Искажения
радиосигналов при распространении по трассе Земля-Космос в присутствии
нестационарных плазменных образований
RADIO SIGNAL DISTORTIONS
AT THEIR PROPAGATION ALONG EARTH-SPACE TRACKS IN PRESENCE OF NON-STEADY PLASMA
STRUCTURES
Б.С. Борисов1), В. И.
Гаркуша1), В.А.Морозов2), Б.А.Хаджи2),
Е.Г.Шустин2)
B.S.Borisov1), V.I.Garkusha1), V.A.Morozov2),
B.A.Khadji2), E.G.Shustin2)
2)Институт
радиотехники и электроники РАН, г. Москва
Institute of Radio Engineering and Electronics of Russian Academy of
Sciences, Moscow
E-mail (E.G.Shustin): shustin@ms.ire.rssi.ru
Получена 29 мая
2002 г.
Аннотация
Рассмотрены
проблемы качества приема-передачи информации на трассах Земля - Космический
аппарат, возникающие при использовании на космическом аппарате источника
нестационарной плазменной струи. Показано, что нестационарные режимы
плазмогенераторов могут внести заметное (с точки зрения влияния на параметры
распространения несущей радиоволны) количество плазмы в тракт распространения
сигнала; флуктуации параметров плазмы приводят к формированию комплексной
аддитивно-мультипликативной помехи на входе приемника. На примере ретрансляции
телевизионного сигнала оценены допустимые количества плазмы в тракте
распространения сигнала и показаны последствия превышения этих уровней.
The summary
Problems of quality of an information
communication on the Earth - Space Vehicle routes arising at usage of a source
of a transient plasma jet on a space vehicle are considered. It is shown, that
the transient modes plasma sources can introduce quantity of plasma essential
from the point of view of impact on parameters of propagation of a carrier
radio wave to a сhannel of a signal propagation. Fluctuations of parameters of
plasma result in formation complex, additive - multiplicative interference on a
receiver input. For an example of retransmission of a television signal an
estimation is made of permissible quantities of plasma in a сhannel of signal
propagation and the consequences of excess of these levels are shown.
Использование электрореактивных двигателей (ЭРД) на
борту космического аппарата (КА) требует решения проблемы электромагнитной
совместимости с бортовыми радиосистемами, в частности, с системами,
обеспечивающими радиосвязь Космос-Земля. Выявившиеся в последнее время проблемы
с функционированием систем передачи служебных и телевизионных сигналов,
связанные с работой двигателя коррекции орбиты, привлекают особое внимание к
нестационарным режимам генерации плазменных струй.
В настоящее время на КА-ретрансляторах в целях
обеспечения ориентации аппарата нашли широкое применение ЭРД холловского типа
(так называемые СПД и ДАС). Несмотря на то, что на КА–ретрансляторах (типа
ГАЛС и других) приемо-передающие антенны ориентированы практически ортогонально
к оси выхлопной струи ЭРД, тем не менее, не исключается затекание плазмы в
антенный отсек, особенно при нестационарных режимах работы ЭРД. Из-за больших
размеров (сотни метров) плазменных образований и весьма неоднородной пространственно-временной
структуры распределения электронной концентрации помеховое воздействие на
распространение радиоволн может оказаться существенным.
Режимы истечения нестационарных плазменных струй
могут возникать по различным причинам. Прежде всего, наличие сильной
взаимосвязи электрических и тепловых параметров плазмы в газовом разряде с
магнитным полем порождает предпосылки для возникновения различных
неустойчивостей уже в генераторе плазмы [1]. Экспериментально установлено, что
при работе источника плазмы могут реализовываться режимы с интенсивными
спонтанными колебаниями тока (и сопутствующими пульсациями плотности плазмы) в
диапазонах частот 10-50 кГц, 100 кГц, 1 МГц. [2-4].
Было отмечено [5], что в СПД наиболее трудно
подавляемые неустойчивости приводят к регулярным колебаниям тока разряда вплоть
до 100%-ной модуляции; а при длительных испытаниях обнаружена [6] генерация
спонтанных импульсов тока, почти вдвое превышающих номинальную величину
разрядного тока. Такие режимы, по-видимому, обусловлены конструктивными
особенностями разрядного канала СПД. Пульсации разрядного тока инициируют
пульсации токов замыкания через струю и вторичную плазму на корпус КА и
бортовую аппаратуру и сопровождаются также сильно неравновесным радиоизлучением
из области, примыкающей к электрореактивному двигателю. По оценкам [7],
импульсная мощность излучения волн гигагерцового диапазона достигает 10-2
–10-1 Вт при мощности разряда 1350 Вт, что может создать достаточно
заметную аддитивную помеху бортовым системам радиосвязи.
Дополнительным источником аддитивной помехи может
быть трансформация плазменных колебаний различной структуры в электромагнитное
излучение на сильной неоднородности плазмы, возникающей при обтекании экранов
гиперзвуковым потоком плазмы [8]. Оценки показывают, что пульсации параметров
СПД могут генерировать заметную помеху (W»10-12¸10–10
Вт/м2) при обтекании “вторичной ” плазмой антенных отражателей.
Как показали более поздние исследования [9], в
результате интенсивных процессов перезарядки в истекающей плазменной струе ЭРД
происходит разлет вторичной плазмы не только в радиальном направлении
относительно оси струи, но и в заднюю полусферу. Результаты теоретических и
экспериментальных исследований потоков вторичной плазмы для двигателя ДАС показаны
на рис.1 и 2 [9].
Здесь jr и jx – выраженные в
токовых единицах плотности потоков ионов в радиальном и осевом (прямом и
обратном) направлениях. Как можно видеть из рисунков, в ближней зоне истечения
струи на расстоянии 30-40 см. происходит интенсивный процесс перезарядки
быстрых ионов струи с нейтральной компонентой, поступающей в струю из
ускорительного канала ДАСа и от катода-компенсатора. Заметим, что внутри
и на границах плазменной струи всегда присутствуют самосогласованные
электрические поля, создаваемые вследствие разности электрон области медленные
ионы ускоряются электрическими полями и разлетаются не только в радиальном
направлении, но и в обратном направлении относительно вектора скорости выброса
плазмы. Проведенные измерения показали, что величина обратного потока
“вторичной”
плазмы не зависит от
ускоряющего напряжения, а определяется только суммарной величиной расхода рабочего
газа (ксенона) в ЭРД и оценивается на уровне 0,1 - 0,2 от этой величины.
Скорость разлета ионов “вторичной ” плазмы определяется радиальными
электрическими полями в истекающей струе, и составляет (в среднем) около 5
км/сек.
Выше приведены данные, полученные в стационарном
режиме истечения струи. Известно, однако, что режим истечения нестационарной
(турбулентной) сверхзвуковой струи плазмы может иметь явные различия с
истечением ламинарного потока: эффективная частота столкновений заряженных
частиц в турбулентной плазме существенно отличается от таковой в отсутствие
флуктуаций.
В качестве примера на рис.3 представлены результаты
экспериментов, выявляющих связь между плотностью потока заряженных частиц,
уходящего из области модельного плазменного образования (пучково-плазменного
разряда, ограниченного слабым магнитным полем) в направлении, нормальном к ее
оси, и интенсивностью флюктуаций электронной плотности плазмы в разряде.
Интенсивность флюктуаций варьировалась изменением давления газа в рабочем
объеме и, соответственно, изменением плотности плазмы при постоянстве остальных
параметров разряда. Из рисунков ясно видна корреляция этих величин: увеличению
интенсивности флюктуаций в 2-4 раза соответствует рост тока ионов поперек магнитного
поля в 2-8 раз.
Таким образом, область воздействия плазменной струи
на бортовые радиосистемы существенно расширяется за пределы ядра истекающего
потока.
Следует также напомнить, что в потоке свободно
истекающей из источника плазмы можно ожидать возникновения неустойчивости
Фарли-Бунемана, порождающей ионно-звуковые колебания, при появлении в нем
относительного движения заряженных частиц разного знака за счет электрической
зарядки космического аппарата. Все эти нестационарные режи
Рис.3. Мощность флюктуаций плотности плазмы в пучково-плазменном разряде
в слабом магнитном поле (кривая 1 – в относительных единицах), интенсивность
ионного потока поперек магнитного поля (кривая 2 – в относительных единицах) и
средняя энергия ионов (кривая 3 – в электрон-вольтах) в зависимости от средней
плотности плазмы.
мы могут создать
принципиально новые эффекты неблагоприятного воздействия ЭРД на радиосистемы, отсутствующие
при генерации стационарных ламинарных плазменных потоков.
В последнее время опубликованы результаты стендовых
экспериментов по исследованию спектральных искажений радиосигнала, проходящего
через плазменную струю [10,11]. Однако в этих работах приводятся
экспериментальные данные, полученные при поперечном радиозондировании в ближней
зоне разлета плазменной струи, что не соответствует реальным условиям обеспечения
радиосвязи для КА-ретрансляторов.
Ниже предлагается анализ возможных механизмов и
последствий воздействия нестационарных плазменных потоков на распространение
радиосигналов, используемых для приема-передачи служебной информации, а также
при работе ретрансляторов телевизионного сигнала.
Радиосигнал, проходя через область плазмы с сильными
флюктуациями диэлектрической проницаемости или отражаясь от такой области,
подвергается модуляции, в результате его спектр и внутриспектральные фазовые
соотношения могут заметно измениться. В сочетании с повышенным уровнем
спонтанного радиоизлучения от источника плазмы и от самой плазменной струи,
суммируемого с полезным сигналом, в тракте распространения радиосигнала, таким
образом, реализуется комплексная, аддитивно-мультипликативная помеха, которая
может существенно повлиять на качество обработки сигнала в радиоприемном устройстве
[12].
Мультипликативные искажения сигнала определяются
уровнем вариаций по времени либо по частоте амплитудно-частотных и/или фазово-частотных
характеристик тракта прохождения сигнала, создаваемых нестационарными
плазменными образованиями.
Рассмотрим прежде всего
влияние среды на ретрансляцию телевизионных сигналов.
В условиях ретрансляционных
КА область среды вблизи КА участвует в формировании амплитудно - и
фазово-частотных характеристик тракта дважды: при приеме и при излучении.
Влияние участков трассы сигнала вблизи КА при приеме и при переизлучении может
существенно отличаться в зависимости от сдвига частоты, направления и направленности
излучения по отношению к приему.
По нормам аналогового
телевидения [13] качественному изображению соответствует отклонение запаздывания
t от номинала t0 в полосе частот сигнала Dfc ~ 10 МГц не более чем на 5 - 10 нс. Этому
требованию соответствует допустимое отклонение фазочастотной характеристики от
линейной Dtлин, где
при
длительности передачи отдельного элемента изображения tэл~Dfc-1 ~100 нс. Как видно из этих данных,
.
Превышение допустимой нормы
нелинейности фазовой характеристики, скажем, до Dtлин~20 нс приведет к частичному "переливу"
энергии данного элемента изображения на соседний на уровне ~ êDtлин/tэлê=20
нс/100 нс = 0,2. Это примерно эквивалентно аддитивной помехе с уровнем
энергии ~(0,2)2=1/25 (т.е. ~ -14 дБ), что
существенно выше допустимых уровней аддитивной помехи (~-40 дБ).
Таким образом, искажения,
обусловленные дисперсией среды, выше допустимого уровня сказываются в первую
очередь на резкости изображения, так как высокий уровень нелинейности
фазово-частотной характеристики тракта приводит к размытию энергии радиосигнала
по времени. Это выражается в снижении "четкости" изображения,
особенно сильном при высоком контрасте соседних элементов изображения.
Оценим теперь роль
флуктуаций параметров плазмы на трассе распространения. Очевидно, что эти
флуктуации могут вызывать как флуктуации амплитуды сигнала (за счет влияния на
электродинамику приемо-передающих антенн), так и флуктуации набега фазы на
трассе.
В случае достаточно "медленных"
флуктуаций амплитуды они отрабатываются системой АРУ, не оказывая существенного
влияния на качество изображения. Однако и в этом случае при сохранении средней
мощности сигнала в пределах допустимого интервалы времени, на которых Pc<Pдоп, могут
оказаться значительными, и это приведет к длительным отрезкам времени с
чрезмерно высоким процентом искаженных элементов сигнала из-за снижения
отношения сигнал/шум. Так, при вероятности событий Pc<Pдоп порядка 0,1при любой эффективности АРУ на 10 %
времени приема качество изображения будет ниже нормы.
Другой предельный случай
соответствует "быстрым" флуктуациям амплитуды сигнала с характерной
постоянной времени tп
~ tэл (амплитудная
модуляция). При высоких отношениях сигнал/шум (~ 30 - 40 дБ) присутствие
аддитивной флуктуационной помехи (АФП) вызывает приближенно гауссово
распределение плотности вероятности амплитуды W(A) со средним и дисперсией Ā и s2А,Ш,
соответственно:
(3.1)
где PС и
PАФП - мощности сигнала и АФП в полосе
частотного канала,
Q- отношение сигнал/шум по отношению к
АФП.
В случае приближенно гауссова распределения вариаций
амплитуды, вызванных мультипликативной помехой с дисперсией в полосе сигнала s2 dA =s2А,Ш,
можем записать
, или 
.
Таким образом, при допустимом
уровне АФП ~ (-30 - 40) дБ допустимая дисперсия амплитуды сигнала из-за
мультипликативной помехи (при том же ухудшении качества изображения)
оказывается на 6 дБ ниже:
дБ.
Отсюда следует, что натурные
измерения мультипликативных помех, связанных с работой двигателей КА, должны
быть построены так, чтобы выявить отсутствие (или наличие) вариаций амплитуды
сигнала на уровне ~(-36 - 46) дБ за время ~1/Df ~ 10-7 с.
Флуктуации фазы сигнала яркости,
связанные с мультипликативной помехой, становятся существенными, когда
неравномерность группового времени запаздывания DtЗАП в полосе сигнала
превышает некоторый уровень tДОП.
Нормальному качеству приема соответствует DtЗАП ~ 10 - 25 нс в
полосе Df
~ 10 - 30 МГц.
При измерениях в полосе частот
одиночного телевизионного канала (DfС ~ (6¸10)
МГц) этому нормативу должен соответствовать фазовый сдвиг Dj на соседних частотах (fi, fi+1), взятых с шагом Dft,
, (3.2)
такой, что |Dti|
£ tДОП.
У ретранслятора на КА "Экспресс" в частотном стволе с полосой
~25 МГц допустимый разброс Dti не должен превышать tДОП ~ 10 нс. При шаге по
частоте DfС~1 МГц
измерение должно контролировать различие Dj на уровне
.
Этот пример показывает, что уже
весьма небольшие вариации наклона фазовой характеристики трассы, вызванные
наличием плазмы около КА, (~(3 - 4)°
при сдвиге частоты на ~1 МГц) становятся недопустимыми, если речь идет
о достаточно высоком качестве изображения. Физически это связано с тем, что при
длительности элемента изображения tэл
~ 1/DfС ~ ~10-7
с неоднородность запаздывания по частоте приводит к тому, что часть энергии
сигнала яркости на данном элементе изображения попадает на соседние элементы.
По порядку величины амплитуда
такого рода помехи на интервале соседнего элемента при случайных вариациях Dj в полосе сигнала DfС ~ 1/tэл
составляет 1/2(tДОП/tэл) или 1/4(tДОП/tэл)2 по
энергии.
В рассмотренном примере имеем 1/4(tДОП/tэл)2
= ~1/400, или -26 дБ, что близко к требованиям к относительному уровню
аддитивных шумовых помех для ретранслятора.
Оценим «количество» плазмы, необходимое для создания фазовых
искажений на трассе распространения сигнала.
Нетрудно видеть, что величина
набега фазы на несущей частоте сигнала w0
за счет пульсаций плотности плазмы вблизи антенны может быть оценена как
,
или
,
где ñp (r) – флуктуационная
компонента плотности плазмы, ncr =mw02/4pe2 –
критическая плотность плазмы.
Набег фазы в полосе сигнала за
счет дисперсии в плазме, таким образом, составляет
.
Следовательно, для заметных дисперсионных искажений
сигнала (Δφ~20º в полосе частот 6 МГц) потребовалась бы величина
ò(l)np
dr ~2·1013 см-2 в диапазоне частот приема-передачи
1 ГГц и ~2·1011 см-2 - в диапазоне 100 МГц. Флуктуации
группового времени задержки за счет флуктуаций средней плотности плазмы на
трассе распространения при тех же параметрах могут достигать опасной величины
~20 нс на частотах ~1 ГГц лишь при ò(l)npdr ~1014 см-2
Более серьезную опасность модуляция сигнала за счет
плазменного фона представляет при приеме-передаче широкополосных сигналов с
внутриимпульсной модуляцией. Наличие быстрой (с характерным периодом меньше
длительности когерентно обрабатываемого сигнала) фазовой помеховой модуляции
может существенно исказить вид сигнала на выходе согласованного фильтра.
Конкретный характер искажения определяется видом и параметрами кодировки
сигнала.
В заключение следует отметить, что наличие в
окрестности антенны плазмы, неоднородной в плоскости, нормальной к оси
диаграммы направленности антенны, может радикально повлиять на энергетические
характеристики тракта и (при нестационарной плазме) создать глубокую
амплитудную модуляцию. Действительно, самая грубая оценка показывает, что
перепад плотности плазмы на апертуре антенны 50 см в 2 раза при ò(l)np
dr~2·1011 см-2 в диапазоне частот 6000 МГц
приведет к рефракционному повороту диаграммы направленности на 2º, что
сравнимо с полушириной диаграммы направленности приемной антенны телевизионного
ретранслятора (2,5º). Соответственно, качание диаграммы направленности на
тот же угол за счет флуктуаций плотности плазмы даст амплитудную модуляцию
принимаемого сигнала с индексом ~0,5. Более детальный анализ рефракционных
явлений будет предметом последующего исследования.
Литература
1.
Артемов В.И., Левитан Ю.С., Синкевич О.А. Неустойчивости и
турбулентность в низкотемпературной плазме. М., Изд-во МЭИ, 1994, 412 с.
2.
Арефьев В.И., Борисов Б.С. Неустойчивость и аномальная диффузия в
холловском источнике неравновесной плазмы. В сб. “Плазменные ускорители”, 1973,
М., “Машиностроение”, стр. 142.
3.
Арефьев В.И., Кирдяшев К.П., Ларин Б.В. Высокочастотные неустойчивости в
холловском ускорителе плазмы. Материалы 2-й Всесоюзной конференции по плазменным
ускорителям. Минск. 1973г., с.196.
4.
Борисов Б.С., Гаркуша В.И. и др. Исследование низкочастотных колебаний
в струе стационарного ускорителя. Там же с.203.
5.
Garner C. E.. et al. Performance evaluation and life
testing of the SPT-100. 23rd International Electric
Propulsion Conference, IEPC-93-091, Seattle, 1993.
6.
Sankovik J. M. et al.. Performance evaluation of the russian
SPT-100 thruster at NASA LeRC. Ibid., IEPC-93-094.
7.
Брухтий В.И., Кирдяшев К.П., Зарембо В.Л., Светлицкая О.Э. ЖТФ, 1996,
т.66 в.2, с.68
8.
Mandell M. J. et al. Wake side current measurements:
comparison with preflight predictions. AIAA Paper 95-0489. 33rd
Aerospace sciences meeting and exhibit., Reno, 1995.
9.
Борисов Б.С., Корсун А.Г. и др. Extension of secondary
plasma in an EP plume. Theory and experiment. 27th International
Electric Propulsion Conference. IEPC-01-254.. Pasadena, USA, 2001.
10. Dickens J.C. Communications impact of Hall effect plasma thrusters.
Doctor Thesis, Texas Tech. University, 1996
11. Ohler S.G., Gilchrist B.E., Gallimore A.D. IEEE Trans.on Plasma
Science, 1999, vol. 27, No.2, p.587.
12. Кремер И.Я., Владимиров В.И., Карпухин В.И.
Модулирующие помехи и прием радиосигналов. М., "Сов.Радио", 1972, 480
с.
13. Омельяненко
Ю.И., Алексеев К.А. и др. Справочник по телевидению, изд. "Техника",
Киев, 1971, 608 с.
