УДК 621.3

Особенности распространения связи для спутниковых систем, модели помеховой обстановки

Кучмин Никита Андреевич – аспирант Владимирского государственного университета им. А.Г. и Н.Г. Столетовых

Научный руководитель Никитин Олег Рафаилович – доктор технических наук, профессор кафедры «Радиотехника и Радиосистемы» Владимирского государственного университета им. А.Г. и Н.Г. Столетовых

Аннотация: В данной статье рассматриваются особенности распространения связи в космическом пространстве для спутниковых систем, а также модель помеховой обстановки в процессе работы спутниковых систем.

Ключевые слова: космический аппарат, канал связи, помехи.

Для построения модели прохождения радиосигналов на различных возможных участках системы передачи необходимо рассмотреть физические особенности процессов, происходящих на этих участках каналов передачи. Каналы распространения радиоволн для целей космической связи можно разделить на несколько типов, каждый из которых имеет свои особенности. Их свойства также определяются тем, осуществляется ли передача «Земля – космический аппарат (КА)» или «КА – КА», а также на какой высоте располагается КА и в каких условиях работы находится. На данном этапе виды каналов можно разделить:

1. Канал проходит полностью вне земной атмосферы (ионосферы);
2. Канал проходит сквозь атмосферу Земли;
3. Канал проходит между двумя КА;
4. Связь осуществляется на восходящем участке траектории при взлете ракеты.
5. Связь осуществляется при вхождении в плотные слои атмосферы.
6. В канале наблюдается рассеяние по времени и по частоте.

В данной статье рассматривается первый и второй тип каналов.

Также можно выделить и основные явления, которые могут влиять в той или иной мере разные виды космических каналов передачи информации.

Преломление, рассеяние и изменения поляризации: – Полярные сияния, – Метеоритные потоки, – Циклические изменения в атмосфере, – Сезонные изменения в атмосфере, – Суточные изменения в атмосфере, – Эффект Фарадея.

Межсимвольная интерференция: – Многолучевость канала передачи.

Допплеровский сдвиг частоты: – Движение КА и образований в тропосфере и атмосфере.

Случай, когда канал проходит вне земной атмосферы

Такие каналы используются при передаче информации между различными космическими группировками, расположенными на больших высотах. В этих условиях на распространение радиоволн оказывает влияние ослабление сигнала из-за большой протяженности радиолинии и возможное поглощение энергии космической средой. В этом случае мощность на входе приемного устройства  определяется формулой

где  – мощность передатчика,  – усиление передающей и приемной антенны, R – расстояние между КА.

В отношении ослабления за счет влияния космической среды утверждается, что в данных условиях закономерности распространения радиоволн, представляющих сплошной спектр (белый шум) нельзя целиком переносить на условия распространения монохроматического сигнала. При этом характер взаимодействия радиоволн и космической среды может быть оценен путем применения теории распространения радиоволн в сильно разряженной плазме и данных об электронной плотности в среде распространения.

Первые данные о плотности газа в космическом пространстве были получены еще при пролетах первых космических станций. Данные от разных источников показывают плотность от 1-2 ион/см³ до 20 ион/см³ и подтверждается данными более поздних измерений. Космическое пространство содержит газ, состоящий в основном из ионизированных водорода и гелия, а также электронов. Для расчета дополнительного коэффициента поглощения радиоволн в разряженном ионизированном газе, в случае, если расстояние между электронами много больше длины волны, используется следующее выражение:

где N – концентрация ионов в ион/см³; Т – температура газа в космическом пространстве в Кельвинах, полагая обычно 1,5 ‧ 10⁶ К; f – частота сигнала в Герцах.

Некоторые данные утверждают, что в космическом пространстве радиоволны могут претерпевать дополнительные ослабления по сравнению с ослаблением в однородном ионизированном газе. Предполагается, что в космическом пространстве могут иметься сильные неоднородности ионизированного газа, на которых происходит рассеяния радиоволн. Изменения солнечной активности оказывает влияние не только на радиофизические свойства атмосферы, но и на свойства внеземной среды.

Сравнения рассмотренных двух факторов ослабления в космическом пространстве позволяет сделать вывод, что подавляющая доля ослабления приходится на первый фактор, а поглощения в среде играет незначительную роль и в большинстве случаев может не учитываться.

Пребывание на околоземных орбитах может оказывать на аппаратуру негативное влияние за счет радиации. Планету охватывает три пояса интенсивного корпускулярного излучения – радиационные пояса, интенсивность которых может превышать 10⁴ частиц/см² ‧ с, в то время, как между ними она может снижаться до 10² ÷ 10³ частиц/см² ‧ с. Распределение радиации симметрично относительно магнитной оси Земли, конфигурация совпадает с конфигурацией силовых линий магнитного поля. Самую большую протяженность радиационные пояса имеют вдоль экваториальных широт, не достигая приполярных областей.

Область максимальной интенсивности первого пояса удалена от Земли примерно на 3000 км, второго пояса – на 26000 км, третьего – на 60000 км. Энергия частиц в поясах может достигать миллионов электрон-вольт, в отношении их происхождения выдвинуты различные теории. Такая интенсивность излучения может заметно влиять на работоспособность радиоэлектронных устройств на космических аппаратах. Повышения интенсивности радиационного потока от Солнца в атмосфере Земли вызывает ионосферно-магнитные бури.

Канал связи проходит сквозь атмосферу Земли

В ситуациях, когда канал связи проходит от поверхности Земли в космическое пространство следует рассмотреть одновременное воздействие тропосферы и ионосферы.

Поскольку короткие волны в сильной степени экранируют ионосферой, то для передачи сигналов удобнее использовать диапазон УКВ (ультракоротние волны) диапазон. Диапазон рабочих частот определяется с одной стороны ионосферой, электронно-ионные явления в которой ограничивают нижний предел длин волн, с другой стороны – тропосферой, различные явления в которой (поглощение и т.д.) ограничивают верхний предел длин волн. Поскольку электронно-ионная плотность наиболее высокая в слоях F₂ и E_s, то наиболее высокие критические частоты соответствуют этим слоям, в связи с чем влияние других слоев может приниматься во внимание значительно меньше. В связи с этим нижняя граница возможного диапазона для использования может считаться порядка 3 м. В тропосфере радиоэхо от облаков, поглощение и т.п. определяют нижнюю границу диапазона волн в области 10 см.

В качестве эффектов, оказывающих влияние на передачу сигналов, рассмотрим полярное поглощение радиоволн, рефракцию (преломление) радиоволн в ионосфере и эффект Фарадея (изменение плоскости поляризации). Может влиять также радиоэхо от метеоров, полярных сияний и каналов молний. Неоднородности в ионосфере и их перемещение под действием ветров также ведут к нестационарным явлениям и возникновению многолучевости, приводящей к искажениям сигналов.

Наиболее интенсивное полярное поглощение наблюдается в области высоких широт. В месяцы равноденствия, т.е. весной и осенью, максимальное поглощение наблюдается до 10 дБ днем и до 5 дБ ночью. Зимой поглощение выше, чем летом, но ниже чем в месяцы равноденствия. Значительное селективное поглощение наблюдалось при прохождении радиоволн через области полярных сияний.

УКВ, в отличии от коротких, не отражаются от ионизированных слоев, а в той или иной степени испытывают преломление, и рефракция тем больше, чем выше ионная концентрация. Поскольку ионизированные слои в основном сферические, то направления падающего на слой луча, и прошедший слой, будут различаться, причем различия тем больше, чем больше кривизна слоя. Рефракция прямо пропорциональна толщине ионосферного слоя и квадрату отношения величин критической частоты ионосферы к рабочей частоте сигнала. При нормальном падении луча на слой рефракция отсутствует, максимальная величина достигается для луча, проходящего вблизи горизонта. Максимальная рефракция наблюдается в периоды максимальной солнечной активности. Рефракция в дневное время значительно выше, чем в ночное, при этом отличия усиливаются с ростом рабочей частоты передатчика.

Для антенн, не имеющих круговую поляризацию, иногда наблюдается медленные изменения уровня принимаемого сигнала, сходные с медленными замираниями в тропосфере. Считается, что они обусловлены эффектом Фарадея, т.е. поворотом плоскости поляризации радиолуча при прохождении через ионосферу в магнитном поле Земли.  Эксперименты показывают, что в 98% случаев поворот плоскости поляризации происходит в интервале высот от 100 до 500 км над поверхностью Земли.

Основными факторами поглощения в тропосфере являются поглощения в газах тропосферы и дождях, а также деполяризация в дождях и возможная интерференция прямой и отраженной волн от земной поверхности. Потери в газах являются постоянной величиной, которая зависит от погонного поглощения в кислороде и водяном паре, от угла места и от частоты сигнала.

Потери в дождях зависят от угла места, определяющего длину участка траектории волны в области возможных дождей, от характера зависимости погонного ослабления от интенсивности и частоты. Влияние потерь можно учитывать статистически, что обусловлено случайностью интенсивности дождя в центре очага и пространственного распределения этой интенсивности.

Модели помеховой обстановки

По месту появления помехи разделяются на внутрисистемные и внесистемные. К наиболее фундаментальному из внутрисистемных воздействий относится тепловой шум, который в основном обусловлен входными цепями приемных трактов. Общепризнанной моделью такого воздействия является случайный процесс с гауссовым распределением и равномерной спектральной плотностью. При нормальной работе аппаратуры этот процесс может считаться стационарным. При использовании параллельной передачи сигналов, например, в виде разнесения, параметры шума в различных каналах бывают различными. В аппаратуре могут быть и другие источники шума (дробовый, флуктационный и др.) с другой формой спектральной плотности («спектральный» шум), однако их влияние невелико, либо же при необходимости может быть без трудностей учтено в соответствующих алгоритмах обработки сигналов.

Другим видом внутрисистемных помех являются узкополосные помехи. Причиной их появления выступают наводки в своей же аппаратуре от различных гетеродинов, генераторов и др. Они представляют собой совокупность процессов, близких к синусоидальным. Одна или несколько подобных помех из всего комплекса их комбинаций могут попадать в полосу сигнала. Поскольку их появление обусловлено недостатками проектирования и изготовления каналообразующей аппаратуры, то и устранение должно проводится техническими решениями, не связанными с обработкой сигнала.

Также могут появляться помехи импульсного характера с широким спектром, обусловленные различными коммутациями. При этом в полосу сигнала попадает часть спектра переходных процессов достаточно сложной формы, что также обусловлено конструкторским недостатком.

По результату воздействия на информационные сигнал внутрисистемные помехи находят себе аналоги среди внешних помех, что обуславливают сходные процессы методов борьбы с ними.    

Среди внешних помех наиболее важный признак разделяет их на природные помехи и помехи, вызванные действиями человека. Управление природными процессами человеку, как правило, неподвластно, поэтому можно лишь, изучив их особенности, приспосабливаться к ним и использовать их. В частности, природные процессы могут порождать помехи двух основных типов – аддитивные, когда их присутствие и мешающее воздействие не зависят от наличия сигнала, и мультипликативные, которые имеют смысл только при наличии сигнала. Внешние аддитивные помехи природного происхождения в основном подразделяются на атмосферные и космические. Космические к примеру, связаны с электромагнитными процессами, происходящими на Солнце, звездах и других космических объектах.

Атмосферные помехи возникают в результате движения электрических зарядов в атмосфере. Это наблюдается в основном при грозах, а также при стекании зарядов при электризации проводов и прочих токопроводящих предметов накануне гроз и при сильном ветре. Поскольку на земном шаре в среднем наблюдается около 100 молний в секунду, а поле грозового разряда распространяется на тысячи километров, совокупное воздействие этого фактора присутствует практически всегда, перераспределяясь в зависимости от времени года по долям, вносимым от дальних и ближних гроз. В северном полушарии преимущественно направление прихода помех от дальних гроз – южное (юго-западное, юго-восточное), помехи от ближних гроз преимущественного направления не имеют. В южном полушарии картина направления обратная. Поскольку орбиты всех космических аппаратов хотя бы частично пересекают экваториальные области, то грозовые помехи могут стать одной из причин ухудшения работы спутниковых группировок.

Подразделение мешающих воздействий на природные и возникающие по причине человеческой деятельности частично перекрывает предыдущие подразделения внутрисистемные и внешние помехи. В частности, тепловой шума и другие виды шумов, тоже можно отнести к природным воздействиям.

Важным направлением классификации является разделение помех на преднамеренные и непреднамеренные. Оба предполагают различные подходы к организации борьбы с ними. Воздействие непреднамеренных помех относится к задаче электромагнитной совместимости различных излучающих средств.

Преднамеренные помехи сопутствуют конфликтным ситуациям различной напряженности. Задача помехоустойчивой системы связи – добиться истощения ресурсов станции преднамеренных помех с помощью определенного набора доступных ей методов. Оптимизация стратегии в случае соперничества представляет собой задачу в рамках теории игр.

Вид преднамеренной помехи определяется техническими возможностями постановщика помех по оперативному определению вида подавляемого сигнала и его параметров, и по созданию помехового сигнала с параметрами, при которых происходит наилучшее подавление.

В связи с этим помеховые сигналы можно расположить в некоторый условный ряд, каждый последующий член которого требует больше технических возможностей от передатчика помехи и большей информации о подавляемом сигнале, но в тоже время при прочих равных условиях производит более эффективное подавление.       

Список литературы

1. Макаренко С.И., Иванов М.С., Попов С.А. Помехозащищенность систем связи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты. Монография. – СПб.: Свое издательство, 2013. – 166 с.
2. Долуханов М.П. Распространение радиоволн.- М.: Связь. – 1972.- 336 с.
3. Казаков Л. Я., Ломакин А. Н. Неоднородности коэффициента преломления воздуха в тропосфере. – М.: Наука, 1976. – 165 с.
4. Пахомов Л. А., Пинус Н. З., Шметер С. М. Аэрологические исследования изменчивости коэффициента преломления атмосферы для ультракоротких волн. – М.: Гидрометеоиздат, 1960. – 103 с.