Материал: 1221

75

тенну с линейной поляризацией, то появится поляризационные замирания, что эквивалентно потерям.

Максимальное значение угла поворота плоскости поляризации Ф max, когда ИСЗ находится во внешней ионосфере и волна под углом возвышения пересекает всю ее толщу:

где Ф max измеряется в градусах, а f – в герцах. Расчеты показывают, что углы Ф max 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, дБ:

или LФ 20lg | cos Ф | .

Флуктуации уровня сигнала. На трассах Земля - ИСЗ при углах возвышения более 5° прием сопровождается быстрыми неглубокими замираниями (мерцаниями) интерференционного происхождения. Точки приема помимо прямой волны достигает множество волн слабой интенсивности, рассеянных на локальных неоднородностях в атмосфере.

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 (рисунок 5.8); на более пологих траекториях путь, проходимый волной в тропосфере, увеличивается, и все большее число неоднородностей участвует в рассеянии. Приведенные на рисунке 5.8 зависимости справедливы для угла возвышения = 5°.

Внешние шумы, влияющие на работу космических радиолиний. На работу космических линий существенное влияние оказывают внешние шумы, в отличие от наземных систем, 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 охлаждаемыми азотом или гелием. При этом внутренние шумы приемника в диапазоне 1...10 ГГц снижаются до 12...30 К и внешние шумы становятся соизмеримы, а в ряде случаев – значительно превосходящими по уровню внутренние шумы приемника.

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 малошумя-

76

щими приемниками. Верхняя граница закрывается шумами атмосферы, которые на частотах больше 10 ГГц быстро возрастают и достигают максимальной температуры 20...300 К на частотах 20...25 ГГц. При оценке атмосферных шумов необходимо учитывать, что их уровень на входе приемника понижается по мере подъема ДН приемной антенны над линией горизонта.

Рисунок 5.8 - Тропосферные мерцания

При средних метеорологических условиях, узкой ДН антенны, углах возвышения > 5° в диапазоне частот 4...6 ГГц суммарная шумовая температура от внешних источников оценивается значением 30...50 К.

Для бортового приемника основным внешним источником помех, когда бортовая антенна ориентирована в направлении на Землю, является радиоизлучение нагретой поверхности Земли.

5.5.3Энергетические соотношения на космических радиолиниях

При расчете энергетики систем связи через ИСЗ параметры антенн и приемных устройств связаны многими ограничениями. Антенны земных комплексов должны иметь максимально возможные коэффициенты усиления для компенсации больших потерь в тракте распространения. Такое решение оказывается экономически наиболее выгодным. Выбор бортовой антенны ограничен допустимой массой и габаритными размерами. Во многих случаях коэффициент усиления бортовой антенны регламентирован только угловыми размерами зоны обслуживания на поверхности Земли. Выбор земных приемных устройств однозначно определяется типом малошумящих приемников из-за нормируемого низкого уровня принимаемого сигнала. Бортовые прием-

77

ники нерационально выполнять с шумовой температурой ниже 290 К, если бортовая антенна ориентирована на Землю. Рабочая частота системы выбирается в соответствии с частотным регламентом МККР, а также с учетом частотной зависимости характеристик антенн, потерь в тракте распространения и интенсивности внешних шумов. Мощность бортового передатчика практически всегда задается исходя из общей энергоемкости космического аппарата. Поэтому одним из наиболее подвижных элементов энергетики космических радиолиний является мощность земного передатчика.

Рассмотрим метод расчета мощности передатчика для случая, когда электрические характеристики приемного устройства и антенн заданы и расчет сводится к определению параметров тракта распространения.

Мощность земного передатчика, дБ:

P1 ЗМ = P2 Б + L1 – 1 ЗМ – 1 Б, (5.10)

где P2 Б – мощность сигнала на входе бортового приемника, необходимая для обеспечения заданного качества работы линии; L1 – наибольшие потери передачи на участке Земля - ИСЗ, который обозначен индексом 1; 1 ЗМ, 1 Б – КПД фидеров земной передающей антенны и бортовой приемной соответственно.

При расчете P2 Б будем исходить из заданного отношения сигнал-

работы, вида модуляции, помехозащищенности приемника и других технических параметров оборудования. Тогда:

– мощность шума на входе бортового приемника:

PШ.ВХ.Б = kTШ.Б f.

При определении TШ.Б учитывают, что шумовая температура приемной бортовой антенны определяется радиоизлучением поверхности Земли TЗ, поскольку космический фон воспринимается только слабыми боковыми лепестками ДН антенны.

78

5.6Особенности распространения волн оптического диапазона

5.6.1Общие вопросы распространения волн оптического диапа-

зона

Оптическое излучение охватывает диапазон волн примерно от 0.01 до 1000 мкм (частоты 3 1011…31016 Гц). Весь диапазон принято разбивать на ультрафиолетовую ( = 0.01...0.38 мкм), видимую ( = 0.38...0.76 мкм) и инфракрасную ( = 0.76...1000 мкм) области. Такое деление носит несколько условный характер, поскольку строгих границ между областями не существует.

Специфическими преимуществами волн оптического диапазона по сравнению с волнами радиодиапазона являются потенциальная возможность передачи больших объемов информации и возможность достижения высокой степени концентрации излучаемой энергии. Эти две особенности определяют повышенный интерес к оптическим системам связи. Однако использование этих систем в условиях земной атмосферы ограничивается влиянием тракта распространения. Длина волны оптического излучения соизмерима с размерами молекул и различных взвешенных частиц, содержащихся в атмосфере. Это вызывает ослабление поля за счет молекулярного поглощения, рассеяние на молекулах и взвешенных частицах. Взаимодействие оптического излучения с турбулентной атмосферой приводит к изменению траектории пучка волн и его расширению, ослаблению за счет рассеяния, ухудшению пространственной когерентности и поляризационным флуктуациям.

Волны оптического диапазона могут распространяться только как земные и прямые. В атмосфере с плавно меняющимися параметрами возникает рефракция волн оптического диапазона. Радиус кривизны траектории вследствие меньшего влияния на столь высоких частотах молекул водяного пара при нормальной атмосферной рефракции составляет 50000 км против значения 25000 км для диапазона УКВ.

5.6.2Ослабление волн оптического диапазона в атмосфере

Молекулярное поглощение. В оптическом диапазоне, так же как и в диапазоне радиоволн, молекулярное поглощение обусловлено переходом молекул в более высокие энергетические состояния. Оптическое излучение поглощается одновременно почти всеми атмосферными газами, однако наибольшие потери происходят в молекулах паров воды, углекислого газа, кислорода и озона.

Для количественной оценки степени поглощения в оптическом диапазоне часто пользуются величиной А, которая называется поглощением (по

79

мощности): А = 1 – V2, где V – модуль множителя ослабления по напряженности поля. Поглощение А обычно выражается в процентах. Наглядное представление о распределении поглощения в диапазоне длин волн 0.01...100 мкм можно получить из рисунка 5.9, на котором приведены две записи спектра поглощения солнечного излучения у поверхности Земли (рисунок 5.9, а) и на высоте 11 км (рисунок 5.9, б). Видно, что ультрафиолетовые лучи с длиной волны до 0.3 мкм и инфракрасные лучи с длиной волны 25...100 мкм практически полностью поглощаются атмосферой (погонное ослабление составляет

100...1000 дБ/км).

a) поверхность Земли; б) высота 11 км

Рисунок 5.9 - Распределение поглощения A от

В диапазоне волн 0.3...25 мкм в атмосфере существуют так называемые окна прозрачности, соответствующие участкам длин волн: 0.4...0.85; 0.95...1.05; 1.2...1.3; 1.6...1.75; 2.1...2.4; 3.4...4.2; 8...12 мкм. Коэффициент ослабления в окнах прозрачности снижается до 1...10 дБ/км.

С увеличением высоты над поверхностью Земли концентрация паров воды и углекислого газа уменьшается. Поэтому ширина окон прозрачности увеличивается, и поглощение соответствующих им излучений уменьшается (см. рисунок 5.9, б). Отметим, что каждая из полос поглощения на рисунке 5.9 состоит из многих тысяч отдельных линий поглощения, между которыми располагаются многочисленные микроокна прозрачности.

Рассеяние на молекулах и взвешенных частицах. Отдельные моле-

кулы атмосферных газов, частицы пыли и дыма, а также капли воды в облаках, туманах, дождях рассеивают волны оптического диапазона. Характер рассеянного поля, как всегда, зависит от соотношения размеров частиц и длины волны.

Размеры молекул и микроскопических капель воды в дымке малы по сравнению с длиной волны. Вносимые ими потери на рассеяние следуют закону Рэлея, при котором с увеличением длины волны потери уменьшаются пропорционально 1/4. При длине волны больше 0.6 мкм коэффициент ослаб-