Рассеяние УКВ на неоднородностях тропосферы. Неоднородности тропосферы представляют собой области, в которых диэлектрическая проницаемость отличается от среднего значения для окружающей тропосферы. Под действием поля проходящей волны в каждой неоднородности тропосферы наводятся токи поляризации и создается электрический момент. В результате неоднородности действуют как вторичные излучатели. Вторичное излучение совокупности неоднородностей можно характеризовать некоторой диаграммой направленности с максимумом излучения в сторону первоначального движения волны.
Рис. 5.8. Распространение УКВ в условиях атмосферного волновода
Рис. 5.9. Схема линии радиосвязи, использующей тропосферное рассеяние
Поле, созданное вблизи земной поверхности, есть результат интерференции полей, переизлученных большим числом неоднородностей. Вследствие изменения структуры и местоположения неоднородностей поле непрерывно флуктуирует и является случайной функцией времени. Характер распределения мгновенных значений уровня сигнала зависит от среднего уровня сигнала. Чем уровень меньше, тем ближе закон распределения к рэлеевскому. При больших уровнях сигнала мгновенные значения его амплитуды распределены по обобщенному закону Рэлея, что свидетельствует о наличии в месте приема помимо быстро меняющейся компоненты сигнала медленно меняющейся регулярной компоненты, полученной путем отражения от слоистых неоднородностей тропосферы.
Работу линии связи, использующей рассеяние радиоволн на неоднородностях тропосферы, можно объяснить следующим. В результате пересечения в пространстве диаграмм направленности передающей и приемной антенн, условно ограниченных прямыми AD—AС1 и BD—BC (рис. 5.9), образуется объем атмосферы CDС1D1, называемый рассеивающим объемом. Он и участвует в передаче радиоволн от пункта А к пункту В. Для увеличения напряженности электрического поля в месте приема стремятся к уменьшению угла между направлением первоначального движения волны и направлением в точку приема (угол q на рис. 5.9).
Характерной особенностью рассматриваемых линий связи является их
узкополосность. Максимальная ширина полосы частот, которая может быть передана
без искажений, определяется временем запаздывания луча АСВ относительно луча
AC1B, т. е.
шириной диаграмм направленности антенн. Практически с допустимыми
искажениями можно передать полосу частот в 1—2 МГц.
Расчет мощности на входе приемной антенны на линии связи, использующей тропосферное рассеяние, разработан советскими учеными под руководством Б. А. Введенского и М. А. Колосова [7].
Для борьбы с замираниями прием производится на разнесенные (две или четыре) антенны. Сигналы, принятые на эти антенны, складываются после детектирования.
Используется также разнесение по частоте, когда одна и та же информация одновременно передается на частоте 1 и частоте 2 = 1 + D, причем D / = (25)10-3. Замирания на этих двух частотах не коррелированны. Ведут прием либо наиболее сильного из двух сигналов, либо сигналы складываются после детектирования.
Рассеяние и отражение метровых волн в ионосфере. Ионизированные слои характеризуются большой неоднородностью. Наличие местных объемных неоднородностей ионосферы приводит к рассеянию УКВ, которое происходит аналогично рассеянию на неоднородностях тропосферы.
Рассеяние радиоволн происходит на высоте 70—90 км, что ограничивает максимальную протяженность линии радиосвязи расстоянием в 2000—2300 км. Основная часть энергии волны, падающей на ионосферу, рассеивается в направлении первоначального движения волны. Чем больше угол, составляемый направлением на приемную антенну с направлением первоначального движения волны, тем меньше уровень мощности рассеянного сигнала. Поэтому прием возможен только на расстояниях более 800—1000 км. Напряженность поля рассеянного сигнала убывает с повышением рабочей частоты и применимыми для связи оказываются волны частотой 30—60 МГц. Сигналы при этом виде радиосвязи на метровых волнах подвержены быстрым и глубоким замираниям.
Для борьбы с замираниями применяется прием на две антенны.
Большими преимуществами радиосвязи путем ионосферного рассеяния метровых волн по сравнению с линиями связи на KB являются возможность круглосуточной работы на одной рабочей частоте и отсутствие нарушений связи. На этих линиях достигается большая надежность радиотелеграфной связи в приполярных областях. Однако связь на метровых волнах требует применения передатчиков мощностью порядка 10 кВт и антенн с коэффициентом усиления 20—30 дБ.
5.5. Особенности распространения ультракоротких волн в космическом пространстве
Основные типы космических радиолиний. Космические радиолинии решают следующие основные задачи:
наземная радиосвязи и ретрансляция радиовещательных и телевизионных программ через ретрансляторы, расположенные на искусственных спутниках Земли;
радиосвязь пилотируемых космических кораблей с Землей и между собой;
радионаблюдение за полетом и управление полетом космических кораблей;
передача с космического корабля радиотелеметрической информации (результатов измерений режима работы аппаратуры, параметров полета, данных научных наблюдений) ;
изучение космоса, сбор метеорологических и геодезических данных.
К космической радиосвязи относится также распространение радиоволн на трассах Земля — планета, между двумя планетами, между двумя корреспондентами, находящимися на планете.
Искусственные спутники Земли (ИСЗ) имеют траектории с тремя характерными участками. На начальном, стартовом участке траектории
спутник с ракетой-носителем при работающих двигателях движется в сравнительно плотных слоях атмосферы. Здесь происходит отделение отработавших ступеней ракеты. На втором участке траектории скорость движения спутника несколько превышает первую космическую скорость и движение вокруг Земли происходит по эллиптической орбите в сильно разреженной атмосфере. Третий участок траектории соответствует возвращению спутника, вхождению его в плотные слои атмосферы. У невозвращаемых спутников третий участок траектории отсутствует.
Особенности радиосвязи на первом и третьем участках траектории обусловлены тем, что вблизи спутника образуется скопление ионизированного газа большой электронной плотности (на несколько порядков больше электронной плотности ионосферы). Причиной образования ионизации на первом участке траектории является раскаленный отработанный газ двигателя, а на третьем участке - термодинамический нагрев воздуха при движении спутника в плотных слоях атмосферы (на высотах менее 100 км) со сверхзвуковой скоростью.
На первом и на третьем участках траектории расстояния от наземных станций до спутника невелики и распространение радиоволн осуществляется в пределах прямой видимости.
На втором участке в зависимости от высоты нахождения спутника и от длины рабочей волны радиосвязь возможна как в пределах прямой видимости, так и за ее пределами. На условия распространения радиоволн оказывают влияние тропосфера и ионизированные слои атмосферы Земли.
Космические корабли имеют траекторию, которая может быть также разбита на три участка, причем условия радиосвязи на первом и третьем участках для спутников и космических кораблей совпадают. На втором участке траектории скорость корабля превышает вторую космическую скорость, корабль выходит из поля тяготения Земли и движется в межпланетном пространстве. Протяженность радиолинии космический корабль — Земля может достигать сотен миллионов километров.
Атмосфера Земли и в этом случае оказывает влияние на условия радиосвязи.
Если космический корабль направлен на одну из планет, то при вхождении корабля в атмосферу планеты условия радиосвязи изменяются в зависимости от радиофизических свойств атмосферы планеты.
Характеристики межпланетной среды. В межпланетном пространстве электронная концентрация равна протонной и в целом плазма квазинейтральна. На расстояниях более 30км от Солнца скорость перемещения плазмы можно считать постоянной и равной 500 км/с. На этих расстояниях электронная концентрация Nэ см-3 вследствие постоянства потока частиц в единичном телесном угле зависит от расстояния до Солнца r (км) по закону
На расстоянии 150106 км от Солнца, электронная концентрация Nэ = 2 – 20 см -3. Межпланетная плазма является статистически неоднородной средой со средним размером неоднородностей около 200 км. Помимо этого существуют крупномасштабные неоднородности с размерами (0,1 — 1)106 км. Напряженность постоянного магнитного поля на расстоянии 150106 км от Солнца составляет = 410-3 А/м. После солнечных вспышек электронная концентрация и скорость потока плазмы, а также напряженность постоянного магнитного поля увеличиваются в несколько раз. Экспериментальное исследование прохождения радиоволн в космическом пространстве от источника, излучающего белый спектр (созвездие Тельца) или монохроматические колебания (передатчики, установленные на космических объектах), показали, что поток энергии УКВ в том и другом случае практически не поглощается межпланетной средой. Однако установлено, что межпланетная среда вызывает замирания радиоволн, связанные с движением неоднородностей плазмы.
Так как неоднородности межпланетной среды различны в различных областях межпланетного и околосолнечного пространства, то флуктуации фаз, амплитуд и изменение спектра радиоволны зависят от расположения трассы относительно Солнца.
Особенности УКВ радиолинии Земля — космос. Потери энергии. На радиолинии Земля— космос межпланетная плазма оказывает слабое поглощающее или рассеивающее действие на радиоволны. Определяющим является ослабление сигнала из-за большой протяженности трассы и поглощения в атмосфере Земли.
Диапазон радиочастот, пригодный для радиосвязи с космическим кораблем, ограничен поглощающими и отражающими свойствами земной атмосферы. Радиоволны длиннее 10 м отражаются от ионосферы и поэтому непригодны для связи с объектами, находящимися за ее пределами. Поглощение радиоволн в ионосфере с повышением рабочей частоты убывает по квадратичному закону. При прохождении всей толщи ионосферы волнами с частотами выше 100 МГц поглощение не превышает 0,1 дБ. Во время вспышек поглощения потери на волне с частотой 100 МГц возрастают до 1 дБ и условия прохождения метровых волн ухудшаются. Верхняя граница частот, применимых для космической радиосвязи, определяется поглощением радиоволн в тропосфере и равна примерно 10 ГГц. При расположении наземного корреспондента на высоте около 5 км верхняя граница рабочих частот может быть повышена до 40 ГГц.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14
