Потери в тракте распространения спутниковых линий связи

Основные потери передачи. Большая протяженность линии Земля - ИСЗ, оценивающаяся десятками тысяч километров, является причиной больших основных потерь передачи L₀. Если высоты орбит спутников составляют 10000...36000 км, то максимальная дальность между наземным пунктом и ИСЗ изменяется от 1700 до 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 спутниковой линии связи, который в значительной степени обеспечивается сложным наземным оборудованием.

При расчете энергетики определяют основные потери для максимального расстояния r_max между ИСЗ и наземным пунктом при минимально допустимом угле возвышения ∆_min траектории распространения волны. Согласно рисунка 1

где Н = Н_с + а_зм - расстояние от центра Земли до спутника; . В случае эллиптической орбиты расчет следует производить для Н_с = Н_а, где Н_а - высота апогея.

Ослабление и деполяризация волн в тропосфере. В диапазонах волн, выделенных для спутниковых линий связи, ослабление волн в тропосфере может быть значительным. Напомним, что ослабление в тропосфере складывается из потерь в газах и рассеяния и поглощения в дожде, тумане, облаках.

Поглощение радиоволн 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 V_г достигает значения 10дБ.

Ослабление в дожде незначительно на частотах ГГц при любой интенсивности дождя и углах возвышения траекторий . Но на частотах больше 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. Значительное ослабление в дожде волн с частотами выше 10 ГГц 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 интенсивных осадках, особенно в дожде, кроме ослабления наблюдаются явление деполяризации, т. е. изменение поляризации волны в результате ее рассеяния на сфероидальных каплях дождя. Это явление следует учитывать при работе на частотах выше 10 ГГц. Деполяризация приводит к взаимным помехам между каналами связи.

Тепловые и поляризационные потери, связанные с прохождением радиоволн через ионосферу.Тепловые потери в ионосфере обусловлены ее конечной проводимостью. Удельная проводимость ионосферы в первом приближении обратно пропорциональна квадрату частоты и существенна лишь на частотах f < 100 МГц. Спутниковые системы связи работают на более высоких частотах, поэтому тепловыми потерями в ионосфере можно пренебречь.

Поляризационные потери обусловлены рассогласованием поляризаций принимаемого поля и приемной антенны в результате эффекта Фарадея. Перемещение спутника, а также изменение параметров ионосферы являются причиной непрерывного изменения угла поворота ψ_ф плоскости поляризации принимаемого поля. Если поле с меняющейся поляризацией принимать на антенну с линейной поляризацией, то появится поляризационные замирания, что эквивалентно потерям. Максимальное значение угла поворота плоскости поляризации ψ_фmах, когда ИСЗ находится во внешней ионосфере и волна под углом возвышения Δ пересекает всю ее толщу

где ψ_фmах измеряется в градусах, а f - в герцах. 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, дБ составляет:

или . В современных антенных устройствах, используемых на спутниковых радиолиниях, имеются технические возможности по борьбе с поляризационными замираниями.

Влияние рефракции. В тропосфере и ионосфере происходит искривление траекторий радиоволн на линиях спутниковой связи. При достаточно узких ДН антенн земных станций (меньше 1°) искривление траектории может привести к «потере» спутника. При измерении координат ИСЗ за счет рефракции появляются ошибки в определении угла места (угла возвышения Δ) ИСЗ. Степень искривления траектории оценивают углом рефракции δ_р (рисунок 2).

Угол тропосферной рефракции δ_рт (в градусах) можно определить по простой формуле, если угол возвышения и искривление траектории мало, т.е. имеет место квазипрямолинейное распространение в тропосфере:

где n_то - приземное значение коэффициента преломления тропосферы.

Угол ионосферной рефракции δ_ри, для спутника, расположенного на высоте Н_с > а_зм на частотах больше 100 МГц при среднем состоянии ионосферы определяется формулой т.е. ионосферная рефракция в отличие от тропосферной зависит от частоты.

Рисунок 2. Оценка угла рефракции

Суммарный угол рефракции при прохождении волны через всю толщу атмосферы составляет

При работе на частотах выше 1 ГГц суммарная рефракция определяется тропосферой. Хотя угол δ_рт невелик и для траекторий с оценивается значением не более 10', на спутниковых линиях он может быть соизмерим с шириной ДН наземной антенны. Поэтому при изменении условий рефракции в процессе изменения приземного значения коэффициента преломления могут наблюдаться колебания уровня сигнала на входе приемника. Мерой борьбы с этим явлением служит использование специальных систем наведения в антенных устройствах.

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

На частотах, обычно используемых на спутниковых линиях связи, в основном проявляются тропосферные замирания, характеризующиеся следующими закономерностями: глубина флуктуаций увеличивается с уменьшением угла возвышения траектории и при укорочении длины волны; на более пологих траекториях путь, проходимый волной в тропосфере увеличивается и все большее число неоднородностей участвует в рассеянии.

Внешние шумы, влияющие на работу космических радиолиний.На работу спутниковых линий связи существенное влияние оказывают внешние шумы, в отличие от наземных систем, где условия приема лимитируются внутренними шумами аппаратуры. Объясняется это тем, что на спутниковых линиях низкий уровень принимаемого сигнала приводит к необходимости использовать 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.

Энергетика спутниковых линий обычно рассчитывается с учетом только источников внешних шумов. 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 малошумящими 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. При средних метеорологических условиях, узкой ДН антенны, углах возвышения Δ более 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.

Искажения сигналов в тракте распространения.Эффект Доплера наблюдается при приеме сигналов со спутника, перемещающегося относительно пункта приема. Если гармоническое поле с частотой ω распространяется в свободном пространстве со скоростью с₀, то в момент времени t на расстоянии r от источника набег фазы волны составит

При перемещении источника (или приемника) относительно другого корреспондента длина пути r, проходимого волной, меняется во времени и принимаемая частота, называемая доплеровской, отличается от излученной.

По мере перемещения спутника угол δ изменяется и доплеровское смещение частоты (f_д – принимаемая линейная частота Доплера) также изменяется от нулевого значения, когда спутник в зените, до максимального значения, когда спутник находится на линии горизонта. Порядок максимального смещения частоты на частотах 1...10 ГГц составляет 0,02...0,2 МГц.

Неоднородные свойства атмосферы вносят некоторые изменения в доплеровский сдвиг частоты по сравнению со свободным пространством. В реальной атмосфере распространение происходит по искривленной траектории со скоростью, несколько отличной от скорости света в свободном пространстве. Точные расчеты доплеровского сдвига частоты показывают, что неоднородность тропосферы вносит поправку порядка долей герца. Так, при ∆ > 5° эта поправка составляет менее 0,2 Гц. Значение ионосферной поправки зависит от частоты и на f < 100 МГц оценивается несколькими десятками герц, уменьшаясь до единиц и долей герц на частотах f > 1 ГГц.

Такие поправки несущественны для работы систем связи и вещания, но учитываются в радиоизмерительных системах. Эффект Доплера наряду со смещением несущей частоты сигнала приводит к смещению всех составляющих его спектра. Если излучается сигнал с полосой Δf_max спектр деформируется и становится равным

Для компенсации доплеровского сдвига на несущей частоте в приемнике с расширенной полосой используют автоматическую подстройку частоты или, если известны параметры орбиты, изменяют по определенной программе частоту передатчика. Ни один из этих способов не устраняет деформации спектра, для этого требуются специальные сложные устройства, регулирующие скорость передачи и воспроизведения сообщений. В системах связи с использованием геостационарного спутника эффект Доплера отсутствует.