Оценка влияния астрономической рефракции на оптическую спутниковую линию связи

Автор: Василенко А.В., Кашкин В.Б.

Журнал: Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии @technologies-sfu

Статья в выпуске: 3 т.5, 2012 года.

Бесплатный доступ

Предложена методика оценки величины астрономической рефракции для линии связи космический аппарат - наземный пункт. С использованием экспериментальных данных системы ATOVS (космический аппарат NOAA) произведен расчет ошибки наведения линии визирования в случае спектрального разделения каналов наведения (0,8 мкм) и целевой информации (1,5 мкм) в зависимости от угла места и метеорологических условий.

Астрономическая рефракция, оптическая связь, спутниковая связь

Короткий адрес: https://sciup.org/146114656

IDR: 146114656

Текст научной статьи Оценка влияния астрономической рефракции на оптическую спутниковую линию связи

Одним из перспективных направлений развития спутниковых систем связи является использование излучения оптического диапазона. Применение оптических систем связи позволяет достичь скорости передачи данных в несколько Гбит/с при сравнительно низких энергетическо-весовых характеристиках приёмных и передающих устройств. В данной работе рассмотрен канал связи «Спутник – Земля».

Прохождение трасс линий связи через земную атмосферу накладывает определенные ограничения на выбор длин волн, используемых для передачи информации. Кроме обязательного попадания длины волны излучения в одно из окон прозрачности атмосферы, желательным является использование длин волн ИК-диапазона, так как негативное воздействие аэрозольного рассеяния на канал связи монотонно снижается по мере увеличения длины волны излучения.

Параметры промышленно выпускаемой на сегодняшний день ИК-техники накладывают дополнительные ограничения на выбор длин волн. Так, удобным оказывается частотное разделение канала целевой информации (λ = 1.45-1.55 мкм) и канала наведения (λ = 0,808 мкм).

Явления дисперсии и астрономической рефракции в атмосфере Земли способны привести к угловому рассогласованию каналов наведения и целевой информации (ЦИ), что в свою очередь может снизить характеристики канала связи.

В настоящей работе предложен способ оценки величины астрономической рефракции и вызываемого ей рассогласования лучей на основе, полученной системой AVOTS, позволяющей собирать информацию в полосе обзора 2250 км с пространственным разрешением 20-50 км. При

Рис. 1. Методика расчета атмосферной рефракции ем информации в СФУ осуществлялся станцией АЛИСА™. Дешифрирование телеметрической информации проводилось посредством применения программного пакета AAPP (ATOVS and AVHRR Pre-processing Package) [1]. Результатом обработки телеметрической информации пакетом AAPP являются таблицы значений температуры, точки росы и геопотенциала.

Методика расчетов

Вертикальный профиль атмосферы разбивается на М слоёв. На основании метеорологических данных для каждого слоя рассчитывается показатель преломления по формулам [2,3] для каждой длины волны:

n = 1 + ( N dry + N h 2 O ) x10 ^- ⁶,

_M L„ , 526v ? 11,69 ) Pdry

N dry = 1 ^{237,2 +} —---г ⁺ —---г I —,

( v , - v v 2 - v ) T

= 651,7v32 Ph20 v 3-v2 T где v - волновое число в см-1, vt = 114 см-1, v2 = 62.4 см-1, v3 = 111.575 см-1 - константы, Pdry – давление сухого воздуха в кПа, PH2O – парциальное давление водяного пара в кПа, Т – температура в К.

Далее для каждого слоя определяется угол y :

/ R \

Y = arcsinl „ ®, s|n(- -в) I, ^ R @ + hi J где R – радиус Земли, hi – высота текущего слоя. Зенитный угол βi для каждого следующего слоя определяется через угол γ предыдущего и показатели преломления по закону преломления Снеллиуса (рис. 1).

Результирующее отклонение луча определяется как 5 = ^| Д - Л-J- г

Результаты

В табл. 1 приведены метеорологические данные, использованные для расчетов. Принятые значения длин волн: 0.808 мкм для канала наведения, 1.55 мкм для канала ЦИ. При расчете принято допущение о том, что метеорологические условия в горизонтальном направлении не изменяются.

На рис. 2 представлены результаты расчета приведенного показателя преломления N = ( n - 1 ) х 10⁶.

Результаты расчетов астрономической рефракции и углового рассогласования каналов приведены ниже в графическом виде (рис. 3, 4).

Как видно, значения отклонения луча в значительной мере зависят от угла места и метеоусловий. Поскольку типичные значения расходимости излучения, используемого как для передачи информации (порядка одной угловой минуты), так и для взаимного наведения абонентов

Таблица 1. Метеорологические данные системы AVOTS

01.01.2011		56.00° с.ш. 92.92° в.д.		01.07.2011		56.00° с.ш. 92.92° в.д.
высота, м	давление, гПа	точка росы, °С	температура, °С	высота, м	давление, гПа	точка росы, °С	температура, °С
481	993	-30.1	-30.0	481	947	9.8	19.3
591	975	-27.5	-27.3	662	925	7.7	19.6
780	950	-22.2	-21.4	899	900	6.6	19.9
978	925	-19.7	-18.0	1388	850	3.6	16.3
1184	900	-19.0	-16.4	1899	800	-0.3	11.9
1614	850	-18.9	-15.7	2436	750	-7.4	9.0
2070	800	-20.4	-16.9	3004	700	-15.1	5.9
2553	750	-24.1	-18.9	3604	650	-18.6	1.1
3063	700	-31.7	-21.9	4242	600	-22.2	-3.6
3606	650	-39.4	-24.3	4922	550	-27.4	-8.4
4186	600	-44.1	-27.2	5655	500	-34.0	-13.5
4808	550	-47.5	-31.0	6447	450	-40.3	-19.3
5477	500	-49.3	-35.5	7309	400	-47.0	-26.5
6201	450	-51.4	-41.1	8259	350	-54.3	-34.3
6990	400	-55.0	-47.4	9317	300	-57.1	-42.5
7859	350	-56.6	-54.2	10523	250	-59.5	-50.7
8830	300	-61.5	-61.2	11946	200	-60.4	-57.8
9943	250	-67.7	-67.5	13795	150	-74.2	-50.9
11284	200	-67.2	-66.6	16420	100	-273.1	-52.0
13032	150	-69.0	-65.4	20923	50	-273.1	-50.3
15501	100	-86.3	-64.5	26981	20	-273.1	-43.6
19805	50	-273.1	-54.9

Рис. 2. Зависимость приведенного показателя преломления от высоты и метеоусловий. Сплошная линия соответствует условиям, наблюдавшимся 01.01.2011, пунктирная – 01.07.2011.

Рис. 3. Зависимость отклонения луча от угла места. Сплошная линия соответствует условиям, наблюдавшимся 01.01.2011, пунктирная – 01.07.2011.

Рис. 4. Зависимость углового рассогласования каналов наведения и целевой информации от угла места и метеоусловий сопоставимы с полученными значениями отклонений, явление астрономической рефракции необходимо учитывать при планировании сеансов связи.

При частотном разделении канала наведения и целевой информации с выбранными в данной статье параметрами явлением рассогласования лучей можно пренебречь вне зависимости от величины угла места, метеоусловий и диаграмм направленности передатчиков.

Статья научная