В отсутствие обработки сигнала на борту происходит сложение шумов каждого из участков, при этом суммарное отношение сигнал-шум на конце линии связи.

(Р_ш /Р_с ) _∑ = (Р_ш /Р_с )_{вх . б} + (Р_ш /Р_с )_{вх . з .} (6)

Очевидно, что отношение сигнал-шум на каждом из участков должно быть выше, чем на конце линии:

(Р_с /Р_ш )_{вх . б} =а(Р_с /Р_ш ) _∑ , (Р_с /Р_ш )_{вх . з} , = b (Р_с / Р_ш ) _∑ , (7)

где а > 1 , b > 1 .

Из (6) и (7) следует, что

a = b/(b-1), b = а/(а-1). (8)

Выражение (8) позволяют распределить заданное отношение (Р_с /Р_ш )_∑ ; по двум участкам линии связи. Например, задавшись превышением отношения сигнал-шум на участке спутник — Земля, равным 1 дБ (b=1,26), найдем, что необходимое превышение на участке Земля — спутник должно составлять 7 дБ (а≈5). Приведенное распределение коэффициентов запаса а и b предполагает, что полосы шумов бортового ретранслятора и земного приемника равны; если Δf_ш.з < Δf_ш.б , то мощность шума на входе бортового приемника следует вычислять в полосе Δf_ш.з .

С учетом изложенного уравнения для линии спутниковой связи, состоящей из двух участков, окончательно примут вид [3]:

для участка Земля — спутник

P_{пер . з .} =(16π² d₁ ² L_{1 доп} кТ_{∑ б .} Δf_{ш . з /} /λ₁ ² G_{пер . з .} G_{пр . б .} ŋ_{пер . з .} ŋ_{пр . б} .)а(Р_с /Р_{ш ) ∑} , (9)

для участка спутник — Земля

P_{пер . б .} =(16π² d₂ ² L_{2 доп} кТ_{∑ б .} Δf_{ш . з /} /λ₂ ² G_{пер . б .} G_{пр . з .} ŋ_{пер . б .} ŋ_{пр . з} .)b(Р_с /Р_ш )_∑ , (10)

4 Прохождение сигналов в системах космической связи

На распространение радиоволн на линиях Земля — космос (или космос — Земля) заметное влияние оказывает атмосфера Земли — как ионосфера, так и тропосфера. Это влияние особенно заметно на частотах от 10 ГГц и выше, а также при малых углах прихода волны (малых углах места антенны земной станции)[4].

Влияние ионосферы может проявляться в поглощении энергии, дисперсии сигнала, т. е. неравномерном времени задержки в полосе, «мерцании» сигнала, вызванном рассеянием локальными нерегулярностями концентрации электронов, вращении плоскости поляризации линейно поляризованной волны (фарадеево вращение). Все эти эффекты обратно пропорциональны квадрату частоты сигнала, а дисперсия — кубу частоты. Поэтому космические службы, работающие на частотах выше 1 ГГц, могут не учитывать влияние ионосферы, за исключением вращения плоскости поляризации.

Изменение вращения носит регулярный характер, подчиняющийся суточному и сезонному ходу, циклам солнечной активности, а также подвержено значительным и непредсказуемым отклонениям от регулярного хода в малых процентах времени. Максимальная амплитуда вращения на частоте 1 ГГц может достигать 108° при угле места 30°, а на частотах 4,6 и 1,2 ГГц максимальные амплитуды достигали 9, 4 и 1° соответственно [5]. Применение круговой поляризации волны, как и в нашем случае позволяет полностью устранить влияние этого явления.

Изменения уровня сигнала могут быть вызваны интерференцией прямой волны и волны, отраженной от земной поверхности

Рисунок 4.Интерференция прямой волны и волны, отраженной от земной поверхности

Влияние тропосферы на распространение радиоволн на линиях Земля — Космос может проявляться во многих явлениях.

Изменения индекса рефракции в тропосфере и его нерегулярности могут вызывать дефокусировку луча антенны, изменения угла прихода волны, уменьшение эффективного усиления антенн, возникновение многолучевой структуры сигнала и «мерцание». Дефокусировка луча вызывает потери сигнала менее 0,4 дБ даже при угле места 3° и больших изменениях рефракции. По данным измерений изменения угла прихода волны, вызванные рефракцией, составляли около 0,65°, 0,35°. и 0,25° при углах места 1°, 3° и 5° соответственно в морской тропической атмосфере. В полярном континентном климате соответствующие значения были 0,44°; 0,25° и 0,17° [4]. С этим явлением можно не считаться, поскольку антенны земных станций обычно снабжены устройствами автоматического или ручного наведения по максимуму сигнала.

Явления многолучевости и «мерцания» сигнала не могут оказывать сколько-нибудь существенного влияния на его уровень и поэтому не учитываются. Наиболее существенное влияние тропосферы проявляется в поглощении энергии радиоволн в газах атмосферы, поглощении и деполяризации волны в гидрометеорах, особенно в дожде.

4.1 Расчет ослабления уровня сигнала в атмосфере

Основное поглощение энергии сигнала вызывают кислород и водяной пар. На рисунке 5 показаны теоретические зависимости погонного ослабления уровня сигнала у, дБ/км, от частоты при стандартном давлении воздуха, температуре 20°С и концентрации р водяного пара 7,5 г/м³ .

На линиях связи Земля — космос волна проходит через всю толщу тропосферы, и на ее пути содержание кислорода и водяного пара существенно меняется, поэтому для расчета ослабления сигнала применяется концепция эквивалентной высоты кислорода и водяного пара, в пределах которой их содержание принимается постоянным.

Рисунок 5. - Зависимости погонного ослабления уровня сигналов от частоты при стандартном давлении воздуха, температуре 20° С и концентрации водяного пара 7,5 г/м³

Величина ослабления сигнала А_а , дБ, определяется следующими формулами

[5]:

А_а =(һо₂ γо₂ +һн₂ оγ₂ о)/sin Ө при Ө>10 (11)

Aa=√Re cosӨ{γ_H о₂ √h_{o 2} F_{o 2} + γ_H о₂ √h_{H 2 o} F_{h 2 o }} при 0<Ө<10, (12)