Конспект лекций Электродинамика и РРВ

первом и третьем участках траектории расстояния от наземных станций до спутника невелики и распространение радиоволн осуществляется в пределах прямой видимости. На распространение радиоволн на этих участках траектории основное влияние оказывает образующийся вблизи спутника ионизированный газ, электронная плотность которого на несколько порядков выше, чем в ионосфере. Причиной ионизации на первом участке траектории является отработанный газ двигателя, а на третьем — термодинамический нагрев воздуха при движении спутника в плотных слоях атмосферы со сверхзвуковой скоростью.

На втором участке в зависимости от высоты спутника и от длины волны распространение радиоволн возможно как в пределах прямой видимости, так и за ее пределами. На условия работы радиолинии оказывает влияние тропосфера и ионосфера Земли.

Траектория космических кораблей может быть также разбита на три участка, причем условия распространения радиоволн на первом и третьем участках для спутников и космических кораблей совпадают. На втором участке траектории скорость корабля превышает вторую космическую скорость, корабль выходит из поля тяготения Земли и движется в межпланетном пространстве. Протяженность радиолинии космический корабль—Земля может достигать сотен миллионов километров. В этом случае на условия работы радиолинии влияет межпланетная плазма и атмосфера Земли.

Источником ионизированных частиц в межпланетном пространстве является Солнце. Ионизированные частицы движутся в радиальных направлениях от Солнца, причем средняя электронная плотность убывает с увеличением расстояния от Солнца по квадратичному закону. Вблизи поверхности Земли, на расстоянии примерно 150 млн. км от Солнца, электронная плотность межпланетного газа составляет Nэ = 60 эл./см3, чему соответствует f0 ≈ 70 кГц. Неоднородности межпланетного газа, движущиеся со скоростями 300…800 км/с, вызывают флуктуации амплитуды, фазы, угла прихода и спектральной плотности радиоволны.

На радиолинии Земля — космический корабль определяющим является ослабление сигнала из-за большой протяженности трассы (основные потери) и поглощение в атмосфере Земли. Например, на волне частотой 100 МГц на расстоянии 1000 км основные потери составляют 133 дБ, а на трассе Земля—Луна

(расстояние 384400 км) — 184,6 дБ.

Диапазон частот, пригодный для работы радиолинии Земля — кос-

мический корабль, ограничен поглощающими и отражающими свойствами земной атмосферы. Радиоволны длиннее 10 м отражаются от ионосферы и поэтому непригодны для радиосвязи с объектами, находящимися за ее пределами. Коэффициент затухания радиоволн в ионосфере с повышением рабочей частоты убывает по квадратичному закону. При прохождении всей толщи ионосферы волнами короче 3 м затухание не превышает 0,1 дБ. Верхняя граница частот, применимых на космической радиолинии, определяется поглощением радиоволн в тропосфере и достигает примерно 10 ГГц. Для радиолинии Земля — ИСЗ, траектория которого проходит ниже основного максимума электронной плотности ионосферы, применимы метровые и декаметровые волны.

Поляризация радиоволн, излученных со спутника и принимаемых на наземной станции, непрерывно меняется, что обусловлено и эффектом Фарадея, и флуктуацией электронной плотности ионосферы. При прохождении волны частотой 1 ГГц всей толщины ионосферы угол поворота плоскости поляризации достигает примерно 360°.

При определении угловых координат космического объекта радиотехническими методами направление прихода волны, отраженной от объекта или излученной с него, не совпадает с истинным направлением на объект вследствие рефракции. Угол между истинным направлением на космический объект и касательной к траектории волны в точке расположения приемной антенны называется рефракционной ошибкой (угол δθ, рис. 2). Для точного определения угловых координат космических объектов радиотехническими методами необходимо вносить поправки на рефракционные ошибки, которые определяются теоретически. С достаточной степенью точности можно считать, что ошибки, вызванные рефракцией в тропосфере и ионосфере, суммируются.

Рис. 2

Рассмотрим сначала, как определяется рефракционная ошибка в тропосфере. Из рис. 2 следует, что рефракционная ошибка определяется как разность углов θиB B и θкB :B δθ = θиB —B θкB ,B причем θиB B= ξ + γ, а ξ= (а0B B sin θиB )B / RcB ,B где RсB B — расстояние от центра земного шара до космического объекта. Угол γ находится путем интегрирования выражения для элементарного угла dγ, определяемого из ∆abc : dγ = (dR tgθ)/R, где tgθ в свою очередь определяется из уравнения траектории волны в сферически слоистой среде:

tgθ = n1B aB 0B sinB θкB B [(nR)2P P - (n1B aB 0B )B 2P P sin2P θP кB B]-P 1/2,P

где θ, R и п—текущие значения для точек траектории волны; п1B —B значение коэффициента преломления воздуха вблизи поверхности Земли. Окончательно выражение для рефракционной ошибки запишем в следующем виде:

Величину δθ вычисляют, задаваясь определенным законом изменения п с высотой.

Рефракционная ошибка, вызванная влиянием ионосферы, может быть вычислена по формуле, аналогичной формуле (1). Но уравнение траектории волны примет иной вид:

благодаря чему в формуле (1) появляется зависимость рефракционной ошибки от высоты ионосферы.

Ошибки, вызванные влиянием тропосферы и ионосферы, соизмеримы при частоте 200…300 МГц, на частотах 50…100 МГц тропосферную рефракцию можно не учитывать, на частотах выше 400 МГц ошибки, обусловленные влиянием ионосферы, ничтожно малы. Тропосфера и ионосфера являются статистически неоднородными средами. Флуктуации коэффициентов преломления этих сред приводят к флуктуациям угла прихода радиоволн, и поправка на зенитный угол помимо среднего значения имеет нерегулярную составляющую.

При определении расстояния до спутника или космического корабля радиотехническими методами возникают ошибки, вызываемые тем, что в атмосфере волна распространяется со скоростью, отличающейся от скорости света в свободном пространстве. Поскольку тропосфера не является диспергирующей средой, ошибки, возникающие при определении расстояний фазовым и импульсным методами, совпадают.

В диапазоне метровых и дециметровых волн, особенно на космических радиолиниях, существенное влияние оказывают космические помехи, представляющие собой радиоизлучение, создаваемое внеземными источниками. Основным источником радиоизлучения является Галактика, создающая фон, на который накладывается излучение многих дискретных источников (Солнца, планет, звезд), имеющее, однако, второстепенное значение по сравнению с излучением Галактики, поскольку оно создает существенные помехи только в том случае, когда антенна направлена на источник излучения.

Радиоизлучение Галактики наблюдается во всех направлениях, но особенно интенсивным оно является в ее экваториальной плоскости в направлении центра Галактики. Излучение Галактики измерялось в диапазоне от гектометровых до сантиметровых волн, на основании чего были построены карты распределения радиоизлучения по небесной сфере. Поскольку помехи Галактики уменьшаются, а помехи приемника возрастают с повышением частоты, на частотах выше 150…200 МГц определяющими являются шумы Галактики, а на более низких частотах — помехи, создаваемые грозовыми разрядами. Уровень

галактических помех постоянен, но за счет вращения Земли в данной точке земной поверхности наблюдается суточное изменение уровня этих помех.

Помехи создаются также излучением атмосферы Земли..На частотах выше 1000 МГц атмосферные шумы преобладают над галактическими и являются практически единственным видом внешних помех.