X2 ’

_ 2,9 X2

(9.53}

4тс

На основании этих формул и формулы (9.50) могут быть напи­ саны выражения для коэффициента усиления тех же отражаю­ щих тел:

Достоинство сферического пассивного ретранслятора состоит в том, что он не требует пространственной ориентации. Однакотакой ретранслятор имеет малую эффективную отражающую' поверхность. В связи с этим возникает необходимость в уста­ новке на Земле и на самолете мощных передатчиков и высоко­ чувствительных приемников, особенно при высоких орбитах ИСЗ.

Отражатели с направленным действием, напротив, имеют большую эффективную отражающую поверхность и в этом их достоинство. Недостаток таких отражателей состоит в необходи­ мости точной пространственной ориентации. Кроме того, вслед­ ствие резко выраженной направленности их отраженное излуче- •. ние будет охватывать незначительную площадь поверхности. Земли, что позволит установить связь лишь между двумя огра­ ниченными по площади районами, например между двумя оп­ ределенными пунктами.

Общий недостаток пассивных ретрансляторов по сравнению с активными соЕтоит в необходимости усложнения наземных-и самолетных радиостанций. В этом можно убедиться путем срав­ нения активной и пассивной ретрансляции.

При активной ретрансляции будем рассматривать„путь ра^ диосигнала от передающей радиостанции, расположенной на Земле или на самолете, до спутника-ретранслятора и определять отношение сигнал/шум на спутнике. Пусть плотность мощности на входе приемника ретранслятора есть Пи а геометрическая площадь его приемной антенны есть »SnpM. Тогда мощность навходе приемника будет равна

(9.57}

где q ='0,6 — коэффициент использования поверхности ацтенны. Но

фициент усиления передающей антенны; D — расстояниеот пе­ редающей радиостанции до ретранслятора.

Геометрическая площадь антенны и ее коэффициент усиле­ ния связаны соотношением

4тс qS,

(9.59)

X2

Антенны бортового ретранслятора будем считать всенаправлен­ ными, поэтому С/прм = 1. Тогда из (9.57), (9.58) и (9.59) имеем

Напишем аналогичные соотношения для пассивного ретран­ слятора, удаленного от передающей и приемной радиостанций на расстояние D. В этом случае будем определять отношение сигнал/шум на входе наземной или самолетной приемной стан­ ции. Мощность на входе приемника равна

причем плотность потока мощности

4 7 6

Отраженная ретранслятором мощность равна

где о есть эффективная отражающая поверхность пассивного ретранслятора, а значение Пх определяется формулой (9.58).

Подставляя (9.64), (9.65), (9.58) и (9.59) в (9.63), получим

В этом выражении Опрм есть коэффициент усиления приемной антенны. В том случае, когда приемная станция расположена на Земле, можно полагать Gnpjl = GlipM= G, поэтому

Для получения отношения сигнал/шум при пассивной ре­ трансляции используем соотношение (9.61). Тогда будем иметь.

Сравним системы связи ЗКЗ с активной и пассивной ретран­ сляцией. Параметры обеих систем будем считать одинаковыми за исключением значений эффективной шумовой температуры приемников. Для наземного приемного устройства эффективная шумовая температура будет значительно ниже, чем для борто­ вого приемника, установленного на спутнике. Сравнив при сде­ ланных предположениях (9.68) и (9.62), получим

Это выражение определяет значение эффективной отражающей поверхности, которую должен иметь пассивный ретранслятор, чтобы он был эквивалентен активному ретранслятору. Индексы ««» и «а» относятся к пассивной и активной системам, т. е. к на­

нию между наземными станциями 11000 км и, высоте полета спут­ ника 3000 км) , GnpM— 50 дб (105 раз по мощности). Оно ока­ жется равным примерно 150 км2.

Реализовать такое большое значение эффективной отражаю­ щей поверхности трудно. Если даже полагать, что будет выве-

* Уравнение (9.67) называется уравнением дальности

477

ден на орбиту шар диаметром 300 м, он будет иметь эффектив-

'то з2 ную отражающую поверхность, равную -— — #=« 7 •10~2 км\

4

т. е. в 2150 раз меньшую потребной. Так как возможности даль­ нейшего увеличения поверхности шара ограничены, для эквива­ лентности двух сравнимых систем необходимо увеличивать ко­ эффициент усиления приемной антенны на 101g 2150 33 дб. При использовании в качестве ретранслятора шара диаметром 30 м потребуется увеличение коэффициента усиления на 53'дб. Можно, конечно, это дополнительное усиление распределить между приемной и передающей антеннами. Однако и в этом направлении возможности ограничены, поскольку увеличение коэффициента усиления антенн связано с увеличением их раз­ меров.

Если размеры пассивного ретранслятора и антенн заданы, требуемое отношение сигнал/шум можно получить увеличением мощности передатчиков. При пассивной ретрансляции потре­ буется значительно большая мощность, чем при активной.

Определим значение требуемой мощности передатчика в си­ стеме с пассивной ретрансляцией. С этой целью преобразуем фор­ мулу (9.68), используя (9.51) и (9.59) и принимая во внима­ ние, что для антенн с круглым раскрывом, часто используемых на практике,

(9.70)

В результате преобразования для сферического ретранслятора получим

Это выражение дает возможность построить зависимость требу-1

•емой мощности излучения передатчика от диаметра сферическо­ го ретранслятора dmпри заданном диаметре антенн или от диа­ метра антенн dnpil= d nm— da при заданном диаметре шара. Та­ кие зависимости приведены на рис. 9.28 [26]. При расчете взято

пературы принято равным Тэ = 100°К, что соответствует улуч­ шенному приемнику. Кривые, проведенные сплошными линия­

478

ми, соответствуют расстоянию от спутника до передающей или

ность самолетных антенн и более высокий уровень шумов при­ емника самолетной радиостанции по сравнению с уровнем шу­ мов приемника наземной радиостанции. Преимущества актив­ ной или пассивной ретрансляции будут зависеть от конкретных данных систем связи.

479