Явления многолучевости и «мерцания» сигнала не
могут оказывать сколько-нибудь существенного влияния на его уровень и поэтому
не учитываются. Наиболее существенное влияние тропосферы проявляется в
поглощении энергии радиоволн в газах атмосферы, поглощении и деполяризации
волны в гидрометеорах, особенно в дожде.
4.1 Расчет ослабления уровня сигнала в атмосфере
Основное поглощение энергии сигнала вызывают
кислород и водяной пар. На рисунке 5 показаны теоретические зависимости
погонного ослабления уровня сигнала у, дБ/км, от частоты при стандартном
давлении воздуха, температуре 20°С и концентрации р водяного пара 7,5
г/м3.
На линиях связи Земля — космос волна проходит
через всю толщу тропосферы, и на ее пути содержание кислорода и водяного пара
существенно меняется, поэтому для расчета ослабления сигнала применяется
концепция эквивалентной высоты кислорода и водяного пара, в пределах которой их
содержание принимается постоянным.
Рисунок 5. - Зависимости погонного ослабления
уровня сигналов от частоты при стандартном давлении воздуха, температуре 20° С
и концентрации водяного пара 7,5 г/м3
Величина ослабления сигнала Аа, дБ, определяется
следующими формулами
[5]:
Аа=(һо2γо2+һн2оγ2о)/sin Ө при
Ө>10 (11)
Aa=√Re cosӨ{γHо2√ho2Fo2+ γHо2√hH2oFh2o} при
0<Ө<10, (12)
где Ө—угол
места антенны земной станции;
Rе —эквивалентный
радиус Земли с учетом рефракции (8500 км);
γо2—погонное
ослабление в кислороде, дБ/км, определяется по графику на рисунке 5 в
зависимости от частоты;
γ2O —погонное
ослабление в водяном паре, дБ/км, определяется по р/7,5, учитывающее
влагосодержание водяного пара р, которое может отличаться от значения 7,5 г/м3,
указанного на графике;
Һо2— эквивалентная высота кислорода, км; Һo2=6 км при Г<50
ГГц; ҺН2О - эквивалентная высота водяного пара, км.
һН2О=2,2+3/[3+(f-22,3)2]+0,3/[1+(f-118,3)2+1/[1+(f-323,8)2],
(13)
FO2,НH2O=[0,661tg Ө√Re/hO2,HO2+0,339√(tgӨ/hO2)2+5,51]
(14)
В приложении В на мировой карте показаны
среднемесячные значения концентрации водяного пара р атмосферы в
августе. Эти значения можно использовать в расчетах как наибольшие.
Найдем величины ослабления сигнала, вызванного
поглощением энергии радиоволн в газах атмосферы, для обоих участков, используя
формулы (11 - 14).
Для участка 1:
Из рисунка 5: γO2=0,007 дб/км,
γН2О=0,003*10/7,5=0,004 дБ/км,
ҺН20=2,2+3/[3+(6383-22,3)2]+0,3/[1+(6383-118,3)2]+1/[1+(6383323,8)2]=2,2км.
Тогда: Аа=(6*0,007+2,2*0,004)/sin38,5=1,02 что
соответствует 0,08 дБ .
Для участка 2
γO2=0,007 дб/км,
γH2O=0,003* 10/7,5=0,004 дБ/км,
һH2O=2,2+3/[3+(3794-22,3)2]+0,3/[1+(3794-118,3)2]+1/[1+(3794-23,8)2]=2,2
км,
РO2=[0,661 tg8 √8500/6 +0,339√(tg√8500/6)2
+5,51]=0,18,
РH2O=[0,661 tg8 √8500/2,2 +0,339√(tg√8500/6)2
+5,51]=0,11.
Тогда:
Аа=√8500соs8 [0,007 √6 0,18+0,004 √2,2 0,11
]=0,34 или -4,67 дБ.
Ослабление уровня сигнала при прохождении
радиоволн через зону дождя вызвано рассеянием электромагнитной энергии
частицами, при этом каждая частица рассеивает энергию в разных направлениях,
вследствие чего энергия, приходящая в точку приема, уменьшается. Кроме того,
энергия поглощается в частицах дождя, что вызывает ослабление уровня сигнала.
Интенсивность рассеяния и поглощения зависит от количества частиц в единице
объема, отношения размеров этих частиц к длине волны, размеров области, занятой
частицами, и их электрических свойств, зависящих от температуры. Количество
частиц в единице объема и их размеры характеризуются интенсивностью дождя.
Интенсивность дождя различна в разных
географических районах и в разное время года. В приложении Г, взятом из Отчета
563-—2 МККР, на мировой карте показаны дождевые климатические зоны,
обозначенные буквами от А до Р, а в таблице данного же приложения приведены
значения интенсивности дождя, превышаемые в указанные проценты времени среднего
года. Лондон относится согласно карте к зоне F, тогда согласно таблице в приложении В,
интенсивность дождя на участке ИСЗ - ЗС1 составляет Іт = 28 мм/ч.
В приложении Д на карте СССР показаны дождевые
климатические районы, обозначенные цифрами от 1 до 29, а в таблице 3.2 [5] даны
значения интенсивности дождя, превышаемые воопределенном проценте времени
«худшего» месяца. Согласно упомянутым картам и таблице, для участка ЗС 1 - ИСЗ
интенсивность дождя равна Іт=22 мм/ч.
На рисунке 6, показаны зависимости погонного
ослабления сигнала в зоне дождя γд частоты и интенсивности
дождя [5].
Чтобы определить ослабление сигнала в зоне дождя
на линии Земля — космос (или Космос — Земля), нужно знать длину пути сигнала в
зоне дождя. Очевидно, уровень зоны дождя определяется высотой изотермы 0°С (или
уровнем замерзания), ниже которой ледяные капли дождя переходят в жидкую фазу.
Согласно Отчету 563 — 2 МККР средняя высота нулевой изотермы определяется
формулой (в километрах) [5]:
ҺF=5,1-2,15lg(1+10)(ψ-27)/25, (15)
где ψ — широта земной станции в градусах.
Высота дождя определяется умножением Һf на эмпирический
коэффициент, который учитывает, что в тропических зонах высота дождя часто
значительно ниже уровня замерзания:
Һд=С*һF, (16)
где С=0,6 при 0°≤│ψ│<20°;
С=0,6+0,02(│ψ│-20) при
20°≤│ψ│≤40°
С=1 при │ψ│>40°
Необходимо также учесть пространственную
неравномерность дождя в горизонтальном направлении. В Отчете 564—2 МККР
предложен следующий метод расчета ослабления сигнала в зоне дождя [5]:
а) определяется
высота нулевой изотермы, км, в зависимости от широты
станции по (16);
б) определяется высота дождя, км, по (17);
в) определяется
длина пути сигнала, км, по наклонной трассе от станции до высоты дождя (км):
dд=2(һд-һо)/[sin2Ө+2(һд-һо)/Rc] 1/2+sinӨ при Ө<
10,
dд=(һд-һо)/sinӨ при Ө>
10, (17)
где Һ0— высота станции над уровнем моря;
Ө- угол места антенны;
Rc=8500 км — эквивалентный радиус Земли;
г) горизонтальная проекция наклонной трассы, км,
dG=dдcosӨ (18)
д) фактор
уменьшения, учитывающий неравномерность дождя для 0,01% времени,
r0.01=90/(90+4dG); (19)
е) определяется интенсивность дождя Іm, мм/ч, превышаемая в
0,01% среднего года (с временем интеграции 1 мин) для климатического района, где
находится станция;
ж) определяется погонное ослабление сигнала в зоне дождя үд,
дБ/км, для данной частоты сигнала и интенсивности дождя по графикам на рисунке
6;
з) определяется ослабление сигнала в дожде, дБ,
превышаемое в 0,01 % среднего года,
Ад0.01=γдdдr0.01.
(20)
Рисунок 6. Погонное ослабление сигнала взоне дождя в зависимости
от частоты
Используя вышепривиденный метод найдем значения ослабления в зоне
дожде для обоих участков.
Для участка 1:
һғ=5,1-2,151§(1+10)(43,13-27)/25=3,52
км,
һд=1*3,52=3,52км,
dд=(3,52-0,87)/sin38,5=4,26 км,
dG=4,26соs538,5=3,33 км,
r0.01=90/(90+4*3,33)=0,87,
Іm=22 мм/ч,
γд=0,07дБ=1,02,
Ад0.01=1,02*4,26*0,87=3,78 или 5,77 дБ .
Для участка 2:
һғ=5,1-2,151§(1+10)(51,.30-27)/25=2,9км,
һд=1*2,9=3,52км,
dд=2(2,9-0,2)/sin2Ө+2(2,9-0,2)/8500]1/2+sin8=12,86км,
dG =12,86соs8=12,73 км,
r0.01=90/(90+4*12,73)=0,64,
Іm=28 мм/ч,
γд =0,12 дБ=1,03,
Ад 0.01=1,03*12,86*0,64=8,48 или 9,28 дБ.
Таким образом, дополнительные потери на участках
линии связи обусловлены главным образом влиянием двух факторов, рассмотренных
выше. Их можно определить по формуле:
Для участка 1 :
Lдоп.1=Аа1*Ад1,
Lдоп.1=Аа1*Ад1=1,02*3,78=3,85 или
5,85 дБ,
Для участка 2:
Lдоп.2=Аа2*Ад2=0,34*8,48=2,9 или
4,61 дБ.
5.1 Расчет шумов
При расчете энергетики спутниковых радиолиний
важно определить полную мощность шумов, создаваемых на входе приемного
устройства спутника и земной станции различными источниками. Как показано в §
3.2,
мощность шума на входе приемника может быть
определена по формуле (5).
Полная эквивалентная шумовая температура приемной
системы, состоящей из антенны, волноводного тракта и собственно приемника,
пересчитанная ко входу приемника [5]:
Т∑=ТАŋв+То(1-ŋв)+ТПр, (21)
где ТА — эквивалентная шумовая температура антенны;
Т0 — абсолютная температура среды (290 К);
Тпр—эквивалентная шумовая температура
собственно приемника,
обусловленная его внутренними шумами;
ŋв—коэффициент передачи волнового тракта.
Эквивалентная шумовая температура антенны может
быть представлена в виде составляющих:
ТА= Тк+Та+Т3+Та.з+Тш.А+Тоб. (22)
которые обусловлены различными факторами: приемом
космического радиоизлучения- Тк; излучением атмосферы с учетом
гидрометеоров - Та;
излучением земной поверхности, принимаемым через
боковые лепестки антенны — Т3; приемом излучения атмосферы,
отраженного от Земли — Та.3; собственными шумами антенны
из-за наличия потерь в ее элементах—ТШ.А;
влиянием обтекателя антенны (если он имеется) — Тоб.
Общая методика, определения этих составляющих основана на том, что антенна,
находящаяся в бесконечном объеме поглощающей среды с однородной
кинетической температурой, при термодинамическом равновесии поглощает и
переизлучает мощность, равную мощности излучения. В этом случае
ТА=(1/4π)Tя(β,ψ)G(βψ)dΩ
где Tя(β,ψ) — яркостная температура
излучения в направлении β,ψ в сферической системе координат;
G(βψ)— усиление антенны (относительно изотропного излучателя)
в том же направлении.
Понятие «яркостная температура» вводится для
характеристики источников излучения; она определяется как температура абсолютно
черного тела, имеющего на данной частоте и в данном направлении такую же
яркость, как рассматриваемый источник.
Для характеристики источников излучения с
неравномерным распределением яркостной температуры используется понятие
усредненной или эффективной температуры излучения
Tср=(1/Ωи) Tя(β,ψ)dΩ
где Ωи — телесный угол источника излучения.
Если угловые размеры источника излучения больше ширины главного
лепестка диаграммы антенны Ωи, то Тср=Тя,
в противном случае
Тср=ТяΩи/ΩА (23)
Для упрощения последующих расчетов примем
усиление антенны в пределах главного лепестка постоянным и равным Gгл, а в пределах
задних и боковых лепестков также постоянным и равным Gбок; тогда
ТA=G
гл./4π Tя(β,ψ)dΩ
(1/4π)∑∫G
бок.i Tя(β,ψ)dΩ
Решая это выражение для всех составляющих шума (22) с учетом (23),
получим для земной антенны
ТА.з=Тя.к(β)+Тя.а(β)+с(Тя,+Тя.а,)+ТшА+Тоб(β), (24)
для бортовой
антенны
ТA.б=Тя.а+Тя.з+2сТя.к+ТША, (25)
где с — коэффициент, учитывающий интегральный уровень энергии
боковых лепестков.
Количественная оценка величины с для различных типов антенн в
зависимости от формы облучения поверхности зеркала антенны с=0,1 ... 0,4 [5].
Как следует из (24), первая составляющая температуры шумов антенны
определяется яркостной температурой космического пространства (изофоты, дающие
количественную оценку Тяк). Основу его составляет радиоизлучение
Галактики и точечных радиоисточников (Солнца, Луны, планет и некоторых звезд).
Частотная характеристика усредненных по небесной
сфере значений Тя.к показана на рисунке 7, из которого
следует, что космическое излучение существенно на частотах ниже 4... 6 ГТц;
максимальное значение на данной частоте отличается от минимального в 20... 30
раз [5], что обусловлено большой неравномерностью излучения различных участков
неба; наибольшая яркость наблюдается в центре Галактики; имеется также ряд
локальных максимумов. Следует отметить, что излучение Галактики имеет сплошной
спектр и слабо поляризовано; поэтому при приеме его на поляризованную антенну
(с любым видом поляризации) можно с достаточной степенью точности считать, что
принимаемое излучение будет половиной интенсивности (т. е. принимается 1/2 всей
мощности излучения, попадающей в раскрыв антенны). На том же рисунке показан
вклад излучения Солнца в спокойном состоянии (в годы минимума активности) и в
состоянии «возмущения», свойственного годам максимума активности. Солнце —
самый мощный источник радиоизлучения и может полностью нарушить связь, попав в
главный лепесток диаграммы направленности антенны. Однако вероятность такого
попадания мала.
Рисунок 7-Частотная зависимость яркостной температуры Галактики,
Солнца и атмосферы
Следует отметить, что спутник довольно редко
проходит через центр солнечного диска, а обычно пересекает его по линиям,
смещенным относительно центра. Точная дата и время «засветки» земных антенн
солнечным диском обычно рассчитывают по данным орбиты ИСЗ и сообщают земным
станциям.
Следующий по мощности радиоисточник—Луна —
практически не может нарушить связи, так как ее яркостная температура не более
220 К [5]. Остальные источники (планеты и радиозвезды) дают существенно меньший
вклад; вероятность встречи антенн с этими источниками меньше, чем с Солнцем,
так как угловые размеры их малы.
Радиоизлучение земной атмосферы имеет тепловой
характер и в полной мере обусловлено рассмотренным в предыдущем разделе
поглощением сигналов в атмосфере. В силу термодинамического равновесия среда
(атмосфера) излучает такое же количество энергии на данной частоте, которое
поглощает соответственно
Тя.а =Та.Ср. (Lа-1)Lа
Как показывают расчеты атмосферы, средняя термодинамическая
температура атмосферы для углов места β>5° в рассматриваемых диапазонах
частот
Та.ср=Т≈То-32≈260 К.
Влияние осадков можно учесть по той же методике,
т. е. определить Тя.а через потери в дожде Ад. Хотя ряд
исследований показывает, что непосредственная корреляция между интенсивностью
дождя и температурой неба невелика (т. е. может наблюдаться повышение шумовой
температуры неба из-за дождевых туч, когда собственно дождь не выпадает), тем
не менее корреляция с многолетней статистикой дождя все же имеется.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
|
Знание — сила. Библиотека научных работ.
Расчет спутниковой линии связи Алматы -Лондон
Наверх