ITU-R P 1622 FRENCH-2003 Prediction methods required for the design of Earth-space systems operating between 20 THz and 375 THz《运行于20 THz和375 THz之间的地对空系统设计所必须的预测方法 问题ITU-R 228 3》.pdf

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1、 Rec. UIT-R P.1622 1 RECOMMANDATION UIT-R P.1622 Mthodes de prvision requises pour la conception des systmes Terre-espace fonctionnant entre 20 et 375 THz (Question UIT-R 228/3) (2003) LAssemble des radiocommunications de lUIT, considrant a) que les frquences comprises entre 20 et 375 THz conviennen

2、t pour certaines commu-nications spatiales au voisinage de la Terre ou en espace lointain; b) quil est ncessaire de disposer de techniques appropries de prvision de la propagation pour pouvoir bien planifier les systmes Terre-espace fonctionnant entre 20 et 375 THz; c) que lon a labor des mthodes de

3、 prvision des principaux effets de la propagation sur les systmes Terre-espace fonctionnant entre 20 et 375 THz; d) que, dans la mesure du possible, les rsultats obtenus avec ces mthodes ont t compars avec les donnes disponibles, et quil sest avr que la prcision obtenue tait la fois compatible avec

4、la variabilit naturelle des phnomnes de propagation et suffisante pour la plupart des applications actuelles pour la planification des systmes fonctionnant entre 20 et 375 THz, reconnaissant a) que le numro 78 de lArticle 12 de la Constitution de lUIT dclare que le Secteur des radiocommunications a

5、pour fonction, entre autres, de procder des tudes sans limitation quant la gamme de frquences et dadopter des recommandations , recommande 1 dutiliser les mthodes (donnes dans les Annexes 1 et 2) de prvision des effets de la propagation sur les systmes pour la planification des systmes Terre-espace

6、dans leurs domaines de validit respectifs indiqus dans les Annexes 1 et 2. NOTE 1 On trouvera dans la Recommandation UIT-R P.1621 des informations supplmentaires sur les donnes fondamentales de propagation pour les frquences comprises entre 20 et 375 THz. Annexe 1 1 Introduction Latmosphre de la Ter

7、re, par sa nature complexe et dynamique, influe sur le fonctionnement des communications entre la Terre et un engin spatial en orbite dans la gamme des frquences comprises entre 20 et 375 THz. Cette influence se traduit par: un affaiblissement gnral de lamplitude du signal en raison de labsorption d

8、ue aux molcules des gaz de latmosphre prsents le long du trajet de propagation; 2 Rec. UIT-R P.1622 un affaiblissement gnral de lamplitude du signal et un accroissement du bruit de fond dus la diffusion le long du trajet de propagation par des particules dont le diamtre varie de quelques fractions d

9、e longueur donde plusieurs longueurs donde; des fluctuations de lamplitude et de la phase du signal reu en raison de turbulences causes par des variations thermiques dans latmosphre. Les principales techniques et quations ncessaires ltablissement des mthodes de prvision sont prsentes dans les diffre

10、nts paragraphes ci-aprs. 2 Affaiblissements par absorption Il est possible de calculer labsorption dans latmosphre en utilisant une mthode de calcul par sommation semblable celle fournie dans la Recommandation UIT-R P.676. Celle-ci ncessiterait cependant des calculs longs et fastidieux, en raison de

11、 la prsence de milliers de raies dabsorption dans la gamme de frquences allant de 10 THz 1 000 THz (30 m 0,3 m). Les astronomes ont identifi des fentres de faible absorption atmosphrique laide des filtres normaliss dcrits dans le Tableau 1. Les frquences centrales de ces filtres permettent de dtermi

12、ner les rgions du spectre utilisables pour les communications le long des trajets Terre vers espace, en termes de caractristiques dabsorption atmosphrique uniquement. Cette absorption dpendant en partie de la temprature, de la pression et de la composition chimique locales de latmosphre, la largeur

13、de bande de ces filtres ne correspond pas ncessairement celle des rgions faible absorption dans latmosphre. Les quatre bandes de frquences les plus leves forment un continuum du spectre visible et ultraviolet caractris par une absorption atmosphrique relativement faible, plutt que des rgions distinc

14、tes faible absorption atmosphrique. Les mesures dabsorption atmosphrique doivent tre ralises ds que cela est possible, pralablement la mise en place dune station terrienne. TABLEAU 1 Filtres astronomiques normaliss pour les frquences suprieures 15 THz Filtre Q N M L L K H Frquence centrale (THz) 15

15、30 63 79 86 136 180 Longueur donde (m) 20,25 10,1 4,80 3,80 3,50 2,20 1,65 Largeur de bande (THz) (m) 15,2 6,50 18,2 5,70 15,9 1,20 14,7 0,70 17,3 0,70 30,1 0,48 33,3 0,30 Filtre J IJISR V B U Frquence centrale (THz) 240 330 370 430 560 700 830 Longueur donde (m) 1,25 0,90 0,80 0,70 0,54 0,43 0,36 L

16、argeur de bande (THz) (m) 74,7 0,38 90,5 0,24 115,10,24 138,10,22 93,2 0,09 164,5 0,10 163,60,07 Rec. UIT-R P.1622 3 3 Affaiblissements par diffusion On dfinit gnralement la diffusion comme un changement de direction dnergie caus par des particules prsentes le long du trajet de propagation. Les effe

17、ts se font uniquement sentir sur les systmes de communication fonctionnant en espace libre aux frquences comprises entre 20 et 375 THz lorsque: des particules sur le trajet de propagation ont un diamtre sensiblement gal la longueur donde du signal mis et dtournent de son trajet dorigine une partie d

18、e lnergie de ce signal; des particules dans le milieu de propagation ont un diamtre beaucoup plus petit que la longueur donde du signal mis et redirigent vers le rcepteur un surplus dnergie. 3.1 Affaiblissement du signal mis d la diffusion de Mie La diffusion de Mie est la cause principale des affai

19、blissements constats aux frquences infrieures 375 THz. Elle est due pour lessentiel des particules deau microscopiques. En labsence de mesures locales caractrisant latmosphre, on pourra utiliser la mthode dcrite ci-dessous pour calculer laffaiblissement d la diffusion le long des trajets Terre-espac

20、e. Si des mesures sont disponibles, on pourra procder au calcul dtaill explicit dans lAnnexe 2. La mthode suivante est applicable aux stations terriennes situes entre 0 et 5 km au-dessus du niveau de la mer et fonctionnant entre 150 et 375 THz (frquences les plus souvent utilises pour des tlcommunic

21、ations en espace libre). Dans lhypothse o langle dlvation de cette station est suprieur 45, la prcision de la mthode est denviron 0,1 dB. Toutefois, certaines conditions atmosphriques locales peuvent conduire des variations de plusieurs dB. Les paramtres suivants doivent tre connus: : longueur donde

22、 (m) hE: altitude de la station terrienne au-dessus du niveau moyen de la mer (km) : angle dlvation. Etape 1: Calculer la valeur des coefficients empiriques suivants qui dpendent de la longueur donde: 0038,0002,0000545,02+=a (1a) 0439,00232,000628,02+=b (1b) 18,0101,0028,02+=c (1c) 719,026,1922,0228

23、,023+=d (1d) Etape 2: Calculer le coefficient dextinction entre hEet : 123kmdhchbhaEEE+= (2) Etape 3: Calculer AS, affaiblissement dans latmosphre d la diffusion le long du trajet: )sin(3429,4=SA dB (3) 4 Rec. UIT-R P.1622 3.2 Augmentation du bruit de fond par diffusion de Rayleigh de lnergie solair

24、e La diffusion de Rayleigh est ngligeable pour les systmes fonctionnant au-dessous de 375 THz. Il se traduit essentiellement dans les systmes fonctionnant plus de 375 THz par lapparition dun bruit de fond dans les rcepteurs, tant dans le sens Terre vers espace que dans le sens espace vers Terre. La

25、diffusion de Rayleigh de la lumire solaire en exploitation diurne est la source principale du bruit subi par une station terrienne associe un engin spatial. Un engin spatial pointant en direction de la Terre sera galement bruit par la lumire solaire diffuse par la surface de la Terre. 4 Effets dune

26、turbulence sur les systmes fonctionnant entre 20 et 375 THz Comme on lindique dans la Recommandation UIT-R P.1621, lintensit des turbulences est mesure en termes de profil 2nC . Les incidences dune turbulence peuvent gnralement tre classes comme suit: scintillations damplitude causes par une redistr

27、ibution de lnergie au sein du faisceau; modifications apparentes de langle dincidence du signal entrant; dplacement du faisceau conduisant une dviation de son centre par rapport laxe de propagation; talement de faisceau d la rfraction ingale du front donde, ce qui induit une diminution de la puissan

28、ce parvenant dans le plan douverture de lantenne rceptrice. 4.1 Scintillation damplitude Les turbulences aux frquences entre 150 et 375 THz engendrent des fluctuations gaussiennes appeles scintillation damplitude du logarithme de lclairement N de londe incidente, par redistribution spatiale et alato

29、ire dans le temps de la puissance de londe la surface du plan donde. On mesure lintensit de scintillation en termes de variance de lamplitude du faisceau. Les paramtres ncessaires ce calcul sont les suivants: h0: altitude de la station terrienne au-dessus du sol (m) : longueur donde : angle dlvation

30、 Z : altitude effective de la turbulence (20 000 m en gnral). La scintillation est gnralement donne par la variance 2de la grandeur ln(N ): =ZhnNhhhCk026/526/116/72lnNpd)(sec253,2 (4a) o: k : nombre donde (= 2/) : longueur donde (m) : angle au znith h : altitude au-dessus du sol (m). Rec. UIT-R P.16

31、22 5 Ce qui est quivalent : 26/116/76/50282lnNpsind)()(10924,10=ZhnNhhhhC(4b) o la longueur donde, , est en m, et les autres paramtres sont tels que donns ci-dessus. On peut convertir le terme prcdent en dBN grce une multiplication par le coefficient dans le numrateur par le rapport de changement de

32、 base et un facteur 10, on obtient alors: 26/116/76/50292ln22dBdBsind)()(10622,3)10ln(100=ZhnNNhhhhC(4c) En labsence de mesures locales de ,2nC on pourra utiliser le profil de )(2hCnfourni au 5.1.1 de la Recommandation UIT-R P.1621. Le Tableau 2 donne des valeurs de la scintillation damplitude pour

33、des frquences choisies entre 10 THz et 1 000 THz (entre 30 m et 0,3 m). On donne dans chaque cas les valeurs de 2lnN et ,2dBN en supposant que le profil de turbulence est celui du 5.1.1 de la Recomman-dation UIT-R P.1621, que louverture dantenne est infrieure la longueur de cohrence de latmos-phre,

34、r0, que langle dlvation est gal 75, que lantenne de la station terrienne est place 5,5 m au-dessus du sol et que la valeur quadratique moyenne de la vitesse du vent le long du trajet vertical, vrms, vaut 21 m/s ou 30 m/s. TABLEAU 2 Exemple de scintillations damplitude 4.1.1 Scintillation damplitude

35、sur les trajets Terre vers espace La variance 2sE du logarithme de lclairement sur les trajets dans le sens Terre vers espace reste faible (4). Des expriences ont confirm que la probabilit de dpasser cette limite tait faible. 2lnN diminue en gnral denviron deux ordres de grandeur lorsque la frquence

36、 passe de 24 750 THz (lorsque la longueur donde diminue de 12,5 m 0,4 m). Leffet de moyenne sur louverture dantenne nest gnralement pas pris en considration sur les trajets Terre vers espace. Dans un front donde sortant de latmosphre on observe la mme redistribution spatiale dnergie sa surface que d

37、ans le sens espace vers Terre. Toutefois, la diffraction du front donde, mesure que ce dernier se propage dans lespace, saccompagne de 2lnN2dBN2lnN2dBNFrquence (THz) Longueur donde (m) (vrms= 21 m/s) (vrms= 30 m/s) 563,9 0,532 0,23 4,41 0,36 6,88 352,9 0,850 0,14 2,58 0,21 3,98 282,0 1,064 0,10 1,93

38、 0,16 3,12 193,5 1,55 0,07 1,29 0,10 1,93 6 Rec. UIT-R P.1622 perturbations ponctuelles damplitude et de phase sur de larges zones. Le rayon de cohrence de phase au niveau de louverture de lantenne de rception de lengin spatial considr est donc beaucoup plus grand que la valeur probable de cette ouv

39、erture ( 1 m). Il ny a par consquent pas deffet de moyenne sur louverture dantenne et la scintillation apparaissant au niveau du rcepteur est donne par: 22ln2NpNsE=(5) Lorsque la frquence de fonctionnement est de 150 THz (2,0 m) et que 2lnN vaut environ 0,15, on observe un vanouissement de 4 dB pend

40、ant environ 1% du temps une frquence denviron 150 Hz pendant environ 105s. 4.1.2 Scintillation damplitude sur les trajets espace vers Terre La scintillation sur les trajets espace vers Terre peut avoir un effet suffisant pour altrer fortement le fonctionnement des rcepteurs. Si louverture dantenne d

41、u rcepteur est plus grande que la longueur de cohrence dans latmosphre, r0, leffet de la scintillation est spatialement moyenn sur louverture, ce qui diminue la variance 2lnN . Si cet effet de moyenne sur louverture est susceptible de diminuer la scintillation damplitude, il nen demeure pas moins qu

42、e le bruitage de la phase peut considrablement altrer le fonctionnement dun systme de rception optique mode spatial unique tel quun systme dtection cohrente ou un systme dtection directe pramplifie. La valeur de 2lnN sur un trajet espace vers Terre, 2Es, est modifie par un facteur de moyennage douve

43、rture, A. On le dfinit comme le rapport entre la variance du logarithme de lclairement calcule pour une ouverture rceptrice de dimensions finies et la valeur de cette mme grandeur calcule pour une ouverture ponctuelle. Les tapes du calcul sont les suivantes: Etape 1: Calculer la valeur de z0, altitu

44、de dchelle de turbulence: md)(d)(7/66/5222000=ZhnZhnhhhChhhCz (6) o: h0: altitude de la station terrienne au-dessus du sol (m) h : altitude au-dessus du sol (m) Z : altitude effective de la turbulence au-dessus du sol (20 000 m en gnral). Etape 2: Calculer la valeur de A, facteur de leffet de moyenn

45、e sur louverture: 6/7027sin101,111+=zDA (7) o: D : diamtre de louverture dantenne de la station terrienne (m) : angle dlvation : longueur donde (m). Rec. UIT-R P.1622 7 Etape 3: Calculer la valeur de ,2Esvariance du logarithme de lclairement sur un trajet espace vers Terre: 22ln2NpNEsA=(8) 4.2 Angle

46、 darrive Les fluctuations de langle darrive apparent du faisceau reu, dues aux turbulences, ont pour origine les variations des indices de rfraction des couches dair prsentes le long du trajet de propagation. Ces effets sont ngligeables dans le sens Terre vers espace, lcart quadratique moyen de lang

47、le darrive tant gnralement de lordre de 1 rad. Dans le sens espace vers Terre par contre, cet cart quadratique moyen est en revanche de lordre de plusieurs rad et doit par consquent tre pris en compte. On peut utiliser la mthode susmentionne pour calculer la variance 2 de langle darrive pour un trajet dans le sens espace vers Terre travers un profil de turbulence 2nC donn et un angle dlvation suprieur 45. Les paramtres suivants sont requis: h0: altitude de la station