ITU-R SA 1742 FRENCH-2006 Technical and operational characteristics of interplanetary and deep-space systems operating in the space-to-Earth direction around 283 THz《运行在空对地方向283 TH.pdf

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1、 Rec. UIT-R SA.1742 1 RECOMMANDATION UIT-R SA.1742 Caractristiques techniques et oprationnelles des systmes liaisons interplantaires en espace lointain fonctionnant dans le sens espace vers Terre au voisinage de 283 THz (Question UIT-R 235/7) (2006) Domaine de comptence La prsente Recommandation spc

2、ifie les paramtres techniques (frquences, liaison, caractristiques de signaux et de donnes, paramtres dantenne, etc.) et les caractristiques oprationnelles des systmes liaisons interplantaires en espace lointain fonctionnant dans le sens espace vers Terre au voisinage de 283 THz, qui pourraient tre

3、utiliss dans les tudes de partage. LAssemble des radiocommunications de lUIT, considrant a) que lon planifie actuellement lutilisation par certains systmes satellites de liaisons de tlcommunication pour les radiocommunications interplantaires en espace lointain au voisinage de 283 THz; b) que, sur l

4、a base des progrs techniques rcemment enregistrs, les astronomes uvrent de concert pour construire des tlescopes et faire des observations dans cette partie du spectre; c) que cette partie du spectre est galement utilise pour dautres services de Terre et spatiaux; d) que cette partie du spectre est

5、galement utilise des fins scientifiques ou industrielles autres que celles lies aux radiocommunications; e) que les mcanismes de brouillage entre satellites fonctionnant dans lespace lointain et systmes passifs tels que les systmes dastronomie fonctionnant au-dessus de 20 THz peuvent tre diffrents d

6、e ceux qui surviennent dans la gamme des frquences radiolectriques, reconnaissant 1 que, conformment au numro 78 de larticle 12 de la Constitution de lUIT, les fonctions du Secteur des radiocommunications consistent entre autres . procder des tudes sans limitation quant la gamme de frquences et adop

7、ter des Recommandations .; 2 que, lorsquelles mnent des tudes ou laborent des projets de nouvelle Recommandation, les Commissions dtudes doivent considrer, au titre de la Note 2 du numro 1005 de lAnnexe de la Convention de lUIT, que le terme radiocommunications se rapporte galement aux ondes lectrom

8、agntiques dont la frquence est suprieure 3 000 GHz et qui se propagent dans lespace sans guide artificiel; 3 que lutilisation et le partage de cette partie du spectre nont pas t tudis de manire approfondie par lUIT-R, 2 Rec. UIT-R SA.1742 recommande 1 que, dans les tudes de partage relatives aux sat

9、ellites de recherche spatiale fonctionnant dans le sens espace vers Terre au voisinage de 283 THz dans lespace lointain, il soit tenu compte des paramtres techniques et oprationnels exposs dans les Annexes 1 et 2. Annexe 1 1 Introduction La demande accrue de spectre et les progrs techniques conduise

10、nt sintresser davantage lutilisation des frquences au-dessus de 3 000 GHz pour les radiocommunications en espace libre. Les nombreuses amliorations techniques rcemment enregistres dans le domaine des tlcommunications par fibres optiques, en particulier dans le domaine des lasers, de la modulation et

11、 des techniques de rception, ont permis de raliser des liaisons de radiocommunication dans les bandes au-dessus de 3 000 GHz. Les radiocommunications en espace libre des frquences suprieures 3 000 GHz permettent dacheminer des dbits binaires plus levs en utilisant des systmes moins lourds que les sy

12、stmes radiolectriques classiques et permettent de satisfaire aux spcifications de gain et de directivit applicables aux faisceaux utiliss pour les applications en espace lointain. 1.1 Considrations lies aux frquences A lheure actuelle, les liaisons de radiocommunication en espace libre au-dessus de

13、3 000 GHz qui suscitent le plus dintrt se situent au voisinage de 200, 283, 311 et 353 THz1, ce qui correspond des longueurs donde denviron 1,5, 1,06, 0,965 et 0,850 m. Il sagit aussi des frquences les plus utilises pour les tlcommunications par fibres optiques. Dans le cas de radiocommunications in

14、terplantaires en espace libre dans le sens espace vers Terre, on sintresse essentiellement lutilisation damplificateurs fibres optiques dops lytterbium (Yb) et exploits 1,06 m en configuration oscillateur matre/amplificateur de puissance (MOPA, master-oscillator-power amplifier), lutilisation de las

15、ers fonctionnant en rgime dclench, de lasers grenats dyttrium et daluminium dops au nodyme (Nd:YAG) ou des lasers cristaux de vanadium dops au nodyme (Nd:YVO4), une frquence dexploitation voisine de 283 THz (1,06 m), bien que, suivant les spcifications de la mission, dautres frquences soient envisag

16、eables. On utilise principalement les lasers Yb, Nd:YAG et Nd:YVO4,en raison de leur disponibilit et de leur fiabilit. 1.2 Paramtres de mission types La dtermination des paramtres techniques adapts lanalyse des brouillages devrait tre fonde sur les caractristiques de missions interplantaires types v

17、ers Mars et Jupiter. Pour minimiser le poids des systmes utiliss et la consommation dnergie, les liaisons doivent permettre de rpondre aux besoins de radiocommunication apparaissant peu aprs le lancement et perdurant tout au long de la mission, ce qui rend inutiles les systmes de radiocommunication

18、additionnels. La longueur 11 THz = 1 000 GHz. Rec. UIT-R SA.1742 3 dune liaison variera donc de quelques milliers de km plusieurs units astronomiques (UA)2. Les distances de la Terre Mars ou Jupiter sont comprises entre 0,5 et 6,2 UA. On trouvera dans le Tableau 1 un rcapitulatif des paramtres techn

19、iques fondamentaux dune liaison en espace lointain exploite 283 THz dans le sens espace vers Terre. 2 Considrations relatives la liaison On peut utiliser un laser Yb, Nd:YAG ou Nd:YVO4pour une liaison en espace lointain exploite 283 THz dans le sens espace vers Terre. Le faisceau est en principe mis

20、 par un tlescope de 30 cm de diamtre situ bord de lengin spatial et reu sur Terre par un tlescope de diamtre quivalent compris entre 4,2 m et 10 m3. TABLEAU 1 Paramtres techniques associs deux missions de rfrence en espace lointain utilisant une liaison 283 THz dans le sens espace vers Terre Paramte

21、 Mars Jpiter Puissance de lmetteur 5 W (en moyenne ) Diamtre de lmetteur 30 cm Frquence dmission (longueur donde) 283 THz (1,06 m) Modulation Modulation dimpulsions en position (MIP) (M = 64 256) avec codage concatn Prcision du pointage 0,35 rad Longueur de la liaison 0,5 2,5 UA 4,2 6,2 UA Dbit bina

22、ire (en journe au niveau dune station terrienne)(1)3 30 Mbit/s (antenne de station terrienne de 4,2 m) 1,5 3 Mbit/s (antenne de station terrienne de 10 m) Diamtre du rcepteur Diamtre quivalent compris entre 4,2 et 10 m Type de dtecteur Matrice de photodiodes avalanche InGaAsP/InP en mode Geiger Marg

23、e de puissance requise sur la liaison 2 3 dB (1)Les dbits binaires nocturnes sur Terre sont suprieurs denviron 30% (1,13 dB). 2.1 Qualit de fonctionnement de la liaison A linstar dun systme fonctionnant en espace lointain dans la gamme classique des frquences radiolectriques, la qualit de fonctionne

24、ment dune liaison exploite 283 THz est mesure en dbit binaire et taux derreurs binaires (TEB). Elle est calcule en fonction de la puissance, de la 21 UA 149 597 870 km. 3Pour une liaison de tlcommunication en espace libre au voisinage de 283 THz, un tlescope est en fait une antenne. 4 Rec. UIT-R SA.

25、1742 qualit du tlescope, de considrations lies la propagation, du bruit et de la sensibilit du rcepteur. Chacun de ces paramtres dpend de variables additionnelles. 2.1.1 Dbit binaire Contrairement un systme fonctionnant en espace lointain dans la gamme classique des frquences radiolectriques, le dbi

26、t binaire nest pas exactement inversement proportionnel tous les autres paramtres tant constants par ailleurs au carr de la distance de propagation. Cette relation est toutefois une trs bonne approximation dans le cas dune liaison dont une des extrmits se trouve proximit de Mars et de Jupiter et peu

27、t donc servir de rgle empirique. Le dbit binaire en provenance de Mars variera en fonction de nombreux paramtres, dont la longueur de la liaison et sa position par rapport au Soleil. Un tel dbit sera gnralement environ dix fois suprieur au dbit de donnes mises depuis le voisinage de Jupiter. 2.1.2 T

28、EB Pour tre conserves, les trames de donnes doivent prsenter un TEB infrieur 106aprs correction. 99% des trames de donnes dune liaison doivent pouvoir tre conserves. 2.1.3 Spcification de la marge Une marge de lordre de 2 3 dB est gnralement requise pour une liaison en espace lointain ou interplanta

29、ire exploite 283 THz dans le sens espace vers Terre. Celle-ci dpend, entre autres, des conditions mtorologiques, de lheure et de langle dlvation. 2.2 Modulation Les liaisons interplantaires en espace lointain exploites au voisinage de 283 THz utiliseront la modulation MIP. Cette technique de modulat

30、ion permet la dtection directe (plus prcisment le comptage des photons) par le rcepteur au lieu dutiliser des rcepteurs cohrents. Le signal MIP fera lobjet dun codage concatn. La modulation MIP fait intervenir une seule impulsion dnergie pendant la dure dun mot. M bits de donnes peuvent tre transmis

31、 laide dune seule impulsion dnergie occupant un des 2Mintervalles de temps dun mot. Une partie de la dure totale dun mot sert recharger le laser et ne sera jamais utilise pour transmettre une impulsion. Ce temps de recharge, ou temps mort, occupe souvent lessentiel dun mot aux faibles dbits mais dev

32、ient moins important aux dbits plus levs. Les caractristiques temporelles dun signal MIP et les mesures correspondantes sont illustres sur la Fig. 1. Rec. UIT-R SA.1742 5 2.3 Puissance disponible Un metteur laser de type Yb, fonctionnant en rgime dclench, Nd:YAG ou Nd:YVO4, fournit gnralement une pu

33、issance moyenne de 5 W. La puissance crte varie en fonction du dbit binaire mais peut tre de lordre de 30 40 dBW. La procdure indique ci-aprs permet de calculer la puissance crte, Ppeak, fournie par un metteur MIP. Les paramtres suivants sont requis: M: indice de modulation Pave: puissance moyenne d

34、mission (W) td: temps mort (s) p: dure dune impulsion de lmetteur (s) ts: dure dun intervalle de temps (s). Etape 1: Calculer la dure dun mot, tw, comme suit: dswttMt += s (1) Etape 2: Calculer lnergie par mot, Eword, comme suit: wavewordtPE =J (2) NOTE 1 Comme il ny a quune impulsion par mot, lnerg

35、ie par impulsion est gale lnergie par mot (cest-dire Epulse= Eword). Etape 3: Calculer la puissance crte dmission, Ppeak, comme suit: ppulsepeaktEP = W (3) 6 Rec. UIT-R SA.1742 2.4 Signal reu La mthode gnrale pour calculer le niveau du signal de frquence 283 THz reu par la station terrienne est iden

36、tique celle quon utilise pour les systmes radiolectriques classiques: saprtrttSLLLLLGGPP += dBW (4) o: PS: puissance du signal reu t: puissance moyenne de sortie du laser (valeur gnralement comprise entre 4,7 et 7,0 dBW) Gt: gain de lantenne dmission (valeur type: 119 dB). Son calcul est dtaill au 2

37、.6.2 Gr: gain de lantenne de rception (valeur gnralement comprise entre 129 et 149 dB). Son calcul est dtaill au 2.6.3 Lt: affaiblissements dans lmetteur r: affaiblissements dans le rcepteur Lp: affaiblissements dus au dpointage a: affaiblissements dans latmosphre le long de la liaison espace vers s

38、ol Ls: affaiblissement en espace libre. 2.5 Affaiblissements sur la liaison Il existe cinq sources principales daffaiblissements sur la liaison: les affaiblissements internes lmetteur, Lt, qui comprennent les effets des affaiblissements par absorption, diffusion et rflexion du train dimpulsions opti

39、ques dans lmetteur; les affaiblissements internes au rcepteur, Lr, qui comprennent les effets des affaiblissements par absorption, diffusion et rflexion du train dimpulsions optiques dans le rcepteur; les affaiblissements dus au dpointage, Lp, qui comprennent les effets de gigue de lantenne ou de le

40、ngin spatial et le dpointage de lantenne dmission; les affaiblissements dans atmosphre, La, qui comprennent les effets de la diffusion et des turbulences atmosphriques; laffaiblissement en espace libre, Ls, d lespacement physique entre lmetteur et le rcepteur. Les valeurs de chaque source daffaiblis

41、sement varient en fonction de la conception des quipements, de leur anciennet, des spcifications et de la phase de la mission. Les valeurs daffaiblissement utiliser pour une analyse de brouillage type sont proposes dans le Tableau 2. La propagation dans latmosphre dans cette partie du spectre a t tu

42、die en dtail par la Commission dtudes 3 des radiocommunications dans les Recommandations UIT-R P.1621 et UIT-R P.1622. Rec. UIT-R SA.1742 7 TABLEAU 2 Paramtres techniques associs deux missions de rfrence en espace lointain utilisant une liaison 283 THz dans le sens espace vers Terre Mcanisme daffaib

43、lissement Valeur type Affaiblissements dans lmetteur, Lt0,63 (= 2 dB) Affaiblissements dans le rcepteur, Lr0,63 (= 2 dB) Affaiblissements dus au dpointage, Lp0,63 (= 2 dB) Affaiblissements dans latmosphre, La0,89 (= 0,5 dB) 90 0,56 (= 2,5 dB) 30 Laffaiblissement en espace libre, Ls, dune liaison exp

44、loite 283 THz se calcule comme pour les systmes radiolectriques classiques: 224 4=RfcRLs(5a) A 283 THz, cette expression se rduit : 21510 169,7RLs= (5b) o: R: distance entre lmetteur et le rcepteur (m). 2.6 Paramtres associs aux tlescopes dmission/de rception Les liaisons de radiocommunication inter

45、plantaires en espace lointain exploites au voisinage de 283 THz utiliseront des tlescopes comme antenne dmission ou de rception. Les paramtres types dun tlescope dmission seront trs diffrents de ceux dun tlescope de rception, ce qui aura une incidence sur leur diagramme de gain respectif. Les diagra

46、mmes dantennes dmission et de rception seront galement diffrents puisque le systme optique dmission est gnralement aliment par un faisceau distribution gaussienne alors que le systme optique de rception contient un dtecteur plan. On se reportera lAnnexe 2 pour obtenir les enveloppes de diagrammes de

47、 gain dantenne dmission ou de rception fonctionnant au voisinage de 283 THz. 2.6.1 Diamtre Aux fins danalyse des brouillages, on supposera que le diamtre de lantenne dmission est de 30 cm. Louverture dmission sera ou non occulte par une occultation de 3 cm de diamtre. Le diamtre quivalent de lantenne de rception peut varier entre 1 et 10 m mais sera au moins gal 4,2 m pour la plupart des applications. Aux fins danalyse des brouillages, des diamtres de 1; 4,2 et