С61 Спутниковые системы связи: Учебное пособие для вузов

P
пер
.
б
=
16
π
2
d
2
2
L
2доп
P
ш
.
з
λ
2
2
G
пер
.
б
G
пр
.
з
η
пер
.
б
η
пр
.
з
(
P
c
P
ш
)
вх
.
з
,
где
P
ш
.
з
=
kT
Σ
з
∆
f
ш
.
з
.
Связь между отношениями сигнал-шум на выходе линии и на
каждом из участков, в отсутствие обработки сигнала на борту с уче-
том сложения шумов на каждом участке определяется
суммарным
отношением шум-сигнал на конце линии связи
(
P
ш
/P
с
)
Σ
= (
P
ш
/P
с
)
вх
.
б
+ (
P
ш
/P
с
)
вх
.
з
,
(12
.
3)
где
(
P
ш
/P
с
)
Σ
— отношение шума к сигналу на конце линии;
(
P
ш
/P
с
)
вх
.
б
— отношение шума к сигналу на входе приемника ИСЗ;
(
P
ш
/P
с
)
вх
.
з
—
отношение сигнала к шуму на входе приемника ЗС.
Эти соотношения будут использованы далее при расчете энерге-
тических параметров спутниковых линий связи.
Отношение сигнал-шум на каждом из участков должно быть вы-
ше, чем на конце линии:
(
P
ш
/P
с
)
вх
.
б
=
a
(
P
ш
/P
с
)
Σ
;
(
P
ш
/P
с
)
вх
.
з
=
b
(
P
ш
/P
с
)
Σ
,
(12
.
4)
где
a >
1
,
b >
1
.

---

216
Р а з д е л 12
Из (12.3) и (12.4) следует, что
a
=
b/
(
b
−
1);
b
=
a/
(
a
−
1)
.
(12
.
5)
Выражения (12.5) позволяют распределить заданное отношение
(
P
ш
/P
с
)
Σ
по соответствующим участкам линии связи. Если задаться
превышением отношения сигнал-шум на участке спутник-Земля, рав-
ным 1 дБ (
b
= 1
,
26
), то можно определить необходимое превышение
этого отношения на участке Земля — спутник, которое должно сос-
тавлять 7 дБ (
a
≈
5
). Распределение коэффициентов запаса
a
и
b
предполагает, что шумовые полосы бортового ретранслятора и земно-
го приемника одинаковы. При условии
∆
f
ш
.
з
<
∆
f
б
.
р
мощность шума
на входе бортового приемника вычисляется в полосе
∆
f
ш
.
з
.
С учетом изложенного уравнения для линии спутниковой связи,
состоящей из двух участков, имеют вид:
для участка Земля — спутник
P
пер
.
з
=
16
π
2
d
2
1
L
1доп
kT
Σ
б
∆
f
ш
.
б
λ
2
1
G
пер
.
з
G
пр
.
б
η
пер
.
з
η
пр
.
б
a
(
P
c
P
ш
)
Σ
;
для участка спутник — Земля
P
пр
.
б
=
16
π
2
d
2
2
L
2доп
kT
Σ
з
∆
f
ш
.
з
λ
2
2
G
пер
.
б
G
пр
.
з
η
пер
.
б
η
пр
.
з
a
(
P
c
P
ш
)
Σ
.
12.3. Поглощение энергии сигнала в атмосфере
При расчете потерь на трассе необходимо учесть, как показано
выше, дополнительные потери энергии сигнала в атмосфере и аппа-
ратуре системы связи.
В диапазонах частот, выделенных для спутниковой связи, влия-
ние воздушной атмосферы проявляется в виде поглощения радиоволн
в тропосфере и ионосфере, искривления траектории радиолуча в ре-
зультате рефракции и изменения вида и поворота плоскости поляри-
зации радиоволн [1].
В диапазонах частот выше 500 МГц основное поглощение опреде-
ляется тропосферными кислородом и парами воды, а также дождем
и прочими гидрометеорами.
Величину поглощения в газах, дБ, можно представить в виде сле-
дующей суммы:
A
г
=
γ
H2O
l
H2O
+
γ
O2
l
O2
,
(12
.
6)
где
γ
H2O
и
γ
O2
— погонное ослабление для водяного пара и кисло-
рода соответственно, дБ/км;
l
H2O
и
l
O2
— эффективные длины трасс
в атмосфере, содержащей водяные пары и кислород, км. Значения

---

Энергетические соотношения на линии ССС с применением ГСО
217
Таблица 12.1
Частота, ГГц
11
14
17,7
21,2
27,5
31,0
γ
H2O
, дБкм
0,0099
0,023
0,066
0,2
0,16
0,11
γ
O2
, дБкм
0,0123
0,0142
0,0165
0,02
0,026
0,032
величин погонных ослаблений в воде и кислороде на частотах выше
10 ГГц приведены в табл. 12.1.
При вертикальном прохождении радиоволн через тропосферу
l
H2O
= 2
км,
l
O2
= 4
км. Значения эффективных длин трасс в за-
висимости от угла места антенны можно определить по формулам
l
H2O
(
β
) =
√
R
2
э
sin
2
β
+ 2
R
э
l
H2O
−
R
э
sin
β
;
l
O2
(
β
) =
√
R
2
э
sin
2
β
+ 2
R
э
l
O2
−
R
э
sin
β,
(12
.
7)
где
R
э
= 8500 км — эквивалентный радиус Земли
Для количественной оценки используются соотношения (12.6) и
(12.7). Вычисления по этим соотношениям определяют постоянную
составляющую потерь, а затухания сигнала в гидрометеорах рассчи-
тывается в соответствии с формулой
L
д
=
L
′
д
l
з
и зависит от вида гидрометеоров (дождь, снег, туман), интенсивности
осадков, размеров зоны действия и распределение интенсивности в
зоне, а также от размеров и формы частиц гидрометеоров.
Эти факторы влияют на коэффициент погонного поглощения
L
′
д
и на эквивалентную длину пути сигнала
l
з
. Большее ослабление вно-
сят жидкие гидрометеоры в виде дождя, тумана, мокрого снега, а
ослабление в твердых фракциях (град, сухой снег) значительно ме-
ньшее.
Эквивалентная длина пути сигнала в дождевой зоне
l
з
≈
F
(
ε
)[
h
′
д
−
h
з
]
/
sin
α,
где коэффициент
F
(
ε
) учитывает неравномерность пространственно-
го распределения интенсивности дождя;
h
′
д
— эквивалентная высота
дождевой зоны.
Для расчета величины поглощения при дождях разной интенсив-
ности необходимо учитывать распределение вероятности выпадения
осадков. Эта задача плохо поддается теоретическому решению и по-
этому базируется на экспериментальных данных метеорологии. Ме-
теорологические данные обычно дают распределения, усредненные за

---

218
Р а з д е л 12
Таблица 12.2
Время, %
12
1,4
0,3
0,06
Скорость изменения, дБ/с
0,1
0,2
0,3
0,4
год или за месяц, тогда как при расчетах энергетических парамет-
ров требуется знание среднечасовых, средних по минутам и даже по
секундам распределений интенсивности осадков.
Функция распределения уровня сигнала из-за затухания в дожде
определяется распределением интенсивности осадков и функциона-
льной зависимостью коэффициентов погонного поглощения от интен-
сивности осадков.
Обработка статистических данных показывает, что средние за ми-
нуту распределения интенсивности дождя хорошо описываются лога-
рифмически нормальным законом
u
(
ε
) =
1
εσ
ε
√
2
π
exp
[
(log
ε
−
log
m
)
2
2
σ
2
ε
]
,
где
σ
2
ε
и
m
— дисперсия и среднее значение.
Необходимо иметь представление о динамике затухания радио-
волн в дождевых осадках, базирующейся на статистике скорости и
длительности этих затуханий, что важно при проектировании циф-
ровых спутниковых радиолиний с адаптивными методами передачи.
Приведенные в табл. 12.2 сведения базируются на экспериментальн-
ых данных, полученных на отечественных и зарубежных спутниковых
радиолиниях.
Из приведенных данных следует, что скорость изменения затуха-
ния на частоте 12 ГГц для радиоволн с круговой поляризацией прак-
тически не зависит от угла места и увеличивается в первом прибли-
жении пропорционально частоте.
Из статистики длительностей затуханий следует, что с вероят-
ностью 50 % продолжительность затухания глубиной 5 дБ составляет
2...3 с, а продолжительность интервала между затуханиями той же
глубины в пределах одного дождя достигает 20..30 с.
Затухание в дожде может быть весьма значительным (особенно в
диапазонах частот выше 10 ГГц) и может существенно влиять на энер-
гетику спутниковых радиолиний. Одной из мер борьбы может быть
применение пространственно-разнесенного приема, при котором две
земные станции удаленные одна от другой на интервал в несколько
километров, принимают одни и те же сигналы от ИСЗ с последую-
щим их сложением. Вероятность одновременного выпадения дождя в

---