Эффект Доплера на линиях космической связи

Одной из особенностей радиосвязи с движущимся объектом (с кос-мическим аппаратом в том числе) является то, что частоты принимаемых сигналов отличаются от передаваемых в результате так называемого эффекта Доплера. Причина эффекта заключается в том, что при передаче сообщения длительностью t ₀ оно принимается за время

, (9.1)

где v – проекция скорости перемещения источника излучения относительно наблюдателя на связывающую их прямую (рис. 9.1); c – скорость света.

Чаще всего скорость распространения волны можно принять равной скорости света в вакууме. Таким образом, все сообщение в пункте приема окажется растянутым во времени (в формуле – знак «плюс») или сжатым во времени при знаке «минус». Соответственно каждая составляющая частотного спектра сигнала будет иметь положительные или отрицательные приращения. При удалении источника излучения от наблюдателя частота сигнала уменьшается (приращение отрицательное), а при приближении к наблюдателю – увеличивается (приращение частоты положительное). При этом каждая спектральная составляющая сигнала получает разные приращения частоты, а именно: более высокочастотная составляющая получает большее абсолютное приращение.

Таким образом, при достаточно больших скоростях движущегося источника излучения относительно наблюдателя (приемника) возникают, во-первых, сдвиг частоты сигнала, называемый доплеровским сдвигом, во-вторых, деформация спектра сигнала.

Доплеровский сдвиг частоты можно определить по приближенной формуле:

. (9.2)

В случае, когда связь ведется с нестационарным спутником, максимальный доплеровский сдвиг частоты возникает в момент выхода спутника из области тени и при появлении его на линии горизонта. Доплеровский сдвиг, равный нулю, соответствует нахождению спутника в зените относительно пункта приема, что соответствует нулевой относительной скорости.

Доплеровский эффект необходимо учитывать при определении полосы пропускания приемника. Если не принимать меры для компенсации эффекта Доплера, полоса пропускания приемника должна составлять

, (9.3)

где ∆ f ₀ – полоса частот передаваемого сигнала; ∆ f _д – максимальный доплеровский сдвиг при распространении в свободном пространстве; ∆ f _ат – ошибка в определении доплеровского сдвига частоты из-за влияния неоднородностей атмосферы.

Величина ∆ f _д определяется относительной скоростью искусственного спутника Земли (ИСЗ), параметрами орбиты (высотой, формой, наклонением), расположением наземной станции и несущей частотой f.

При величине , равной примерно 10^–4...10^–5, и передаче на частотах 1...10 ГГц величина ∆ f _д может достигать 0,2 МГц. Для уменьшения влияния доплеровского эффекта в приемных устройствах применяют системы автоматической подстройки частоты гетеродина или в соответствии с орбитой ИСЗ вводится соответствующая поправка на сдвиг в несущую частоту передатчика. Ни один из этих методов не устраняет искажений спектра сигнала. Однако при сравнительно малых скоростях движения спутников вокруг Земли и работе на сравнительно высоких частотах в режиме частотной модуляции искажение спектра сигнала мало сказывается на разборчивости телефонного разговора или на изображении при телевизионном вещании.

Пример 9.1. Определить доплеровский сдвиг при связи с межпланетным кораблем, удаляющимся от Земли со скоростью 10 км/с. Несущая частота передатчика равна 6000 МГц.

По формуле (9.2) определяем:

МГц

(минус означает, что расстояние между пунктами связи увеличивается, т.е. частота волны уменьшается).