Глава 13. Особенности проблем ЭМС в системах спутниковой связи и вещания

Возможные сценарии возникновения помех при работе ССС таковы:

-- передача наземной станции создает помеху земной станции (A1);

-- передача земной станции создает помеху приему земной станции (A2);

-- передача КС спутника одной системы создает помеху земной станции другой системы (В1);

-- передача земной станции одной системы создает помеху приему КС спутника другой системы (В2);

-- передача наземной станции создает помеху приему станции (С1);

-- передача КС спутника создает помеху приему земной станции (С2);

-- передача КС спутника одной системы создает помеху приему спутника другой системы(Е);

-- передача земной станции одной системы создает помеху приему земной станции другой системы(F).

Для обеспечения ЭМС спутниковых систем связи между собой и с РЭC наземных систем необходимо обеспечить такое взаимное расположение космических, земных и наземных станций этих систем (КС, PC и НС, соответственно) и такие диаграммы направленности их антенн, при которых выполняется выбранный критерий ЭМС для известного сценария при заданных параметрах передающих и приемных устройств, включая значения несущих частот взаимодействующих радиосигналов. Практически это сводится к ограничению допустимыми рамками следующих видов МС:

a/ от передатчиков КС одной ССС приемникам КС, земных и наземных станций других систем (КС-КС, КС-ЗС, КС-НС);

в/ от передатчиков ЗС одной ССС приемникам КС, земных и наземных станций других систем (ЗС-КС, ЗС-ЗС; ЗС-НС);

с/ от передатчиков наземных станций НС приемникам КС и ЗС рассматриваемой ССС (НС-КС, НС-ЗС); (my)

Для всех сценариев возникновения помехи в CCC расчет мощности мешающего сигнала I (t) на выходе фидерного тракта приемника (my),, которая превышается в течение не более t процентов времени, производится по формуле:

(Пр. 3.1 ЛЯ) I (t), дБ = + (φ) – + (θ) - - - - (t) (13.1)

где:

I(t),дБ – уровень мощности МС на входе приемника - рецептора помех, превышаемый в течение не более t процентов времени; (φ) -- усиление антенны мешающего передатчика в направлении на рецептор МС; φ – угол между направлением максимального излучения МС и направлением на рецептор помехи; (θ) -- усиление антенны рецептора в направлении на источник МС; θ -- угол между направлением максимума диаграммы направленности антенны рецептора и направлением на источник МС; , потери в антенно-фидерных трактах передатчика МС и приемника ПС, соответственно; -- ослабление МС при распространении в свободном пространстве; -- t) -- течение t процентов времени.

Как отмечалось выше, мощность МС на входе демодулятора рецептора следует определять с учетом фильтрующих свойств высокочастотного тракта рецептора. Различным критериям обеспечения ЭМС соответствуют различные максимально допустимые значения уровня МС на входе приемника (t). Рассмотрим используемые в спутниковой связи варианты критериев обеспечения ЭМС.

1/ В случае использования критерия защитного отношения {З.О., см. ф-лу (12.1)} отношение мощностей ПС и МС на входе рецептора (или разность их уровней) может быть меньше 3.O., обозначаемого в документах МСЭ как “R” (Ratio), лишь в течение заданного малого процента времени t: З.О.(дБ) = 10 lg = C(t)-- Imaх (t) = R t, (13.2) где C(t) – минимально допустимый уровень мощности ПС на входе приемника, который может превышаться лишь в течение не более t процентов времени. Соответственно, выражение для Imaх (t) имеет вид:

Imaх (t) = C(t) – R t (13.3)

Принятое международное краткое обозначение критерия защитного отношения (С/I)* подчеркивает ориентацию на выполнение требований по отношению мощностей ПС и МС на входе рецептора помехи (“ С arrier/ I nterference”).

2/ В ряде случаев при анализе ЭМС ССС используют отношение мощностей помехи на входе приемника и суммы тепловых шумов различного происхождения, т.е. P МС вх./ N или (I/N) [9].

Мощность теплового шума любого приемника, приведенная к его входу (N), определяется широко известным выражением:

N = k Tэ Пэф (13.4)

где: k – постоянная Больцмана; Пэф – эффективная ширина полосы пропускания высокочастотного тракта приемника; Тэ – эквивалентная шумовая температура приемника, определяемая суммой:

Тэ. = Тэ пр + Тэ фид + (Тэ ант + Тэ косм) ŋ, где: (13.5)

Тэ пр = эквивалентная шумовая температура собственных шумов приемника;

Тэ фид -- эквивалентная шумовая температура приемного фидера рецептора;

Тэ ант -- эквивалентная шумовая температура приемной антенны за счет попадания в ее створ тепловых шумов атмосферы и Земли;

Тэ косм – мощность шумов, создаваемых радиоизлучением Солнца, Луны, планет и других космических источников, отнесенных ко входу антенны;

ŋ -- кпд фидера и фильтров, находящихся между входом антенны и входом приемника;

Критерии (C/I) и (I/N) связаны очевидным соотношением:

(C/I) = (C/N) / (I/N), (13.6)

где (C/N) – отношение мощностей ПС и собственного шума полезной линии связи в отсутствие МС. Таким образом, зная (C/N) и (I/N), легко находим (C/I) по формуле (13.6).

Расчет значения мощности МС на входе рецептора I производится по формуле (13.1).

Пример 1: определив по (13.1) при известных значениях ’(φ), b’(t), (θ), (t) величину I(t) -- мощность МС, которая может превышаться лишь в течение заданного процента времени t – и сравнив ее с допустимым значением Iмах(t) = С(t) – R(t), можно проверитьвыполнение критерия ЭМС в данной электромагнитной обстановке.

Пример 2: определив по (13.1) при прочих известных параметрах величину (θ), можно найти необходимый угловой разнос спутников θ.

13.2 Особенности анализа ЭМС систем связи и радиотелевещания (ССРВ) на базе геостационарных и негеостационарных спутников. –но это относится практ к любым ССС и ССРВ!

ССРВ могут строиться на базе геостационарных спутников (ССС гсо) или негеостационарных спутников (ССС нгсо). Вначале рассмотрим вопросы электромагнитной совместимости ССРВ гсо. Это означает, что точно известна высота всех спутников над поверхностью Земли и их долгота на геостационарной орбите.

При анализе проблем ЭМС применительно к геостационарным ССРВ рассматривают следующие варианты взаимодействия систем:

1. между геостационарными спутниковыми системами;

2. между системами наземных и спутниковых радиослужб в направлении Земля – космос;

3. между системами наземных и спутниковых радиослужб в направлении космос -- Земля;

4. между земными станциями спутниковых систем и станциями наземных радиослужб;

5. между негеостационарными и геостационарными спутниковыми системами.

При анализе проблем ЭМС применительно к негеостационарным ССРВ рассматривают следующие варианты взаимодействия систем:

1. между негеостационарными спутниковыми системами, работающими в одном направлении;

2. между негеостационарными спутниковыми системами и наземными радиослужбами;

3. между негеостационарными и геостационарными спутниковыми системами (упомянуто выше в п.5).

2 Чрезвычайно большое разнообразие вариантов взаимодействия спутниковых систем принципиально разных типов между собой и множеством наземных радиослужб, очевидное из приведенного выше перечня, требует очень большого объема фактических материалов с большим содержанием графиков, геометрических построений, а также важных сведений организационно-международного характера, без хотя бы упоминания о которых представление об ЭМС спутниковых систем будет неполным. Перечисленные аспекты рассматриваемой проблемы всесторонне, полно и доходчиво изложены в книге ”Электромагнитная совместимость систем спутниковой связи” [9]. В связи со сказанным выше представляется целесообразным сосредоточить внимание в данном разделе учебного пособия на специфике спутниковых систем с точки зрения ЭМС и предоставлении ссылок на соответствующие разделы [9] для их детальной проработки студентами бакалавриата и магистратуры в порядке самостоятельной работы.

Итак, рассмотрим основные особенности ССРВ с точки зрения ЭМС (далее просто “особенность”), обозначая для краткости ССРВ на базе геостационарных спутников как ”ГСО системы”, а на базе негеостационарных – как ”НГСО системы”. В качестве определяющей первоосновы анализа ЭМС будем опираться на разработанные МСЭ методики расчета ЭМС, которые базируются не только на основных уравнениях радиосвязи, но и на использовании соответствующих статистических данных, накопленных мировым сообществом в этой области, результатах компьютерного моделирования на базе математических моделей взаимодействующих систем и других источниках. В сжатом виде эти методики публикуются в форме Рекомендаций МСЭ-Р (буква “Р” означает принадлежность рекомендации к Cектору Радиосвязи МСЭ).

Вначале рассмотрим общие особенности, присущие большинству сценариев ЭМС спутниковых систем связи и радиотелевещания.

С учетом Особенности 1 для ограничения влияния помех приемникам наземных РЭС со стороны передатчиков КС было принята Рекомендация МСЭ-Р SF.358 об ограничении плотности потока мощности излучения КС, учитывающая требования всех РЭС наземной фиксированной службы.

Рекомендация SF.358

Совмещаемая служба: НФС (Наземная фиксированная служба).

Критерий ЭМС: допустимая плотность потока мощности W, создаваемая космическим аппаратом (КА) у поверхности Земли не должна превышать в любой полосе 4 кГц:

- в диапазоне 2,5 … 2,69 ГГц: -152 дБВт/м² для β ≤ 5⁰; (-152+0,75[β-5]) дБВт/м² для 5⁰ < β ≤ 25⁰; -137 дБВт/м² для 25⁰ < β ≤ 90⁰;

- в диапазоне 3,4 … 7,75 ГГц: -152 дБВт/м² для β ≤ 5⁰; (-152+0,5[β-5]) дБВт/м² для 5⁰ < β ≤ 25⁰; -142 дБВт/м² для 25⁰ < β ≤ 90⁰;

- в диапазоне 8,025 … 11,7 ГГц: -150 дБВт/м² для β ≤ 5⁰; (-150+0,5[β-5]) дБВт/м² для 5⁰ < β ≤ 25⁰; -140 дБВт/м² для 25⁰ < β ≤ 90⁰;

- в диапазоне 12,2 … 12,75 ГГц: -148 дБВт/м² для β ≤ 5⁰; (-148+0,5[β-5]) дБВт/м² для 5⁰ < β ≤ 25⁰; -138 дБВт/м² для 25⁰ < β ≤ 90⁰;

- в диапазоне 17,7 … 27,5 ГГц: -115 дБВт/м² для β ≤ 5⁰; (-115+0,5[β-5]) дБВт/м² для 5⁰ < β ≤ 25⁰; -105 дБВт/м² для 25⁰ < β ≤ 90⁰;

где β – угол прихода радиосигнала от КА по отношению к горизонту в точке приема.

С методикой расчета величины W и примером расчета можно ознакомиться в разделе 4 [ АС_12г ].

13.3 Краткие сведения о расчете взаимных помех между геостационарными спутниковыми системами