Оценка влияния астрономической рефракции на оптическую спутниковую линию связи Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 3 (2012 5) 353-357

УДК 621.391.64

Оценка влияния астрономической рефракции на оптическую спутниковую линию связи

А.В. Василенко, В.Б. Кашкин*

Сибирский федеральный университет Россия 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79 1

Received 13.08.2012, received in revised form 20.08.2012, accepted 27.08.2012

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.

Ключевые слова: астрономическая рефракция, оптическая связь, спутниковая связь.

Введение

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 (X = 1.45-1.55 мкм) и канала наведения (X = 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-

* Corresponding author E-mail address: [email protected]

1 © Siberian Federal University. All rights reserved

h,

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 разб ивается на М слоёв. На основании метеорологических данных для каждого слоя рассчитывается показатель преломления по формулам [2,3] для кажсдой даины волны:

l + K^+V е)х10-

N,,„, = I 237,2 +

526io,2 11,69 1 Pdry

dry I 5 ^ ^ 2 ,,2 ,,2^2 \ T

651,7v32 РД20

JV H2O 2 2 „

где V - волновое число в см-1, V; = 1 14 см"1, у2 = 62.4 см1, V, = 111.575 см-1 - константы, Рагу с- давление сухого воздуха в кПа, РН20 - парциальное давление водяного пара в кПа, Т - температурв в 1С.

Далее для каждого слоя определяется угол у:

у = аггат! ———зт(;г - в)

где - радиус Земзли^, /г, - высота текущего улоя. Зенитный угол Д Д ля каждого следующего слоя оуределяется через у гол у предыдущего и показатели пре ломления по закону преломле ния Свеллиуса (рие. 1

- -

Результирующее от клонение луча определяется как 3 = -

1

Результаты

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

На рис. 2 представлены результаты расчета приведенного показателя преломления N = (п - 1)х106.

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 АУОТБ

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.

\\

Л 4 \

-—___01.01.2012 ■

01.07.201~Т~ ~

угол места

Рис. 3. Зависимость отклонения луча от угла места. Сплошная линия соответствует условиям, наблюдавшимся 01.01.2011, пунктирная - 01.0*7.2011.

Рис. 4. Зависимость углового рас согласования 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.

Список литературы

1. International ATOVS Processing Package. Электронный ресурс: http://cimss.ssec.wisc.edu/ opsats/polar/iapp/.

2. Smith F. The Infrared & Electro-Optical Systems Handbook: В 8 т. Т. 2. Atmospheric propagation of radiation. / F. Smith. - SPIE press, 1993. - 322 p.

3. Зуев В.Е. Распространение лазерного излучения в атмосфере. - М.: Радио и связь, 1981. 288 с.

Method of Estimation of Atmospheric Refraction Effect on Satellite-to-Earth Optical Communication Link

Alexander V. Vasilenko and Valentin B. Kashkin

Siberian Federal University, 79 Svobodny, Krasnoyarsk, Russia, 660041

Method of estimation of atmospheric refraction effect on Satellite-to-Earth optical communication link is suggested. Misalignment and refraction angles are found for several meteorological conditions and zenith angles for informational (1.5 ¡m) and tracking (0.808 ¡m) channels using ATOVS/NOAA experimental data.

Keywords: astronomical refraction, optical communications, satellite communications.