Budget des liaisons par satellite avec modèles de propagation UIT-R : pluie, absorption de gaz et disponibilité de Monte-Carlo

Pourquoi les liaisons par satellite sont différentes

Une liaison hertzienne terrestre entre deux tours fixes présente une perte de trajectoire prévisible. Ajoutez quelques dB de marge de pluie et dites que c'est terminé. Les liaisons satellites supérieures à 10 GHz constituent une autre catégorie de problèmes : l'atténuation de la pluie à 20 GHz peut dépasser 20 dB lors d'une averse tropicale ; l'absorption de gaz provenant de l'oxygène et de la vapeur d'eau ajoute 0,5 à 3 dB selon l'angle d'altitude ; l'eau liquide des nuages contribue à 1 à 2 dB supplémentaires à des angles d'altitude élevés ; et l'ensemble du système doit atteindre une disponibilité spécifiée (par exemple, 99,9 % de l'année, ce qui signifie que les pannes ne dépassent pas 8,76 heures par an).

L'UIT-R a publié des modèles de propagation qui traduisent les statistiques relatives au taux de pluie en probabilités de dépassement de l'atténuation. L'analyseur de budget Satellite Link implémente directement P.618-13 (pluie et scintillation), P.676-13 (absorption gazeuse) et P.840-8 (atténuation des nuages), sans bibliothèque externe requise, et les associe à un taux de pluie Monte Carlo, à une perte de pointage, à une variation EIRP et à une variation G/T pour produire des courbes de disponibilité annuelles.

L'exemple : liaison descendante de diffusion directe en bande Ka

Le système cible est une liaison descendante directe par satellite en bande Ka (19,7—20,2 GHz) vers une antenne parabolique de 60 cm dans un climat maritime tempéré (zone de pluie K de l'UIT-R, R = 30 mm/h).

Entrez les paramètres de lien suivants :

Calcul du budget nominal de Clear-Sky

La perte de trajet en espace libre à 20 GHz sur la distance GEO est la suivante :

« MATHBLOCK_0 »

L'outil calcule le C/N0 reçu à partir des premiers principes :

« MATHBLOCK_1 »

où k = −228,6 dBW/K/Hz (constante de Boltzmann). À un angle d'élévation de 35°, le modèle d'absorption gazeuse P.676 donne environ 0,8 dB d'absorption d'oxygène et de vapeur d'eau (cela varie considérablement avec l'humidité de surface — l'outil utilise l'atmosphère de référence standard). Le P.840 ajoute 0,3 dB d'atténuation des nuages pour un trajet d'eau liquide de 10 g/m².

Ciel dégagé C/N0 = 52 − 209,5 − 0,8 − 0,3 + 12,8 + 228,6 = 82,8 dHz. Avec un débit de symboles de 45 Msps (bande passante de bruit de 75,5 dHz), Eb/N0 = 82,8 − 75,5 = 7,3 dB. La liaison se ferme avec une marge de 0,1 dB dans un ciel clair, soit pratiquement aucune marge de ciel clair, ce qui signifie que toutes les marges météorologiques doivent provenir de la spécification de disponibilité.

Atténuation de la pluie UIT-R P.618

Le modèle d'atténuation de la pluie P.618-13 calcule l'atténuation dépassée pendant p% de l'année dans la zone de pluie donnée. Le calcul :

1. Calculez l'atténuation spécifique de la pluie : γ _R = k × r.^α où, à 20 GHz, pol horizontal, k ≈ 0,0751, α ≈ 1,099
2. Calculez l'inclinaison effective sous la pluie : L_S = H_r/sin (θ), où H_r ≈ 3,5 km (hauteur de pluie aux latitudes moyennes) et θ = 35° d'altitude
3. Appliquer le facteur de réduction horizontal r.¹
4. Calculez A.¹ = γ _R × L_S × r.
5. Échelle à d'autres pourcentages de disponibilité en utilisant la loi de puissance P.618 Eq. 6

À une température de R = 30 mm/h, l'outil calcule A = 12,8 dB, soit l'atténuation de la pluie qui a dépassé 0,01 % de l'année (environ 52 minutes par an). Pour une disponibilité de 0,1 % (99,9 % de disponibilité des liaisons), la mise à l'échelle donne une atténuation de la pluie d'environ 6,4 dB.

Avec une marge de ciel dégagé de 0,1 dB et une marge de pluie requise de 6,4 dB, il faut ajouter une marge de fondu totale de 6,5 dB, soit par un EIRP (côté satellite) plus élevé, soit par une antenne parabolique plus grande, soit par un Eb/N0 requis plus faible (modulation plus robuste comme QPSK 1/2).

Monte Carlo : courbes de disponibilité incertaines

Le calcul de l'atténuation nominale de la pluie suppose que tout est à sa valeur nominale exacte. Dans la pratique, l'EIRP du satellite varie de ±1 dB pendant la durée de vie du satellite (bord du faisceau par rapport au centre, vieillissement du transpondeur), la perte de pointage varie de ±0,5 dB (vent, déformation thermique) et la distribution locale du taux de pluie est incertaine (les limites des zones de pluie UIT-R sont approximatives).

Exécutez Monte Carlo avec 100 000 essais dépassant ces tolérances. La sortie de la courbe de disponibilité indique la disponibilité annuelle médiane, 10e et 90e centile en fonction de la marge de décroissance. Principaux résultats :

Pour garantir une disponibilité de 99,9 % (la spécification) au 10e centile des performances du système, une marge de décoloration supplémentaire de 3 dB est requise. Cela signifie augmenter la taille de la parabole de 60 cm à environ 75 cm (augmentation du gain de 3 dB) ou faire fonctionner le transpondeur à une puissance plus élevée.

Mode terrestre ou mode satellite

Passez au type de liaison « terrestre » pour modéliser une liaison hertzienne point à point fixe en utilisant le même modèle de pluie (désormais une cellule de pluie monocouche au lieu d'une trajectoire oblique). Les coefficients P.838 sont identiques ; la longueur du trajet sous la pluie est fixée par la distance de liaison plutôt que calculée à partir de la géométrie orbitale. Ce mode est utile pour comparer une trajectoire satellite à une autre route de liaison terrestre.

Ce que les chiffres signifient sur le plan opérationnel

Pour un opérateur de diffusion commerciale, une disponibilité annuelle de 99,9 % signifie 8,76 heures de panne par an, ce qui est acceptable pour les services de divertissement non essentiels. Pour la sécurité aérienne ou les transactions financières, 99,99 % (52 minutes par an) ou 99,999 % (5 minutes par an) sont nécessaires, chacun représentant un investissement de marge supplémentaire de 3 à 4 dB.

La sortie Monte Carlo vous donne la marge requise non seulement pour un seul système nominal, mais aussi pour l'ensemble du parc de terminaux installés et pendant la durée de vie orbitale du satellite. C'est la différence entre un budget de liaison papier et un intervalle de confiance de déploiement.

[Analyseur de budget par liaison satellite] (/tools/sat-link-budget)