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 30 км от Солнца скорость перемещения плазмы можно считать постоянной и равной 500 км/с. На этих рас­стояниях электронная концентрация N_э см^-3 вследствие постоянства потока частиц в единичном телесном угле зависит от расстояния до Солнца r (км) по закону

На расстоянии 150 10⁶ км от Солнца, электронная концентрация N_э = 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 150 10⁶ км от Солнца составляет = 4 10^-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.

Для радиосвязи с ИСЗ, траектория ко­торых проходит ниже основного максимума электронной плотности ионосферы — слоя F2, применимы короткие волны. Отражение и поглощение KB в этом случае подчиняется тем же законам, что и на наземных коротко­волновых радиолиниях. Резкое увеличение уровня сигнала, принимаемого со спутника, наблюдается, когда спутник про­ходит над пунктом приема и над точкой ан­типода (эффект антипода).

Поворот плоскости поляризации. При распространении радиоволн в ионосфере в присутствии постоянного магнитного поля Земли происходит поворот плоскости поля­ризации радиоволны.

Максимальное значение угла поворота плоскости поляризации волны (в граду­сах) определяется выражением, получаемым из (4.14) в предположении, что волна про­ходит всю толщу ионосферы при наибольшей электронной плотности (днем, летом):

где - рабочая частота, МГц; - истинный зенитный угол спутника (рис.5.10). Значения yмакс для частот 500 МГц, 1 ГГц, 3 ГГц, при = , составляют соответственно ; ; .

Поворот плоскости поляризации в ионо­сфере проявляется на весьма высоких часто­тах и изменяется при движении спутника по небосводу из-за изменения угла и флуктуации электронной плотности ионосферы. При приеме на антенну с линейной поляризацией возникают замирания. Для устранения замираний применяют передаю­щие и приемные антенны с круговой поля­ризацией. При этом нужно учесть, что толь­ко в центральной части диаграммы получа­ется поле с круговой поляризацией, а по краям диаграммы — поле с эллиптической поляризацией. Это вызывает потери из-за несоответствия поляризации, которые со­ставляют примерно 0,5 дБ. Если бортовая антенна имеет линейную поляризацию, то возникают потери до 3 дБ [7].

Замирания радиоволн. Рассеяние энер­гии радиоволн неоднородностями ионосфе­ры и интерференция прямых и рассеянных волн приводят к флуктуациям амплитуды радиосигналов, прошедших через ионосфе­ру. Для обеспечения непрерывного приема таких сигналов их рассчитанную интенсивность следует выбрать больше на величину . Значения , для частот 300 МГц, 1 ГГц, 3 ГГц, составляют соответственно 1,6; 0,5; 0,1 дБ, и показывают, что влияние рассеяния падает с частотой.

Разница в значениях принятой и пере­данной частот D называется

доплеровским смещением частоты:

Рис. 5.10. Схема радиолинии Земля - космос:

А – наземная антенна; С - спутник

Например, при , _r=8 10³ м/c доплеровское смещение час­тоты = 0,02 0,2 МГц.

При прохождении радиоволн, излучен­ных движущимся источником, через неод­нородную среду, которой меняется слу­чайным образом во времени и пространстве, также меняется случайным образом.
Так, при прохождении радиоволн, излученных с космического корабля, в неоднород­ных тропосфере, ионосфере и космическом пространстве изменение носит статисти­ческий характер.

Для уменьшения вредного влияния смещения несущей частоты при космической радиосвязи в приемниках используют авто­матическую подстройку частоты или изменяют частоту передатчика, если заранее известна траектория движения излучателя. Кроме того, под влиянием эффекта Доплера деформируется частотный спектр сигнала из-за того, что каждая составляющая спектра получает свое смещение.

Доплеровский сдвиг частоты использу­ют как положительное явление, которое позволяет определять скорость движущего­ся источника или отражателя, если известны свойства среды. Решают и обратную за­дачу: измеряя сдвиг частоты и зная ско­рость движения излучателя, определяют электрические параметры среды.

Поправки при определении координат космических объектов радиотехническими методами. Прохождение радиоволн в тропосфере и ионосфере сопровождается рефракцией и изменением фазовой и групповой скоростей распространения волны. Эти факторы явля­ются причиной ошибок, которые необходи­мо учитывать при определении координат космических объектов радиотехническими методами. Устранение возникающих ошибок производится путем введения соответствую­щих поправок [7].

Поиск по сайту: