Невероятно, но факт!
Главная / Космос / Выбор проектных характеристик радиолиний дальней космической связи

Выбор проектных характеристик радиолиний дальней космической связи

Выбор проектных характеристик космических радиолиний является сложной инженерной задачей и требует учета большого числа различных факторов, влияющих на энергетику радиолиний и качество передачи информации на требуемые дальности. Рассмотрим выражение, определяющее зависимость максимальной дальности связи D от параметров космической радиолинии,

где Р – мощность передатчика; S6, S3 – эффективные площади бортовой и наземной антенн; hS – коэффициент, определяемый суммарными потерями энергии сигнала в элементах антенно-фидерных трактов и при распространении в окружающей среде; А – длина радиоволны; к = 1,38*10-23 Дж/К – постоянная Больцмана; ГЭф – эффективная температура шума на входе приемной системы; Д – ширина полосы пропускания приемника до детектора; дп – пороговое отношение мощности сигнала к мощности шума на входе приемного устройства, при котором обеспечивается заданное качество принимаемого сообщения.

Формула справедлива как для запросных (“Земля-борт”), так и для ответных (“борт – Земля”) радиолиний. В дальнейшем будем рассматривать в основном ответную радиолинию как наиболее напряженную с точки зрения обеспечения требуемого энергетического потенциала. Одна из основных проблем проектирования радиосистем дальней космической связи – выбор оптимального диапазона радио-волн.

В формуле наряду с явной зависимостью D от А, функциями длины волны являются эффективная температура шума ТЭф и составляющие коэффициента hS, характеризующие потери энергии сигнала в атмосфере Земли, планет и в межпланетной плазме. Потери энергии радиоволн в ионосфере обусловлены их отражением и рассеянием, а также вращением плоскости поляризации при распространении. Указанные эффекты уменьшаются с уменьшением длины радиоволны. При А < 3 м потери в ионосфере несущественны в дециметровом диапазоне ими можно пренебречь.

Потери энергии радиоволн в тропосфере Земли, наоборот, растут с уменьшением длины волны, они малы при А > 3 см. При уменьшении длины волны А < 3 см потери начинают расти вследствие наличия резонансных линий поглощения в спектре молекулярных компонент паров воды и кислорода земной атмосферы. Графические зависимости потерь энергии радиосигнала в земной атмосфере от длины волны при различных углах места антенны представлены на рис. Поглощение радиоволн, вызываемое осадками, в основном дождем и туманом,растет с уменьшением длины волны, зависит от интенсивности осадков и становится существенным при А < 5 см.

На рис. показаны кривые зависимости потерь энергии радиосигнала на трассе длиной 1 км от длины волны X иПоглощение радиоволн, вызываемое дождем, на трассе длиной 1 км интенсивности дождя. Нужно иметь в виду, что и другие планеты Солнечной системы имеют атмосферу, поэтому при выборе характеристик радиоканала связи с КА, находящимся на поверхности планеты, необходимо учитывать условия распространения радиоволн в ее атмосфере. Уровень шумов на входе приемной системы определяется собственными шумами входных устройств приемника, потерями в элементах антенно-фидерного устройства (АФУ) и внешними шумами, вызываемыми тепловым излучением атмосферы, поверхности Земли, Галактики и дискретных космических источников – Солнца, Луны.

Атмосферные шумы на высоких частотах обусловлены поглощением энергии радиоволн в газах тропосферы и атмосферных образованиях (облаках, дожде, тумане). Интенсивность этих шумов зависит от длины пути радиосигнала в среде. Далее на рис. представлены графики зависимости яркостной температуры стандартной атмосферы от длины радиоволны и угла места антенны, рассчитанные для средних условий европейской части территории РФ.

На этом же рисунке приведены графики зависимости от длины волны яркостной температуры космического из лучения, соответствующей галактическому центру (Tkmax) и “холодному” небу вблизи Галактики (Tkmin). Представленные графики могут быть использованы для приближенных оценок вклада атмосферы и галактических шумов в эффективную температуру шума на входе приемного устройства.

Из рис. ниже следует, что при длинах волн менее 10 см атмосферный шум преобладает над галактическим. При А = 1,35 см и X = 0,5 см имеют место максимумы яркостной температуры атмосферы, вызываемые резонансным излучением паров воды и молекул кислорода. Поверхность Земли также излучает радиошумы с эквивалентной температурой около 290 К, которые могут приниматься наземными антеннами по боковым лепесткам диаграммы направленности. Для крупноразмерных антенн, работающих при больших углах места, влияние теплового излучения поверхности Земли на эффективную температуру шума на входе приемного устройства будет мало.

Температуры излучения стандартной атмосферы и галактического фонаТаким образом, анализ выражения и рис. показывает, что оптимальный диапазон радиоволн с точки зрения обеспечения наилучших энергетических характеристик космических радиоканалов и достижения максимальной дальности связи с КА наземными средствами соответствует длинам волн от 1,5 до 30 см. В этом диапазоне эффективная температура внешних шумов, вносимых излучением атмосферы Земли и космического пространства, составит 5-40 К, а интегральное поглощение энергии радио-волн в тропосфере при отсутствии осадков не превысит 0,1 дБ при средних углах места антенны. Возможна организация космической связи с ДКА кроме указанного диапазона в миллиметровом, субмиллиметровом и оптическом диапазонах волн в “окнах прозрачности” атмосферы Земли.

Для снижения эквивалентной температуры собственных шумов на входе приемной системы наземной станции применяют малошумящие квантово-параметрические или молекулярные усилители высокой частоты, охлаждаемые с помощью криогенных устройств до температуры жидкого гелия. При этом в лучших усилителях, используемых в современных радиотехнических комплексах дальней космической связи, достигается температура шума 10-20 К.

Значение произведения А/дп в формуле (выше) зависит от вида модуляции сигнала, метода кодирования и выделения принятого сигнала, а также от допустимой вероятности ошибок приема информации. С точки зрения наилучшего использования энергетики радиолинии оптимальными являются многопозиционные ортогональные цифровые сигналы и фазовая манипуляция несущей частоты. В современных радиотехнических системах минимальное значение произведения ЛЛП составляет 3-4 F при вероятности ошибки приема сигнала 10-3, где F – скорость передачи цифровой информации.

Основные направления развития орбитальных средств

Новые технологии, носящие революционный характер, существенным образом повлияют на облик, характеристики и стоимостные показатели орбитальных средств XXI в. Эксперты выделяют следующие основные направления, определяющие разработки перспективных КА: Бортовая обработка, источники питания, средства связи. Новые принципы использования КА, заключающиеся в оплате потребителями услуг только тогда, когда они ими пользуются, повлекли за собой необходимость создания бортовых средств…

Многоразовые транспортные космические системы

В настоящее время в мире существует одна действующая многоразовая космическая система – американская Space Shuttle. Регулярные эксплуатационные запуски МТКС начались в ноябре 1982 г. По состоянию на 1 января 1999 г. осуществлено 93 полета, один из которых (двадцать пятый) завершился катастрофой МТКС с утратой орбитальной ступени (ОС) Challenger. МТКС Space Shuttle представляет собой двухступенчатую ракетную…

Обеспечение надежности перспективных средств выведения

В настоящее время в ведущих ракетно-космических странах мира проводятся интенсивные работы по созданию перспективных средств выведения. Позади длительный, сорокалетний (1957-1997 гг.) период создания ракет-носителей на основе боевых ракет. Значительное числомодификаций базовых моделей, разработанных в отмеченный период, созданы путем модернизации отдельных элементов РН в рамках установленных компоновочных схем. Эволюционный период совершенствования РН завершается, потенциальные возможности старых…

Космические биология и медицина

Полеты человека в космос стали возможны благодаря созданию ракетно-космической техники и планомерным исследованиям в областях космических биологии и медицины – новых областях естествознания, изучающих особенности жизнедеятельности человека и других организмов при действии на них факторов космического пространства. Биологические исследования в процессе полетов ракет и первых искусственных спутников Земли открыли путь человеку в космос и во…

Перспективные направления совершенствования химических ракетных двигателей

На настоящем этапе развития космических транспортных средств сложилась ситуация, когда возможности по совершенствованию химических ракетных двигателей традиционных типов (на основе стационарных или медленно протекающих рабочих процессов) практически полностью исчерпаны и ограничены незначительным улучшением энергомассовых характеристик, достигаемым, как правило, в ущерб надежности, безопасности и экологичности. Качественный скачок в развитии космических транспортных средств может быть достигнут путем…

Существующая структура наземных комплексов и средств управления КА

Для управления космическими аппаратами различного назначения в Российской Федерации в основном используется наземный автоматизированный комплекс управления Минобороны. Кроме того, для управления некоторыми КА научного и социально-экономического назначения, обеспечения полетов КА пилотируемых программ и управления коммерческими КА используются комплексы и средства Росавиакосмоса, а также комплексы и средства ряда других государственных ведомств и коммерческих организаций. НАКУ МО…

В заключении о космосе

Одновременная смена веков и тысячелетий – уникальный временной период,который характеризуется определяющими историческими поворотами в развитии человечества. Такова “магия” чисел. В это время подводятся итоги деятельности в областях знаний, определяющих прогресс человечества, и оцениваются перспективы их последующего развития. Не миновала сия участь и космонавтику. Бурное развитие космонавтики во второй половине XX в. значительно ускорило научно-технический прогресс….

Средства связи

В настоящее время рынок телекоммуникаций развивается весьма динамично – его объем в 1998 г. превысил 1 трлн дол. При этом объем космического сегмента рынка телекоммуникаций составил примерно 27 млрд дол., или 2,3 % от всего мирового рынка. Однако в течение 10 лет прогнозируется рост удельной доли космического сегмента до 6 %. Это означает, что среднегодовые…

Комплексы управления КА США

В США средства управления КА военного и двойного назначения эксплуатируют МО, НАСА и Управление по исследованию атмосферы и океанов НОАА (NOAA) Министерства торговли. В США формальное разделение космической программы на гражданскую и военную произошло в начале 1960-х гг. К 1964 г. сформировался НКУ военной навигационной системы Transit. С запуском первых разведывательных КА типа Samos и…

Достигнутый уровень долговечности КА зарубежных стран

Анализ развития РКТ зарубежных стран в течение 1970-1990-х гг. позволяет сделать следующие выводы. В США для КС связи и ретрансляции, навигации, системы раннего предупреждения о ракетном нападении и радиотехнической разведки созданы КА с расчетными сроками активного существования 7…10 лет (DSCS-2, DSCS-3, Leasat, Fleetsatcom, TDRSS, Navstar). Это позволяет развертывать космические системы в штатном составе на весь…

Все права защищены ©2006-2021. Перепечатка материалов с сайта возможна только с указанием ссылки на сайт – Невероятно, но факт!.
Email: hi@poznovatelno.ru. Карта сайта
 

Невероятно, но факт!