Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства в телерадиовещании

9 Распространение радиоволн на космических линиях связи | назад | содержание | вперёд |

9 Распространение радиоволн на космических линиях связи

9.1 Общие замечания

Космическая радиосвязь в последние десятилетия получила стремительное развитие. Наземная радиосвязь с использованием спутников в качестве ретрансляторов, глобальная служба спасения на море, связь с межпланетными кораблями – вот неполный перечень видов радиосвязи, использующих свободно распространяющиеся электромагнитные волны.

Для обеспечения надежной работы космических радиолиний решается множество научных и технических проблем. Многие из них связаны с особенностями распространения радиоволн в околоземном пространстве, межзвездном газе и атмосфере других планет солнечной системы.

9.2 Ослабление сигнала в атмосфере Земли и межзвездном газе

Как известно (1.13), суммарные потери на любой радиолинии складываются из основных потерь и дополнительных. Основные потери определяются ослаблением сигнала в свободном пространстве из-за расхождения лучей по причине сферического фронта волны. Дополнительные потери складываются из потерь в среде распространения в результате поглощения, рассеяния энергии волны на неоднородностях среды, изменения первоначальной поляризации волны под действием магнитного поля и т.д.

Вопросы поглощения волны в атмосфере Земли подробно рассмотрены в разделах 3 и 4. Напомним лишь, что поглощение волны в тропосфере заметно проявляется на волнах короче 10 см (f=3000 МГц), а потери в ионосфере имеют значительный вес в суммарном ослаблении сигнала на частотах менее 200 МГц.

При наличии постоянного магнитного поля Земли, как было показано в разделе 4, при распространении в ионосфере волна расщепляется на две волны – обыкновенную и необыкновенную. Эти волны распространяются в ионосфере с разными фазовыми скоростями, поэтому при прохождении некоторого расстояния между ними появляется фазовый сдвиг, который приводит к повороту плоскости поляризации суммарной волны. В случае движущегося излучателя (например, при установке передатчика на спутнике) наблюдается непрерывное вращение плоскости поляризации. Сигнал, принятый линейно-поляризованной антенной, испытывает поляризационные замирания. В табл. 9.1 приведены результаты расчета скорости вращения вектора напряженности электрического поля в зависимости от частоты волны.

Таблица 9.1.

f, МГц | 100 | 200 | 500 | 800 | 1000 | 2000 | 3000 | 5000
φ, град/сек | 1,7 | 0,43 | 7·10 –2 | 2,7·10-2 | 1,7·10-2 | 4,3·10-3 | 1,9·10-3 | 7·10-4

Как следует из табл. 9.1, вращение плоскости поляризации на частотах более 2000 МГц не играет существенной роли, и в принципе прием можно вести на антенны линейной поляризации без заметного ослабления сигнала. Экспериментально установлено, что суммарное ослабление сигнала в атмосфере Земли в диапазоне частот 500 – 10000 МГц не превышает десятых долей дБ.

Плотность межзвездного газа чрезвычайно мала. По данным прямых измерений аппаратурой, установленной на космических аппаратах, межзвездная среда содержит единицы электронов и ионов в 1см3, а количество нейтральных атомов составляет величину порядка одного атома в см3. Учитывая столь малую плотность вещества, потерями в межзвездном газе можно пренебречь. Таким образом, при правильном выборе рабочих частот на космических радиолиниях ослабление сигнала определяется в основном ослаблением в свободном пространстве (табл. 1.2).

9.3 Эффект Доплера на линиях космической связи

Одной из особенностей радиосвязи с движущимся объектом (с космическим аппаратом в том числе) является то, что частоты принимаемых сигналов отличаются от передаваемых в результате так называемого эффекта Доплера. Причина эффекта заключается в том, что при передаче сообщения длительностью t0, оно принимается за время:

, (9.1)

где v – проекция скорости перемещения источника излучения относительно наблюдателя на связывающую их прямую (рис.9.1), где c – скорость света.

Чаще всего скорость распространения волны можно принять равной скорости света в вакууме. Таким образом, все сообщение в пункте приема окажется растянутым во времени (в формуле – знак «плюс») или сжатым во времени при знаке «минус». Соответственно каждая составляющая частотного спектра сигнала будет иметь положительные или отрицательные приращения. При удалении источника излучения от наблюдателя частота сигнала уменьшается (приращение отрицательное), а при приближении к наблюдателю – увеличивается (приращение частоты положительное). При этом каждая спектральная составляющая сигнала получает разные приращения частоты, а именно, более высокочастотная составляющая получает большее абсолютное приращение.

Таким образом, при достаточно больших скоростях движущегося источника излучения относительно наблюдателя (приемника) возникает, во-первых, сдвиг частоты сигнала, называемый доплеровским сдвигом, во-вторых, - деформация спектра сигнала.

Доплеровский сдвиг частоты можно определить по приближенной формуле:

, (9.2)

В случае, когда связь ведется с нестационарным спутником, максимальный доплеровский сдвиг частоты возникает в момент выхода спутника из области тени и появлении его на линии горизонта. Доплеровский сдвиг равный нулю соответствует нахождению спутника в зените относительно пункта приема, что соответствует нулевой относительной скорости.

Доплеровский эффект необходимо учитывать при определении полосы про-пускания приемника. Если не принимать меры для компенсации эффекта Доплера, полоса пропускания приемника должна составлять:

, (9.3)

где Δf0 – полоса частот передаваемого сигнала, Δfд – максимальный допплеровский сдвиг при распространении в свободном пространстве, Δfат – ошибка в определении допплеровского сдвига частоты из-за влияния неоднородностей атмосферы.

Величина Δfд определяется относительной скоростью искусственного спутника Земли (ИСЗ), параметрами орбиты (высотой, формой, наклонением), расположением наземной станции и несущей частотой f.

При величине , равной примерно 10 –4 – 10 –5, и передаче на частотах 1 – 10 ГГц величина Δfд может достигать 0,2 МГц. Для уменьшения влияния доплеровского эффекта в приемных устройствах применяют системы автоматической подстройки частоты гетеродина или в соответствии с орбитой ИЗС вводится соответствующая поправка на сдвиг в несущую частоту передатчика. Ни один из этих методов не устраняет искажений спектра сигнала. Однако при сравнительно малых скоростях движения спутников вокруг Земли и работе на сравнительно высоких частотах в режиме частотной модуляции искажение спектра сигнала мало сказывается на разборчивости телефонного разговора или на изображении при телевизионном вещании.

Пример 9.1. Определить доплеровский сдвиг при связи с межпланетным кораблем, удаляющимся от Земли со скоростью 10 .

Несущая частота передатчика 6000 МГц.

По формуле (17.2) определяем:

МГц

(минус означает, что расстояние между пунктами связи увеличивается, т.е. частота волны уменьшается).

9.4 Запаздывание сигналов

В связи с конечной скоростью распространения радиоволн для прохождения радиосигналом пути до корреспондента требуется определенное время. Если это расстояние велико, то запаздывание сигнала становится заметным.

В случае использования ИЗС в качестве ретранслятора запаздывание сигнала еще больше увеличивается. И, наконец, для приема сообщения от межпланетного корабля требуется несравненно большее время. Для оценки времени задержки сигнала на рис. 9.2 приведена зависимость времени задержки между наземными станциями τмакс от высоты орбиты спутника. Как следует из рис. 9.2, максимальное запаздывание составляет 60 мс при высоте орбиты 5000 км и 270 мс при высоте орбиты 35000 км.

При передаче дуплексных телефонных разговоров запаздывание сигналов может привести к вынужденным паузам в разговоре между абонентами, что затруднит разговор, а при телеграфии возникают существенные искажения информации. В связи с этим нормами МККР установлена величина максимального времени запаздывания сигнала между двумя абонентами при телефонном обмене, равная 250 мс.

При построении системы связи с использованием нескольких ИЗС в качестве ретрансляторов, а также при связи с ИЗС, когда прием и передача осуществляется на одной частоте, необходимо учитывать влияние эхо-сигналов, отраженных от Земли. Эти сигналы будут восприниматься в виде прослушивания своего разговора, задержанного на время, равное удвоенному времени распространения сигнала от поверхности Земли до спутника. Для стационарного спутника время запаздывания эхо-сигнала составляет около 540 мс. При большом времени запаздывания эхо-сигналы становятся ощутимыми и мешают ведению разговоров. Одной из мер борьбы с эхо-сигналами является работа на передачу и прием на разнесенных частотах.

На линиях связи с межпланетными аппаратами задержки сигнала значительно больше, чем те, которые имеют место при работе с орбитальными объектами. В табл. 9.2 приводится время задержки сигнала при радиообмене между Землей и космическим кораблем на поверхности или в окрестности планет солнечной системы с учетом их взаимного расположения.

Таблица 9.2

Планета | Среднее расстояние от Земли, км | Задержка ответа корреспондента
Луна | 380·10 3 | 2,5 с
Венера | 41,4·10 6 | 4,6 мин
Марс | 78,3·10 6 | 8,7 мин
Меркурий | 110,1·10 6 | 12,3 мин
Юпитер | 1,16·10 9 | 1ч 9,3 мин
Сатурн | 1,28·10 9 | 2ч 22 мин
Уран | 2,25·10 9 | 5ч 02 мин
Нептун | 7,2·10 9 | 8ч 03 мин
Плутон | 18,6·10 9 | 10ч 40 мин

Как следует из табл. 9.2, столь большое время задержки сигнала практически лишает возможности управления с Земли различными системами космического корабля, включая системы жизнедеятельности и контроля, комплекс оборудования для научных исследований. Все это поручается системам автоматики, работой которых управляет бортовой компьютер.

9.5 Выбор оптимальных частот

С точки зрения распространения радиоволн рабочие частоты находятся в интервале 200 МГц – 10 ГГц по причинам, изложенным выше. Для низкоорбитальных спутников и спутников на высокоэллиптических орбитах выделены частоты преимущественно в диапазоне сантиметровых волн. Как правило, используемый диапазон ограничен частотой 11 – 14 ГГц по причине резкого роста поглощения в тропосфере на более высоких частотах.

Кроме этого нужно учитывать тот факт, что на частотах выше 10 ГГц, основным источником помех на входе приемника являются собственные шумы приемника. При тех уровнях полезного сигнала на входе приемника, которые имеют место на линиях связи с высокоорбитальными спутниками или межпланетными аппаратами, отношение может иметь крайне низкое значение. С учетом этого и при исключении влияния магнитного поля Земли на поляризацию волны оптимальный диапазон частот можно принять от 4 до 10 ГГц.

Низкие уровни принимаемых сигналов требуют увеличения мощности излучения или увеличения коэффициентов направленности наземных и бортовых антенн. Напомним, что увеличение мощности излучения наземных и космических систем ограничено, главным образом, требованиями электромагнитной совместимости с наземными системами связи (радиорелейные линии связи и др.), работающими в том же диапазоне частот. Увеличение коэффициента направленности бортовых антенн ограничено жесткими требованиями к весу и габаритам полезного груза космического аппарата. Таким образом, практически единственным средством увеличения соотношения в настоящее время является увеличение диаметра зеркала наземной антенны. Однако это вступает в противоречие с требованиями к точности выполнения профиля зеркала. Большую точность выполнения профиля зеркала при его большом диаметре трудно обеспечить чисто технологически. Кроме этого, зеркала с большим диаметром подвергаются статическим деформациям под действием собственного веса и в результате действия климатических и метеорологических факторов.

Вследствие ограниченной точности изготовления антенны диаметр зеркала нельзя увеличивать беспредельно, оставляя постоянной рабочую длину волны. При некотором диаметре зеркала D рабочая длина волны λ становится критической для данной антенны, и при дальнейшем увеличении ее диаметра характеристики антенны (КПД, уровень боковых лепестков) резко ухудшаются. Критическая длина волны при заданном диаметре антенны D находится из условия:

, (9.4)

где ρ – точность изготовления профиля зеркала антенны.

На рис. 9.3 приведены результаты расчета критической длины и частоты волны для различных размеров зеркала при условии, что точность изготовления профиля зеркала р равна 10 –4 . Например, как следует из рис. 9.3, при диаметре зеркала 100 м рабочая частота волны не должна превышать величины порядка 1,9 ГГц (λ=16 см). В то же время, при диаметре зеркала 12 м (система “Орбита”) критическая частота имеет величину около 16 ГГц (λ=1,9 см).

Все вышеизложенное предъявляет дополнительные требования при выборе оптимальных рабочих частот на космических линиях связи.

Вопросы для самопроверки

1. Какие факторы влияют на ослабление сигнала на космических радиолиниях?
2. Что называется эффектом Доплера?
3. Как влияет эффект Доплера на работу радиолинии?
4. Какие факторы учитываются при определении диапазона рабочих частот на линиях космической связи?
5. Какие ограничения накладывают антенны объектов космической связи на рабочие частоты?

назад | cодержание | вперёд