10. Космические радиолинии

Выбор основных характеристик космических радиолиний является сложной инженерной задачей, требующей учета большого числа раз­личных факторов, воздействие которых на работу космических радио­линий предъявляет подчас противоречивые требования к отдельным па­раметрам. Большие протяженности космических радиолиний и ограни­ченные возможности бортовых энергетических установок обусловли­вают необходимость использования на наземных пунктах остронаправ­ленных антенн с большими коэффициентами усиления, применения малошумящих усилителей СВЧ, выбора рационального диапазона рабочих частот, обеспечивающего минимум потерь энергии сигнала при распространении, применения помехоустойчивых методов модуля­ции и кодирования передаваемых сообщений. Все это вызывает необ­ходимость особо тщательного учета различных факторов, влияющих на энергетические характеристики космических радиолиний.

1. Радиолинии «земля — космос», «космос — земля», «космос — космос»

Мощность принимаемого сигнала в односторонних радиолиниях («Земля — Космос», «Космос — Земля», «Космос — Космос») опреде­ляется известным соотношением:

(109)

где — мощность передатчика; , — коэффициенты усиле­ния передающей и приемной антенн соответственно; — общие поте­ри энергии сигнала в элементах антенно-фидерных трактов и при рас­пространении в окружающей среде.

Мощность шумов, отнесенная ко входу приемного устройства, мо­жет быть описана выражением:

(110)

где k — постоянная Больцмана, равная ; — эффективная шумовая температура приемной системы; — ширина полосы пропускания приемника до детектора. Тогда отношение мощности сигнала к мощности шумов на входе приемного устройства:

(111)

Для обеспечения нужного качества принимаемого сообщения отно­шение сигнал/шум на входе приемного устройства должно быть не меньше некоторого порогового уровня ( ).

С учетом этого требования выражение (1.1.3) может быть переписано в виде:

(112)

Пороговые значения отношения сигнал/шум зависят от допустимых искажений принимаемого сообщения (или сигнала) на выходе прием­ного устройства. При одних и тех же значениях отношения сигнал/шум на выходе приемника, в зависимости от используемого в радиолинии типа модуляции и метода декодирования сигнала в приемном устрой­стве, требования к пороговым значениям отношения сигнал/шум на входе будут различными. Поэтому выбор рациональных методов и па­раметров модуляции при передаче различных сообщений является весь­ма важным этапом при проектировании космических радиолиний.

Эффективная шумовая температура приемной системы определяется шумами, наводимыми в антенне внешними источниками, и собствен­ными шумами приемного устройства. Применение малошумящих уси­лителей (МУ) позволяет снизить температуру собственных шумов при­емника до нескольких десятков градусов Кельвина. Определяющий вклад в эффективную шумовую температуру приемной системы в этом случае вносят шумы антенны. Уровнем этих шумов, по существу, и ог­раничивается реальная чувствительность приемных устройств косми­ческих радиолиний. Поскольку энергетические возможности бортовых источников питания пока еще ограничены, представляется целесооб­разным использовать МУ в первую очередь в наземных приемных уст­ройствах, что позволяет на порядок и более снизить требования к мощ­ности излучения бортовых передатчиков. При использовании малошумящих усилителей очень важным оказывается правильный выбор рабочего диапазона волн.

Большие протяженности космических радиолиний вызывают значи­тельное ослабление энергии сигнала при его распространении. При этом основная составляющая потерь обусловлена рассеянием энергии при распространении в свободном пространстве. Выражение для потерь в свободном пространстве при передаче между двумя идеальными изо­тропными антеннами имеет вид:

(113)

где d — расстояние между передающей и приемной антенной; — длина волны.

Помимо потерь в свободном пространстве в космических радиоли­ниях имеют место потери энергии сигнала в ионосфере и тропосфере Земли, а также в различных атмосферных образованиях. Эти состав­ляющие потерь существенно зависят от рабочей длины волны и должны учитываться при выборе рабочего диапазона волн. Кроме этого, при использовании направленных антенн могут иметь место потери энергии сигнала из-за несовпадения диаграмм направленности передающей и приемной антенн. При распространении радиоволн в ионосфере про­исходит вращение плоскости поляризации излученного сигнала, в ре­зультате чего в космических радиолиниях необходимо учитывать поля­ризационные потери. Ширина полосы пропускания линейной части приемника зависит от ширины спектра передаваемого сообщения, па­раметров модуляции, величины доплеровского смещения частоты и стабильности частоты передатчика и гетеродина приемного устройства.

Спектр передаваемых сообщений определяется назначением косми­ческих радиолиний, объемом информации, передаваемой в течение сеанса связи, и продолжительностью сеанса связи.

Доплеровское смещение частоты зависит от параметров орбит кос­мических объектов и географических координат наземных станций, с ко­торыми осуществляется радиосвязь, а также от того, на каком расстоя­нии от наземной станции проходит трасса ИСЗ или КА.

Важным расчетным параметром космических радиолиний является коэффициент усиления бортовой и наземной антенн. Эффективная по­верхность раскрыва антенны и коэффициент усиления связаны общим соотношением:

(114)

где — длина волны; G — коэффициент усиления антенны по отноше­нию к коэффициенту усиления изотропного излучателя.

При использовании параболических антенн из-за неравномерности распределения поля в раскрыве антенны эффективная поверхность составляет примерно 0,54 реальной апертуры зеркала. Коэффициент усиления и ширина главного лепестка диаграммы направленности ан­тенны на уровне половинной мощности в градусах ( ) приближенно определяются следующими соотношениями:

(115)

(116)

где D — диаметр раскрыва антенны.

Выражения (115), (116) дают удовлетворительный результат при .

Используя соотношения (113) и (114) , можно привести другие виды уравнения (112), которые иногда оказываются более удобными:

(117)

где — потери энергии сигнала в атмосфере и ионосфере Земли, по­ляризационные потери и потери в элементах антенно-фидерного тракта.