STRUCTURA GENERALA A SISTEMELOR DE COMUNICATII SPATIALE

Termeni utilizati in telecomunicatii spatiale

Pentru o intelegere cat mai fidela a structurii si a tuturor fenomenelor legate de stabilirea legaturilor de telecomunicatii prin intermediul satelitilor se va da definitia catorva termeni ce vor fi utilizati in capitolele urmatoare.

Satelit este denumit corpul care se roteste in jurul altui corp si a carui miscare este in principiu determinata de forta de atractie a acestui corp.

Spatiu indepartat este zona din spatiu cosmic situata la o distanta, fata de pamant, egala sau mai mare decat distanta Pamant-Luna.

Orbita satelitului reprezinta traiectoria descrisa de satelit sub actiunea impulsului initial, a fortei de atractie exercitata de Pamant si de alte corpuri ceresti, presiunea radiatiilor, frecarile atmosferice, etc.

Perioada de revolutie reprezinta intervalul de timp intre doua treceri consecutive ale satelitului prin perigeul sau.

Statie spatiala sau cosmica este statia sistemului de telecomunicatii spatiale aflata la bordul unui satelit.

Statie de sol este statia sistemului de telecomunicatie spatiale situata pe suprafata pamantului.

Statie terestra este statia utilizata de sistemele de telecomunicatii terestre.

Ceilalti termeni vor fi definiti, dupa necesitate, in decursul expunerii.

Prin telecomunicatii spatiale este posibila stabilirea unei radiolegaturi intre statii de sol situate la distante mari. Aceste distante nu pot fi oricat de mari, ci ele sunt limitate de faptul ca legatura este posibila numai cand cele doua statii sunt simultan in vizibilitate directa cu satelitul(fig.1). Zona ce poate fi acoperita de satelit (suprafata terestra pentru care, la un moment dat, se pot stabili radiolegaturi simultane din oricare punct al ei, prin acelasi satelit) depinde de inaltimea la care se afla satelitul. In fig.1 se observa, ca satelitul S₂ care se afla la o inaltime mica nu poate acoperii simultan si statia A ti statia B, intre care nu va putea exista o radiolegatura instantanee. Deci satelitul nu poate asigura o legatura instantanee ci va trebui sa aiba la bord un dispozitiv de inmagazinare a informatiilor, o memorie. Daca satelitul este nestationar si se va deplasa, sa presupunem, dinspre statia A spre B, el va primi informatia de la statia A, va fi pastrata in memorie si apoi va fi retransmisa statiei B, cand se va afla in vizibilitate directa cu ea. Retransmiterea informatiei se va face fie prin comanda de la statia B, fie printr-o comanda pe baza de program chiar de pe satelit in functie de viteza de deplasare a satelitului, inaltimea lui si distanta intre corespondentii A ti B. In cazul satelitilor stationari evident legatura va fi posibila.

Tipuri de sateliti

Se disting in principiu doua tipuri de sateliti artificiali:

pasivi;

activi.

Satelitii pasivi nu au echipament electric la bord, retransmiterea semnalelor de radiocomunicatii efectuandu-se prin reflexie sau difuziune pe suprafata lor. Satelitii pasivi pot avea diferite forme: baloane sferice (a), suprafete plane sau in diedru (b), lentile dielectrice (c),nori sau centuri orbitale de dipoli rezonanti(d), care excitati de undele electromagnetice de la sol pe frecventa lor de rezonanta le vor retransmite spre sol, farfurii in dubla curbura, etc. In figura 2 sunt aratate cateva tipuri de sateliti pasivi.

Avantajele pe care le ofera acesti sateliti sunt urmatoarele:

nu au echipament radioelectric la bord, constituind cel mai simplu retranslator spatial si totodata mai economic;

absenta echipamentului face ca sa aiba o viata mai mare, o fiabilitate mai mare, (stiut fiind ca una din cauzele de deranjamente este actiunea agentilor externi si a radiatiilor asupra echipamentului).

Principalele dezavantaje ale satelitilor pasivi sunt:

utilizarea la sol a unor emitatoare de puteri mari, cu antene de diametre mari, aparatura de receptie extrem de sensibila;

necesitatea orientarii satelitilor pentru a se putea receptiona semnalele radioelectrice, avandu-se in vedere faptul ca atenuarea semnalelor variaza direct proportional cu patratul distantei;

necesitatea orientarii satelitilor spre Pamant in care unor sateliti ce nu au forma sferica.

Toate aceste dezavantaje au facut ca satelitii pasivi sa aiba o utilizare redusa in telecomunicatii, actualmente fiind considerati doar ca o etapa experimentala de multa vreme depasita .

Satelitii activi au la bordul lor echipamente radioelectrice care actioneaza asupra semnalelor primite de la sol (le amplifica, le modifica frecventa). Retransmiterea semnalelor de la bordul satelitilor spre statiile de sol se poate face dupa cum s-a mai aratat:

instantaneu;

cu intarziere.

Retransmiterea semnalelor cu intarziere se foloseste pentru benzi de frecventa mai mici, adica pentru un numar mai mic de cai telefonice sau transmisii telegrafice pentru ca aparatura de memorie sa fie mai simpla.

Satelitii activi lucreaza numai in anumite benzi de frecventa si deci realizeaza legaturi numai cu statiile de sol ce se incadreaza in aceste benzi, dar permit satelitilor de la sol sa lucreze cu emitatoare de puteri relativ mai mici cu receptoare avand o sensibilitate relativ mai mica si antene de dimensiuni relativ mai mici.

Schema bloc a unei legaturi spatiale prin sateliti activi este indicata in figura 3, unde:

N - reprezinta numarul de cai telefonice, de abonati ce nu au aceeasi banda de baza de frecvente;

Mx - echipamentul de multiplexare in frecventa sau timp a cailor;

Mod - modulatorul;

A₀ - antena de emisie;

E_m - emitator.

Aceasta reprezinta echipamentul de emisie al statiei de sol, iar cel de receptie cuprinde:

A_r - antena de receptie;

Rec - receptor (partea principala este amplificatorul cu zgomot redus);

Dem - demodulator;

Dx - demultiplexor.

La bordul satelitului sunt antenele de emisie si receptie a_e si a_r, receptorii r, emitatorii e, precum si echipamente de transformare a semnalului T (in afara de amplificari, schimbarii de frecventa f₁ in sau f₂ in f₄).

Transmiterea semnalului de la statia de sol A la B este identica cu cea de la statia B la A dar foloseste alte frecvente. Se observa ca pentru transmisie bilaterala sant necesare patru frecvente .

Miscarea satelitilor

Principalele elemente care caracterizeaza orbitele satelitilor, elemente care permit si o clasificare a satelitilor in functie de acestea sant:

inclinarea orbitei i care reprezinta unghiul format de planul orbital si planul ecuatorial al pamantului;

forma orbitei;

altitudinea orbitei fata de suprafata pamantului sau distanta fata de centru pamantului.

In functie de inclinarea orbitei se poate vorbi de orbite:

ecuatoriale (unghi de inclinare zero);

polare (unghi de inclinare 90

inclinate (unghi de inclinare oarecare diferit de 0 sau 90

si de asemenea de orbite:

directe 0 i

retrograde 90 i

Dupa forma orbitele se pot clasifica in:

orbite circulare;

orbite eliptice.

Dupa altitudinea orbitei, se disting:

orbite de joasa inaltime 1000 . 5000 km;

orbite de inaltime medie 5000 . 20000 km;

orbite situate la inaltimi foarte mari (sateliti sincroni) 36000 km /1,3,4,5/.

Elementele orbitei satelitului

Elementele principale ale unei orbite sant prezentate in modul urmator (fig.4):

i - unghiul de inclinare al orbitei;

A - apogeul (reprezinta punctul orbitei unui satelit situat la maximum de distanta fata de centrul pamantului);

P - perigeul (reprezinta punctul de pe orbita satelitului care se afla la o distanta minima fata de centrul pamantului);

N_a - nodul ascendent (punctul in care orbita satelitului intersecteaza planul ecuatorial, satelitul trecand din emisfera nordica);

N_d - nodul descendent (punctul de intersectie intre orbita satelitului si planul ecuatorial al pamantului insa pentru sensul de miscare al satelitului din emisfera nordica in cea sudica).

N_aN_d - linia nodurilor.

In afara de elementele reprezentate in figura 4, mai exista doua elemente principale e si q

e - elevatia satelitului (unghiul format intr-un punct de pe suprafata pamantului intre linia orizontului si directia punct de observare - satelit);

q - azimutul satelitului (unghiul format intr-un punct de pe suprafata pamantului intre directia nord geografic si directia punct de observare - satelit).

Satelitul, ca orice corp ceresc se supune legilor lui Kepler. In conformitate cu prima cu prima lege a lui Kepler s-a stabilit ca satelitul se misca pe o orbita eliptica, pamantul aflandu-se in unul din focarele elipsei (fig.5). Deci, satelitii nu se pot deplasa pe orbite oarecare, ci numai pe anumite tipuri de orbite .

Fig. 5. Parametrii orbitei

Miscarea satelitului, pozitia sa pe orbita este determinata de forta gravitationala de atractie si forta centrifuga.

(1)

in care:

K - reprezinta constanta gravitationala;

M - masa Pamantului;

m - masa satelitului;

r - distanta satelit - centru pamantului.

(2)

in care:

V_c - este viteza periferica a satelitului pe orbita.

Din egalitatea relatiilor (1) si (2) rezulta viteza cu care se misca satelitul pe orbita:

(3)

unde:

Aceasta expresie poate fi scrisa si sub alta forma, utilizand viteza v_o - o viteza ipotetica, de deplasare a satelitului pe o orbita circulara cu raza egala cu raza pamantului H = 6,4 10⁸ cm.

Utilizand rationamentele anterioare se gaseste:

dupa care se deduce:

(4)

Inlocuind in aceasta relatie valoarea lui R se obtine:

(5)

Se observa ca aceasta marime v_c denumita si prima viteza cosmica scade cu r.

Perioada de revolutie a unui satelit ce se deplaseaza pe o orbita circulara se determina din relatia:

(6)

Inlocuind pe v_c cu valoarea data de relatia (5) rezulta:

sau:

(7)

r fiind dat in km.

Pentru un satelit ce se deplaseaza pe orbita ipotetica circulara de raza r, perioada de revolutie este T_o = 5064 s = 84,4 min iar T_c se poate scrie sub forma:

(8)

conform celei de a treia legi a lui Kepler.

Se poate determina simplu si viteza unghiulara de rotatie corespunzatoare:

sau:

(9)

In afara de aceste marimi in cazul orbitelor eliptice se determina inaltimea perigeului r_p (distanta de la Pamant la punctul cel mai apropiat al orbitei) precum si r_A inaltimea sau altitudinea apogeului (distanta de la Pamant pana la punctul cel mai departat al orbitei), semiaxa mare a orbitei

(10)

in care:

r_A - distanta de la centrul pamantului la apogeu;

r_p - distanta de la centrul pamantului la perigeu.

Excentricitatea orbitei, definita ca raportul intre distanta focala si semiaxa mare a elipsei este:

(11)

f - distanta focala.

Din figura 5 se observa ca altitudinea satelitului H este data de relatia:

H = r - R (km) (12)

In tabelul 1 si figura 6 sunt reprezentate variatia vitezei v_c si a perioadei T_c in functie de altitudinea satelitului.

Conform celei de a doua legi a lui Kepler se stabileste ca viteza satelitului variaza, fiind maxima la perigeu si minima la apogeu. Toate formulele stabilite anterior s-au dedus considerandu-se valoarea absoluta a vitezei de deplasare a satelitului pe orbita fara a tine seama si de miscarea Pamantului.

Dupa legea a treia a lui Kepler, pentru o orbita eliptica, perioada de revolutie este:

(13)

Perioadele de revolutie ale satelitilor ce se deplaseaza pe orbite circulare, ecuatoriale T_o, se numesc perioade siderale si nu depind de miscarea relativa a satelitului fata de Pamant fiind egale pentru satelitii cu aceeasi altitudine dar cu orbite polare sau ecuatoriale.

Pentru un observator de pe Pamant, perioada de revolutie a satelitului va fi determinata de parametrii orbitei si sensul de deplasare al satelitului fata de Pamant.

Perioada de revolutie a unui satelit, pentru un observator de pe Pamant va fi:

(14)

T_s - perioada de revolutie a stelitului T_c sau T_e in min;

i - unghiul de inclinare al orbitei satelitului.

La numitorul expresie (14) poate fi semnul minus sau plus, dupa cum directiile vectorilor de viteza, corespunzatori deplasarii satelitului si Pamantului, corespund sau nu.

In cazul unui satelit ca se deplaseaza pe o orbita pe o orbita ecuatoriala, circulara, perioada de revolutie va fi:

(15)

In tabelul 2 sant prezentate cateva valori ale lui T_c si T pentru anumite altitudini ale orbitei satelitului (orbita circulara).

Dupa raportul in care se afla vitezele de deplasare ale satelitului si Pamantului, sau dupa perioadele lor se poate vorbi de sateliti sincroni sau subsincroni. Satelitii sincroni au aceeasi perioada de revolutie cu Pamantul iar cei subsincroni au perioada de revolutie un submultiplu intreg al perioadei de rotatie a Pamantului.

Satelitii pe orbite circulare, ecuatoriale cu perioada de revolutie egala cu perioada de rotatie a Pamantului se numesc sateliti sincroni si stationari. Acesti sateliti vor avea o perioada T = 1440 min si inaltimea orbitei H = 35870 km.

Daca orbita satelitului este tot circulara dar inclinata, satelitul va fi sincron, dar nu va mai fi stationar. In cazul utilizarii satelitilor subsincroni sau nestationari pentru realizarea unei legaturi intre doua puncte oarecare de pe glob, numarul de sateliti necesari pentru realizarea unor radiolegaturi neintrerupte depinde de altitudinea orbitei satelitului si de coordonate geografice ale celor doua puncte.

Satelitii stationari, avand orbite circulare ecuatoriale, fiind sincroni cu pamantul si deplasandu-se in acelasi sens cu aceasta, vor aparea pentru o anumita zona de pe Pamant ca ficsi. Un satelit stationar poate acoperi o distanta intre doua puncte de pe glob, corespunzatoare unui arc de cerc de lungime 15000 km reprezentand de fapt aproximativ o treime din suprafata globului pamantesc. Cu trei sateliti stationari pe o orbita ecuatoriala distantati la 120 se pot realiza legaturi pe intreg globul (unghiul minim de elevatie al antenei statiei de sol fiind e determinat de zgomotul de absorbtie atmosferica) cu exceptia regiunilor situate mai sus de 76,5 latitudinea nordica sau sudica (fig.7).

In figura 8 se indica pozitia celor trei sateliti stationari si zonele lor de acoperire astfel:

un satelit deasupra Oceanului Atlantic;

un satelit deasupra Oceanului Pacific;

un satelit deasupra Oceanului Indian.

Unghiul optim al fascicolului antenei satelitului este de 17 , marimea lui neducand la largirea zonei de acoperire.

Stabilirea radiolegaturilor pentru statii, situate dincolo de latitudinile 76,5 N sau S, se face alegandu-se orbite inclinate sau polare.

Distanta mare la care se afla satelitul stationar fata de Pamant face ca timpul de propagare statie de sol - satelit sa fie destul de mare circa 0,13s, deci pentru o legatura bilaterala intre doua statii este totusi acceptabil.

Distanta mare este insa compensata de posibilitatea de a realiza o antena directiva care sa acopere numai zona utila.

Deplasarile satelitului sunt mult mai reduse, in cazul satelitilor stationari, iar emisia si receptia semnalelor de catre statiile de sol se face in conditii mai usoare, datorita simplificarii dispozitivului de urmarire si comanda a antenei, absentei unui efect Doppler important, eliminarii problemelor legate de variatia timpului de tranzit si a comutarilor de pe un satelit pe altul asupra sistemelor de transmisii sincrone telegrafice si asupra transmisiilor de date de mare viteza.

In cazul satelitilor nestationari nu se pot efectua transmisii neintrerupte cu acelasi satelit, ci este necesar ca atunci cand un satelit "apune", un alt satelit sa "rasara" in partea opusa. Numarul de sateliti necesari este determinat de forma si inclinarea orbitei, de altitudinea ei, de distanta intre corespondenti. Antenele satelitilor de sol sunt mult mai complicate si scumpe, necesitand o miscare continua, dirijarea lor facandu-se cu instalatii de programare si comanda a miscarii. Aceste dezavantaje sunt intr-o oarecare masura compensate de faptul ca sistemele de lansare a satelitilor nestationari sunt mai ieftine si mai simple, iar pentru aceeasi putere a rachetei se pot lansa sateliti de greutate mare. Aceasta permite marirea numarului translatoarelor de la bordul satelitului, sau a numarului lor de cai, precum si cresterea puterii emitatoarelor sau sensibilitatii receptoarelor.

Dupa necesitatile si conditiile existente se poate folosi fie un sistem de sateliti stationari, fie nestationari.

Sistemele de comunicatii spatiale cu sateliti stationari sunt utilizate cu succes de sistemul INTELSAT.

Uniunea Sovietica, pentru acoperirea vastului ei teritoriu, utilizeaza sateliti nestationari de tip "Molnia" cu perioade de revolutie de 12 h asigurand radiolegaturi intre Moscova si Extremul Orient de circa 8.10 h.

Acesti sateliti au orbite eliptice, puternic alungite, inclinate la 65 cu apogeul la Polul Nord, putand acoperi si zonele situate mult spre Nord unde legaturile cu mijloacele clasice (radiorelee in U.S.A.) sunt puternic influentate de fenomenele ionosferice .

PROPAGAREA UNDELOR RADIO IN SPATIU COSMIC

ALEGEREA FRECVENTELOR DE LUCRU PENTRU

SISTEMELE DE TELECOMUNICATII SPATIALE

Criterii generale pentru alegerea frecventelor de lucru in sistemele de telecomunicatii spatiale

Dezvoltarea rapida a utilizarii mijloacelor spatiale si totodata cresterea cerintelor in materie de telecomunicatii, duc la o aglomerare din ce in ce mai mare a aspectului de frecvente.

Dispunandu-se, in general, de puteri de emisie mici la bordul satelitilor, este necesara o grija deosebita in alegerea si realizarea tehnica a echipamentelor spatiale, in special in privinta alegerii frecventelor de lucru.

Frecventa de lucru poate fi aleasa in functie de diversi factori: fie, in functie de o valoare data a puterii de emisie pentru realizarea unui anumit raport semnal/zgomot, fie pentru o probabilitate minima de perturbari etc.

Spectru de frecvente ales trebuie sa prezinte o mare suplete pentru a fi folosite de diverse tipuri de sisteme de telecomunicatii spatiale, caracterizate prin diverse metode de modulatie si, totodata sa aiba in vedere si dezvoltarea ulterioara a tehnologiei mijloacelor spatiale. Trebuie sa se tina seama de repartizarea spectrului de frecvente deja facuta de C.C.I.R. pentru sistemele de radiorelee, fata de care trebuie sa se asigure protectia necesara.

Asa dar, alegerea frecventelor pentru sistemele spatiale trebuie sa se faca astfel incat:

sa se asigure utilizarea rationala a spectrului de frecvente;

sa se asigure o coordonare intre dezvoltarea ulterioara si stadiul actual al telecomunicatiilor prin sateliti;

sa permita atribuirea unor canale determinate diferitelor sisteme de telecomunicatii spatiale, in asa fel, incat sa se evite perturbarea lor reciproca;

sa permita partajul diverselor benzi de frecvente intre sistemele de telecomunicatii prin sateliti si sistemele de radiorelee, cu minimum de restrictii in functionarea unuia sau altuia din sisteme.

Banda de frecvente trebuie astfel aleasa incat sa se asigure o receptie corespunzatoare a sistemelor primite de la sateliti, conditiile de receptie fiind date de :

intensitatea campului undei incidente;

forma semnalului;

nivelul zgomotelor sau ale campului perturbator.

In vederea alegerii frecventelor optime pentru a fi utilizate in sistemele spatiale se vor studia atat zgomotele radioelectrice in interiorul "radioferestrelor" cat si influenta mediului prin care se propaga undele radioelectrice si care poate avea un dublu efect:

- produce o atenuare a semnalelor;

- este totodata o sursa de distorsiuni pentru semnale.

Se stie ca atmosfera se comporta diferit, selectiv fata de frecventele radioelectrice; unele frecvente sunt atenuate foarte mult, in timp ce altele traverseaza atmosfera practic fara a fi modificate. Se denumesc "ferestre radioelectrice" tocmai benzile de frecvente pentru care atmosfera este practic, transparenta.

Pentru telecomunicatii spatiale exista doua asemenea benzi de frecvente:

banda cuprinsa intre frecventa critica a ionosferei si frecventa de absorbtie a gazelor din atmosfera, nori, precipitatii (10MHz.20 GHz);

banda re radiatii vizibile si infrarosii.

Gama de frecvente cuprinsa intre 10 MHz si 20 GHz, este cea care reprezinta un interes pentru telecomunicatii spatiale.

In anumite conditii limita superioara a acestei benzi poate sa scada la 10 GHz (pentru ploi puternice), iar limita inferioara poate ajunge la 70 MHz (in functie de pozitia geografica a satelitilor de la sol, activitatea solara etc.). De foarte rare ori limita superioara a "radioferestrei" poate atinge 50 GHz (pentru puncte situate la altitudine si lipsite de precipitatii) iar cea mai inferioara poate atinge 2 MHz (in zonele polilor in timpul noptilor polare).

In continuare vor fi aratati factorii ce influenteaza propagarea undelor intre satelit si statia de sol si care determina in final alegerea frecventelor de lucru pentru sensul Pamant - Satelit precum si pentru sensul Satelit - Pamant.

Ca baza de plecare pentru determinarea nivelurilor semnalelor la receptie, a puterilor de emisie necesare etc. se ia legea de variatie in functie de frecventa a puterii de intrare in receptorul statiei de sol in cazul propagarii in spatiul liber si anume:

(16)

in care:

P_e - puterea de emisie;

G_e - castigul in putere al antenei de emisie;

G_r - castigul in putere al antenei de emisie;

l - lungimea de unda pentru propagarea in spatiul liber;

d - distanta intre emitator si receptor;

f - frecventa de lucru;

c - viteza luminii;

P_r - fiind puterea la intrarea receptorului.

Evident ca valoarea obtinuta in acest mod nu este cea reala, ea fiind influentata de o serie de factori ca: atenuarile datorita propagarii prin atmosfera, zgomotele, fenomenele refractiei, etc.

Pierderile prin propagarea in atmosfera

Acestea se datoreaza atat atenuarii semnalelor datorita traversarii ionosferei.

Atenuarea semnalelor la trecerea prin troposfera se datoreaza compozitiei ei, absorbtiei selective a undelor radio de catre gaze, vapori de apa, nori, etc.

Astfel moleculele de oxigen au frecventele de rezonanta ale dipolilor la 60 GHz si 120 GHz, iar vaporii de apa necondensati la 21 GHz. Pe aceste frecvente absorbtia undelor este maxima. Moleculele de azot au frecventa de rezonanta a dipolilor mai mare de 300 GHz si in general produc o absorbtie mica.

Fig. 9. Pierderile totale datorita absorbtiei undelor

electromagnetice de catre moleculele de oxigen

si vaporii de apa

In figura 9 este data variatia in functie de frecventa a pierderilor totale prin absorbtia undelor de catre moleculele de oxigen si de vaporii de apa necondensati.

Se observa din figura 9, ca exista o singura fereastra troposferica in acest caz si anume pentru frecvente mai mici de 10 GHz unde pentru propagarea pe un traseu orizontal, pierderile sunt sub 2 dB, iar pentru un traseu vertical sub 0,1 dB. Radioferestre suplimentare mai sunt in jurul frecventelor de 35 GHz si 100 GHz.

Atenuarea undelor radioelectrice se datoreaza de asemenea precipitatiilor, (ceata, nori, ploaie, zapada, etc.) care au in primul rand un efect de difuzie a undelor electromagnetice. Ei sunt de fapt factorii cei mai variabili si se schimba in functie de timp, asezarea geografica, etc., fiind specifici pentru fiecare statie de sol. Variatia atenuarii datorita acestor factori in functie de frecventa este data in figura 10.

In ionosfera pierderile se datoreaza in special schimburilor de energie ce au loc, intre undele radio si sarcinile electrice din ionosfera.

In figura 11 este reprezentata variatia pierderilor in ionosfera pentru diferite concentratii de electroni, iar in figura 12 sunt reprezentate pierderile totale ce se produc la propagarea prin atmosfera a undelor radioelectrice.

Se observa ca atenuarea semnalelor, determinata de factorii amintiti mai sus, este minima pentru frecventele cuprinse intre 100 MHz si 6 GHz pentru un traseu orizontal, iar pentru un traseu vertical limita se deplaseaza spre frecventa de de 50 GHz.

Refractia undelor in atmosfera

In atmosfera undele radioelectrice sufera fenomene de refractie, in urma carora, datorita devierii traiectoriei undelor, se pot produce erori la determinarea coordonatelor statiilor orbitale.

Refractia undelor se produce in troposfera si in ionosfera. Devierea traiectoriei undei depinde de grosimea stratului strabatut si de unghiul de incidenta al undei, foarte mici (sub 5

In troposfera coeficientul de refractie depinde de temperatura si de presiunea atmosferica. In figura 13 este reprezentata eroarea datorita refractiei in troposfera in functie de altitudine pentru umiditatea de 100%. Refractia depinde in mica masura de frecventa pana la 30 GHz. Pentru altitudini sub 10 Km, fenomenul de refractie este foarte important.

Se observa din figura ca pentru unghiuri mici de elevatie, undele sunt mai puternic influentate de refractie fata de deviatiile suferite de undele ce sunt radiate sub unghiuri de elevatie mai mari.

In ionosfera, coeficientul de refractie, depinde de aceeasi factori de care depinde si absorbtia undelor electromagnetice si anume: concentratia de electroni, frecventa de ciocnire a electronilor si frecventa undelor radio.

Efectul de refractie in ionosfera se micsoreaza catre unghiuri de elevatie de 90 si devine neinsemnat pentru frecvente mai mari de 1 GHz. In figura 14 este aratat modul de variatie al deviatiei traiectoriei in ionosfera, in functie de frecventa. Refractia ionosferica este importanta mai ales in vecinatatea frecventei limita a "ferestrei" radio si scade rapid cand frecventa creste, depinzand mult de variatia in timp a concentratiei de electroni si de pozitia geografica a statiei de sol (valorile cele mai mari se obtin in zonele tropicale).

In atmosfera se mai produc si fenomene de scintilatie si difuziune. Scintilatia, adica variatia in timp a amplitudinii si directiei undelor se produc datorita variatiei in timp a indicelui de refractie. Aceste variatii sunt intamplatoare si sunt provocate de miscarea elementelor neomogene din atmosfera sau datorita deplasarii obiectelor spatiale. Destul de frecvent, scintilatiile ionosferice sunt insotite de fenomene de aurore, in special pentru frecvente cel mult egale cu 1 Ghz.

Efectul Faraday

Consta in rotirea planului de polarizare a undelor polarizate liniar, datorita unui fenomen de dubla refractie in ionosfera, in ionosfera, in prezenta campului magnetic terestru, analog cu fenomenul de rotire a planului ed polarizare a undelor luminoase. Pierderile de energie produse, datorita acestui fenomen, depind de frecvente de lucru, de densitatea straturilor ionizate, de intensitatea si directia campului magnetic.

Intrucat la trecerea prin ionosfera, undele polarizate liniar sufera o rotire continua a pozitiei vectorului camp electric, ceea ce ar duce la necesitatea ca antena de receptie sa-si modifice directia incontinuu corespunzator vectorului campului electric, (la frecvente apropiate de 1 GHz, rotatia planului de polarizare poate ajunge la 150 ), in cazul sistemelor spatiale se utilizeaza polarizarea circulara.

Calculele efectuate si rezultatele experimentale au aratat ca la frecvente peste 1 GHz, undele cu polarizare circulara nu-si schimba directia de rotatie la trecerea, prin ionosfera.

Solutia optima pentru sistemele spatiale o reprezinta deci, din acest punct de vedere, utilizarea polarizarii circulare si pe satelit si la statia de sol.

Efectul Doppler

Daca lungimea traseului radioelectric este variabila, are loc o variatie continua a fazei si o modificare permanenta a frecventei de receptie, datorita vitezei relative a satelitului fata de statia de sol. Acest fenomen se produce in special la satelitii nestationari, care se deplaseaza mereu fata de statia de sol. Daca satelitul are tendinta sa se departeze de statia de sol, frecventa receptionata va fi mai mica decat frecventa emisa si invers, in cazul contrar.

Cand viteza relativa este mult mai mica decat viteza de propagare a luminii este valabila urmatoarea relatie:

(17)

in care:

f_r - frecventa receptionata;

f_e - frecventa emisa;

v - viteza radiala intre cele doua elemente;

c - viteza de propagare a luminii.

Erorile de frecventa, datorita efectului Doppler in troposfera, sunt direct proportionale cu temperatura, frecventa de emisie cu presiunea atmosferica. In ionosfera aceste erori sunt invers proportionale cu frecventa si se datoreaza miscarii straturilor ionosferei. Aceste erori sunt minime noaptea si pentru unghiuri de elevatie mai mari. Se pot micsora foarte mult daca se utilizeaza frecvente mai mari de 200 MHz.

In functie de pozitia statiei de sol si de caracteristicile orbitei satelitului poate avea loc fie o crestere, fie o micsorare a frecventei, prin efectul Doppler care se produce atat intre statia de sol emitatoare si satelit cat si intre satelit si statia de sol receptoare. Pentru o orbita de altitudine 5000 km aceste variatii ale frecventei sant e ordinul 2 10^-5.

Cu cat altitudinea orbitei satelitului creste, efectul Doppler este mai putin important, ajungand ca in cazul satelitilor stationari sa fie neglijabil.

Valoarea maxima a deviatiei de frecventa in cazul unui satelit plasat pe o orbita circulara este data de relatia:

(18)

unde:

Df - deviatia de frecventa, produsa prin efectul Doppler;

f - frecventa de lucru;

s - numarul de rotatii pe zi (in 24 ore), efectuate de satelit in raport cu un punct fix de pe suprafata pamantului.

In tabelul 3 sunt date valorile lui s in functie de altitudinea satelitului.

In tabelul 4 se dau valorile maxime ale deviatiei de frecventa in functie de altitudinea satelitului.

Valorile au fost determinate pentru unghiuri de elevatie minime ale antenelor statiilor de sol de 5

Deviatiile de frecventa datorita efectului Doppler sunt corectate prin diverse metode, una dintre cele mai utilizate fiind corectia cu dispozitive cu timp de propagare variabil.

Zgomotele

Determinarea frecventelor optime de lucru necesita in egala masura si cunoasterea variatiei zgomotelor radioelectrice in interiorul "ferestrei" radioelectrice.

Datorita distantei mari parcurse de undele electromagnetice de la satelit la statia de sol, precum si datorita puterii limitate a instalatiilor de la bordul satelitilor, semnalul util receptionat de statia de sol este foarte slab si este necesar sa se ia toate masurile, pentru ca zgomotul sa fie cat mai redus.

Se stie ca toate corpurile, care au o temperatura mai mare ca zero absolut, radiaza in spatiu unde electromagnetice. Radiatia creste cu temperatura corpului si spectrul energiei radiate ocupa o gama foarte larga de frecvente. Intensitatea acestor perturbatii exterioare este exprimata simplu prin temperatura echivalenta de zgomot, in grade Kelvin. Relatia de legatura intre puterea de zgomot si temperatura echivalenta de zgomot este:

(19)

in care:

P_n - puterea de zgomot (w);

K - constanta lui Boltzman 1,38 10^-23 ws/K;

T - temperatura echivalenta de zgomot (grade Kelvin);

B - banda de frecventa (Hz).

Zgomotele exterioare care pot perturba semnalul receptionat sunt produse de radiatiile surselor naturale terestre si extraterestre, de radiatii provenind de la atmosfera absorbanta ce inconjoara pamantul, sau pot fi zgomote industriale.

Zgomotele pot patrunde atat in lobul principal al antenei, cat si in cei secundari.

Zgomotul terestru

Pamantul poate fi privit ca o sursa discreta de zgomote radioelectrice, intensitatea carora este conditionata de temperatura de zgomot a Pamantului, care are o valoare de aproximativ 254 K.

Pentru satelitii stationari globul pamantesc se vede sub un unghi de 17,34

Daca se ia ca deschidere a lobului principal al antenei satelitului unghiul de 34,68 , atunci contributia minima a zgomotului terestru este de:

Aceasta valoare este exacta pentru unghiuri de elevatie ale antenei mai mici de 90 . Zgomotele terestre au spectrul cuprins intre 20 si 10000 MHz si au o intensitate aproape constanta.

Zgomotele atmosferice

Zgomotele atmosferice sunt determinate in principiu de descarcarile electrostatice si de absorbtia urmata de radiatia energiei microundelor, de catre vaporii de apa si moleculele de oxigen.

Zgomotele datorate descarcarilor electrostatice au valori importante numai la frecvente sub 50 MHz. Dar aceste frecvente, in general, nu sunt utilizate in telecomunicatiile spatiale. Pentru frecventele utilizate in telecomunicatii spatiale, prezinta interes zgomotele datorate radiatiei vaporilor de apa si moleculelor de oxigen. In figura 15 sunt reprezentate variatiile temperaturilor echivalente de zgomot a acestor radiatii in functie de frecventa pentru trasee orizontale si verticale ale undelor electromagnetice. Este evident ca pentru traseele orizontale, deci pentru unghiuri de elevatie mici, zgomotele cresc datorita cresterii traseului parcurs de unda prin atmosfera.

Zgomotele cosmice

Zgomotele cosmice pot fi de trei tipuri:

zgomote provocate de radiatia solara;

zgomote datorate radiatiei surselor discrete;

zgomote datorate radiatiilor galaxiei.

Zgomotele solare

Temperatura aparenta de zgomot a soarelui poate fi foarte ridicata. Ea variaza intre 1000000 K la 30 MHz si 10000 K la 10 GHz si depinde de activitatea solara (de exemplu trece de la 23000 K la 4 GHz in perioada de activitate solara minima la 90000 K in perioada de activitate solara maxima).

Zgomotul solar captat de o antena depinde de temperatura aparenta a soarelui si de fractiunea din fascicolul antenei care intercepteaza discul solar.

In figura 16 este reprezentata variatia temperaturii echivalente de zgomot solar in functie de frecventa pentru activitate solara redusa (3), medie (2) si mare (1). Se observa ca zgomotul scade cu cresterea frecventei.

Zgomotele radiosurselor

Sunt determinate de sursele galactice discrete. Acestea fiind de dimensiuni unghiulare foarte mici sunt rareori interceptate de antena unei statii de sol. Cele mai importante zgomote sunt date de radiosursele Casiopea A si Lebada A.

Zgomotele galaxiei

Sunt cuprinse in banda de 20 . 4000 MHz, fiind maxime in centrul galaxiei si minime la extremitatile ei. Zgomotul depinde si de orientarea antenei spre galaxie. Prin schimbarea orientarii antenei de la 0 la 90 , temperatura de zgomot scade cu cateva sute de grade. In figura 17 este reprezentata variatia temperaturii echivalente de zgomot al galaxiei in functie de frecventa.

Daca toate valorile maximale ale temperaturilor echivalente de zgomote atmosferice si cosmice sunt reprezentate impreuna, ca in figura 18 se observa ca acestea sunt minime in banda de frecventa cuprinsa intre 1 . 10 GHz.

Trebuie remarcat, ca antele nu pot fi privite ca niste parti din sisteme izolate de celelalte elemente si ca actiunea zgomotelor externe trebuie privita ca o parte a temperaturii de zgomot total a instalatiei de receptie.