ГОСТ Р 25645.337-94

Группа Т27

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РАДИОСИСТЕМЫ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Радиофизическая модель околосолнечной плазмы

Radiosystems of cosmic apparatus.
Radiophysical model of the solar plasma

ОКСТУ 6702

Дата введения 1995-07-01

Предисловие

     1 РАЗРАБОТАН И ВНЕСЕН Институтом радиотехники и электроники Российской Академии наук и Всероссийским научно-исследовательским институтом стандартизации (ВНИИстандарт) Госстандарта России
     
     2 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Госстандарта России от 01.11.94 N 262
     
     3 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ
     
     

1 ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

     Настоящий стандарт устанавливает радиофизическую модель, описывающую влияние околосолнечной плазмы на проходящие через нее радиосигналы в диапазоне длин волн 3-30 см. Стандарт предназначен для расчета радиосистем, обеспечивающих связь, навигацию и траекторные измерения космических аппаратов, движущихся по околосолнечной орбите.
     
     

2 ОПРЕДЕЛЕНИЯ

     В настоящем стандарте применяют следующие термины и определения:
     
     1 прицельное расстояние радиолуча: Наименьшее расстояние между центром Солнца и трассой распространения радиоволн по линии: космический аппарат - наземный пункт
     
     2 элонгация: Угловое расстояние между направлениями на космический аппарат и центр Солнца
     
     3 радиальный профиль электронной концентрации: Зависимость электронной концентрации от гелиоцентрического расстояния
     
     4 пространственный спектр турбулентности: Распределение неоднородностей плазмы по пространственным волновым числам
     
     5 нормированная дисперсия напряженности поля: Отношение среднего значения квадрата флуктуаций напряженности поля к квадрату средней напряженности поля
     
     6 дисперсия флуктуаций фазы: Среднее значение квадратов случайных отклонений фазы за интервал наблюдения
     
     7 дисперсия флуктуаций частоты: Среднее значение квадратов случайных отклонений частоты за интервал наблюдения
     
     8 групповое запаздывание радиоволн в околосолнечной плазме: Различие во времени распространения радиоволн через околосолнечную плазму по сравнению с распространением в вакууме
     
     9 уширение спектральной линии радиосигналов: Увеличение ширины спектральной линии гармонических сигналов, обусловленное хаотическими колебаниями частоты из-за движения неоднородностей через трассу распространения радиоволн.
     
     

3 ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

     3.1 Геометрические параметры трассы распространения радиоволн:
     
     - прицельное расстояние  - минимальное расстояние между линией радиосвязи и центром Солнца, , см;
     
     - элонгация  - угловое расстояние между направлениями на источник и центр Солнца;
     
     -  см - среднее расстояние от Земли до Солнца;
     
     -  см - радиус Солнца;
     
     -  - гелиоцентрическое расстояние;
     
     - расстояние  от наземного пункта до области наибольшего рассеяния радиоволн, которая расположена вблизи прицельной точки радиолуча, , см;
     
     - расстояние  от области наибольшего рассеяния до космического аппарата.
     
     3.2 Характеристики околосолнечной плазмы:
     
     -  см - радиус электрона;
     
     - средняя электронная концентрация околосолнечной плазмы , см;
     
     - дисперсия флуктуаций электронной концентрации , см;
     
     - скорость движения потоков плазмы , см/с;
     
     - спектр турбулентности околосолнечной плазмы , где  - волновое число, см;
     
     - внешний масштаб турбулентности , см;
     
     - внутренний масштаб турбулентности , см;
     
     - спектральный индекс пространственного спектра турбулентности ;
     
     - число Вольфа .
     
     3.3 Характеристики радиосигналов:
     
     - длина волны , см;
     
     - нормированная дисперсия флуктуации напряженности поля , определяемая как отношение среднего квадрата флуктуаций амплитуды радиоволн к квадрату среднего значения амплитуды;
     
     - дисперсия флуктуаций фазы , рад;
     
     - дисперсия флуктуаций фазы , Гц;
     
     - групповое запаздывание радиоволн , с;
     
     - эквивалентная ширина спектральной линии сигналов , Гц.
     
     

4 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

     4.1 Характеристики околосолнечной плазмы определяют условия радиосвязи с заходящими за Солнце космическими аппаратами, влияют на точность траекторных измерений и качество передачи телеметрической информации.
     
     4.2 Нормированная дисперсия флуктуаций напряженности поля  зависит от длины волны, прицельного расстояния радиолуча , расстояния между космическим аппаратом и Солнцем , интенсивности неоднородностей электронной концентрации плазмы . При определенных прицельных расстояниях радиолуча флуктуации напряженности поля становятся насыщенными.
     
     4.3 Флуктуации фазы, частоты и связанные с ними погрешности траекторных измерений определяются длиной волны, прицельным расстоянием луча , интенсивностью неоднородностей электронной концентрации, скоростью их перемещения . Использование операции аппаратурного усреднения позволяет уменьшить влияние частотных флуктуаций и улучшить точность определения как скорости движения космического аппарата, так и расстояния до него.
     
     4.4 Формирование радиофизической модели осуществляют путем построения зависимостей характеристик радиосигналов от геометрических параметров трассы радиосвязи и характеристик околосолнечной плазмы.
     
     

5 РАДИОФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ОКОЛОСОЛНЕЧНОЙ ПЛАЗМЫ

     5.1 Электронную концентрацию при невозмущенных условиях в околосолнечной плазме рассчитывают по формуле
     

, см.             (1)

     
     5.2 Спектральный индекс пространственного спектра турбулентности  вычисляют по формуле      

     .                                        (2)

     5.3 Внешний масштаб турбулентности  возрастает с удалением от Солнца в соответствии с эмпирической зависимостью
     

, см.                              (3)

     
     5.4 Внутренний масштаб неоднородностей  возрастает с увеличением гелиоцентрического расстояния  так же, как и скорость их перемещения, в соответствии с таблицей 1.
     
     
Таблица 1 - Характерные значения радиофизических параметров   и  в околосолнечном и межпланетном пространстве

     
     
     Для промежуточных значений  значения параметров  и  определяют методом интерполяции.
     
     

6 МЕТОДИКА РАСЧЕТА ВЛИЯНИЯ ОКОЛОСОЛНЕЧНОЙ
ПЛАЗМЫ НА ПАРАМЕТРЫ РАДИОВОЛН

     Методика заключается в использовании зависимостей, установленных в радиофизической модели, для расчета параметров линий радиосвязи с учетом влияния околосолнечной плазмы.
     
     6.1 Нормированную дисперсию флуктуации напряженности поля радиоволн, характеризующую ухудшение качества передачи информации по радиолинии, вычисляют по формуле
     

,                 (4)

     
где  - функция, зависящая от спектрального индекса пространственного спектра турбулентности, значения которой представлены в таблице 2.
     
     
Таблица 2 - Зависимость функции  от спектрального индекса

     
     
     Для промежуточных данных  значения  определяют методом интерполяции.
     
     6.2 Дисперсию флуктуации фазы радиоволн, прошедших через околосолнечную плазму, определяют по формуле
     

,      (5)

     
где  - гамма-функция.
     
     6.3 Дисперсию флуктуаций частоты, создаваемых движением неоднородностей всех масштабов, определяют выражением.
     

.               (6)

     
     Применение усреднения по времени приводит к сглаживанию флуктуаций частоты. После усреднения за время  дисперсию флуктуаций частоты находят из соотношения
     

.           (7)

     
     6.4 Различие группового запаздывания радиоволн  в плазме и в вакууме определяют из соотношения
     

, с                (8)

     
где  - частота, Гц.
     
     6.5 Эффективную ширину спектральной линии  находят по формуле
     

.         (9)

     
     Значения функции  приведены в таблице 3.
     
     
Таблица 3 - Зависимость функции  от спектрального индекса

     
     
     6.6 Расчетные соотношения для флуктуаций напряженности поля справедливы до прицельных расстояний радиолуча, превышающих так называемое критическое значение . Это значение определяют по известной длине волны , исходя из уровня солнечной активности:
     

.                                              (10)

     
     Показатель степени 0,64±0,05. Значение коэффициента  изменяется от 1,8 при низкой активности Солнца (число Вольфа <20) до 2,2 при высокой активности (>80). Для умеренной активности (30...70) 2,0.
     
     Представленные соотношения для расчета характеристик радиосигналов, прошедших через околосолнечную плазму, справедливы для средних условий в околосолнечном пространстве, т.е. когда число Вольфа 12...15. Если число Вольфа отличается от указанных значений , необходимо рассчитанные параметры , , , ,  умножить на поправочный множитель .