Перейти на главную страницу
(Вопрос МСЭ-R 218/3)
(1978-1990-1992-1994-1997-1999-2001-2003-2005-2007)
вращение плоскости поляризации (фарадеевское вращение), вызываемое взаимодействием электромагнитной волны с ионизированной средой магнитного поля Земли вдоль трассы;
групповая задержка сигнала, вызванная полным содержанием электронов (ПСЭ), накопившимся вдоль трассы;
быстрое изменение сигнала по амплитуде и фазе (мерцание), вызванное маломасштабными неоднородностями ионосферы;
изменение очевидного направления прибытия, вызванное рефракцией;
допплеровский эффект, вызванный нелинейным характером вращения плоскости поляризации и временными задержками.
Данные и методы, описанные в настоящей Рекомендации, применяются для планирования спутниковых систем в соответствующих действующих параметрах, указанных в Приложении 1.
Ассамблея радиосвязи МСЭ,
a) что ионосферные эффекты оказывают существенное влияние на распространение радиоволн на частотах по меньшей мере до 12 ГГц;
b) что эти эффекты могут быть особенно существенны для спутниковых служб, использующих негеостационарную орбиту и работающих на частотах ниже 3 ГГц;
c) что были представлены экспериментальные данные и/или разработаны методы моделирования, которые позволяют прогнозировать параметры ионосферного распространения, необходимые для планирования спутниковых систем;
d) что ионосферные эффекты могут оказывать влияние на проектирование и эксплуатацию цифровой сети с интеграцией служб (ЦСИС) и других радиосистем, в состав которых входят космические аппараты;
e) что эти данные и методы оказались совместимыми с естественной изменчивостью явлений распространения радиоволн и, следовательно, их можно использовать при планировании спутниковых систем,
a) полное содержание электронов (ПСЭ) вдоль ионосферной трассы распространения подвижной спутниковой службы (ПСС) вызывает вращение плоскости поляризации (фарадеевское вращение) несущей ПСС и временную задержку сигнала, а также изменение наблюдаемого направления прихода волны из-за рефракции;
b) локализованные участки ионосферы, возникающие случайным образом и обычно называемые ионосферными неоднородностями, приводят к избыточному и случайному вращению поляризации и увеличению временной задержки, причем процесс этот может быть описан только стохастически;
c) из-за того, что вращение плоскости поляризации и временные задержки, связанные с плотностью электронов, зависят от частоты нелинейно, а также поскольку локализованные ионосферные неоднородности, по всей видимости, перемещаются, оказываясь в области линии связи или за ее пределами, вызывая таким образом доплеровские эффекты, то эффекты a) и b) ведут в свою очередь к дисперсии или изменению групповой скорости несущих ПСС;
d) кроме того, локализованные ионосферные неоднородности могут также действовать как собирающая или рассеивающая линза, фокусируя или рассеивая радиоволны. Такие явления обычно называют мерцаниями, и они воздействуют на амплитуду, фазу и угол прихода сигнала ПСС.
Из-за сложной физической природы ионосферы ионосферные эффекты, влияющие на параметры системы, как уже говорилось выше, не всегда можно описать с помощью простых аналитических формул. Соответствующие данные, представленные в виде таблиц и/или графиков и дополненные описательными или ограничивающими утверждениями, являются по всем практическим соображениям наилучшим способом представления этих эффектов.
Говоря об эффектах распространения при проектировании ПСС на частотах ниже 3 ГГц, следует признать, что:
e) известные явления распространения на трассах космос Земля, вызываемые воздействием гидрометеоров, не играют существенной роли в случаях пп. f) и h);
f) эффекты многолучевости вблизи поверхности Земли, наблюдающиеся в присутствии естественных или искусственных препятствий и/или при низких углах места, всегда являются критическими;
g) эффекты многолучевости вблизи поверхности Земли могут меняться в зависимости от местоположения и, следовательно, не являются определяющим фактором при проектировании систем ПСС, если речь идет о факторах распространения в глобальных масштабах;
h) ионосферные эффекты являются наиболее важными факторами распространения, которые следует учитывать при проектировании систем ПСС в глобальных масштабах.
В каждой области ионизированная среда не является ни однородной в пространстве, ни стационарной во времени. Вообще говоря, процесс фоновой ионизации характеризуется относительно регулярными колебаниями по времени суток, времени года и 11-годовому циклу солнечной активности и в значительной мере зависит от географического местоположения и геомагнитной активности. Помимо фоновой ионизации всегда существуют высокодинамичные маломасштабные нестационарные структуры, так называемые неоднородности. Как фоновая ионизация, так и эти неоднородности способствуют искажению радиоволн. Кроме того, фоновая ионизация и ионосферные неоднородности приводят к тому, что индекс рефракции становится частотнозависимым, а среда передачи – диспергирующей.
, (1)
где:
s : трасса распространения (м)
ne : концентрация электронов (эл/м3).
Даже если геометрия трассы распространения точно известна, определение NT оказывается затруднительно, поскольку ne меняется в зависимости от времени суток, времени года и цикла солнечной активности.
Для целей моделирования величина ПСЭ обычно оценивается для зенитных трасс с поперечным сечением 1 м2. ПСЭ в таком вертикальном столбце может колебаться от 1016 до 1018 эл/м2, достигая максимального значения в то время суток, когда светит солнце.
Для оценки величины ПСЭ можно использовать либо процедуру, основанную на международной эталонной ионосфере (IRI), либо более гибкую процедуру, также применимую для определения ПСЭ на наклонных трассах и основанную на модели NeQuick. Обе эти процедуры представлены ниже.
Нижняя часть описывается с помощью полуслоев Эпштейна для представления слоев E, F1 и F2. Верхняя часть слоя F опять же представляет собой полуслой Эпштейна, параметр толщины которого зависит от высоты. Модель NeQuick позволяет определить величины плотности электронов и ПСЭ на произвольных трассах Земля спутник и спутник спутник.
Компьютерную программу и связанные с ней файлы данных можно получить в Бюро радиосвязи.
, (2)
где:
: угол вращения (рад)
Характерные значения показаны на рисунке 1.
Таким образом, фарадеевское вращение обратно пропорционально квадрату частоты и прямо пропорционально интегральному произведению концентрации электронов и величины составляющей магнитного поля Земли вдоль трассы распространения. Его медианное значение на данной частоте имеет весьма регулярную прогнозируемую зависимость от времени суток, времени года и точки цикла солнечной активности. Следовательно, эта регулярная компонента фарадеевского вращения может быть компенсирована ручной подстройкой угла наклона поляризации антенны земной станции. Однако в течение небольших процентов времени могут возникать значительные отклонения от этого регулярного поведения в результате геомагнитных бурь и, в меньшей степени, перемещающихся крупномасштабных ионосферных возмущений. Эти отклонения нельзя предсказать заранее. Установлена связь быстрых и интенсивных флуктуаций углов фарадеевского вращения ОВЧ сигналов с соответствующими сильными и быстрыми мерцаниями амплитуды в пунктах, расположенных вблизи гребней экваториальной аномалии.
Развязка по кросс-поляризации для направленных антенн, XPD (дБ), связана с углом фарадеевского вращения, , соотношением:
XPD –20 log (tan ). (3)
где:
Рисунок 2 представляет собой график временной задержки, t, в зависимости от частоты, f, для нескольких значений содержания электронов вдоль луча.
В полосе частот около 1600 МГц групповая задержка сигнала изменяется примерно от 0,5 до 500 нс для ПСЭ от 1016 до 1019 эл/м2. На рисунке 3 представлен годовой процент таких часов дневного времени суток, для которых время задержки превышает 20 нс в период относительно высокой солнечной активности.
, (5)
где I – интенсивность сигнала, а означает среднее по ансамблю.
Индекс мерцаний, S4, связан с полным размахом флуктуаций интенсивности сигнала. Точное соотношение зависит от характера распределения интенсивности. Наилучшей аппроксимацией распределения интенсивности является распределение Накагами, которое действует в широком диапазоне значений S4. Когда S4 приближается к 1,0, распределение интенсивности сигнала лучше описывается рэлеевским распределением. В отдельных случаях S4 может превышать 1,0, достигая значений порядка 1,5. Происходит это из-за фокусировки радиоволн, вызванной ионосферными неоднородностями. Для значений, меньших 0,6, зависимость S4 от частоты носит характер f –, где спектральный индекс, равный 1,5 в диапазонах ОВЧ и УВЧ, как показала бóльшая часть исследований на многих частотах. Однако многочисленные наблюдения в экваториальных областях в гигагерцевом диапазоне показывают, что значение спектрального индекса может и превышать величину 1,5. По мере усиления мерцаний, когда S4 превышает значение 0,6, величина спектрального индекса уменьшается. Это обусловлено явлением насыщения мерцаний рэлеевских замираний под влиянием многократного рассеяния.
В таблице 1 приведены соотношения между S4 и полным размахом флуктуаций Pfluc (дБ), полученные эмпирическим путем. Это соотношение можно аппроксимировать с помощью выражения:
Pfluc 27,5 S4 1,26. (6)
ТАБЛИЦА 1
S4 |
Pfluc (дБ) |
0,1 |
1,5 |
0,2 |
3,5 |
0,3 |
6 |
0,4 |
8,5 |
0,5 |
11 |
0,6 |
14 |
0,7 |
17 |
0,8 |
20 |
0,9 |
24 |
1,0 |
27,5 |
С точки зрения временных характеристик интенсивность замираний ионосферных мерцаний колеблется от 0,1 до 1 Гц. Мерцания обычно начинаются после захода солнца и могут длиться от 30 мин. до нескольких часов. Для станций в области экватора в годы максимальной солнечной активности ионосферные мерцания возникают почти каждый вечер после захода солнца, причем полный размах флуктуаций уровня сигнала на 4 ГГц превышает 10 дБ.
- наклон спектра интенсивности, p = 3;
- средний размер неоднородностей, L0 = 500 км;
- стандартное отклонение флуктуаций электронной плотности, Ne = 0,2.
В подпрограмме, использующей ионосферную модель NeQuick, принимается во внимание отклонение лучей и вычисляются характеристики фоновой ионосферы. Исходный код модели GISM вместе с соответствующей документацией можно получить в разделе веб-сайта МСЭ-R, относящемся к 3-й Исследовательской комиссии по радиосвязи.
, (7)
где "m-коэффициент" Накагами связан с индексом мерцаний, S4, соотношением:
. (8)
В уравнении (7) средний уровень интенсивности, I, нормирован и равен 1,0. Вычисление доли времени, в течение которой сигнал превышает или находится ниже заданного порогового значения, упрощается благодаря тому факту, что функция распределения, соответствующая функции плотности Накагами, имеет замкнутую форму и выражается как:
, (9)
где (m, mI ) и (m) – неполная гамма-функция и гамма-функция, соответственно. С помощью уравнения (9) можно вычислить долю времени, когда сигнал превышает или находится ниже заданного порога в процессе того или иного ионосферного явления. Например, доля времени, в течение которого сигнал остается меньше среднего значения на величину более X дБ, равна
P(10–Х/10), а доля времени, когда сигнал более чем на Y дБ превышает среднее значение, определяется как 1 – P(10Y/10).
, (10)
где W – весовой коэффициент, зависящий от местоположения и календарного дня года. Например, используя данные, полученные в Тангуа, Гонконге и на островах Кваджалейн, весовые коэффициенты можно получить с помощью кривых, представленных на рисунке 8.
Долгосрочное кумулятивное распределение P(I) уровня сигнала относительно его среднего значения может быть получено исходя из долгосрочных кумулятивных статистических данных, F(x), размаха флуктуаций, x, как показано на рисунке 10, следующим образом:
, (11)
где:
и x1 и xn – минимальные и максимальные значения размаха флуктуаций, соответственно, а n – интервальное число x, представляющее интерес для пользователя:
Когда эти явления возникают одновременно, то они имеют свойства, сильно отличающиеся от свойств каждого из них, то есть мерцаний или замираний из-за дождя, в отдельности. Если ионосферные мерцания сами по себе не приводят к деполяризации, а замирание из-за дождя нельзя рассматривать как флуктуацию сигнала, то одновременное возникновение двух этих явлений сопровождается сильными флуктуациями сигналов и кросс-поляризацией. Умение распознавать оба этих явления при их одновременном возникновении необходимо для систем радиосвязи спутник Земля, которые должны отличаться высокой готовностью.
Измерения на средних широтах показывают, что типичные значения поглощения в нормальных условиях обычно составляют на частоте 30 МГц от 0,2 до 0,5 дБ для прохождения сквозь ионосферу в одном направлении при вертикальном падении. Во время солнечной вспышки поглощение будет возрастать, но не превысит 5 дБ. Усиленное поглощение может возникнуть на высоких широтах из-за явлений, связанных с полярной шапкой и авроральной зоной; эти два вида поглощения возникают с интервалами, которые являются случайными величинами, продолжительность их различна, а их влияние зависит от местоположения терминалов и угла места трассы. Следовательно, для наиболее эффективного проектирования систем эти явления следует описывать статистически, имея в виду, что продолжительность аврорального поглощения имеет порядок нескольких часов, а в области полярных шапок процесс поглощения длится несколько дней.
ТАБЛИЦА 2
Процент времени |
Угол места | |
20 |
5 | |
0,1 |
1,5 |
2,9 |
1 |
0,9 |
1,7 |
2 |
0,7 |
1,4 |
5 |
0,6 |
1,1 |
50 |
0,2 |
0,4 |
Примечательной чертой события поглощения в полярной шапке является значительное уменьшение поглощения в ночные часы для данной скорости образования электронов. Рисунок 12 представляет собой основанную на риометрических наблюдениях на разных широтах гипотетическую модель суточных вариаций поглощения в полярной шапке, последовавшего за крупной вспышкой на Солнце.
Эффект |
Величина |
Зависимость от частоты |
Фарадеевское вращение |
108 |
1/f 2 |
Задержка распространения |
0,25 мкс |
1/f 2 |
Рефракция |
0,17 мрад |
1/f 2 |
Изменение направления прихода |
0,2 дуговых мин. |
1/f 2 |
Поглощение (в полярной шапке) |
0,04 дБ |
1/f 2 |
Поглощение (авроральное в полярной шапке) |
0,05 дБ |
1/f 2 |
Поглощение (среднеширотное) |
0,01 дБ |
1/f 2 |
Дисперсия |
0–4 нс/МГц |
1/f 3 |
Мерцания |
См. п. 4 |
См. п. 4 |
В рекомендации мсэ-r р. 531-8 описываются методы оценки эффектов ионосферного распространения радиоволн на трассах Земля-космос на частотах от 0,1 до 12 ггц. На трассе Земля космос
12 10 2014
1 стр.
Данные о распространении радиоволн и методы прогнозирования, требующиеся для проектирования наземных систем прямой видимости
07 10 2014
7 стр.
Окончательный прогнозируемый сбой служит основой для других Рекомендаций, на которой можно рассматривать вопросы ошибок в показателях качества и готовности
07 10 2014
7 стр.
Данные о распространении радиоволн и методы прогнозирования, предназначенные для систем, в которых используются станции на высотных платформах и другие станции, поднятые до уровня
12 10 2014
1 стр.
Данные о распространении радиоволн, требуемые для разработки наземных оптических линий для связи в свободном пространстве
12 10 2014
1 стр.
Метод прогнозирования распространения сигнала на конкретной трассе для наземных служб "из пункта в зону" в диапазонах увч и овч
12 10 2014
10 стр.
Зоны Френеля при распространении радиоволн: метод указания к лаб работе / И. Т. Кравченко, Н. Н. Полещук, А. С. Рудницкий. – Минск: бгу, 2009. – 10 с
15 12 2014
1 стр.
Программный продукт nanocad скс предназначен для автоматизированного проектирования структурированных кабельных систем (скс) зданий и сооружений различного назначения, кабеленесущи
09 09 2014
1 стр.