Помехи от передач со спутников

Передача со спутников может создавать сильные помехи для службы РАС. Если наземные источники помех обычно находятся в области дальних боковых лепестков антенны радиотелескопа и могут дополнительно затухать за счет рельефа вокруг радиообсерватории, то помехи от спутниковых передач могут приниматься через внутренние боковые лепестки с существенно более высоким усилением. Характер помех зависит от типа передатчика и службы, обеспечиваемой системой, от того, находится ли спутник на геостационарной или негеостационарной орбите, а также от количества спутников в рассматриваемой системе, которые находятся выше горизонта радиообсерватории. Необходимо отметить, что проблемы помех, связанных с передачами со спутников, также относятся в большой степени и к передачам с воздушных судов.

Геостационарные спутники

Почти со всех работающих в настоящее время радиотелескопов видно множество геостационарных спутников, которые занимают геостационарный спутниковый пояс по всему небосводу. Радиус геостационарной орбиты приблизительно в 6,6 раза больше радиуса Земли. На таком расстоянии один спутник может облучать сигналами треть поверхности Земли и, следовательно, многие радиотелескопы, находящиеся в пределах прямой видимости. На Рисунке 4.3 показано положение пояса геостационарных спутников в звездных координатах, видимых с широт некоторых основных радиоастрономических обсерваторий. Планы развития некоторых активных служб требуют большого числа геостационарных спутников. Такая серия возможных источников помех, которые могут приниматься через ближние боковые лепестки диаграммы направленности антенны радиотелескопа, может создавать чрезвычайные трудности для радиоастрономии.

Пороговые уровни вредных помех для радиоастрономии приведены в Рекомендации МСЭ-R RA.769. Там перечислены уровни мощности (для каждой радиоастрономической полосы), попадающей в приемник, которая как раз достаточна, чтобы вызвать вредные помехи. Там же приведена плотность потока мощности (дБ(Вт/м²)), вызывающая вредные помехи, которые рассчитываются в предположении, что усиление радиотелескопа равно 0 дБи в направлении создающего помехи источника. Такое усиление подходит для рассмотрения наземных источников помех, находящихся вблизи горизонта. В случае геостационарных источников возникает другая ситуация.

Если предположить, что радиоастрономическая антенна обладает характеристиками боковых лепестков, принятыми в Рекомендации МСЭ-R SA.509, то усиление бокового лепестка соответствует 0 дБи для угла 19° от оси основного лепестка. Для такой антенны уровень вредных помех будет превышен, если основной лепесток ориентирован в пределах 19° от спутника, который создает в границах ширины полосы радиоастрономии плотность потока мощности в месте расположения радиообсерватории, равную пороговому уровню вредных помех в Рекомендации МСЭ-R RA.769. Серия спутников, разнесенных с интервалом около 30° вдоль орбиты геостационарных спутников, излучающих помехи на этом уровне, создаст зону шириной около 38° с центром на орбите, в которой станут невозможны радиоастрономические наблюдения, свободные от вредных помех. Ширина этой запрещенной зоны увеличивается с количеством создающих помехи спутников на орбите и может, в принципе, покрыть весь небосвод. Эффективное число создающих помехи спутников зависит от того, направляются ли мешающие сигналы передающими антеннами спутников или излучаются в более широком секторе. Излучение ОоВ, которое нешироко разнесено от частоты передатчика спутника, может направляться антенной так же, как и основной сигнал. Нежелательные излучения типа гармоник, которые дальше отнесены по частоте, могут передаваться в более широком секторе, но их легче устранить с помощью фильтрации в передатчике.

Очевидно, для решения проблемы помех от геостационарных спутников необходим компромисс между площадью небосвода, потерянной для радиоастрономических наблюдений, и трудностями подавления нежелательных излучений от спутниковых передатчиков. Анализ Рисунка 4.3 показывает, что положение геостационарной орбиты на небосводе, если смотреть с Земли, меняется приблизительно на 10°, если переходить от обсерватории в одном полушарии к обсерваториям в другом полушарии. Таким образом, если наблюдения проводятся в пределах 5° от геостационарной орбиты, то каждую точку небосвода можно наблюдать по крайней мере из одной существующей обсерватории при условии, что она имеет необходимое оборудование для таких наблюдений. Желательность снижения побочных излучений, чтобы позволить проводить радиоастрономические наблюдения в пределах 5° от геостационарной орбиты, обсуждается в главе 4.

Это рассмотрение излучений от геостационарных спутников основано на предположении, что орбиты находятся в экваториальной плоскости Земли. Однако для целей координации частот под определение геостационарных спутников подпадают все геосинхронные спутники с углами наклона менее 15°. Влияние наклона орбиты на проблему координации частот для радиоастрономии зависит от распределения углов наклона спутников, которые могут быть источниками помех.

Негеостационарные спутники

Возможность вредных помех от спутников на негеостационарных орбитах (LEO) увеличивается в связи с их большим количеством, в результате чего многие из них могут одновременно находиться над горизонтом радиообсерватории и в пределах прямой видимости антенны радиотелескопа. При этом антенна радиотелескопа может принимать нежелательные излучения от этих видимых негеостационарных спутников LEO через ближние и дальние боковые лепестки диаграммы направленности антенны, а также через главный лепесток. Проблема помех осложняется постоянно меняющимся направлением прихода мешающих сигналов и необходимостью слежения с помощью антенны радиотелескопа за наблюдаемым звездным источником. Множество входных сильных сигналов могут сдвинуть рабочую точку приемника в нелинейный диапазон, что приведет к генерации продуктов взаимной модуляции.

Воздействие нежелательных излучений, возникающих на радиоастрономических станциях за счет созвездия спутников на (низких) негеостационарных орбитах, можно определить с помощью методики эквивалентной плотности потока мощности, описанной в Рекомендации МСЭ‑R S.1586 "Расчет уровней нежелательных излучений, создаваемых негеостационарной системой фиксированной спутниковой службы в местах расположения радиоастрономических станций" или в Рекомендации МСЭ-R M.1583 "Расчет помех между негеостационарными системами подвижной спутниковой или радионавигационной служб и местами расположения радиоастрономических телескопов", а также с помощью усиления антенны, приведенного в Приложении 1 к главе 4.

Эти Рекомендации можно использовать для определения процента потерь данных во время наблюдений, проводимых на конкретной радиоастрономической станции, за счет помех от определенной спутниковой системы. Максимальный допустимый процент потери данных приведен в Рекомендации МСЭ-R RA.1513.

Пример нежелательных излучений, создаваемых фиксированной спутниковой службой

Полоса 10,6–10,7 ГГц распределена для службы РАС на первичной основе, а подполоса 10,68–10,7 ГГц распределена исключительно для пассивных служб (к этому вопросу относится примечание в п. 5.340 РР, в нем перечислен ряд полос, в которых запрещены любые излучения).

Эта полоса успешно использовалась для наблюдения непрерывного радиоспектра галактического и внегалактического радиоизлучения, включая исследование поляризации, и для изучения пульсаров.

Полоса 10,7–11,7 ГГц распределена ФСС на первичной основе. Использование полос 10,7–10,95 ГГц (космос-Земля) и 11,2–11,45 ГГц (космос-Земля) геостационарными системами ФСС соответствует положениям статьи 10 Приложения 30В РР.

Ниже описан случай помех работе РАС, причиняемых конкретной геостационарной спутниковой системой ФСС.

На Рисунке 6.7 показаны результаты измерений РАС в диапазоне 10,6 ГГц, проведенных в Эффельсберге радиотелескопом диаметром 100 м, который был направлен на один из самых сильных точечных космических радиоисточников 3C84. Эти измерения проводились до 1995 года. Наблюдаемое поле имеет размер 30 ´ 12 дуговых минут, плотность потока от источника составляет 20,5 Ян (~ –247 дБ(Вт(м^–2 · Гц^–1))). Наблюдаемая структура соответствует данным, полученным с помощью главного лепестка и ближних боковых лепестков радиотелескопа.

РИСУНОК 6.7

Карта внегалактического источника 3C84 в полосе 10,6–10,7 ГГц,
полученная с помощью радиотелескопа в Эффельсберге диаметром 100 м

Затем в 1995 году был введен в действие геостационарный спутник ФСС с определенной позицией на орбите, в которой уже некоторое время работали другие спутники. Спутник имел низкую центральную частоту передачи в 10,714 ГГц и ширину полосы ретранслятора в 26 МГц. Возникающие флуктуации шума, создаваемые нежелательными излучениями ФСС от этой позиции на орбите в соседней полосе РАС 10,6–10,7 ГГц, были настолько сильными, что они полностью маскировали любые астрономические сигналы.

На Рисунке 6.8 показана последующая карта для того же поля в 30 ´ 12 дуговых минут на небосводе, что и на Рисунке 6.7, но после ввода в эксплуатацию спутника в 1995 году, чья позиция на орбите была смещена на 10° от картируемого поля небосвода. Очень сильный точечный источник 3C84 утонул в помехах, и его больше нельзя было различить как космический источник.

РИСУНОК 6.8

Карта того же поля небосвода, что и на Рисунке 6.7,
но с помехами, принятыми радиотелескопом в Эффельсберге

Для исследования этого случая помех станция слежения за спутниками Регламентарного органа Германии в Лихейме измерила спектр передачи ФСС от спутника на заданной позиции на орбите (см. Рисунок 6.8), чтобы определить уровень нежелательных излучений в полосе РАС. Однако необходимо отметить, что чувствительность и динамический диапазон станции слежения в то время были недостаточны для проверки помех на уровнях, которые установлены в качестве критериев защиты для РАС в Рекомендации МСЭ-R RA.769.

Из Рисунка 6.9 видно, что на краю диапазона 10,7 ГГц, распределенного для рас для исключительно пассивного использования, измеренный уровень нежелательных излучений составил –151 дБ(Вт/м²) в эталонной ширине полосы 100 кГц. Это соответствует –201 дБ(Вт/(м² · Гц)), а в Рекомендации МСЭ‑R RA.769 в качестве порога помех указывается уровень на 39 дБ меньше, т. е.
–240 дБ(Вт/(м² · Гц)). Более того, для геостационарных спутников желательно использовать
на 12–15 дБ более жесткие пределы, как это обсуждалось в п. 4.7.3. Такое большое расхождение возникает у верхнего края полосы 10,6–10,7 ГГц, и оно меньше в остальной полосе.

От края диапазона 10,7 ГГц приблизительно до 10,69 ГГц, где мешающий сигнал достигает уровня собственного шума станции слежения в Лихейме (плотность потока мощности ~ –160 дБ(Вт/м²)), спад сигнала составляет порядка 10 дБ на 4 МГц. Если предположить, что скорость спада остается неизменной до 10,6 ГГц, то расчетная общая мощность, излучаемая с этой позиции на орбите в полосе 10,6–10,7 ГГц, составит –145,6 дБ(Вт/м²), что на 14,4 дБ выше порога в –160 дБ(Вт/м²), приведенного в Рекомендации МСЭ-R RA.769 для этой полосы. Итак, вся полоса 10,6–10,7 ГГц оказывается совершенно непригодной для использования при радиоастрономических наблюдениях, как видно из Рисунка 6.8.

Это спутник ФСС был перемещен в другое исходное положение и больше не оказывает влияния на наблюдения при помощи телескопа в Эффельсберге[D1].

 

РИСУНОК 6.9

Измерения помех от геостационарной ФСС,
проведенные на станции слежения в Лихейме (1995 год)