Критерии защиты для службы РАС

Важным критерием защиты для радиоастрономии служит уровень мощности помех, которые считаются вредными. Пороговый уровень вредных помех зависит от частоты наблюдения и типа проводимых измерений, как обсуждалось в главе 4. Может также потребоваться учет подробных характеристик помех.

Второй критерий касается части небосвода, для которой требуется защита радиоастрономических наблюдений. Для наземных источников помех принята величина 0 дБи для усиления радиоастрономической антенны в направлении источника помех или в направлении горизонта для удаленного передатчика. Выбор этого значения означает, что возможные источники помех с пороговыми уровнями вредных помех, приведенными в Рекомендации МСЭ-R RA.769, не приведут к появлению вредных помех при наблюдениях, проводимых с углом места более 19° (на основе модели диаграммы излучения, приведенной в Рекомендации МСЭ-R SA.509). Наблюдения, проводимые при углах места менее 19°, будут подвергаться действию помех, если передачи от (наземного) источника помех будут приниматься через боковые лепестки с усилением более 0 дБи. В этом случае часть небосвода оказывается фактически закрытой для радиоастрономических наблюдений, как поясняется в Приложении 1 к Рекомендации МСЭ-R RA.1513. На самом деле радиоастрономы, возможно, готовы признать такие ограничения по охвату небосвода, поскольку вращение Земли открывает доступ к большинству звездных объектов при более удобных углах места. Однако такое перекрытие небосвода может накладывать очень существенные ограничения для наблюдения звездных источников, которые появляются над горизонтом только на короткое время (например, наблюдения центра галактики из высоких северных широт), и для наблюдений, критичных по времени. Для помех от геостационарных космических аппаратов желательно иметь значение усиления радиоастрономической антенны
12–15 дБи, чтобы можно было проводить наблюдения в пределах 5° от спутника на геостационарной орбите, как обсуждалось в главе 4. Применение концепции затенения небосвода к случаям помех от передатчиков на воздушных судах или космических аппаратах на негеостационарной орбите описывается в Рекомендациях МСЭ-R S.1586 и МСЭ-R M.1583.

Третий критерий, который необходимо учитывать, связан с процентом времени, в течение которого пороговый уровень помех может превышаться без серьезного ухудшения работы службы. Критерий процента времени и связанные с ним вопросы затенения небосвода обсуждаются в Рекомендации МСЭ-R RA.1513, в которой указана суммарная потеря данных в 5% от передатчиков всех служб в любой полосе частот, отведенной для службы РАС на первичной основе, и не более 2% потери данных от передатчиков в каждой отдельной службе. Отмечено, что концепция суммарной потери данных еще не полностью разработана, и требуется провести дальнейшие исследования по разделению помех между различными сетями и службами. В Рекомендации МСЭ-R RA.1513 также указывается, что процент потерянных данных должен определяться как процент периодов интеграции в 2000 с, для которого средняя спектральная плотность потока мощности в радиотелескопе превышает уровень, определенный в Рекомендации МСЭ-R RA.769 (в предположении усиления антенны 0 дБи). Влияние помех, которые имеют периодический по времени характер порядка секунд и менее, требует дальнейшего изучения.

Необходимо подчеркнуть, что для некоторых типов наблюдений частота отказов в 5% за счет помех накладывает жесткие ограничения для радиоастрономов. Для некоторых наблюдений, таких как наблюдения комет, покрытия звезд Луной или взрыв сверхновой звезды, требуется высокая вероятность успешных измерений, поскольку их трудно или невозможно повторить. Другие типы наблюдений требуют одновременного измерения на разных длинах волн и в нескольких местах, в каждом из которых необходимо успешно провести наблюдения, чтобы весь эксперимент оказался успешным. Примером скоординированного исследования на нескольких длинах волн может служить вспышка новой звезды. Таким экспериментам может быть нанесен большой ущерб, если наблюдение в любой из обсерваторий окажется непригодным для использования из-за помех. Для обсерваторий, которые сталкиваются с такими трудностями, требуются специальные соглашения на национальном уровне о работе на определенных частотах и в определенное время.

Другой эффект распространения радиоволн, требующий рассмотрения, состоит в отражении мешающего сигнала. Отражения от воздушных судов являются вероятной причиной помех в полосе частот совместного использования даже при удаленных наземных передатчиках. Существует также вероятность помех за счет отражения от спутников на низкой орбите. Отдельное отражающее тело будет действовать только в течение короткого времени, и проблемы помех будут зависеть от плотности трафика в воздушном или космическом пространстве. Проблема связана с тем, что в результате космической деятельности на орбите вокруг Земли находится большое число металлических объектов. Для определенных типов радиоастрономических измерений в совместно используемых полосах частот серьезные помехи могут создавать отражения наземных передач от Луны.

Рассмотренные выше критерии защиты включают порог мощности помех, процент небосвода, требующий защиты, и долю времени наблюдения, требующую защиты. Все они непосредственно связаны с совместным использованием частот на географической основе, т. е. географическим разнесением двух служб, которое позволяет им одновременно работать на одной частоте в одно и то же время. При совместном использовании частот несколькими службами дополнительную защиту можно обеспечить с помощью применения ортогональной поляризации. Это не очень пригодный способ для защиты радиоастрономии, поскольку во многих наблюдениях используют обе поляризации, а также потому, что помехи обычно попадают в радиоастрономическую систему через боковые лепестки антенны с высоким усилением, характеристики поляризации которых сильно отличаются от главного лепестка.

Необходимо отметить, что, за исключением редких случаев, совместное использование частот с РАС возможно только при эффективном географическом разнесении. Возможно введение ограниченного разделения по времени, чтобы позволить провести конкретные наблюдения на радиоастрономической станции, и оно может быть действительно необходимым в случаях, рассмотренных в п. 5.9. В частности, это может быть полезно для полос частот, не распределенных для радиоастрономии.

Расстояния разнесения, требуемые для совместного использования полос частот с одиночным передатчиком (см. Рекомендацию МСЭ-R RA.1031)

Для успешного территориального разнесения необходимо, чтобы создающий помехи передатчик и испытывающий помехи приемник находились на удалении, при котором помехи уже не считаются вредными. Для критериев, изложенных в главе 4, ослабление на этом расстоянии должно быть достаточным, чтобы снизить мешающий сигнал ниже соответствующего уровня в Рекомендации МСЭ‑R RA.769 в течение всего времени, кроме процентной доли, p%. Потери при передаче L_b (p) определяются в Приложении 7 РР. Соответствующее уравнение приведено ниже, причем к нему добавлено слагаемое атмосферного затухания A:

                                             L_b (p) = P_t + G_t + G_r – P_r (p) – A,                                           (5.1)

где:

        L_b (p) – минимальные допустимые основные потери передачи (дБ) для p% времени, это значение должно превышаться фактическими потерями передачи в течение всего времени, кроме p%;

        P_t –     уровень мощности передачи (дБВт) в эталонной полосе на входе антенны;

        G_t –      усиление (дБи) передающей антенны в направлении радиоастрономической антенны;

        G_r –     усиление (дБи) радиоастрономической антенны в направлении передатчика;

        P_r (p) – максимальная допустимая мощность помех (дБВт) в эталонной полосе, которая может превышаться на входе приемника в течение не более p% времени;

        A –      дополнительный коэффициент потерь, связанных с атмосферным поглощением.

При использовании критериев защиты, описанных в главе 4, и G_r = 0 дБи уравнение (5.1) принимает следующий вид:

                                            L_b (p) = P_t + G_t – P_r (p) – A,                                               (5.2)

где P_r следует взять из столбца 7 Таблицы 4.1 или Таблицы 4.2 в главе 4. Уровень L_b (p) должен рассчитываться с использованием подходящей модели, такой как комплексный набор, приведенный в Рекомендациях МСЭ-R P.452, МСЭ-R P.526 и МСЭ-R P.617.

Атмосферное затухание быстро увеличивается с ростом влажности и частоты наблюдения. На частотах ниже 15 ГГц атмосферное затухание в зените зачастую невелико (< 0,1 дБ), поэтому в уравнении (5.2) им можно пренебречь. В высоких и сухих местах на частотах от 15 до 115 ГГц непрозрачность в зените умеренная (< 1 дБ) и обеспечивает лишь небольшую защиту от помех. На частотах свыше 115 ГГц непрозрачность атмосферы быстро изменяется вблизи резонансных частот молекул атмосферы и обеспечивает существенную защиту от помех (см. п. 5.7).

Что касается передач в пределах расстояния прямой видимости, то потери передачи в свободном пространстве обычно не меняются и критерий процента времени оказывается непригодным. В этом случае L_b имеет простую аналитическую форму, и уравнение (5.2) можно записать в следующем виде:

                                 20 log(4p d) – 20 log(l) = P_t + G_t – P_r – A,                                   (5.3)

где d – расстояние между передатчиком и приемником (м), а λ – длина волны (м).

В проведенном выше анализе P_t представляет собой мощность, передаваемую в полосе B_r радиоастрономического приемника. Если мощность передатчика P_T распределена по ширине полосы B_t > B_r, то

                                                  P_t = P_T – 10 log(B_t / B_r) + A                                                (5.4)

в предположении, что мощность передатчика имеет однородную спектральную плотность.

5.3   Совместное использование полос частот в пределах расстояния
прямой видимости

Радиоастрономии редко удается совместно использовать распределенный спектр с любой другой службой, чьи передатчики находятся в пределах прямой видимости обсерватории. Это показано на Рисунке 5.1. Максимальная эквивалентная изотропно излучаемая мощность (э.и.и.м.), которая не создает вредных для РАС помех, рассчитана с помощью уравнений (5.3) и (5.4) для двух расстояний. Расстояние в 600 км характерно для наземного передатчика, удаленного на большое расстояние в пределах прямой видимости, а именно для передатчика на борту воздушного судна, находящегося на горизонте при высоте 20 км. Другое расстояние взято для геостационарной орбиты, и оно характерно для максимального расстояния до большинства бортовых космических передатчиков, которые не находятся в дальнем космосе. Для наземного передатчика были использованы пороговые уровни помех из Таблицы 1 Рекомендации МСЭ-R RA.769. Как указано в п. 4.7.3, желательна дополнительная защита в 12–15 дБ в отношении передатчика на геостационарной орбите, чтобы позволить проводить наблюдения в пределах 5° от орбиты спутника. Эти кривые применимы при ясной и сухой атмосфере. На частотах выше примерно 50 ГГц поглощение в атмосфере может составлять несколько десятых децибела на километр в зависимости от плотности паров воды, и совместное использование частот с маломощными передатчиками вдоль протяженных линий прямой видимости оказывается возможным в некоторых ситуациях.

РИСУНОК 5.1