STRUCTURA GENERAL Ă A SISTEMELOR DE COMUNICAŢII SPAŢIALE

Termeni utilizaţi în telecomunicaţii spaţiale

Pentru o înţelegere cât mai fidelă a structurii şi a tuturor fenomenelor legate de stabilirea legăturilor de telecomunicaţii prin intermediul sateliţilor se va da definiţia câtorva termeni ce vor fi utilizaţi în capitolele următoare.

Satelit este denumit corpul care se roteşte în jurul altui corp şi a cărui mişcare este în principiu determinată de forţa de atracţie a acestui corp.

Spaţiu îndepărtat este zona din spaţiu cosmic situată la o distanţă, faţă de pământ, egală sau mai mare decât distanţa Pământ-Lună.

Orbita satelitului reprezintă traiectoria descrisă de satelit sub acţiunea impulsului iniţial, a forţei de atracţie exercitată de Pământ şi de alte corpuri cereşti, presiunea radiaţiilor, frecările atmosferice, etc.

Perioada de revoluţie reprezintă intervalul de timp între două treceri consecutive ale satelitului prin perigeul său.

Staţie spaţială sau cosmică este staţia sistemului de telecomunicaţii spaţiale aflată la bordul unui satelit.

Staţie de sol este staţia sistemului de telecomunicaţie spaţiale situata pe suprafaţa pământului.

Staţie terestră este staţia utilizată de sistemele de telecomunicaţii terestre.

Ceilalţi termeni vor fi definiţi, după necesitate, în decursul expunerii.

Prin telecomunicaţii spaţiale este posibilă stabilirea unei radiolegături între staţii de sol situate la distanţe mari. Aceste distanţe nu pot fi oricât de mari, ci ele sunt limitate de faptul că legătura este posibilă numai când cele două staţii sunt simultan în vizibilitate directă cu satelitul(fig.1). Zona ce poate fi acoperită de satelit (suprafaţa terestră pentru care, la un moment dat, se pot stabili radiolegături simultane din oricare punct al ei, prin acelaşi satelit) depinde de înălţimea la care se află satelitul. În fig.1 se observă, că satelitul S2 care se află la o înălţime mică nu poate acoperii simultan şi staţia A ţi staţia B, între care nu va putea exista o radiolegătură instantanee. Deci satelitul nu poate asigura o legătură instantanee ci va trebui să aibă la bord un dispozitiv de înmagazinare a informaţiilor, o memorie. Dacă satelitul este nestaţionar şi se va deplasa, să presupunem, dinspre staţia A spre B, el va primi informaţia de la staţia A, va fi păstrată în memorie şi apoi va fi retransmisă staţiei B, când se va afla în vizibilitate directă cu ea. Retransmiterea informaţiei se va face fie prin comandă de la staţia B, fie printr-o comandă pe bază de program chiar de pe satelit în funcţie de viteza de deplasare a satelitului, înălţimea lui şi distanţa între corespondenţii A ţi B. În cazul sateliţilor staţionari evident legătura va fi posibilă.

Tipuri de sateliţi

Se disting în principiu două tipuri de sateliţi artificiali:- pasivi;- activi.

Sateliţii pasivi nu au echipament electric la bord, retransmiterea semnalelor de radiocomunicaţii efectuându-se prin reflexie sau difuziune pe suprafaţa lor. Sateliţii pasivi pot avea diferite forme: baloane sferice (a), suprafeţe plane sau în diedru (b), lentile dielectrice (c),nori sau centuri orbitale de dipoli rezonanţi(d), care excitaţi de undele electromagnetice de la sol pe frecvenţa lor de rezonanţă le vor retransmite spre sol, farfurii în dublă curbură, etc. În figura 2 sunt arătate câteva tipuri de sateliţi pasivi.

Avantajele pe care le oferă aceşti sateliţi sunt următoarele:- nu au echipament radioelectric la bord, constituind cel

mai simplu retranslator spaţial şi totodată mai economic;- absenţa echipamentului face ca să aibă o viaţă mai mare,

o fiabilitate mai mare, (ştiut fiind că una din cauzele de deranjamente este acţiunea agenţilor externi şi a radiaţiilor asupra echipamentului).

Principalele dezavantaje ale sateliţilor pasivi sunt:- utilizarea la sol a unor emiţătoare de puteri mari, cu

antene de diametre mari, aparatură de recepţie extrem de sensibilă;

- necesitatea orientării sateliţilor pentru a se putea recepţiona semnalele radioelectrice, avându-se în vedere faptul că atenuarea semnalelor variază direct proporţional cu pătratul distanţei;

- necesitatea orientării sateliţilor spre Pământ în care unor sateliţi ce nu au formă sferică.

Toate aceste dezavantaje au făcut ca sateliţii pasivi să aibă o utilizare redusă în telecomunicaţii, actualmente fiind consideraţi doar ca o etapă experimentală de multă vreme depăşită .

Sateliţii activi au la bordul lor echipamente radioelectrice care acţionează asupra semnalelor primite de la sol (le amplifică, le modifică frecvenţa). Retransmiterea semnalelor de la bordul sateliţilor spre staţiile de sol se poate face după cum s-a mai arătat:

- instantaneu;- cu întârziere.

Retransmiterea semnalelor cu întârziere se foloseşte pentru benzi de frecvenţă mai mici, adică pentru un număr mai mic de căi telefonice sau transmisii telegrafice pentru ca aparatura de memorie să fie mai simplă.

Sateliţii activi lucrează numai în anumite benzi de frecvenţă şi deci realizează legături numai cu staţiile de sol ce se încadrează în aceste benzi, dar permit sateliţilor de la sol să lucreze cu emiţătoare

de puteri relativ mai mici cu receptoare având o sensibilitate relativ mai mică şi antene de dimensiuni relativ mai mici.

Schema bloc a unei legături spaţiale prin sateliţi activi este indicată în figura 3, unde:

N – reprezintă numărul de căi telefonice, de abonaţi ce nu au aceeaşi bandă de bază de frecvenţe;

Mx - echipamentul de multiplexare în frecvenţă sau timp a căilor;

Mod – modulatorul; A0 – antena de emisie;Em – emiţător.

Aceasta reprezintă echipamentul de emisie al staţiei de sol, iar cel de recepţie cuprinde:

Ar – antena de recepţie;Rec – receptor (partea principală este amplificatorul cu

zgomot redus);Dem – demodulator;Dx – demultiplexor.

La bordul satelitului sunt antenele de emisie şi recepţie ae şi ar, receptorii r, emiţătorii e, precum şi echipamente de transformare a semnalului T (în afară de amplificări, schimbării de frecvenţă f1 în sau f2

în f4).Transmiterea semnalului de la staţia de sol A la B este identică

cu cea de la staţia B la A dar foloseşte alte frecvenţe. Se observă că pentru transmisie bilaterală sânt necesare patru frecvenţe .

Mişcarea sateliţilor

Principalele elemente care caracterizează orbitele sateliţilor, elemente care permit şi o clasificare a sateliţilor în funcţie de acestea sânt:

- înclinarea orbitei i care reprezintă unghiul format de planul orbital şi planul ecuatorial al pământului;

- forma orbitei;- altitudinea orbitei faţă de suprafaţa pământului sau

distanţa faţă de centru pământului.

În funcţie de înclinarea orbitei se poate vorbi de orbite:- ecuatoriale (unghi de înclinare zero);- polare (unghi de înclinare 90°);- înclinate (unghi de înclinare oarecare diferit de 0° sau

90°);

şi de asemenea de orbite:- directe 0° £ i £ 90°- retrograde 90° £ i £ 180°.

După formă orbitele se pot clasifica în:- orbite circulare;- orbite eliptice.

După altitudinea orbitei, se disting:- orbite de joasă înălţime 1000 … 5000 km;- orbite de înălţime medie 5000 … 20000 km;- orbite situate la înălţimi foarte mari (sateliţi sincroni)

36000 km /1,3,4,5/.

Elementele orbitei satelitului

Elementele principale ale unei orbite sânt prezentate în modul următor (fig.4):

i – unghiul de înclinare al orbitei;A – apogeul (reprezintă punctul orbitei unui satelit situat la

maximum de distanţă faţă de centrul pământului);P – perigeul (reprezintă punctul de pe orbita satelitului care

se află la o distanţă minimă faţă de centrul pământului);Na – nodul ascendent (punctul în care orbita satelitului

intersectează planul ecuatorial, satelitul trecând din emisfera nordică);Nd – nodul descendent (punctul de intersecţie între orbita

satelitului şi planul ecuatorial al pământului însă pentru sensul de mişcare al satelitului din emisfera nordică în cea sudică).

NaNd – linia nodurilor.În afară de elementele reprezentate în figura 4, mai există două

elemente principale e şi q:

e - elevaţia satelitului (unghiul format într-un punct de pe suprafaţa pământului între linia orizontului şi direcţia punct de observare – satelit);

q - azimutul satelitului (unghiul format într-un punct de pe suprafaţa pământului între direcţia nord geografic şi direcţia punct de observare - satelit).

Satelitul, ca orice corp ceresc se supune legilor lui Kepler. În conformitate cu prima cu prima lege a lui Kepler s-a stabilit că satelitul se mişcă pe o orbită eliptică, pământul aflându-se în unul din focarele elipsei (fig.5). Deci, sateliţii nu se pot deplasa pe orbite oarecare, ci numai pe anumite tipuri de orbite .

Fig. 5. Parametrii orbiteiMişcarea satelitului, poziţia sa pe orbită este determinată de

forţa gravitaţională de atracţie şi forţa centrifugă.

(1)

în care:K – reprezintă constanta gravitaţională;

M – masa Pământului;m – masa satelitului;r – distanţa satelit – centru pământului.

(2)

în care:Vc – este viteza periferică a satelitului pe orbită.

Din egalitatea relaţiilor (1) şi (2) rezultă viteza cu care se mişcă satelitul pe orbită:

(3)

unde:

Această expresie poate fi scrisă şi sub altă formă, utilizând viteza vo – o viteză ipotetică, de deplasare a satelitului pe o orbită circulară cu raza egală cu raza pământului H = 6,4 108 cm.

Utilizând raţionamentele anterioare se găseşte:

după care se deduce:

(4)

Înlocuind în această relaţie valoarea lui R se obţine:

(5)

Se observă că această mărime vc denumită şi prima viteza cosmică scade cu r.

Perioada de revoluţie a unui satelit ce se deplasează pe o orbită circulară se determină din relaţia:

(6)

Înlocuind pe vc cu valoarea dată de relaţia (5) rezultă:

sau:

(7)r fiind dat în km.

Pentru un satelit ce se deplasează pe orbita ipotetică circulară de rază r, perioada de revoluţie este To = 5064 s = 84,4 min iar Tc se poate scrie sub forma:

(8)

conform celei de a treia legi a lui Kepler.Se poate determina simplu şi viteza unghiulară de rotaţie

corespunzătoare:

sau:

(9)

În afară de aceste mărimi în cazul orbitelor eliptice se determină înălţimea perigeului rp (distanţa de la Pământ la punctul cel mai apropiat al orbitei) precum şi rA înălţimea sau altitudinea apogeului (distanţa de la Pământ până la punctul cel mai depărtat al orbitei), semiaxa mare a orbitei

(10)

în care:rA – distanţa de la centrul pământului la apogeu;rp – distanţa de la centrul pământului la perigeu.

Excentricitatea orbitei, definită ca raportul între distanţa focală şi semiaxa mare a elipsei este:

(11)

f – distanţa focală.Din figura 5 se observă că altitudinea satelitului H este dată de

relaţia:

H = r – R (km) (12)

În tabelul 1 şi figura 6 sunt reprezentate variaţia vitezei vc şi a perioadei Tc în funcţie de altitudinea satelitului.

r[Km]

H[Km]

Tc

[min]vc

[Km/s]6400 0 84.4 7.96900 500 94.5 7.627400 1000 105 7.3511400 5000 201.2 5.9213400 7000 256.5 5.4116400 10000 349 4.9326600 20000 720 3.8936400 30000 1117 3.342270 35870 1440 3.0646400 40000 1664 2.9256400 50000 2231 2.66

106400 100000 5784 1.94

Conform celei de a doua legi a lui Kepler se stabileşte că viteza satelitului variază, fiind maximă la perigeu şi minimă la apogeu. Toate formulele stabilite anterior s-au dedus considerându-se valoarea absolută a vitezei de deplasare a satelitului pe orbită fără a ţine seama şi de mişcarea Pământului.

După legea a treia a lui Kepler, pentru o orbită eliptică, perioada de revoluţie este:

(13)

Perioadele de revoluţie ale sateliţilor ce se deplasează pe orbite circulare, ecuatoriale To, se numesc perioade siderale şi nu depind de mişcarea relativă a satelitului faţă de Pământ fiind egale pentru sateliţii cu aceeaşi altitudine dar cu orbite polare sau ecuatoriale.

Pentru un observator de pe Pământ, perioada de revoluţie a satelitului va fi determinată de parametrii orbitei şi sensul de deplasare al satelitului faţă de Pământ.

Perioada de revoluţie a unui satelit, pentru un observator de pe Pământ va fi:

(14)

Ts – perioada de revoluţie a stelitului Tc sau Te în min;i – unghiul de înclinare al orbitei satelitului.

La numitorul expresie (14) poate fi semnul minus sau plus, după cum direcţiile vectorilor de viteză, corespunzători deplasării satelitului şi Pământului, corespund sau nu.

În cazul unui satelit ca se deplasează pe o orbită pe o orbită ecuatorială, circulară, perioada de revoluţie va fi:

(15)

În tabelul 2 sânt prezentate câteva valori ale lui Tc şi T pentru anumite altitudini ale orbitei satelitului (orbită circulară).

După raportul în care se află vitezele de deplasare ale satelitului şi Pământului, sau după perioadele lor se poate vorbi de sateliţi sincroni sau subsincroni. Sateliţii sincroni au aceeaşi perioadă de revoluţie cu Pământul iar cei subsincroni au perioada de revoluţie un submultiplu întreg al perioadei de rotaţie a Pământului.

Sateliţii pe orbite circulare, ecuatoriale cu perioada de revoluţie egală cu perioada de rotaţie a Pământului se numesc sateliţi sincroni şi staţionari. Aceşti sateliţi vor avea o perioadă T = 1440 min şi înălţimea orbitei H = 35870 km.

Dacă orbita satelitului este tot circulară dar înclinată, satelitul va fi sincron, dar nu va mai fi staţionar. În cazul utilizării sateliţilor subsincroni sau nestaţionari pentru realizarea unei legături între două puncte oarecare de pe glob, numărul de sateliţi necesari pentru realizarea unor radiolegături neîntrerupte depinde de altitudinea orbitei satelitului şi de coordonate geografice ale celor două puncte.

Sateliţii staţionari, având orbite circulare ecuatoriale, fiind sincroni cu pământul şi deplasându-se în acelaşi sens cu aceasta, vor apărea pentru o anumită zonă de pe Pământ ca ficşi. Un satelit staţionar poate acoperi o distanţă între două puncte de pe glob, corespunzătoare unui arc de cerc de lungime 15000 km reprezentând de fapt aproximativ o treime din suprafaţa globului pământesc. Cu trei sateliţi staţionari pe o orbită ecuatorială distanţaţi la 120° se pot realiza legături pe întreg globul (unghiul minim de elevaţie al antenei staţiei de sol fiind e = 5° determinat de zgomotul de absorbţie atmosferică) cu excepţia regiunilor situate mai sus de 76,5° latitudinea nordică sau sudică (fig.7).

În figura 8 se indică poziţia celor trei sateliţi staţionari şi 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°, mărimea lui neducând la lărgirea zonei de acoperire.

Stabilirea radiolegăturilor pentru staţii, situate dincolo de latitudinile 76,5°N sau S, se face alegându-se orbite înclinate sau polare.

Distanţa mare la care se află satelitul staţionar faţă de Pământ face ca timpul de propagare staţie de sol – satelit să fie destul de mare circa 0,13s, deci pentru o legătură bilaterală între două staţii este

totuşi acceptabil.

Distanţa mare este însă compensată de posibilitatea de a realiza o antenă directivă care să acopere numai zona utilă.

Deplasările satelitului sunt mult mai reduse, în cazul sateliţilor staţionari, iar emisia şi recepţia semnalelor de către staţiile de sol se face în condiţii mai uşoare, datorită simplificării dispozitivului de urmărire şi comandă a antenei, absenţei unui efect Doppler important, eliminării problemelor legate de variaţia timpului de tranzit şi a comutărilor de pe un satelit pe altul asupra sistemelor de transmisii sincrone telegrafice şi asupra transmisiilor de date de mare viteză.

În cazul sateliţilor nestaţionari nu se pot efectua transmisii neîntrerupte cu acelaşi satelit, ci este necesar ca atunci când un satelit „apune”, un alt satelit să „răsară” în partea opusă. Numărul de sateliţi necesari este determinat de forma şi înclinarea orbitei, de altitudinea ei, de distanţa între corespondenţi. Antenele sateliţilor de sol sunt mult mai complicate şi scumpe, necesitând o mişcare continuă, dirijarea lor făcându-se cu instalaţii de programare şi comandă a mişcării. Aceste dezavantaje sunt într-o oarecare măsură compensate de faptul că sistemele de lansare a sateliţilor nestaţionari sunt mai ieftine şi mai simple, iar pentru aceeaşi putere a rachetei se pot lansa sateliţi de greutate mare. Aceasta permite mărirea numărului translatoarelor de la bordul satelitului, sau a numărului lor de căi, precum şi creşterea puterii emiţătoarelor sau sensibilităţii receptoarelor.

După necesităţile şi condiţiile existente se poate folosi fie un sistem de sateliţi staţionari, fie nestaţionari.

Sistemele de comunicaţii spaţiale cu sateliţi staţionari sunt utilizate cu succes de sistemul INTELSAT.

Uniunea Sovietică, pentru acoperirea vastului ei teritoriu, utilizează sateliţi nestaţionari de tip „Molnia” cu perioade de revoluţie de 12 h asigurând radiolegături între Moscova şi Extremul Orient de circa 8…10 h.

Aceşti sateliţi au orbite eliptice, puternic alungite, înclinate la 65° cu apogeul la Polul Nord, putând acoperi şi zonele situate mult spre Nord unde legăturile cu mijloacele clasice (radiorelee în U.S.A.) sunt puternic influenţate de fenomenele ionosferice .

PROPAGAREA UNDELOR RADIO ÎN SPAŢIU COSMIC ALEGEREA FRECVENŢELOR DE LUCRU PENTRU SISTEMELE DE TELECOMUNICAŢII SPAŢIALE

Criterii generale pentru alegerea frecvenţelor de lucru în sistemele de telecomunicaţii spaţiale

Dezvoltarea rapidă a utilizării mijloacelor spaţiale şi totodată creşterea cerinţelor în materie de telecomunicaţii, duc la o aglomerare din ce în ce mai mare a aspectului de frecvenţe.

Dispunându-se, în general, de puteri de emisie mici la bordul sateliţilor, este necesară o grijă deosebită în alegerea şi realizarea tehnică a echipamentelor spaţiale, în special în privinţa alegerii frecvenţelor de lucru.

Frecvenţa de lucru poate fi aleasă în funcţie de diverşi factori: fie, în funcţie de o valoare dată a puterii de emisie pentru realizarea unui anumit raport semnal/zgomot, fie pentru o probabilitate minimă de perturbări etc.

Spectru de frecvenţe ales trebuie să prezinte o mare supleţe pentru a fi folosite de diverse tipuri de sisteme de telecomunicaţii spaţiale, caracterizate prin diverse metode de modulaţie şi, totodată să aibă în vedere şi dezvoltarea ulterioară a tehnologiei mijloacelor spaţiale. Trebuie să se ţină seama de repartizarea spectrului de frecvenţe deja făcută de C.C.I.R. pentru sistemele de radiorelee, faţă de care trebuie să se asigure protecţia necesară.

Aşa dar, alegerea frecvenţelor pentru sistemele spaţiale trebuie să se facă astfel încât:

- să se asigure utilizarea raţională a spectrului de frecvenţe;

- să se asigure o coordonare între dezvoltarea ulterioară şi stadiul actual al telecomunicaţiilor prin sateliţi;

- să permită atribuirea unor canale determinate diferitelor sisteme de telecomunicaţii spaţiale, în aşa fel, încât să se evite perturbarea lor reciprocă;

- să permită partajul diverselor benzi de frecvenţe între sistemele de telecomunicaţii prin sateliţi şi sistemele de radiorelee, cu minimum de restricţii în funcţionarea unuia sau altuia din sisteme.

Banda de frecvenţe trebuie astfel aleasă încât să se asigure o recepţie corespunzătoare a sistemelor primite de la sateliţi, condiţiile de recepţie fiind date de :

- intensitatea câmpului undei incidente;- forma semnalului;- nivelul zgomotelor sau ale câmpului perturbator.

În vederea alegerii frecvenţelor optime pentru a fi utilizate în sistemele spaţiale se vor studia atât zgomotele radioelectrice în interiorul „radioferestrelor” cât şi influenţa mediului prin care se propagă undele radioelectrice şi care poate avea un dublu efect:

- produce o atenuare a semnalelor; - este totodată o sursă de distorsiuni pentru semnale.

Se ştie că atmosfera se comportă diferit, selectiv faţă de frecvenţele radioelectrice; unele frecvenţe sunt atenuate foarte mult, în timp ce altele traversează atmosfera practic fără a fi modificate. Se denumesc „ferestre radioelectrice” tocmai benzile de frecvenţe pentru care atmosfera este practic, transparentă.

Pentru telecomunicaţii spaţiale există două asemenea benzi de frecvenţe:

- banda cuprinsă între frecvenţa critică a ionosferei şi frecvenţa de absorbţie a gazelor din atmosferă, nori, precipitaţii (10MHz…20 GHz);

- banda re radiaţii vizibile şi infraroşii. Gama de frecvenţe cuprinsă între 10 MHz şi 20 GHz, este cea

care reprezintă un interes pentru telecomunicaţii spaţiale.În anumite condiţii limita superioară a acestei benzi poate să scadă la 10 GHz (pentru ploi puternice), iar limita inferioară poate ajunge la 70 MHz (în funcţie de poziţia geografică a sateliţilor de la sol, activitatea solară etc.). De foarte rare ori limita superioară a „radioferestrei” poate atinge 50 GHz (pentru puncte situate la altitudine şi lipsite de precipitaţii) iar cea mai inferioară poate atinge 2 MHz (în zonele polilor în timpul nopţilor polare).

În continuare vor fi arătaţi factorii ce influenţează propagarea undelor între satelit şi staţia de sol şi care determină în final alegerea frecvenţelor de lucru pentru sensul Pământ – Satelit precum şi pentru sensul Satelit – Pământ.

Ca bază de plecare pentru determinarea nivelurilor semnalelor la recepţie, a puterilor de emisie necesare etc. se ia legea de variaţie în funcţie de frecvenţă a puterii de intrare în receptorul staţiei de sol în cazul propagării în spaţiul liber şi anume:

(16)

în care:Pe – puterea de emisie;Ge – câştigul în putere al antenei de emisie;Gr - câştigul în putere al antenei de emisie; - lungimea de undă pentru propagarea în spaţiul liber;d – distanţa între emiţător şi receptor;f – frecvenţa de lucru;c – viteza luminii;Pr – fiind puterea la intrarea receptorului.

Evident că valoarea obţinută în acest mod nu este cea reală, ea fiind influenţată de o serie de factori ca: atenuările datorită propagării prin atmosferă, zgomotele, fenomenele refracţiei, etc.

Pierderile prin propagarea în atmosferă

Acestea se datorează atât atenuării semnalelor datorită traversării ionosferei.

Atenuarea semnalelor la trecerea prin troposferă se datorează compoziţiei ei, absorbţiei selective a undelor radio de către gaze, vapori de apă, nori, etc.

Astfel moleculele de oxigen au frecvenţele de rezonanţă ale dipolilor la 60 GHz şi 120 GHz, iar vaporii de apă necondensaţi la 21 GHz. Pe aceste frecvenţe absorbţia undelor este maximă. Moleculele de azot au frecvenţa de rezonanţă a dipolilor mai mare de 300 GHz şi în general produc o absorbţie mică.

Fig. 9. Pierderile totale datorită absorbţiei undelor electromagnetice de către moleculele de oxigen

şi vaporii de apă

În figura 9 este dată variaţia în funcţie de frecvenţă a pierderilor totale prin absorbţia undelor de către moleculele de oxigen şi de vaporii de apă necondensaţi.

Se observă din figura 9, că există o singură fereastră troposferică în acest caz şi anume pentru frecvenţe 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 în jurul frecvenţelor de 35 GHz şi 100 GHz.

Atenuarea undelor radioelectrice se datorează de asemenea precipitaţiilor, (ceaţă, nori, ploaie, zăpadă, etc.) care au în primul rând un efect de difuzie a undelor electromagnetice. Ei sunt de fapt factorii cei mai variabili şi se schimbă în funcţie de timp, aşezarea geografică,

etc., fiind specifici pentru fiecare staţie de sol. Variaţia atenuării datorită acestor factori în funcţie de frecvenţă este dată în figura 10.

În ionosferă pierderile se datorează în special schimburilor de energie ce au loc, între undele radio şi sarcinile electrice din ionosferă.

În figura 11 este reprezentată variaţia pierderilor în ionosferă pentru diferite concentraţii de electroni, iar în figura 12 sunt reprezentate pierderile totale ce se produc la propagarea prin atmosferă a undelor radioelectrice.

Se observă că atenuarea semnalelor, determinată de factorii amintiţi mai sus, este minimă pentru frecvenţele cuprinse între 100 MHz şi 6 GHz pentru un traseu orizontal, iar pentru un traseu vertical limita se deplasează spre frecvenţa de de 50 GHz.

Refracţia undelor în atmosferă

În atmosferă undele radioelectrice suferă fenomene de refracţie, în urma cărora, datorită devierii traiectoriei undelor, se pot produce erori la determinarea coordonatelor staţiilor orbitale.

Refracţia undelor se produce în troposferă şi în ionosferă. Devierea traiectoriei undei depinde de grosimea stratului străbătut şi de unghiul de incidenţă al undei, foarte mici (sub 5°).

În troposferă coeficientul de refracţie depinde de temperatură şi de presiunea atmosferică. În figura 13 este reprezentată eroarea datorită refracţiei în troposferă în funcţie de altitudine pentru umiditatea de 100%. Refracţia depinde în mică măsură de frecvenţă până la 30 GHz. Pentru altitudini sub 10 Km, fenomenul de refracţie este foarte important.

Se observă din figură că pentru unghiuri mici de elevaţie, undele sunt mai puternic influenţate de refracţie faţă de deviaţiile suferite de undele ce sunt radiate sub unghiuri de elevaţie mai mari.

În ionosferă, coeficientul de refracţie, depinde de aceeaşi factori de care depinde şi absorbţia undelor electromagnetice şi anume:

concentraţia de electroni, frecvenţa de ciocnire a electronilor şi frecvenţa undelor radio.

Efectul de refracţie în ionosferă se micşorează către unghiuri de elevaţie de 90° şi devine neînsemnat pentru frecvenţe mai mari de 1 GHz. În figura 14 este arătat modul de variaţie al deviaţiei traiectoriei în ionosferă, în funcţie de frecvenţă. Refracţia ionosferică este importantă mai ales în vecinătatea frecvenţei limită a „ferestrei” radio şi scade rapid când frecvenţa creşte, depinzând mult de variaţia în timp a concentraţiei de electroni şi de poziţia geografică a staţiei de sol (valorile cele mai mari se obţin în zonele tropicale).

În atmosferă se mai produc şi fenomene de scintilaţie şi difuziune. Scintilaţia, adică variaţia în timp a amplitudinii şi direcţiei undelor se produc datorită variaţiei în timp a indicelui de refracţie. Aceste variaţii sunt întâmplătoare şi sunt provocate de mişcarea elementelor neomogene din atmosferă sau datorită deplasării obiectelor spaţiale. Destul de frecvent, scintilaţiile ionosferice sunt însoţite de fenomene de aurore, în special pentru frecvenţe cel mult egale cu 1 Ghz.

Efectul Faraday

Constă în rotirea planului de polarizare a undelor polarizate liniar, datorită unui fenomen de dublă refracţie în ionosferă, în ionosferă, în prezenţa câmpului magnetic terestru, analog cu fenomenul de rotire a planului ed polarizare a undelor luminoase. Pierderile de energie

produse, datorită acestui fenomen, depind de frecvenţe de lucru, de densitatea straturilor ionizate, de intensitatea şi direcţia câmpului magnetic.

Întrucât la trecerea prin ionosferă, undele polarizate liniar suferă o rotire continuă a poziţiei vectorului câmp electric, ceea ce ar duce la necesitatea ca antena de recepţie să-şi modifice direcţia încontinuu corespunzător vectorului câmpului electric, (la frecvenţe apropiate de 1 GHz, rotaţia planului de polarizare poate ajunge la 150°), în cazul sistemelor spaţiale se utilizează polarizarea circulară.

Calculele efectuate şi rezultatele experimentale au arătat că la frecvenţe peste 1 GHz, undele cu polarizare circulară nu-şi schimbă direcţia de rotaţie la trecerea, prin ionosferă.

Soluţia optimă pentru sistemele spaţiale o reprezintă deci, din acest punct de vedere, utilizarea polarizării circulare şi pe satelit şi la staţia de sol.

Efectul Doppler

Dacă lungimea traseului radioelectric este variabilă, are loc o variaţie continuă a fazei şi o modificare permanentă a frecvenţei de recepţie, datorită vitezei relative a satelitului faţă de staţia de sol. Acest fenomen se produce în special la sateliţii nestaţionari, care se deplasează mereu faţă de staţia de sol. Dacă satelitul are tendinţa să se depărteze de staţia de sol, frecvenţa recepţionată va fi mai mică decât frecvenţa emisă şi invers, în cazul contrar.

Când viteza relativă este mult mai mică decât viteza de propagare a luminii este valabilă următoarea relaţie:

(17)

în care:fr – frecvenţa recepţionată;fe – frecvenţa emisă;v – viteza radială între cele două elemente;c – viteza de propagare a luminii.

Erorile de frecvenţă, datorită efectului Doppler în troposferă, sunt direct proporţionale cu temperatura, frecvenţa de emisie cu presiunea atmosferică. În ionosferă aceste erori sunt invers proporţionale cu frecvenţa şi se datorează mişcării straturilor ionosferei. Aceste erori sunt minime noaptea şi pentru unghiuri de elevaţie mai mari. Se pot micşora foarte mult dacă se utilizează frecvenţe mai mari de 200 MHz.

În funcţie de poziţia staţiei de sol şi de caracteristicile orbitei satelitului poate avea loc fie o creştere, fie o micşorare a frecvenţei, prin efectul Doppler care se produce atât între staţia de sol emiţătoare şi satelit cât şi între satelit şi staţia de sol receptoare. Pentru o orbită

de altitudine 5000 km aceste variaţii ale frecvenţei sânt e ordinul 2 10 -

5.Cu cât altitudinea orbitei satelitului creşte, efectul Doppler este

mai puţin important, ajungând ca în cazul sateliţilor staţionari să fie neglijabil.

Valoarea maximă a deviaţiei de frecvenţă în cazul unui satelit plasat pe o orbită circulară este dată de relaţia:

(18)unde:

f – deviaţia de frecvenţă, produsă prin efectul Doppler;f – frecvenţa de lucru;s – numărul de rotaţii pe zi (în 24 ore), efectuate de satelit

în raport cu un punct fix de pe suprafaţa pământului.

În tabelul 3 sunt date valorile lui s în funcţie de altitudinea satelitului.

În tabelul 4 se dau valorile maxime ale deviaţiei de frecvenţă în funcţie de altitudinea satelitului.

Valorile au fost determinate pentru unghiuri de elevaţie minime ale antenelor staţiilor de sol de 5°.

Deviaţiile de frecvenţă datorită efectului Doppler sunt corectate prin diverse metode, una dintre cele mai utilizate fiind corecţia cu dispozitive cu timp de propagare variabil.

Zgomotele

Determinarea frecvenţelor optime de lucru necesită în egală măsură şi cunoaşterea variaţiei zgomotelor radioelectrice în interiorul „ferestrei” radioelectrice.

Datorită distanţei mari parcurse de undele electromagnetice de la satelit la staţia de sol, precum şi datorită puterii limitate a instalaţiilor de la bordul sateliţilor, semnalul util recepţionat de staţia de sol este foarte slab şi este necesar să se ia toate măsurile, pentru ca zgomotul să fie cât mai redus.

Se ştie că toate corpurile, care au o temperatură mai mare ca zero absolut, radiază în spaţiu unde electromagnetice. Radiaţia creşte cu temperatura corpului şi spectrul energiei radiate ocupă o gamă foarte largă de frecvenţe. Intensitatea acestor perturbaţii exterioare este exprimată simplu prin temperatura echivalentă de zgomot, în grade Kelvin. Relaţia de legătură între puterea de zgomot şi temperatura echivalentă de zgomot este:

(19)în care:

Pn – puterea de zgomot (w);

K – constanta lui Boltzman 1,38 10-23 ws/K;T – temperatura echivalentă de zgomot (grade Kelvin);B – banda de frecvenţă (Hz).

Zgomotele exterioare care pot perturba semnalul recepţionat sunt produse de radiaţiile surselor naturale terestre şi extraterestre, de radiaţii provenind de la atmosfera absorbantă ce înconjoară pământul, sau pot fi zgomote industriale.

Zgomotele pot pătrunde atât în lobul principal al antenei, cât şi în cei secundari.

Zgomotul terestru

Pământul poate fi privit ca o sursă discretă de zgomote radioelectrice, intensitatea cărora este condiţionată de temperatura de zgomot a Pământului, care are o valoare de aproximativ 254°K.

Pentru sateliţii staţionari globul pământesc se vede sub un unghi de 17,34°.

Dacă se ia ca deschidere a lobului principal al antenei satelitului unghiul de 34,68°, atunci contribuţia minimă a zgomotului terestru este de:

Această valoare este exactă pentru unghiuri de elevaţie ale antenei mai mici de 90°. Zgomotele terestre au spectrul cuprins între 20 şi 10000 MHz şi au o intensitate aproape constantă.

Zgomotele atmosferice

Zgomotele atmosferice sunt determinate în principiu de descărcările electrostatice şi de absorbţia urmată de radiaţia energiei microundelor, de către vaporii de apă şi moleculele de oxigen.

Zgomotele datorate descărcărilor electrostatice au valori importante numai la frecvenţe sub 50 MHz. Dar aceste frecvenţe, în general, nu sunt utilizate în telecomunicaţiile spaţiale. Pentru frecvenţele utilizate în telecomunicaţii spaţiale, prezintă interes zgomotele datorate radiaţiei vaporilor de apă şi moleculelor de oxigen. În figura 15 sunt reprezentate variaţiile temperaturilor echivalente de zgomot a acestor radiaţii în funcţie de frecvenţă pentru trasee orizontale şi verticale ale undelor electromagnetice. Este evident că pentru traseele orizontale, deci pentru unghiuri de elevaţie mici, zgomotele cresc datorită creşterii traseului parcurs de undă prin atmosferă.

Zgomotele cosmice

Zgomotele cosmice pot fi de trei tipuri:- zgomote provocate de radiaţia solară;- zgomote datorate radiaţiei surselor discrete;- zgomote datorate radiaţiilor galaxiei.

Zgomotele solare

Temperatura aparentă de zgomot a soarelui poate fi foarte ridicată. Ea variază între 1000000°K la 30 MHz şi 10000°K la 10 GHz şi depinde de activitatea solară (de exemplu trece de la 23000°K la 4 GHz în perioada de activitate solară minimă la 90000°K în perioada de activitate solară maximă).

Zgomotul solar captat de o antenă depinde de temperatura aparentă a soarelui şi de fracţiunea din fascicolul antenei care interceptează discul solar.

În figura 16 este reprezentată variaţia temperaturii echivalente de zgomot solar în funcţie de frecvenţa pentru activitate solară redusă (3), medie (2) şi mare (1). Se observă că zgomotul scade cu creşterea frecvenţei.

Zgomotele radiosurselor

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

Zgomotele galaxiei

Sunt cuprinse în banda de 20 … 4000 MHz, fiind maxime în centrul galaxiei şi minime la extremităţile ei. Zgomotul depinde şi de orientarea antenei spre galaxie. Prin schimbarea orientării antenei de la 0° la 90°, temperatura de zgomot scade cu câteva sute de grade. În figura 17 este reprezentată variaţia temperaturii echivalente de zgomot al galaxiei în funcţie de frecvenţă.

Dacă toate valorile maximale ale temperaturilor echivalente de zgomote atmosferice şi cosmice sunt reprezentate împreună, ca în figura 18 se observă că acestea sunt minime în banda de frecvenţă cuprinsă între 1 … 10 GHz.

Trebuie remarcat, că antele nu pot fi privite ca nişte părţi din sisteme izolate de celelalte elemente şi că acţiunea zgomotelor externe trebuie privită ca o parte a temperaturii de zgomot total a instalaţiei de recepţie.