1

capitolul 1 ASPECTE GENERALE PRIVIND SISTEMELE DE COMUNICATIE PRIN RADIORELEE I PRIN SATELII 1.1. Generaliti privind radioreleele i sateliii de comunicaii 1.1.1. Terminologie Radioreleele (RR) sunt sisteme de radiocomunicaii dirijate n domeniile FIF, UIF i EIF (30 60MHz ... 25-30GHz), constnd din staii terminale (finale) i o succesiune de staii intermediare n vizibilitate direct fig. 1.1.a. Sistemele de comunicaii spaiale, prin satelii, (CS) sunt de asemnea sisteme de radio-comunicaii dirijate, lucrnd n domeniile UIF i EIF, formate din staii finale i o singur staie intermediar amplasat pe satelit fig. 1.1.b. Staiile finale sunt amplasate pe Pmnt i se numesc staii de sol, reprezentnd segmentul de sol; satelitul reprezint segmentul spaial.

In cadrul radioreleelor, intervalul dintre dou staii se numete tronson. Staiile inter-mediare pot asigura numai retransmisia de la o staie la alta sau pot avea i alte funcii (trans-misii radio i TV pentru public, colectare de mesaje, ...) i n acest caz se numesc staii (inter-mediare) principale. In cazul comunicaiilor spaiale, intervalul dintre o staie de sol i satelit se numete traiect (link) exist un traiect ascendent (uplink) pentru transmisii de la sol la satelit i un traiect descendent (downlink) pentru transmisiile de la satelit la sol. 1.1.2. Principiile radiocomunicaiilor prin RR i CS Sistemele RR i CS realizeaz legtura ntre staii n radiofrecven (RF) prin unde electromagnetice (UEM) de nalt frecven, de regul microunde, cu frecvene peste 0,4GHz. Staiile terminale din sistemele RR i staiile de sol din sistemele CS realizeaz patru funcii principale: 1) primirea, prelucrarea semnalelor utile i suprapunerea lor pe un semnal de RF purttor; 2) emisia semnalului de RF sub form de UEM; 3) recepia UEM de RF; 4) extragerea semnalelor utile din semnalul RF i trimiterea lor spre utilizatori. Semnalele utile sunt variate: telefonice (vocale), de radiodifuziune, de televiziune, digitale etc., cu variate surse i destinaii. Semnalul cel mai vehiculat n sistemele RR i CS este (nc) cel telefonic, cu banda limitat la aproximativ 4kHz (rotunjit); pentru fiecare

Fig. 1.1. Reprezentare schematic a unui sistem de radiorelee (a) i de comunicaii spaiale (b). ST staii terminale; SI staii intermediare; SS staii de sol; T- tronson; Tr A, Tr D traiect ascendent i descendent

a b

ST-1 ST-2

SI-1 SI-2

T1 T2 SI-3

SI-4 SI-5 SI-6 SS-1SS-2

SI-satelit

TrA

TrD

SS-3 SS-4

2

semnal telefonic se aloc un interval de frecvene numit canal, cu lrgimea de cca. 4kHz. Cnd trebuie vehiculate semnale cu spectru mai larg (date, TV), se aloc mai multe canale. Ca urmare, capacitatea de transmisie a unui sistem se exprim n numr de canale. La emisie, semnalele cu band ngust (telefonic, telegrafic, de radiodifuziune, unele semnale de date) sunt multiplexate n frecven sau n timp, formnd semnalul n banda de baz; semnalul TV cu componenta de sunet formeaz singur semnalul n banda de baz. Semnalul n banda de baz moduleaz un semnal de frecven intermediar FI, (tipic 70MHz, mai rar 100MHz sau 140MHz) care apoi este translat n RF, amplificat i emis cu o anten directiv. La recepia final, semnalul RF este translat la frecvena intermediar (de regul se folosesc dou FI) i dup demodulare se obine semnalul n banda de baz; din acest semnal se separ semnalele utile prin demultiplexare (dac este cazul). Astfel, schema bloc principial, foarte simplificat, a subsistemului de radiocomuni-caii dintr-o staie terminal a unui sistem de RR sau dintr-o staie de sol a unui sistem de CS arat ca n fig. 1.2; pe lng acest subsistem, staiile includ i multe alte ansambluri (de alimentare, de urmrire, de control, ...).

Staiile intermediare din sistemele de RR au ca funcie principal recepionarea sem-nalelor n RF de la o staie (ST sau SI), schimbarea (translarea) pe o alt frecven purttoare, amplificarea i emisia. Staiile intermediare sunt de dou tipuri: 1. Staii intermediare (simple), asigur numai recepia emisiilor de la o staie precedent,

translarea pe o nou purttoare de RF, amplificarea i emisia n direcia staiei urmtoare. Din acest motiv, aceste staii se mai numesc translatori sau repetori. Nu rareori, aceste staii funcioneaz fr personal permanent; ntreinerea i reparaiile sunt asigurate de echipe mobile.

2. Staii intermediare principale, la care dup recepie se realizeaz demodularea i demulti-plexarea, ceea ce permite trimiterea i primirea de semnale utile. Urmeaz o nou multi-plexare, translarea pe noua purttoare de RF, amplificarea i emisia n direcia urmtoarei staii. Deoarece la demodulare i (re)modulare se introduc distorsiuni, numrul acestor staii ntr-o linie de RR este limitat (4 ... 8).

Ansamblul echipamentelor dintr-o linie de radioreleu care asigur emisia i recepia pe cte o singur frecven purttoare formeaz un fascicul. Un fascicul poate fi: - unidirecional: emisie ST1=> recepie/emisie SI1=> recepie/emisie SI2=>... recepie ST2;

emisie ST1=> recepie/emisie SI1=> recepie/emisie SI2=>... recepie ST2; recepie ST1

3

In fig. 1.3 apar schemele bloc pentru o linie de RR cu un fascicul bidirecional (fig. 1.3.a) i cu trei fascicule bidirecionale (fig. 1.3.b); se observ i diferenele dintre staiile intermediare simple i cele principale. In orice staie, frecvenele (de purttoare) de emisie i recepie difer, iar n cazul staiilor intermediare, frecvenele de emisie (i recepie) pe direcii diferite difer ntre ele, toate acestea pentru evitarea interferenelor. In sistemele RR cu mai multe fascicule, ntr-o staie (terminal sau intermediar), fiecrui fascicul i se aloc o frecven purttoare pentru emisie i alta pentru recepie. Unele blocuri dintr-o staie sunt comune tuturor faciculelor; de regul antenele, uneori i amplifica-toarele de RF de putere (ARFP) sunt comune, ca i sistemele de alimentare, comand i control etc. In asemenea cazuri, pentru separarea fasciculelor se folosesc filtre (fig. 1.3.b). Liniile de RR multifascicul sunt cele mai utilizate, fiind mai fiabile. De regul, cel puin un fascicul este de rezerv n scopul asigurrii legturii n caz de avarie sau de trafic foarte intens; unul dintre fascicule este de serviciu, rezervat schimbului de informaii ntre staii, pentru telecomanda staiilor intermediare fr personal etc.

Intr-un sistem de CS, subsistemul de radiocomunicaii de pe satelit are rolul unei staii intermediare, care asigur numai recepia semnalelor de RF de la mai multe staii de sol, translarea pe o alt frecven purttoare i retransmisia semnalului de RF spre mai multe staii de sol. Acest subsistem utilizeaz una sau mai multe antene care recepioneaz una sau mai multe UEM purttoare, cu frecvene ntr-o band destul de larg n jurul unei frecvene medii i emit UEM cu frecvene purttoare n alt band, n jurul altei frecvene medii, ntotdeauna mai mic dect frecvena de recepie. Pentru fiecare frecven purttoare exist o unitate (un sistem) de recepie i emisie numit transponder fig. 1.4. Un transponder este format din: 1) filtrul de band de intrare (FTBin) pentru separarea purttoarei; 2) amplificatorul cu zgo-mot redus (LNA Low Noise Amplifier); 3) schimbtorul de frecven (SF) cu oscilator local (OL) i filtru de band (FTBo); 4) lanul de amplificatoare de RF (ARF); 5) amplificatorul de putere (ARFP) final. Pe satelit se pot afla mai multe transpondere (pn la 24).

Dem

ux /

Mux

Bloc emisie

Bloc recepie Se

mna

le u

tile

rece

pie

em

isie

Tran

slar

e fr

ecv.

emis

ie

rece

pie

em

isie

re

cep

ie

Mux

/ D

emux

Bloc recepie

Bloc emisie Se

mna

le u

tile

Mux

/ D

emux

Dem

od.

Mod

.

rece

pie

em

isie

Mod

. D

emod

. semnale utile

Staie terminal-1 Staie intermediar-1 Staie intermediar-2, principal Staie terminal-2a

Fig. 1.3. Schemele bloc ale unor linii de radioreleu: a - cu un singur fascicul bidirecional; b - cu trei fascicule bidirecionale (b)

b

Fascicul 1

Fascicul 2

Fascicul 3

Fascicul 1

Fascicul 2

Fascicul 3

E

E

E

R

R

R

Blo

c fil

tre

emis

ie

Blo

c fil

tre

rece

pie

R

R

R

Blo

c fil

tre

emis

ie

Blo

c fil

tre

rece

pie

E

E

E

E

E

E

R

R

R

Blo

c fil

tre

emis

ie

Blo

c fil

tre

rece

pie

Fascicul 1

Fascicul 2

Fascicul 3

Fascicul 1

Fascicul 2

Fascicul 3

E

E

E

R

R

R

Blo

c fil

tre

rece

pie

B

loc

filtre

em

isie

Staie terminal-1 Staie intermediar Staie terminal-2

4

Se menioneaz c unele sisteme realizeaz translarea cu o singur schimbare de frec-ven (ca n fig. 1.4) dar altele, care lucreaz la peste 10GHz, utilizeaz dou schimbri de frecven. Toi sateliii sunt echipai cu nc un sistem de radiocomunicaii, cu anten (antene) separat pentru urmrire, telemetrie i comand (TT&C - Traking, Telemetry & Command); n prezent, de regul, aceste operaii se realizeaz cu staii de sol anume destinate. Discuiile de mai sus relev multe asemnri, mai ales de ordin calitativ, ntre sisteme-le de RR i de CS; deosebirile sunt ns importante i vor apare mai clar n continuare. 1.1.3. Tipuri de comunicaii prin RR i CS De regul, sistemele de RR sunt cu vizibilitate direct ntre staii, cu toate staiile active, incluznd amplificatoare; principiile acestor sisteme au fost prezentate mai sus.. Chiar i atunci cnd unele staii de RR cuprind i emitoare de radiodifuziune (emisiuni pentru public, omnidirecionale) sonor sau/i TV, legtura ntre staii se face cu antene directive, n sistemul cu vizibilitate direct. In timp, s-au utilizat i se mai utilizeaz pe scar redus, radiorelee fr vizibilitate direct, bazate pe difuzia troposferic i pe difracia pe obstacole. Primul procedeu se bazeaz pe proprietatea unor zone din ionosfer de a difuza (mprtia) UEM fig. 1.5.a; evident, zona de difuzie este iluminat cu o putere mare n UIF sau EIF iar la receptor ajunge o putere foarte mic. Al doilea procedeu, nc folosit n Rusia, se bazeaz pe difracia (ocolirea aparent a obstacolelor) UEM pe obstacole naturale (muni, dealuri) fig. 1.5.b; i n acest caz sunt necesare puteri de emisie mari.

a

zon de difuzie troposferic

Fig. 1.5. Radiocomunicaii prin difuzie troposferic (a) i prin difracie pe obstacole (b)

b

Fig. 1.4. Subsistemul de radiocomunicaii de pe satelit i structura unui transponder

TRANSPONDER 1

6 GHz antena recepie

4 GHz antena emisie

FTBin

OL

FTBo

convertor frecv.

LNA ARF ARFP

TRANSPONDER 2

TRANSPONDER ...

5

Comunicaiile spaiale au nceput cu satelii activi (SCORE, 1958), incluznd un transponder alimentat de la baterii chimice. Puin mai trziu s-au ncercat i comunicaii cu satelii pasivi, simpli reflectori de UEM (ECHO I 1960, ECHO II 1964), constnd din baloane metalizate; procedeul nu a dat rezultate bune (puteri mari la emisie, semnale recepionate slabe, deformri ale sferei, corodarea metalizrii, ...). Ca urmare, n prezent se folosesc numai satelii activi cu echipamentele alimentate de la baterii solare. Din alt punct de vedere, sateliii pentru radiocomunicaii pot fi cu transmisie n timp real sau cu memorie. Sateliii cu lucru n timp real funcioneaz ct timp sunt n vizibilitatea ambelor staii de sol, ceea ce introduce restricii privind altitudinea de amplasare fig. 1.6. Staiile de sol fiind cu poziii determinate (SS-1, SS-2), numai sateliii de pe orbita O3 pot funciona n timp real, fiind observabili simultan de ambele staii n timpul deplasrii pe arcul FG. Pentru continuitatea legturii, pe orbit trebuie s se afle mai muli satelii, astfel ca la ieirea din vizibilitate a unuia (S1 n G), urmtorul s intre n zona vizibil (S2 n F). Sateliii amplasai pe orbite ca O1, trebuie s lucreze cu memorie ct timp sunt vizibili din SS-1 primesc i memoreaz datele (pn n D) iar cnd intr n zona vizibil din SS-2 (din E), le emit. Sateliii cu memorie sunt foarte rar folosii n prezent. In concluzie, n prezent, sistemele de RR folosesc staii intermediare active, cu foarte rare excepii n RR; sistemele de CS utilizeaz numai satelii activi, cu lucru n timp real. 1.1.4. Orbitele sateliilor 1.1.4.1. Tipuri de orbite. Arii de vizibilitate De orice form ar fi, planul orbitei unui satelit trece prin centrul Pmntului. Orbitele (fig. 1.7) se caracterizeaz prin muli parametri, printre care: - nclinarea, adic unghiul dintre planul orbitei i pla-nul ecuatorial - exist satelii cu orbite ecuatoriale, nclinate i polare (nclinate la 90); - forma orbitei, care poate fi circular (aproximativ), eliptic sau elips alungit cu centrul Pmntului ntr-unul din focare; - altitudinea orbitei, adic distana fa de sol din acest punct de vedere exist satelii de joas, medie i nalt altitudine.. O categorie aparte o reprezint sateliii geostaionari. Considernd cu aproximaie Pmntul sferic i orbitele de asemenea sferice fig. 1.8, micarea unui satelit cu masa ms se face cu o vitez unghiular s determinat de echilibrul forelor de atracie gravitaional (Gs) i centrifug (Fc):

( ) ( )2022

/1)(

Rhmg

hRMmKGhRmF sPssssc +=+==+= (1.1)

SS-1 SS-2

O3 O2

O1

O

A B

C

D E

F G S2S1

Fig. 1.6. Funcionarea sateliilor la diferite altitudini

N

V E

S

ecuator

O. eliptic nclinatO. circular polar

O. circular ecuatorial

Fig. 1.7. Orbitele sateliilor

6

K = 6,67210-11 Nm2/kg2 - constanta universal de atracie; MP = 5,9741024 kg masa Pmntului; R raza Pmntului (la ecuator Req = 6378 km); g0 acceleraia gravitaional la nivelul solului (h = 0). Rezult viteza unghiular i perioada de rotaie:

( )( )

0

3

3

0 22;gR

hRT

hR

gR

sss

+==+

= (1.2)

Dac se impune ca viteza unghiular a satelitului s fie egal cu a Pmntului (Ts = 1 zi sideral medie = 86164sec), considernd raza Pmntului la ecuator Req, din (1.2) rezult c aceasta se realizeaz pentru o raz a orbitei R + h = 42164km, la altitudinea h = 35786km. Sateliii cu perioada de rotaie egal cu a Pmntului, aflai pe orbite circulare la h = 35786km, se numesc (geo)sincroni iar orbita geosincron. In funcie de altitudine, orbitele i sateliii pot fi: - de joas altitudine (LEO1), h = 500 5000km (Ts = 1 4ore); - de medie altitudine (MEO1), h = 5000 20000km (Ts = 4 12ore); - de nalt altitudine, h = 20000 35786km (Ts = 12 24ore); - geosincroni, h = 35786km (Ts = 24ore). Sateliii cu perioada de rotaie submultiplu al perioadei de sincro-nism se numesc subsincroni. Plasarea sateliilor la peste 35786km nu aduce nici un avantaj. Pmntul este nconjurat de dou centuri (Van Allen, 1.2.4) cu concentraie foarte mare de particule cu sarcin, cu mare energie: una la 1900 - 4500km altitudine i a doua la 13400 - 19800km. Deoarece echipamentele electronice sunt puternic afectate de bombarda-mentul cu particule ncrcate, aceste zone sunt evitate cu mare grij. Sateliii care rmn la verticala locului de plasare se numesc geostaionari, iar orbita este geostaionar (GEO2) Orice satelit geostaionar este i sincron; reciproca nu este adev-rat. Un satelit este geostaionar dac: 1) este sincron (Ts = 1 zi sideral); 2) are orbita n plan ecuatorial; 3) se rotete pe orbit n acelai sens cu care se rotete Pmntul n jurul axei. Altitudinea determin zona de pe Pmnt din care satelitul poate fi observat, numit arie de vizibilitate fig. 1.9. Aceast arie se poate deter-mina considernd situaia schematizat n fig. 1.10. S fiind satelitul i staia de sol amplasat n A, unghiul dintre tangenta n A i dreapta AS (orizontala n A) se numete elevaie. Punctul S0 la intersecia verticalei satelitului OS cu suprafaa Pmntului (ideal sferic) se numete subsatelit (cnd satelitul este nestaionar, S0 descrie o curb pe suprafaa pmntului). Ducnd OB perpendicu-lar pe SA, n triunghiul drepunghic SOB, cu R = OS0 raza Pmntului i h altitudinea satelitului, rezult: ( ) ( )hRROSOB +==+ coscos 1 LEO Low Earth Orbit; MEO Medium Earth Orbit 2 GEO Geostationary Orbit

Fc

Gs

h R

Fig. 1.8. Satelit pe orbit circular

aria de vizibilitate regiune umbrit

Fig. 1.9. Aria de vizibilitate a satelitului

7

Semiunghiul sectorului sferic de vizibilitate (n cazul satelitului geostaionar aflat n plan ecuatorial, este latitudinea) este:

+= hRRcosarccos (OS0 = R, S0S = h) (1.3)

Semiunghiul sectorului sferic vzut de satelit :

hRR

+= cosarcsin (1.4)

Pentru o altitudine h dat, unghiurile i sau i , sunt n relaiile (1.3) respectiv (1.4). Evident, locul geometric al punctelor cu aceeai elevaie (h dat) este un cerc intersecia conului cu vtful n S i unghiul din vrf 2 cu Pmntul). Ideal, elevaia minim este min = 0 (satelitul vizibil pn la linia orizontului), aria de vizibilitate este maxim, corespunztoare unghiurilor max = arccos[R/(R+h)] i max = arcsin[R/(R+h)]. Pentru un satelit geostaionar, cu h = 35786km, R = 6378km, se obin valorile max = 8050 i 2max = 1820. Din motive de protecie la perturbaii, staiile de sol sunt amplasate n depresiuni, ntre dealuri i muni. Ca urmare, elevaia minim realizabil nu este zero: min = 5 ... 10. 1.1.4.2. Orbita geostaionar Intr-un articol din 1945, celebrul autor britanic de literatur tiiifico fantastic Athur C. Clark a demonstrat existena orbitei geostaionare i posibilitatea ca, folosind 3 satelii de comunicaii plasai pe GEO, alimentai cu baterii solare, s se acopere practic ntreaga supra-fa locuit a globului terestru. Primele realizri practice au fost n 1963 (Syncom I i II, Hughes Aircraft Corporation) iar primul serviciu comercial a fost asigurat de INTELSAT I (Early Bird, Hughes, 38kg, putere 46W, 240 canale telefonice sau 1 canal TV, ) lansat n aprilie 1965 deasupra oceanului Atlantic. Proiectat pentru 1,5 ani, INTELSAT I a funcionat perfect 6 ani, dup care a fost scos din serviciu. In prezent sunt n serviciu aproape 300 de satelii pe GEO i numrul lor crete n fiecare an. Considernd elevaia minim realizabil pentru un satelit pe GEO min = 5 ... 10, se obin (fig. 1.10): max = 7621 ... 7127 i 2max = 1719 ... 1707 iar lungimea arcului AS0 este Lg(arc AS0)max = R[rad] = R[]/180 = 8500 ... 7950km. Aceasta nseamn c cu 3 satelii geostaionari amplasai la 120 n plan ecuatorial (deasupra oceanelor Atlantic, Pacific i Indian) se acoper practic ntreaga suprafa dens populat a Pmntului. Lungimea ecuatorului fiind 40000km, la elevaii de 5 ... 10, suprafeele de vizibilitate n regiunile ecuatoriale se suprapun parial: 32(8500 ... 7950) = 51000 ... 47700 > 40000km. Zonele neacoperite sunt n regiunile polare ( este latitudinea), la latitudini peste 71, cu necesiti reduse de radiocomunicaii. O staie de sol dintr-o zon de suprapunere poate lucra simultan cu 2 satelii i ca urmare poate servi pentru legtura ntre 2 staii acoperite de satelii diferii procedeul se numete dublu salt. Mai clar (fig. 1.11) legtura dintre staiile SS-A i SS-B se poate face prin SS-C, cu 2 salturi: SS-A S1 SS-C i apoi SS-C S2 SS-B. Trebuie remarcat c n procedeul descris mai sus, staiile aflate la limita de vizibilitate (cu elevaie mic) recepioneaz semnale sensibil mai slabe dect cele din regiunea subsatelit, n primul rnd din cauza distanei mari la satelit. In adevr dup fig. 1.10, distana staie satelit (AS) este:

sin)sin()( RhRAS ++= (1.5)

O S

A B

S0

Fig. 1.10. Calculul ariei de vizibilitate

R h

8

Pentru min = 5 - 10, i max = 7621 - 7127, rezult AS = 41128 - 40588km, sensibil mai mare ca S0S = h = 35800km. Acesta este dezavantajul geografic. Pe lng aceasta, UEM de la satelii pe GEO parcurg distane mari prin ionosfer i troposfer, zone n care apar pierderi sen-sibile de putere, prin variate fenomene (ab-sorbii, reflexii i refracii, depolarizri etc.), reducnd i mai mult puterea la receptor. Pentru asigurarea acoperirii ntregi-lor zone, sateliii geostaionari trebuie s aib antene cu deschiderea 17, destul de mare. Evident, este posibil utilizarea unor antene mai directive (cu deschidere cteva grade), care acoper zone mai mici dar asigur putere mai mare la receptoarele de la sol. Chiar n acest caz, unitile de la sol trebuie s aib antene directive, cu ctig mare, cu dimeniuni mari Din cauza distane-lor mari, staiile de sol trebuie s emit cu puteri mari, cu antene directive mari (diametre x10cm). Experiena arat c plasarea unui satelit pe GEO este o operaie delicat, care necesit mult combustibil i cost foarte mult. Satelitul este plasat mai nti pe o orbit de parcare, joas, de pe care este propulsat pe o orbit de transfer pn la atitudinea GEO fig. 1.12. In final se execut operaii de ajustare i stabilizare pe GEO; asemenea operaii se execut periodic, pentru compensarea efectelor precesiei Pmntului, a vntului solar i a altor fenomene perturbatoare. Aadar, dezavantajele utilizrii GEO sunt: necesit putere mare la emitorele de la sol, asigur putere redus la receptorii de la sol, calitatea comunicaiilor este influenat de factori atmosferici i ionosferici, nu se asigur acoperirea zonelor polare, costul lansrii este ridicat. Toate acestea au stimulat, mai ales dup 1990, utilizarea orbitelor non-GEO, de regul LEO, mai ales pentru comunicaii mobile. 1.1.4.3. Orbite non-geostaionare Avantajele eseniale, necontestabile, ale sateliilor geostaionari au determinat lansarea unui numr impresionant de asemenea satelii pentru telecomunicaii (circa 300 n prezent). Totui, utilizarea GEO are i dezavantajele menionate n finalul 1.1.4.2. Ca urmare, a fost stimulat efortul de utilizare i a altor orbite, printre care orbitele circulare joase i medii, nclinate i polare i a celor tip elips alungit. Cteva dintre orbitele non-GEO, folosite sau prevzute a se folosi sunt prezentate mai jos. Orbitele non-GEO nalte, cu h > 20000km, nu sunt folosite, neavnd nici un avantaj.

R

R1R2

Orbit geostaionar h = 35768km

Orbit de transfer

Orbit de parcare h = 300km

Fig. 1.12. Principiul plasrii unui satelit pe orbit geostaionar

Fig. 1.11. Sistem de 3 satelii geostaionari n plan ecuatorial i zonele de acoperire

S1S2

SS-A

SS-C

SS-B

S3

zone de zona fr suprapunere vizibilitate

9

a. Orbite de joas altitudine (LEO) Orbitele de joas altitudine trebuie s fie deasupra ionosferei dar sub prima centur Van Allen; obinuit, altitudinea acestor orbite este hLEO = 750 1500km. Orbitele de joas altitudine au avantaje importante, printre care: putere mic necesar pe satelit pentru emisie, antene cu dimensiuni mai mici, timpi de propagare a semnalelor mici, posibilitatea utilizrii efectului Doppler pentru determinarea poziiei satelitului, costuri reduse pentru lansare i pentru staiile de sol. Primii i urmtorii satelii lansai n scopuri tiinifice i militare (din 1957 i n prezent), utilizeaz LEO. Utilizarea LEO pentru comunicaii civile a nceput mult mai trziu - primele proiecte au aprut prin 1990. Pentru asigurarea continuitii legturii, n cazul utilizrii LEO sunt necesari mai muli satelii pe orbit iar pentru acoperirea unor suprafee ntinse, trebuie folosite mai multe orbite. Ansamblul sateliilor pe mai multe LEO, cu mai muli satelii pe fiecare LEO, formeaz o constelaie. In prezent exist n funcie trei constelaii (nc incomplete) de satelii pe LEO: ORBCOMM, GLOBALSTAR i IRIDIUM; alte sisteme sunt n stadiu de proiect. ORBCOM (cu prima lansare n 1995) a prevzut folosirea a 20 ... 24 satelii pe orbite circulare la 970km altitudine. Constelaia include: 3 orbite nclinate la 40 cu cte 6 satelii/orbit i 2 orbite polare (nclinate la 90) cu cte 1 satelit/orbit. In prezent se prevede ca sistemul s includ 36 de satelii pentru acoperirea practic a ntregii suprafee locuite. GLOBALSTAR, cu 48 de satelii n 8 orbite cu 6 satelii/orbit (orbite la 1400km, nclinate la 52) este destinat n principal comunicaiilor mobile, urmnd s acopere Pmntul pn la 69 latitudine nord i sud. IRIDIUM1, unul dintre cele mai ambiioase proiecte de sisteme spaiale pentru comu-nicaii mobile, va include 66 de satelii pe 11 orbite polare la 750km, cu 6 satelii/orbit, acoperind ntregul Pmnt. Sateliii pot comunica i unii cu alii, permind conectarea a oricror puncte de pe glob. b. Orbite de medie altitudine (MEO) Orbitele de medie altitudine circulare sunt situate ntre centurile Van Allen; obinuit, altitudinea acestor orbite este hMEO = 10000 20000km. Exist mai multe proiecte de sisteme cu satelii pe MEO. In prezent, este activ sistemul GPS (Global Positioning System), dezvoltat de De-partamentul Aprrii al SUA pentru localizarea navelor, n general a oricror uniti de sol dotate cu echipament adecvat. Sistemul folose-te satelii pe orbite circulare la h = 20182km, nclinate la 55. Sateliii au perioada de rotaie de 12 ore i ca urmare traiectoria pe sol (curba descris pe sol de subsatelit) este curb nchis fr intersecii fig. 1.13. In final, constelaia va avea 21 de satelii operaionali plus 3 re-zerve, repartizai cte 4 pe 6 orbite. Recepia si-multan a semnalelor de zgomot pseudo-aleator

1 IRIDIUM constelaie realizat de Motorola ncepnd din 1996. Numele provine de la elementul Iridium cu 77 electroni, egal cu numrul iniial propus de satelii n constelaie; ulterior numrul sateliilor s-a redus la 66 dar numele s-a pstrat. Dup lansarea a circa 20 de satelii, sistemul s-a dovedit nerentabil financiar i n 2000 Motorola a ncercat s vnd sistemul; n prezent (ianuarie 2001) se duc tratative cu diverse companii pentru salvarea investiiei (circa 3,5 miliarde USD) dar mare lucru nu se tie, viitorul este incert.

Fig. 1.13. Traiectoria pe sol a unui satelit GPS pe MEO (55 nclinare, h = 20184km, Ts =12ore)

10

de la 4 satelii permite determinarea poziiei receptorului n spaiul tridimensional. Pentru aplicaii militare rezoluia este mai bun de 10m iar pentru utilizri civile se asigur o rezoluie de 100 300m. Pe fiecare satelit exist ceasuri cu rubidiu i cesiu care asigur baze de timp i frecvene de referin de foarte mare precizie i stabilitate. Un sistem similar este dezvoltat de Rusia (GLONASS), cu 24 de satelii pe 3 orbite. Pentru comunicaii mobile se afl n stadiu de proiect sistemul ODYSSEY cu 12 satelii la 10355km altitudine. c. Orbite eliptice foarte alungite Orbite eliptice foarte alungite (HEO Highly Elliptical Orbit) se folosesc cnd se dorete ca satelitul s fie vizibil mult timp numai dintr-o anumit zon. Pe asemenea orbite viteza liniar a satelitului variaz: este maxim la perigeu i minim la apogeu (perigeu punctul cel mai apropiat de centrul Pmntului, apogeu - punctul cel mai deprtat de centru). De interes deosebit este orbita tip Molnia, utilizat prima dat de sateliii pentru comunicaii lansai de URSS prin 1975. Orbita Molnia are apogeul la 39360km, perigeul la 1000km i o nclinare de 63,4; aceast nclinare asigur o poziie fix pentru axa mare a elipsei (la alte nclinri, axa mare se rotete rotaie apsidal). In prezent exist mai multe sisteme care utilizeaz orbite Molnia i similare. 1.1.5. Frecvenele de lucru ale sistemeleor de RR i CS Utilizarea frecvenelor din spectrul RF este strict reglementat, disponibilitile fiind limitate i consecinele interferenelor deosebit de duntoare. Repartiia frecvenelor pe zone i domenii o realizeaz Uniunea Internaional a Telecomunicaiilor prin Regulamentul Radiocomunicaiior; fiecare ar dispune de organisme specializate pentru reglementri interne (repartiii de frecvene, benzi, calitate a emisiilor etc.). Sistemele de RR i CS folosesc purttoare cu frecvene din benzile FIF, UIF i SIF tabelul 1.1 i tabelul 1.2, deoarece la aceste frecvene se pot realiza antene directive cu dimensiuni rezonabil de mici; cu ct este mai mare frecvena, cu att dimensiunile antenelor sunt mai mici i directivitatea poate fi mai bun.

Tabel 1.1. Benzile de frecvene din gama RF utilizate n sistemele de RR i CS Denumire dup frecven Nr.

band Frecvene englez romn Lungime de und

Denumire dup lungime de und

8 30300 MHz VHF Very High Frequency FIF

foarte nalt frecv. 101 m unde

metrice

9 3003000 MHz UHF Ultrahigh Frequency UIF

ultranalt frecv 101 dm unde

decimetrice

10 330 GHz SHF Suprahigh Frequency SIF

supranalt frecv 101 cm unde

centimetrice

11 30300 GHz EIF Extremely High Frequency EIF

extrem de nalt fr. 101 mm unde

milimetrice `Regulamentul radiocomunicaiilor, UIT, ed. 1959, 1982, 1985

Gama frecvenelor radio nu este clar delimitat; i mai neclare sunt limitele i denumirile (sub)benzilor de RF; diveri autori folosesc diverse nume i limite.

apogeu39360km

perigeu S 1000km

63,4

N

Fig. 1.14. Orbita Molnia

11

Figura 1.15 cuprinde unele dintre denumirile folosite pentru diversele benzir de frecven.

In continuare, se vor utiliza denumirile benzilor dup UIT i dup IEEE (benzile radar).

In prezent, n sistemele de RR i CS se folosesc frecvene din toate benzile de la circa 30MHz la 30GHz; unele benzi sunt foarte uti-lizate, altele sunt alocate altor sis-teme (radiodifuziune terestr, navi-gaie etc.). Din cauza aglomerrii spectrului, se ncearc comunicaii pe frecvene mai nalte, pn la 60GHz. Operarea la frecvene mai mari are avantaje eseniale: - se pot aloca benzi mai largi,

pentru transmisia unor cantiti de informaie mai mari;

- dimensiuni mai mici ale antenelor, ale echipamentelor n general, antenele pot fi mai directive la dimensiuni mai mici;

- interferene mai reduse ntre sisteme vecine; - vitez de transmisie mai mare n sistemele de transmisie a datelor; - spectru mai puin ncrcat. Dezavantajele mai importante ale lucrului la frecvene mai mari sunt: - componente mai scumpe; - pierderi de putere n atmosfer (i ionosfer n cazul CS) mai mari; - necesitatea utilizrii componentelor active cu GaAs i a tuburilor cu vid la puteri mai mari

pentru lucrul la frecvene n partea de sus a SIF i n EIF; - dispozitivele active realizeaz puteri de emisie i randamente pe component mai reduse; - procedee de proiectare i simulare nc nepuse la punct, tehnologii nc experimentale. In prezent, n sistemele de RR de departe cele mai folosite frecvene de purttoare sunt n benzile L, S i C (n jurul frecvenelor de 2, 4, 6 i 8 GHz); mai puin folosit este banda X. In sistemele de CS se folosesc cu precdere benzile L, C, X i Ku. Frecvenele pe traiecte difer; ca regul, frecvena pe traiectul ascendent (uplink) este cea mai mare deoarece pierderile de putere sunt mai mici la frecvene mai mici i conteaz cel mai mult pe traiectul descendent (downlink), puterea disponibil pe satelit fiind drastic limitat. Pn prin 1980 cele mai utilizate frecvene erau n jurul a 6/4 GHz, deoarece aici se realizeaz cel mai bun compromis ntre dimensiunile generale mici ale echipamentelor, directivitatea mare a antene-lor i influena redus a atmosferei i ionosferei. Necesitile de comunicaii au impus creterea frecvenelor i n prezent se folosesc mult frecvene n jurul a 14/11 GHz; exist proiecte pentru benzile K i Ka (peste 18 GHz). Pentru scopuri bine delimitate se folosesc i alte frecvene, de exemplu 137 i 1700 MHz pentru sateliii meteorologici.

K

J

H

G

F

F

E

D

C

40

20

10

8

6

4

3

2

1

0,5

Ka

K

Ku

X

C

S

L

GH

z 40

26,5 18

12,4 8

4

2

1

GH

z 300 GHz

EIF

30GHz

SIF

3 GHz

UIF

300MHz FIF

Benziradar

(IEEE)Denumiri

noi

GHz 30 18 10 7 3 2 1,5

Ka

Ku

X

C

L

S

Denumiri dup unii

autori

Ben

zile

RF

dup

UIT

Benzile undelor milimetrice

Denumire Frecv. band (GHz)

Q 33-50 U 40-60 V 50-75 E 60-90 W 75-110D 110-170 G 140-220 Y 220-325

Fig. 1.15. Repartiii i denumiri de benzi de frecven n RF

Denumiri uzulale ale gamelor de

frecven

> 300 GHz unde milimetrice

30030 GHz (300-0,3 GHz)

microunde< 30 GHz unde

de RF

denumiri utilizate

12

1.1.6. Conectivitate. Comparaie ntre tehnologiile de telecomunicaii In prezent, practic toat lumea vrea i trebuie s comunice cu toat lumea. Ca ur-mare, sistemele de telecomunicaii, cu rare excepii, indiferent de tip, sunt structurate n reele. Modul n care un sistem, o reea de telecomunicaii, asigur legturile ntre diveri utilizatori se numete conectivitate. Formele primare de conectivitate sunt: 1) punct cu punct; 2) punct cu multipunct; 3) multipunct cu punct; 4) multipunct cu multipunct. Evident, legturile trebuie s fie bidirecionale. Pentru detaliere se va considera sistemul de comunicaii spaiale. 1. Conectivitatea punct cu punct, asigur legtura ntre dou puncte fixe fig. 1.16; a fost primul sistem utilizat n CS i n prezent nu se mai folosete. 2. Conectivitatea punct cu multipunct, tip radiodifuziu-ne permite transmisii unidirecionale, dintr-o singur staie la numeroase altele care pot numai s recepioneze fig. 1.17. Sistemele de televiziune prin satelit sunt un exemplu tipic. 3. Conectivitatea multipunct cu punct permite conecta-rea bidirecional din mai multe staii la o singur staie principal fig. 1.18. De la satelit se transmite ctre numeroi utilizatori n sistem de radiodifuziune; de la staii se transmite spre satelit printr-o tehnic de acces multiplu De obicei procedeul asigur conectarea multor staii de capacitate mic la o staie de mare capacitate. 4. Conectivitatea multipunct cu multipunct este realizat atunci cnd mai multe staii folosesc n comun resursele satelitului, att pentru transmi-sii ct i pentru recepii (aceast tehnic se numete acces multiplu, 3......). In prezent se folosesc pe scar larg mai multe tehnologii pentru reele de telecomunicaii: 1) prin perechi de cable torsadate (telefonie); 2) prin cablu coaxial i fibr optic; 3) prin reele radio locale; 4) prin radiorelee; 5) prin satelii. Aceste tehnologii sunt mai mult complementare dect concurente, fiecare satisfcnd, cu avantaje mai mari, necesiti specifice. Primele patru tehnologii sunt avantajoase pentru comunicaii locale i regionale, cu conecti-vitate punct cu punct (se pot realiza i conectiviti multipunct cu multipunct dar numai prin interconectarea punctelor, prin comutare). Sistemele de CS prin nsi natura lor, acoper arii imense i asigur orice tip de conectivitate fr comutare din acest punct de vedere, avantajul este formidabil. In schimb, sistemele cu cablu coaxial i fibr optic pot asigura viteze de transmisie mult mai mari iar sistemele cu cabluri torsadate exist deja. Sistemele de RR sunt ieftine i de asemena, de mult vreme n funcie. Reelele radio locale sunt ieftine i mai uor adaptabile necesitilor locale. Intr-un fel, sistemele RR i CS sunt asemntoare, folosind aceleai principii de transmisie, cam aceleai benzi de frecven i n consecin echipamente construite pe aceleai principii. Deosebirile majore provin din modul de lucru (punct cu punct n RR, multipunct cu multipunct n CS) i distanele parcurse de unde ntre staii.

Satelit

SS-1 SS-2

traiect: ascendent descendent

Fig. 1.16. Conectivitate punct cu punct

Satelit

SS-P

Fig. 1.17. Conectivitate punct cu multipunct

Fig. 1.18. Conectivitate multipunct cu punct

Satelit

SS-P

13

1.2. Mediul ambiant

Mediul ambiant influeneaza funcionarea aparaturii electronice din sistemele de RR i CS precum i propagarea undelor electromagnetice. Mediul ambiant i exercit influena printr-un mare numr de factori, cum sunt: temperatura, umiditatea, presiunea, coninutul n microparticule de praf, fum, cea, coninutul n particule cu sarcin, cmpurile gravitaionale i cmpurile electromagnetice existente, prin radiaiile atomice i electromagnetice. In continuare se face o prezentare sumar a acestor influene. 1.2.1. Pmntul Influena Pmntului se manifest n principal prin cmpul su gravitaional determinant n micarea sateliilor i prin cmpul magnetic care influeneaz propagarea undelor electromagnetice. Un efect neneglijabil mai ales n comunicaiile prin satelii, const n radiaia EM pe care o emite Pmntul, provenit practic din radiaia solar1 (reflectat sau absorbit i apoi emis). Aceste radiaii sunt situate n spectrul de RF (mai ales n UIF i mai sus, unde sunt sezizate ca zgomote n receptoarele ultrasensibile) i n infrarou (cu efect de nclzire a atmosferei i obiectelor). Ca form, Pmntul poate fi aproximat grosier ca o sfer cu raza R = 6371km. O apreciere mai precis consider Pmntul ca un elipsoid de rotaie cu semiaxa polar mai mic dect semiaxa ecuatorial: Recuator = 6378,14km, Rpolar = 6356,755km. Ultimele cercetri din satelii au artat c seciunea ecuatorial nu este circular iar distanele de la centru la poli nu sunt egale. Din punct de vedere magnetic, Pmntul se manifest printr-un cmp magnetic terestru destul de asemntor celui produs de un dipol magnetic fig. 1.19. Polii magnetici nu coincid cu polii geografici i sunt mobili, suferind deplasri mari n milioane de ani; n ultimii 20106ani, polaritatea cmpului magnetic s-a schimbat de 60 de ori; n prezent se apreciaz o inversare la circa 10000ani. Inducia cmpului magnetic terestru este foarte mic (tabel 1.2) i scade repede cu distana fa de centru (aproximativ cu cubul distanei), dar exercit o influen determinant asupra fluxului de particule cu sarcin din cosmos i n mare msur asupra propagrii undelor EM n sistemele cu satelii. Componentele orizontal i vertical ale cmpului magnetic la sol, la diferite latitudini sunt:

sin1031;cos1031 66 == VO BB (Tesla) Asimilarea cmpului magnetic terestru cu al unui dipol este o aproximaie. Msurtorile precise arat c inducia are abateri de ordinul x0,1% fa de cmpul dipolic. Mecanismele de formare i mo-dificare a cmpului magnetic terestru nu sunt prea bine cunoscute; se tie c exist influene att din interiorul ct i din exteriorul Pmntului. 1 Faptul c temperatura local variaz foarte mult n funcie de iluminarea solar, dovedete c energia radiat de pe suprafaa Pmntului provine practic n totalitate de la Soare.

Tabel 1.2 Inducia cmpului magnetic terestru Distana la centru (x raze terestre)

Inducia magnetic la ecuator (T)

1 31 2 3,9 3 1,2 4 0,5 5 0,25

N

S

Fig. 1.19. Cmpul magnetic terestru (aproximaie)

14

La suprafa, local, cmpul magnetic prezit variaii destul de mari anomalii magnetice, datorate unor aglomerri metalice i unor procese de sub scoaa terestr. 1.2.2. Atmosfera terestr Atmosfera este un amestec de gaze, pulberi i particule cu sarcin, formnd un strat n jurul Pmntului. Grosimea atmosferei este apreciat la cteva sute de km dar este imprecis determinabil, trecerea la spaiul vid avnd loc treptat, prin rarefiere lent. In straturile joase, aerul atmosferic curat are componena medie: 0,78084% azot molecular, 0,20964% oxigen molecular, 0,00934% argon, 0,000033% bioxid de carbon, restul fiind format din gaze (heliu, neon, metan, kripton , ...), vapori de ap etc. Local, n straturile foarte joase, apar abateri mari de la aceast compoziie n zonele industriale crete mult coninutul n CO2, n alte zone apar concentraii mari de vapori de ap etc. Pn la 70 80km altitudine, coninutul relativ (n %) de componente este practic constant; de aceea aceast ptur se numete homosfer. Peste 70 80km, sub influena radiaiei solare i cosmice apar schimbri structurale (disocierea moleculelor, ionizarea) i coninutul atmosferei devine variabil; ca urmare aceast zon se numete heterosfer. Ptura atmosferic de joas altitudine, pn la 10 18km permite existena vieii i este numit troposfer; n troposfer se afl cam 90% din masa total a atmosferei. Zona imediat urmtoare (pn pe la 30km) este numit stratosfer. Denumirile urmtoarelor pturi i variaia temperaturii atmosferei apar n fig. 1.20. Se observ c peste circa 80km temperatura (ca msur a energiei cinetice medii a particulelor) crete datorit energiei furnizate de radiaiile ultraviolete, X i gamma prezente n vntul solar i n radiaia cosmic; aceast zon este numit termosfer. Peste aproximativ 500km, concentraia de particule este foarte mic; zona este numit exosfer.

De la 50 60km n sus, se situeaz o zon numit ionosfer, n care concentraia de particule cu sarcin (ioni, electroni) este mare fig. 1.20.b. Ionizarea se produce sub influena radiaiilor solare (vnt solar) i a celei cosmice. Ionosfera influeneaz esenial propagarea UEM care ajung n zon (de exemplu n radiodifuziunea pe UL, UM i US). In sistemele de CS, UEM traverseaz ntreaga ionosfer i sufer influene puternice. Se consider c ionosfera este format din mai multe straturi, n funcie de altitudine i de concentraia

stratosfer

stratopauz

ionosfer

troposfer

mezosfer

termosfer

exosfer km 500400

100

85

75

55

15

altit

udin

e

200 300 2000 temp. (K)

hom

osfe

r

hete

rosf

er

103 104 105 106 107concentraia de electroni (nr. el./cm3)

km105

104

103

102

altitudine

a b Fig. 1.20. Variaia temperaturii (a) i a concentraiei de electroni (b) n atmosfera terestr

ionosfer

15

electronilor: stratul D la aproximativ 60km, stratul E la 100km i straturile F1 i F2 la 200km i 300km. Pe msura creterii altitudinii, densitatea i presiunea atmosferic scad, de la aproximativ 400g/m3 i 280milibar la 10km, la 0,0009g/m3 i 0,0006milibar la 100km (1Bar = 105N/m2). Ca urmare, regimul termic al aparaturii de pe satelii este complet diferit de cel din apropierea solului. Un efect important al scderii densitii atmosferei cu altitudinea const n schimbarea indicelui de refracie al undelor EM. Cu destul de mare aproximaie, se consider c indicele de refracie n n atmosfera joas variaz liniar cu altitudinea h dup relaia: )1(0 hnn , n0 este indicele la altitudine nul (pentru atmosfera standard1

000338,1000676,10 === aerrn ), 1/ este gradientul de variaie al indicelui de refrecie, dependent de condiiile locale. Dei n este foarte apropiat de 1, variaiile n cu altitudinea pe distanele mari parcurse de unde n sistemele de RR i CS au ca efect o propagare nerectiline. Efectele atmosferei asupra propagrii UEM se manifest n principal prin urmtoarele: 1. O parte din energie UEM este absorbit n

atmosfer, de ctre moleculele de gaze, vapori i particule (fum, ...). Pn la circa 12GHz atenuarea atmosferic e mic, apoi crete sensibil cu frecvena fig. 1.20. La anumite frecvene apar maxime de absorbie de rezonan (22GHz rezonana vaporilor de ap, 60GHz - rezonana moleculelor de oxigen). Ploaia i zpada cresc pierderile prin absorbie.

2. Variaia indicelui de refracie a UEM cu altitudinea determin propagare nerectilinie a undelor, att n sistemele RR ct i CS; pe trasee de sute de km abaterile sunt importan-te. Indicele de refracie variaz i cu tempera-tura, coninutul n vapori de ap etc. Ca urmare apar modificri ale direciilor de propagare cu consecina propagrii UEM pe mai multe ci (reflexii, refracii) urmat de interferen la receptor.

3. Propagarea n ionosfer mediu ionizat n cmp magnetic, determin rotirea planului de polarizare a UEM, difuzie i refracie. Consecinele sunt: atenuri sporite i apariia interferenelor ntre unde care parcurg trasee diferite.

Aspectul cel mai neplcut const n modificrile complexe, imprevizibile, i rapide i lente, ale caracteristicilor atmosferei deci i ale caracteristicilor de propagare ale UEM i n consecina a nivelelor semnalelor recepionate i al zgomotelor.

1 Atmosfer curat, presiune 1,015barr, temperetur 18C, umiditate relativ 70%

103 102

10

1 10-1 10-2

Ate

nuar

ea a

tmos

feric

(d

B/k

m)

(pro

paga

re o

rizon

tal

, la

nive

lul m

rii)

1 5 10 5 102 4 Frecvena (GHz)

Fig. 1.20. Absorbia atmosferic a energieiUEM n funcie de frecven

H2O

O2 H2OO2

16

1.2.3. Efectele radiaiilor. Centurile Van Allen Pmntul este supus unui adevrat bombardament cu radiaii de variate tipuri, venite n principal dinspre Soare i din cosmos. Aceste radiaii sunt de dou feluri: 1) Radiaii electromagnetice, n toat gama: RF (Hz ... mii GHz), infrarou (IR), vizibil,

ultraviolet (UV), X, i gamma (). Absorbia atmosferic crete foarte mult cu frecvena (fig. 1.20) astfel c razele IR, UV, X i ajung la sol destul de atenuate, cu efecte neglijabile asupra sistemelor de RR. Sistemele de pe satelii, mai ales semiconductoarele, trebuie ns bine protejate (cu ecrane metalice) iar pentru evacuarea cldurii se folosesc alte tehnici dect pe Pmnt. O problem aparte o constituie radiaiile de RF care, pentru receptoarele foste sensibile de pe satelii i staiile de sol, reprezint zgomote; sunt necesare msuri speciale de protecie.

2) Radiaii corpusculare (electroni, protoni, particule ) cu mare energie. Datorit cmpului magnetic al Pmntului, particulele care compun radiaiile corpusculare sunt reinute n zone inelare (centuri) la mare altitudine, puine ajung pe sol i ca urmare funcionarea sistemelor de RR nu este influenat. In cazul sateliilor este necesar protecie (ecranare) iar zonele cu mare concentraie de particule cu sarcin sunt evitate cu grij.

Efectele radiaiilor i ale microparticulelor asupra aparaturii de pe satelii sunt importante i complexe.

Bombardamentul cu radiaiile corpusculare i microparticule solicit mecanic nveliul sateliilor, aceste particule fiind cu energii mari calitile reflectante scad, se produc deformri etc. Radiaiile EM i corpusculare ptrund n materiale, modificndu-le proprietile. Materialele organice sunt de regul sensibile la radiaii EM de mare energie (UV, X, gamma). Materialele anorganice electroizolante se degradeaz sub aciunea radiaiilor X i gamma care, ptrunznd n material produc ionizri, disocieri de molecule etc. Semiconductoarele sunt deosebit de sensibile la radiaii EM de mare energie i corpusculare datorit generrii de purttori. Metalele sunt mai rezistente, dar n timp i acestea sufer modificri recristalizri, de exemplu, nsoite de scderea rezistenei mecanice i alte efecte. Rezistena la radiaii depinde mult de tehnologia de fabricaie. In cazul semiconductoarelor, cele mai sensibile sunt dispozitivele bipolare cu jonciuni. Pentru protecie se folosesc nveliuri absorbante, din cuar, aluminiu etc., cu grosimi n funcie de solicitarea previzibil.

In concluzie, la proiectarea sistemelor de pe satelii (electronice, mecanice, de alimentare cu energie etc.) trebuie s se in seama de comportarea componentelor la radiaii. Cu titlu pur informativ, se prezint dozele de radiaii de la care materialele se degradeaz (tabel 1.3).

Efectele radiaiilor depind de energia pe care o cedeaz substanei. Pentru aprecierea efectelor radiaiilor se folosete mrimea numit doz de radiaii, care reprezint energia primit de unitatea de mas de substan; unitatea specific este rad (1rad = 10-2 J/kg = 100 erg/gram).

Cea mai mare parte a radiaiilor de toate felurile provine de la Soare. Pentru satelii radiaia EM solar este vital, deoarece este sursa primar de energie pentru alimentarea sistemelor. In prezent, toi sateliii sunt echipai cu baterii solare care transform energia radiant (din UV n special) n curent electric. Pe durata deplasrii n conul de umbr format de Pmnt, se folosesc acumulatorii. Radiaia corpuscular provenit din Soare numit vnt solar, are multe efecte, printre care: - deformarea sferei geomagnetice: liniile de cmp magnetic sunt comprimate n partea

dinspre Soare la 8 12 raze terestre, iar n partea opus cmpul se extinde pe sute de raze terestre;

Tabel 1.3. Dozele de prag ale degradrii materialelor Material Doza (rad) Piese electronice 10 - 103

Materiale plastice 107 - 109 Uleiuri minerale 105 108 Ceramic, stic 106 108

Metale 109 1011

17

- ionizarea atmosferei din straturile atmosfe-rice superioare (la aceasta contribuie i radiaia EM);

- modificarea orbitei sateliilor (mai ales a celor geostaionari) datorit presiunii exer-citate de radiaii;

- formarea n jurul Pmntului, a unor zone inelare cu mare concentraie de sarcini, numite centurile Van Allen.

Formarea centurilor este o consecin a interaciunii cmpului magnetic terestru cu particulele ncrcate, care sunt captate n acest cmp i rmn n zone determinate. O particul cu sarcina q i masa m care intr n cmpul cu inducia B cu viteza v su-fer aciunea forei Lorentz BvqF = (fig. 1.21.a). Traiectoria este n general elicoidal cu raza spirei r rezultnd din egalitatea forei Lorentz cu fora centrifug Fcf: ( )

qBmvr

rvmFqvBF cf

sin;sinsin2

==== Fluxul magnetic prin seciunea spirei este constant, deci:

( ) constantsin22

2 ===Bq

mvBr de unde se obine: ( ) constantsin 2 =B (| v | = constant) In lungul unei linii de cmp B i variaz: sunt mari la poli i mici la ecuator. Pe msur ce particula se deplaseaz spre un pol, crete pn la /2 (v2 = 0) dup care particula nu mai poate nainta. La orice dezechilibru, particula i schimb sensul de deplasare, revenind pe aceeai traiectorie. Astfel, particulele penduleaz pe traiectorii spirale, de la un pol la altul, rmnnd captive n centur. Exist dou centuri, una interioar (n principal cu protoni de mare energie, peste 40MeV) i una exterioar (n principal cu electroni cu energii reduse, de civa MeV), localizate ca n fig. 1.22.

Pmntul

N

S

traiectoria particulei

b Fig. 1.21. Micarea particulelor cu sarcin n

centurile Van Allen

B x v2 Fcf

v1 v

a

z

y

F

3500km 14000 20000km

Fig. 1.22. Centurile Van Allen

/ColorImageDict > /JPEG2000ColorACSImageDict > /JPEG2000ColorImageDict > /AntiAliasGrayImages false /DownsampleGrayImages true /GrayImageDownsampleType /Bicubic /GrayImageResolution 300 /GrayImageDepth -1 /GrayImageDownsampleThreshold 1.50000 /EncodeGrayImages true /GrayImageFilter /DCTEncode /AutoFilterGrayImages true /GrayImageAutoFilterStrategy /JPEG /GrayACSImageDict > /GrayImageDict > /JPEG2000GrayACSImageDict > /JPEG2000GrayImageDict > /AntiAliasMonoImages false /DownsampleMonoImages true /MonoImageDownsampleType /Bicubic /MonoImageResolution 1200 /MonoImageDepth -1 /MonoImageDownsampleThreshold 1.50000 /EncodeMonoImages true /MonoImageFilter /CCITTFaxEncode /MonoImageDict > /AllowPSXObjects false /PDFX1aCheck false /PDFX3Check false /PDFXCompliantPDFOnly false /PDFXNoTrimBoxError true /PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ] /PDFXSetBleedBoxToMediaBox true /PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ] /PDFXOutputIntentProfile () /PDFXOutputCondition () /PDFXRegistryName (http://www.color.org) /PDFXTrapped /Unknown

/Description >>> setdistillerparams> setpagedevice