CC BY
7
ш
https://doi.org/10.38013/2542-0542-2022-1-6-16 УДК 623.002.8
Разработка расчетно-экспериментального метода оценки помехового воздействия радиоизлучения молниевых разрядов на функционирование земных приемных станций высокоорбитальных спутниковых сетей с использованием отечественных геоинформационных систем
Ю. С. Монаков1, С. А. Попов2, М. В. Тимошенко1
1 Акционерное общество «Корпорация космических систем специального назначения «Комета», Москва, Российская Федерация
2 Федеральное государственное бюджетное учреждение «Центральный научно-исследовательский институт воздушно-космических сил» Министерства обороны Российской Федерации, Москва, Российская Федерация
Постановка проблемы. При функционировании высокоорбитальных спутниковых систем (ВСС) периодически в весенне-летний период возникают нарушения приема информации с космических аппаратов (КА) вследствие помехового воздействия электромагнитного излучения молниевых разрядов (МР) на приемные каналы земных станций (ЗС), возникающих вследствие грозовой деятельности. Необходимым является достоверно оценить степень влияния данных природных явлений на функционирование ВСС по целевому назначению с получением количественных оценок, а также определить возможные варианты парирования данных явлений.
Цель. Разработать метод оценки воздействия радиоизлучения МР, возникающих в результате грозовой деятельности, для качественной и количественной оценки степени их помехового влияния на функционирование ЗС ВСС.
Результаты. Предложен расчетно-экспериментальный метод оценки воздействия радиоизлучения МР на функционирование ЗС ВСС с использованием программного комплекса расчета электромагнитного поля (ЭМП) и параметров ЭМС радиоэлектронных средств (РЭС), созданного на базе отечественной геоинформационной системы (ГИС).
Практическая ценность. Проведена качественная и количественная оценка степени помехового воздействия МР на приемные радиолинии ЗС ВСС, предложен метод компенсации потерь приема информации
^ путем использования пространственно разнесенных ЗС. о
^ Ключевые слова: радиоэлектронное средство, молниевый разряд, помеховое воздействие, спутниковая ^ система
» Для цитирования: Монаков Ю. С., Попов С. А., Тимошенко М. В. Разработка расчетно-эксперимен-«> тального метода оценки помехового воздействия радиоизлучения молниевых разрядов на функциони-^ рование земных приемных станций высокоорбитальных спутниковых сетей с использованием отече-
i ственных геоинформационных систем // Вестник Концерна ВКО «Алмаз - Антей». 2022. № 1. С. 6-16. | https://doi.org/10.38013/2542-0542-2022-1-6-16
<i For citation: Monakov Yu. S., Popov S. A., Timoshenko M. V. Development of a computational and experi-
0 mental method for assessment of the interference effects of lightning discharge radio emissions on the func-m tioning of ground-based receiving stations of high-altitude satellite networks using domestic geoinformation S® systems // Vestnik Koncerna VKO "Almaz - Antey". 2022. No. 1. P. 6-16. https://doi.org/10.38013/2542-
& 0542-2022-1-6-16 ^
J Поступила 01.12.2021 Отрецензирована 15.01.2022 Одобрена 25.01.2022 Опубликована 18.03.2022
х s
1 I-
o
<D CO
CM ■Clio 9
CM ■Clio _
CM
ю © Монаков Ю. С., Попов С. А., Тимошенко М. В.,
w
2022
Введение
Радиотехнические земные станции высокоорбитальной спутниковой системы предназначены для приема информации с космических аппаратов в условиях реальной климатической и электромагнитной обстановки, в том числе и в условиях гроз и воздействия излучения МР. Помехи приемным радиолиниям высокоорбитальных спутниковых систем возникают при расположении грозового фронта на трассе распространения сигнала от космического аппарата к ЗС. Подобные ситуации с различной степенью интенсивности помехового воздействия периодически наблюдаются на ЗС ВСС.
Характерным событием явилось длительное (несколько минут) помеховое воздействие на ЗС, осуществлявшие прием информации с высокоэллиптического кратносинхронного КА, вызванное интенсивной грозой, произошедшей 7.07.2020 г.
Апостериорный анализ грозовой деятельности, проведенный на момент зафиксированных нарушений приема информации, подтвердил факт помех от молниевых разрядов грозового фронта, а также подтвердил гипотезу о том, что в большинстве случаев нарушения приема возникают, когда МР грозовых облаков находятся на трассе распространения или в ближайшей окрестности от нее, так как на других ЗС, принимающих информацию от других КА на т. н. «восточных» витках, где МР не находились на трассах распространения, помех зафиксировано не было.
Это позволяет выдвинуть гипотезу, что помеховое воздействие МР определяется пространственными селективными свойствами антенн ЗС и существенно зависит от углов воздействия относительно максимумов диаграммы направленности антенн (ДНА).
На рисунке 1 представлено апостериорное распределение молниевых разрядов
Рис. 1. Результаты апостериорного анализа грозовой активности в районе размещения ЗС
в момент возникновения помех Вспышки молний с точностью координат 250 м - 10 км: • - облако-облако; • - облако-земля;
♦ - датчики ГПС НИЦ «Планета»
та
X ф
ч
та 0-
та
О
О.
£
V
ц
(Ч
в районе размещения ЗС ВСС в момент возникновения помех. В 2021 году зафиксировано еще 5 аналогичных подтвержденных поме-ховых воздействий от МР грозовых облаков на ЗС ВСС.
Таким образом, возникает актуальная задача оценки степени помехового воздействия от молниевых разрядов вследствие грозовой деятельности и величины времени возможного нарушения приема целевой информации ЗС с борта КА.
Целью данной работы является разработка расчетно-экспериментального метода оценки воздействия радиоизлучения молниевых разрядов, возникающих в результате грозовой деятельности, на функционирование приемных радиолиний земных станций высокоорбитальных спутниковых сетей и проведение качественной и количественной оценки степени их помехового воздействия.
Порядок достижения поставленной цели представляется целесообразным в три этапа: - теоретический расчет спектральной плотности потока мощности электромагнитного импульса (ЭМИ) МР, определенного ГОСТ Р МЭК 62305-1-2010, на фиксированной дальности в заданной полосе частот; ^ - анализ данных эмпирических источни-
о
™ ков по измерениям напряженности электромаг-^ нитного поля (ЭМП) на фиксированной частоте — и в фиксированной полосе частот на фиксиро-| ванной дальности, создаваемой МР; < - расчет эквивалентной излучаемой Д мощности ЭМП МР и его воздействия на приза емный тракт ЗС на фиксированной дальности с учетом частотных характеристик антен-
§ ны и частотных характеристик ее фидерного аз
волноводного тракта, а также зоны потенци-се ального помехового воздействия на ЗС ВСС х с последующим определением ожидаемого * среднегодового количества сбойных кадров | специнформации по различным информацией онным направлениям.
см
3 Расчет спектральной плотности потока
™ мощности электромагнитного импульса
8 (ЭМИ) МР
ю Высота расположения грозовых облаков со— ставляет 4-5 км, молниевые разряды в направ-
лениях «облако-облако» имеют среднюю длину молниевого канала около 1 км [1, 2].
В источнике [1] указано, что средняя напряженность электрического поля молниевого разряда на расстоянии 10 км достигает 770 В/м. При этом влияние статической составляющей электрического поля достигает 700 В/м из-за гигантских, в десятки Кл, зарядов в грозовом облаке.
Произведем расчет спектро-энергетиче-ских параметров ЭМП ЭМИ МР.
По имеющейся информации осуществим интервальную оценку средней плотности потока мощности воздействия молниевых разрядов и напряженности ЭМП в интересующей полосе частот.
Интенсивность электромагнитного импульса при грозовом разряде определяется так называемым вектором Пойнтинга [2], формула (1):
__P = [Е • И], (1)
где Е = Е0/^) - напряженность электрического поля;
И = И0/2({) - напряженность магнитного поля; Е0 - максимальное значение напряженности электрического поля, в соответствии с ГОСТ 20.39.308-98 [3] Е0 = Е • Я; И0 - максимальное значение напряженности магнитного поля, в соответствии с ГОСТ 20.39.308-98 И0 = И • Я;
R - расстояние от точки наблюдения (антенны ЗС) до удара молнии в землю - 10 км. ■/1(0, /2(0 - временные функции, определяющие законы изменения электрического и магнитного полей во времени. Математические модели, отражающие природные процессы, должны являться непрерывными, гладкими функциями времени.
Поскольку магнитное поле порождается электрическим током молнии, то функция^О соответствует изменению тока, и в качестве образца может быть использована зависимость, приведенная в ГОСТ Р МЭК 62305-1-2010 [4].
В соответствии с ГОСТ Р МЭК 623051-2010 форма импульса тока при грозовом разряде, которая может быть рекомендована для оценочных расчетов, представлена на рисунке 2.
Вместе с тем попытки численного интегрирования и прямого преобразования Фурье для спектро-энергетических характеристик МР в требуемом диапазоне частот дают незначительные значения по сравнению с известными эмпирическими данными значения энергии и мощности помехового сигнала на входе приемника. Предположительно в спектре сверхвысоких частот МР основную роль играет не собственно удар молнии, а формирование его стримеров. Существенным является и возможное переотражение от облаков в S-диапазоне волн [5]. Поэтому следует, по мнению авторов, ориентироваться на эмпирические данные, полученные методом прямых измерений.
Анализ данных эмпирических источников по измерениям напряженности электромагнитного поля молниевых разрядов
На рисунке 3 приведена так называемая «кривая Пирса» [2, рис. 1.6], которая описывает средний размер электрической напряженности ЭМ поля молниевого разряда в мкВ/м в зависимости от частоты излучения от 10 кГц до 10 ГГц при рекомбинации зарядов либо развитии стреловидного лидера МР на фиксированном расстоянии 10 км в полосе 1кГц. Данный график является результатом объединения эмпирических данных различных исследователей, проводивших измерения в различных районах мира, имеет существенные разбросы измеренных значений
Сила тока А
10 %
Рис. 2. Форма импульса тока при грозовом разрядов в соответствии с ГОСТ Р МЭК 62305-1-2010 01 - начальный момент короткого удара молнии; I - пиковое значение силы тока; Т1 - длительность короткого удара молнии; Т2 - время полуспада
напряженности электрического поля, однако позволяет сделать вывод о тенденции падения напряженности при увеличении частоты на величину около 10 дБ на декаду.
Произведем расчет напряженности и плотности потока мощности ЭМИ МР на рубеже 10 км в полосе 1 кГц в интересующем нас участке спектра в S-диапазоне. Спектральная плотность потока мощности связана с напряженностью поля В/м в свободном пространстве соотношением (2):
Е2
Ж = (2)
п 377
где Жп - спектральная плотность потока мощности помехи, Вт/(м2*кГц); Еп - напряженность поля помехи, В/м в полосе 1 кГц.
На эталонном расстоянии 10 км молниевый разряд в полосе 1 кГц способен создать напряженность поля около 6 мкВ/м, что соответствует спектральной плотности потока мощности 9,54*10-14 /(м2*кГц).
В других источниках [6, 7] приведены данные измерений напряженности ЭМП ЭМИ МР, которые осуществлялись на дальностях
E, мкВ/м
107 106 105 104 103 102 101 100
I
) \ 'Л
• \
•• • \ А А
A4 Л- ♦
*** % У \ •
10-6 10-4 10-2 10-1 100 101 102 103 104 f МГц
Рис. 3. Усредненный спектр амплитудных значений напряженности электрического поля, образующегося
при разряде молнии на расстоянии 10 км (кривая Пирса) по данным исследований различных авторов
• - F. Hormer; • - G.N. Octzel; • - M. Takagi; ■ - F. Horrner, P.A. Bradley; ■ - N. Cianoz;
♦ - N. Iwata; ♦ - E.L. Kasarev; - D. Atlas; ;
▲ - Hallgreen, MacDonald
TO m
X <D
4
TO Q.
03
m
О
О.
£
<D (Ч
Е при полосе в 1 кГц, В/м
см см о см
< I
со та
г
I
о ^
со
о.
<и
о
о <и со
см ■ч-ю
с?
см ■ч-ю см
(П (П
10,0 5,0
1,0
0,5
0,1
—Т.
а — -ч
/ / V
1
/
/у /
и 2
\
в идентичной полосе частот может быть осуществлен по формуле (3):
10
Спектр разряда молнии / кГц
100
я\
п2
(3)
Рис. 4. Усредненный спектр амплитудных значений напряженности электрического поля МР, образующегося при разряде молнии на расстоянии морской мили, измеренный в полосе 1 кГц
--спектр основного разряда;--спектр
предразряда; — - суммарный спектр
одна морская миля (1,852 км) при полосе измерительного приемника 1 кГц. При условии справедливости гипотезы о линейной зависимости спада напряженности ЭМП ЭМИ МР в зависимости от возрастания частоты в логарифмической шкале получаем крутизну спада около 10дБ/ декада. На рисунке 4 представлен усредненный спектр амплитудных значений напряженности электрического поля МР, образующегося при разряде молнии на расстоянии морской мили, измеренный в полосе 1 кГц.
На рубеже одна морская миля редукция значения напряженности ЭМП МР в полосе 1 кГц в S-диапазоне с учетом линейной зависимости спада напряженности ЭМП МР в зависимости от возрастания частоты в логарифмической шкале составит 3,467х10-6 В/м.
Третьим источником эмпирической информации о значениях напряженности электрического поля МР в зависимости от частоты является работа Юмана [5, табл. 3.1], где обобщены исследования ряда ученых. Для частоты в 1 ГГц в полосе сигнала в 1 кГц по указанной Юманом методике достигаются значения напряженности в 9,5 мкВ/м.
Пересчет плотности потока мощности от источника МР на разных дальностях
где Яп1 - дальность от источника помех до объекта, исходная, м;
Яп2 - дальность от источника помех до объекта, для которой осуществляется пересчет плотности потока мощности, м; Жп1 - плотность потока мощности помехи, на дальности Яп1, Вт/м2; Жп2 - плотность потока мощности помехи, на дальности Яп2, Вт/м2.
Пересчитав напряженность поля и спектральную плотность потока мощности ЭМП в диапазон 2000-2100 МГц и на расстояние 10 км, получим значения 6,3935х10-6 В/м и 1,084*10-13 Вт/(м2хкГц) соответственно.
Таким образом, можно сделать вывод о практической сходимости эмпирических результатов измерений напряженности ЭМП ЭМИ МР с редуцированными значениями из других источников с точностью до единиц мкВ/м.
Расчетно-экспериментальный метод Расчет эквивалентной излучаемой мощности ЭМП молниевого разряда зоны потенциального помехового воздействия и ожидаемого количества сбойных кадров Первый шаг метода оценки воздействия радиоизлучения МР на функционирование приемных радиолиний земных заключается в определении эквивалентной усредненной мощности МР как точечного источника ЭМП в эффективной полосе приема ЗС, определяется по формуле (4).
На основании данных значений представляется возможным рассчитать эквивалентную усредненную мощность МР как точечного источника ЭМП в эффективной полосе приема ЗС (4).
Рмр = ^10 км/кГц х (4)
х Sэфф изотр изл х ДFкГц) - L10;
где W10 км/кГц - спектральная плотность потока мощности МР с рубежа 10 км [Вт/(м2хкГц)];
Sэфф изотр изл - эффективная площадь изотропного излучателя [м2];
1
ДFкГц - эффективная полоса приема ЗС [кГц]; L10 - медианное затухание на трассе распространения, рассчитанное по одной из моделей распространения с учетом диапазона, вида местности, высоты грозовых облаков и высоты подвеса приемной антенны на дальности 10 км [9].
Вследствие того что сеансы связи с высокоорбитальными КА осуществляются на существенных углах места, значение медианного затухания на трассе распространения представляется возможным рассчитывать по одной из так называемых «гладких» моделей распространения с учетом используемого диапазона частот, вида местности, высоты грозовых облаков (4000-5000 м) и высоты подвеса приемной антенны на дальности 10 км (см. исх. данные слева на рис. 5). В данном случае использование программных комплексов расчета ЭМП с использованием ГИС для расчета этого затухания не имеет никакого смысла. Однако следует отметить, что оцениваемые эмпирические «гладкие» модели даже в условиях прямой видимости дают различные результаты,
причем величина разброса может достигать почти 8-9 дБ.
Наиболее адекватной «гладкой» моделью затухания, дающей в большинстве случаев наиболее совпадающие с натурными измерениями результаты в условиях отсутствия городской застройки в нижней части гигагерцового диапазона, является модель «Ап Empirical Propogation Model (EPM-73)» (авторы - Люстгартен, Мэдисон) [10], которая и была использована для получения медианного затухания на рубеже 10 км на рабочей частоте приема.
Получив значение L10, находим эквивалентную усредненную мощность МР как точечного источника ЭМП в эффективной полосе приема ЗС. На рисунке 5 представлены результаты расчетов медианных значений затухания ЭМП с учетом вышеперечисленных факторов, выполненных на опционном калькуляторе расчета медианных затуханий и напряженности ЭМП, входящем в состав программного комплекса оценки ЭМС, созданного авторами.
Рис. 5. Медианное затухание на трассе распространения в S-диапазоне
си ^
S I
X ф
S
4
си Q.
CU ^
5 I
о
а £
ф
5
CM CM
о
CM
< I
(0 TO
s
О CO
Q.
<D
О
о
<D CO
CM ■Clio 9
CM ■Clio
CM
w w
Расчет зоны потенциального помехового воздействия
Второй шаг метода представляет собой расчет зоны потенциального помехового воздействия относительно ЗС, заключающийся в том, что рассчитанное значение мощности подставляется в модель расчета ЭМП в заданном диапазоне частот, разработанную на основе отечественной ГИС «Интеграция» с учетом рельефа местности и типа подстилающей поверхности в качестве эквивалентной излучаемой через реальную приемную антенну (ее математическую аппроксимацию с учетом боковых лепестков и провалов диаграммы направленности антенны (ДНА) в вертикальной и горизонтальной плоскостях), полученную на границе зон Фраунгофера и Френеля, экспериментально, с использованием программно управляемого беспилотного летающего аппарата «0рлан-10» на хаотической поляризации, наиболее полно соответствующую реальному процессу восприятия помех от МР, направленную на КА на реальных азимуте и угле места (около 45 градусов) соответствующих его положению на рабочем участке орбиты.
(Возможно, в большинстве случаев понадобится использование гладких «монотонных» («гарантированных») аппроксимаций ДНА, построенных по огибающей, но в данном случае было желание показать физическую адекватность расчетов.)
Рассчитанная зона потенциального по-мехового воздействия относительно ЗС представляет собой зону, при нахождении грозового фронта в которой возможно возникновение помех приема и срыва синхронизации приемной радиолинии.
Расчет зон помехового воздействия осуществляется с использованием реальных ДНА ЗС СС, на реальных азимутах и углах места приема информации с КА на так называемых «западных» и «восточных» витках кратно-синхронных орбит. При этом высоты расчетов ЭМП над земной поверхностью принимаются равными 4 и 5 км, что соответствует нижней и верхней границам грозового фронта с последующим объединением рассчитанных зон.
При расчете зон использовался программный комплекс расчета зон помехового воздействия и прогнозирования помеховой ситуации для РЭС различного назначения -Expert Pro 1.1.
Назначение программного комплекса расчета зон помехового воздействия и прогнозирования помеховой ситуации для РЭС различного назначения Expert Pro 1.1:
- многофункциональная геоинформационная система (ГИС) на базе отечественной ГИС «Интеграция»;
- моделирование радиоэлектронной обстановки в заданном районе;
- прогнозирование воздействия РЭО на радиотехнические системы;
- оценка параметров ЭМС;
- разработка условий совместного использования РЭС различного назначения;
- проектирование систем и сетей радиосвязи.
В основе ПК «Expert Pro 1.1» лежат программно реализованные математические модели распространения радиоволн, радиоприемных, радиопередающих и антенно-фидерных устройств, цифровые модели местности.
В ПК «Expert Pro 1.1» возможно использование следующих методик расчета:
- ITU-R P-525-2 - затухание в свободном пространстве (Free space attenuation); P-526-3 - распространение в условиях дифракции (Propagation by Difraction); P-676-3 - затухание в атмосферных газах;
- ITU-R P.530-11. Данные о распространении радиоволн и методы прогнозирования, требующиеся для проектирования наземных систем прямой видимости;
- ITU-R P. 452-12. Процедура прогнозирования для оценки микроволновых помех между станциями, находящимися на поверхности Земли в частотах выше приблизительно 0,7 ГГц;
- ITU-R P. 1546-3. Методика «точка-зона» для наземных служб в диапазоне частот 30-3000 МГц;
- P-526-3. Распространение в условиях дифракции (Propagation by Difraction), P-676-3. Затухание в атмосферных газах;
- Методика Окамура - Хата для городской, пригородной и сельских местностей;
- EURO-COST 231 TD; ЕРМ-73; МВТР-87; Свободное пространство.
На рисунках 6, 7 представлены зоны по-мехового воздействия на ЗС ВСС, при нахождении МР грозового фронта в которых возможно нарушение приема информации с кратно-синхронного 12-часового космического аппарата, рассчитанные с использованием программного
комплекса расчета ЭМП, созданного на базе отечественной ГИС «Интеграция», учитывающего диапазон частот, тип подстилающей поверхности и рельеф местности.
Полученная желтая зона - это фактически проекция на поверхность Земли точек на высоте грозового фронта, где превышено значение создаваемого антенной поля, приводящего к срыву синхронизации радиолинии. Фактически это как поле, создаваемое
Рис. 6. Зона возможного воздействия на ЗС ВСС, при нахождении в которой МР грозового фронта возможно нарушение приема информации, рассчитанная с использованием программного комплекса расчета ЭМП и параметров ЭМС РЭС, созданного на базе отечественной ГИС «Интеграция»
Рис. 7. Зона возможного воздействия на ЗС ВСС, ведущую сеанс связи с КА, при нахождении в которой МР грозового фронта возможно нарушение приема, совмещенная с зоной грозовой активности 7.07.2020 г. с 21.00
до 22.00 MSK
х ф н о
S
ч п Q.
О CL
ё ф
о5
см см о см
< I
со та
г
о со
о.
<и
о
о <и со
см ■ч-ю
с?
см ■ч-ю см
(П (П
антенной, «прошивает» грозовой слой и где на заданной высоте фиксируются превышения пороговых значений поля, соответствующие блокировке малошумящих усилителей (МШУ) приемных трактов ЗС. Если МР происходит в желтой зоне на высоте 4-5 км - это срыв синхронизации с последующим ее восстановлением.
Изрезанность зоны в радиальных направлениях объясняется провалами ДНА в горизонтальной плоскости, провалы по окружности - минимумами ДНА в вертикальной плоскости. Данная реальная ДНА в открытой статье приведена быть не может. Безусловно, расчет зоны мог бы быть осуществлен с учетом гарантированных монотонных диаграмм направленности, полученных по огибающей. В данном случае авторами было принято решение использовать аппроксимацию ДНА, полученную на основании прямых измерений боковых лепестков, чтобы показать полную корректность проведения расчетов зон в реальных условиях. На «высоких» углах места (4555 градусов) и при больших значениях КУА (узких диаграммах зеркальных антенн) влияние рельефа и подстилающей поверхности при расчете поля на высоте 4-5 км пренебрежимо мало. (Поэтому форма зоны практически симметрична в азимутальной плоскости.) Однако на низких углах места при размещении КА на геостационарной орбите (ГСО) его влияние на размеры и форму зоны потенциального помехового воздействия МР в условиях холмистой местности может оказаться существенным.
Анализ данных на рисунках 6, 7 дополнительно показал, что воздействие излучения МР на антенну земной станции, ведущей сеанс связи с другим КА, осуществлялось по задним лепесткам ДНА. Данное воздействие не приводило к сбоям в сеансе связи.
Расчет среднегодового количества МР, попадающих в рассчитанную зону потенциального помехового воздействия и ожидаемого количества сбойных кадров специнформации Третий шаг предлагаемого метода заключается в определении среднегодового количества
МР, попадающих в рассчитанную зону потенциального помехового воздействия, используя данные о средней интенсивности МР в данной местности, и ожидаемое за год количество сбойных кадров, возникающих вследствие по-мехового влияния МР.
Осуществим оценку влияния помех от МР на прием информации от КА по одному информационному направлению как детерминированную потерю информационных кадров в течение года. В [11, рис. 12.4] приводятся сведения о среднегодовой длительности гроз в Центральном регионе, равной 60 часам. Также приводятся сведения о средней интенсивности ударов молний на 1 кв. км за 1 час гроз, равной 0,067 уд/ч/км2. В [1] приводятся сведения, что количество молний «облако-земля» примерно равно количеству молний «облако-облако».
По формуле (5) определяем среднегодовое количество молниевых разрядов на 1 км2 поверхности:
п = Г х у х а, (5)
где п - частота ударов молнии над 1 км2, уд/км2; Т - среднегодовая длительность гроз, ч; у - средняя интенсивность ударов молнии в землю, 0,067 уд/ч/км2;
а - коэффициент, учитывающий соотношение общего количества молний типов «облако-земля» и «облако-облако» к количеству молний типа «облако-земля», равный 2.
По формуле (6) определяем среднегодовое количество молний в окрестностях земной станции, способных оказать помеховое влияние:
Ызс = 5зс х п, (6)
где п - частота ударов молнии над 1 км2, уд/км2; £зс - площадь зоны помехового влияния, представленной на рисунке 6; Ызс - количество молний над зоной помехового влияния £зс, за год.
По формуле (7) определяется ожидаемое количество сбойных кадров за год, возникающих вследствие помехового влияния:
Ык = Ызс х р, (7)
где Ык - количество сбойных кадров;
Шс - количество молний над зоной помехово-го влияния £зс, за год;
в - коэффициент, учитывающий количество сбойных кадров при одном ударе молнии.
Таким образом, на основании знания частоты и плотности возникновения молний в данной местности, с использованием предложенного расчетно-экспериментального метода оценки воздействия радиоизлучения МР на функционирование земных станций высокоорбитальных спутниковых сетей, мы определили среднегодовые значения времени нарушения приема информации по различным направлениям ВСС, которые по итоговым результатам 2021 г. совпали с реальными потерями приема информации с точностью до единиц процентов. Компенсация потерь приема информации с КА возможна только путем использования нескольких пространственно разнесенных ЗС.
Выводы
Предложенный расчетно-экспериментальный метод оценки воздействия радиоизлучения молниевых разрядов на функционирование земных станций высокоорбитальных спутниковых сетей, разработанный с использованием программного комплекса расчета ЭМП и параметров ЭМС РЭС, созданного на базе отечественной ГИС «Интеграция», позволил произвести качественную и количественную оценку степени помехового воздействия, определить среднегодовые значения времени нарушения приема информации и может быть
использован для оценки степени помехового влияния грозовой активности на высокоорбитальные (в том числе геостационарные) спутниковые системы.
Список литературы
1. Кравченко В. И., Путко Б. А. Радиоэлектронные средства и мощные электромагнитные помехи. М.: Радио и связь, 1987.
2. Дьяков А. С. Электромагнитная совместимость и молниезащита в электроэнергетике. М.: Издательский дом МЭИ, 2016.
3. ГОСТ 20.39.308-98.
4. ГОСТ Р МЭК 62305-1-2010.
5. Юман М. Молния. Пер. с англ. М.: Мир, 1972.
6. Gardner R.L. Ligthing Electromagnetic. N.-Y.: Hemisherer Publising Corporation, 1990.
7. Добрынин В. Д., Куприянов А. И., Пономарев В. Г., Шустов Л. Н. Радиоэлектронная борьба. Силовое поражение радиоэлектронных систем. М.: Вузовская книга, 2007.
8. Базелян Э. М., Райзер Ю. П. Физика молнии и молниезащиты. М.: Физматгиз, 2001.
9. Лавров В. М. Теория электромагнитного поля и основы распространения радиоволн. М.: Связь, 1964.
10. Lustgarten M., Madison J.A. An Empirical Propogation Model (EPM-73) // IEEE Transactions on Electromagnetic Compability. 1977. Vol. EMC-19(3). P. 301-309.
11. Разевиг Д. В. Техника высоких напряжений. 2-е изд. М.: Энергия, 1976.
Об авторах
Монаков Юрий Сергеевич - главный специалист Акционерного общества «Корпорация космических систем специального назначения «Комета», Москва, Российская Федерация.
Область научных интересов: математическое моделирование электромагнитной обстановки, параметров ЭМС и помехозащищенности РЭС спутниковых систем. "¡7
и
I
Попов Сергей Алексеевич - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, доцент Федерального государственного бюджетного учреждения «Центральный научно-исследовательский институт воздушно-космических о сил» Министерства обороны Российской Федерации, Москва, Российская Федерация.
Область научных интересов: разработка математического аппарата оценки параметров ЭМС РЭС различного
та
назначения. *
г
о
Тимошенко Михаил Викторович - заместитель начальника тематического конструкторского бюро Акционерного ^ общества «Корпорация космических систем специального назначения «Комета», Москва, Российская Федерация. Область научных интересов: наземные и бортовые радиотехнические системы специального назначения. ^
ч
та Q.
| Эnектронмка. PaguoTexHUKa|
m
Development of a computational and experimental method for assessment of the interference effects of lightning discharge radio emissions on the functioning of ground-based receiving stations of high-altitude satellite networks using domestic geoinformation systems
Monakov Yu. S.1, Popov S. A.2, Timoshenko M. V.1
1 Special-Purpose Space Systems Corporation "Kometa" JSC, Moscow, Russian Federation
2 Scientific Research and Testing Centre (Moscow) of the Central Research Institute of Aerospace Forces of the RF Ministry of Defence, Moscow, Russian Federation
Problem statement. In the spring/summer season, operation of high-altitude satellite systems (HASS) is periodically hindered by disturbances in reception of information from space vehicles (SV), resulting from the interference effects produced by the electromagnetic emissions of lightning discharges (LD) on the receiving channels of ground-based stations (GBS), occurring due to thunderstorm activity. It is necessary to reliably assess the degree of influence such natural phenomena have upon functioning of HASS according to their intended purpose, with quantitative estimates made, and determine practicable ways to parry those phenomena. Objective. To develop a method for assessing LD radio emission effects, resulting from thunderstorm activity, for the purpose of making qualitative and quantitative estimates of the degree of their interference effect on the functioning of HASS's GBS.
Results. The paper proposes a computational and experimental method for assessing LD radio emission effects on the functioning of HASS's GBS using a software complex for computation of electromagnetic field (EMF) and EMC parameters of communications electronics, developed on the basis of a domestic geoinformation system (GIS).
Practical usefulness. A qualitative and quantitative estimate is drawn up as to the degree of interference effect produced by LD on the receiving lines of HASS's GBS, and a method is proposed for compensation of losses in information reception by using spatially diverse GBS.
Keywords: communications electronics, lightning discharge, interference effect, satellite system.
™ Information about the authors
° Monakov Yuriy Sergeevich - Chief Specialist, Special-Purpose Space Systems Corporation "Kometa" JSC, Moscow,
^ Russian Federation.
fi Science research interests: mathematical modelling of electromagnetic environment, EMC parameters, and interference
>s immunity of the communications electronics of satellite systems.
Popov Sergey Alekseevich - Candidate of Engineering Sciences, Senior Researcher, Associate Professor, Scientific Re-
<
i
S search and Testing Centre (Moscow) of the Central Research Institute of Aerospace Forces of the RF Ministry of Defence, J Moscow, Russian Federation.
» Science research interests: development of mathematical tools for assessing EMC parameters of communications elec-
§ tronics of different purpose.
CQ
rc
ce Timoshenko Mikhail Viktorovich - Deputy Chief, Subject-Specific Design Bureau of Special-Purpose Space Systems x Corporation "Kometa" JSC, Moscow, Russian Federation.
Science research interests: ground-based and on-board special-purpose radio engineering systems.
it
S I I-
o
V CQ
CM ■Clio
9
CM ■Cl-
io
CM Z
w w
