Расчет спутниковой линии связи Алматы-Лондон

Тип работы:
Дипломная
Предмет:
Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

  • Казахский энергетический университет
  • Кафедра Многоканальной Связи
  • Диплом
  • Расчет спутниковой линии связи Алматы -Лондон
  • Мазм?ндама
  • Б?л диплом жобасында халы? аралы? корпоративтік байлаііыс ж? йссі ?арастырылады. Осы моселе дамыган нары? ты? жа? дайьшдагы бизнес саласында сеыімді санды? байланыс? ажеттілігімен байланысты т? сіндіріледі. Жобаны? негізгі міндеті -- Алматыдан тартыл? ан радиожеліні Лондон ар? ылы отетін тікелсй халы? аралы? байланыс арнасына жеткізу.
  • ?арастырыл?ан міндетті ж? зеге асыру? шіІІ жобада жолсеріктік скі аралы? ?ткіннен ж? не ІКТ ?ызмст сту аймагынан т? ратыи жолссріктік жслі жоне радиорелсйлік жсліні? ?лпіемдсрі ?арастырылады. Сондай-а?, е? бекті ?оргау жаіудайлары мсп орындаушыларды? ?мірлік ?рекетіні? ?ажеггі корссткіштсріне сссптелген бизнес-жоспар да?? рылган.
  • Аннотация
  • В данном дипломном проекте рассматриваются вопросы построения межгосударственной корпоративной системы связи и ее качественные показатели. Это обусловленно тем, что в условиях развивающегося рынка, как в сфере бизнеса, необходима надежная цифровая сеть связи. Задача проекта — разработать сеть связи от Алматы до прямых международных каналов связи через Лондон.
  • В проекте рассчитываются параметры спутниковой линии, радиорелейной линии, и зону обслуживания IRT. Расматриваются вопросы охраны труда и экологии, проведены технико — экономические расчеты подтверждающие верность решений.
  • Содержание
  • Введение
  • 1 Анализ существующего положения.
  • 2 Обоснования темы проекта.
  • 3 Энергетический расчет спутниковой связи.
  • 3.1 Исходные данные для проектирования.
  • 3.2 Уравнения связи для двух участков
  • 4 Прохождение сигналов в системах космической связи
  • 4.1 Расчет ослабления уровня сигнала в атмосфере
  • 4.2 Расчет ослабления уровня сигнала, в зоне дождя
  • 5 Расчет шумов
  • 5.1 Расчет шумов
  • 5.2 Расчет мощностей передатчиков
  • 6. Расчет электромагнитной совместимости двух спутниковых систем.
  • 7. Расчет РРЛ прямой видимости
  • 7.1. Построение профилей пролетов и определение минимального просвета
  • 7.2 Расчет запаса на замирание
  • 7.3 Расчет времени ухудшения связи из-за дождя
  • 7.4 Расчет времени ухудшения связи, вызванного субрефракцией волн
  • 7.5 Расчет времени ухудшения связи из-за многолучевого распространения.
  • 8. Определение зоны обслуживания ЦС системы радиодоступа ІRТ-2000
  • 9. Охрана труда и безопасность жизнедеятельности.
  • 9.1. Меры безопасности при монтаже и эксплуатации антенны
  • 9.2. Безопасность труда оператора при работе с ЭВМ
  • 9.3 Расчет искуственного освещения.
  • 9.4. Пожарная безопасность
  • 9.5 Расчет защитного заземления
  • 10. Бизнес — план
  • 10.1 Сущность проекта
  • 10.2 Характеристика проекта
  • 10.3 Маркетинг
  • 10.4 Организационный план
  • 10.5 Доходы компании
  • 10.6 Сравнение данной системы с системой использующей кабельные соединения
  • Заключение
  • Перечень принятых сокращений
  • Список литературы
  • Приложение

Введение

В условиях развивающегося рынка как в сфере телекоммуникаций, так и в сфере бизнеса необходима надежная цифровая сеть связи. Система радиодоступа и радиорелейное оборудование необходимо для непосредственного предоставления услуг потребителям, а спутниковая линия связи для выхода на прямые международные телефонные каналы связи через Лондон.

Возможность передачи информации с помощью искусственных спутников Земли (ИСЗ) появилась в 1957 г. после запуска в нашей стране первого ИСЗ. Успешный вывод на орбиту первых связных ИСЗ в 1960 — 1962 гг. положил начало созданию нового типа линий дальней радиосвязи и послужил основой для развития теории и практики спутниковой радиосвязи.

Следующий этап развития, связанный с запуском спутников «Молния» и «Еагlу Вігd» в 1965 г., ознаменовал переход от отдельных линий к системам спутниковой связи (ССС) и их практическому использованию.

Высокие технико-экономические показатели определили широкое внедрение в коммерческую эксплуатацию большого числа различных ССС. К концу 1985 г. только на геостационарной орбите (ГО) действовало более 110 спутников связи. Были созданы международные системы («Интелсат», «Интерспутник», «Инмарсат»), региональные ССС для групп государств и национальные системы в десятках государств мира.

Связь через ИСЗ заняла, таким образом, лидирующее положение среди других видов электросвязи. Это, прежде всего, объясняется высокой пропускной способностью линий спутниковой связи, большой экономической эффективностью передачи информации на большие расстояния, возможностью организации глобальной (всемирной) связи, а также простотой организации новых линий и направлений связи.

Сегодня спутники связи — неотъемлемая часть повседневной жизни и трудно представить нашу деятельность без них. Все страны мира связаны телефонной, телексной и факсимильной связью.

Особое значение развития спутниковой связи имеет для нашей страны, с ее громадной территорией, большими малоосвоенными регионами с невысокой плотностью населения, неразвитой инфраструктурой. Только с созданием ССС многие регионы могут получить надежные средства связи с центром и другими районами страны.

Первая в мире национальная ССС начала создаваться в СССР в 1965 г., когда впервые был осуществлен обмен телепрограммами между Москвой и Владивостоком через ИСЗ «Молния».

Происходящий в странах СНГ процесс демонополизации связи привел к появлению многих фирм-операторов, работающих через спутники и обеспечивающих соединения внутри выделенной сети, а также выход на сеть общего пользования и даже международные соединения. При этом на отечественном рынке и на отечественных сетях появились земные станции западного производства. Некоторые из операторов используют в своей работе емкости спутников международных организаций, таких как Intelsat, что и предлагается использовать в данном проекте.

1 Анализ существующего положения.

Международный консорциум спутниковой связи Іntelsat образован в 1964 г. Главной целью создания данной организации было обеспечение международных коммуникаций для всех стран на недискриминационной основе. Сегодня в организации 145 стран-подписантов и сотни других пользователей ее услуг [2]. Іntelsat сегодня предоставляет спутниковые коммуникации для передачи всех видов информации: речь, Іnternet, данные и видео. Через спутники системы Іntelsat размещенные группами над Атлантическим, Индийским и Тихим океанами, передается примерно 2/3 международного трафика и осуществляется почти весь ТВ обмен. Часть стволов сдается в аренду более чем 30 странам для организации национальных ССС [1]. За прошедшие годы были разработаны и эксплуатированы восемь поколений ИСЗ Іntelsat, каждый следующийхарактеризовался применением технических новшеств и возрастанием пропускной способности.

Іntelsat владеет одной из самых мощных и надежных группировок спутников. Надежность находится в пределах 99,9%. Наземный сегмент составляет более 2000 станций с диаметрами антенн от менее 1 м до 30 м и более [2].

Іntelsat имеет группировку из 19 спутников, размещенных на геостационарной орбите: Іntelsat 5/5А, Іntelsat 6, Іntelsat 7/7А и Іntelsat 8/8А. Следующее поколение спутников серии Іntelsat 9 находится в разработке [2].

Структура данной системы связи приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. — Структурная схема межгосударственной корпоративной системы связи.

На данном рисунке видно, что в качестве ретранслятора используется искусственный спутник земли системы Іntelsat.

Используемый в данном проекте в качестве ИСЗ спутник Іntelsat 804, то есть восьмой серии четвертого запуска, был выведен на орбиту ракетоносителем Аrіаnе 421 21 октября 1997 г. Введен в действие 21 декабря того же года. Размещен над Индийским океаном на геостационарной орбите-- 64 в.д. Зона покрытия данного ИСЗ привидена в приложении А.

Все остальные данные по ИСЗ Іпtelsat804 превидены в исходных данных для проектирования.

Система радиодоступа ІКТ-2000, используется в случае, если абонент находится удаленно от основных кабельных магистралей. ІКТ-2000-это система типа точка-много точек разработанна главным образом для соединения изолированных абонентов с телефонной сетью.

Характеристики службы:

Соединение телефонных (проводных или беспроводных) и телеграфных
абонентов, а также абонентов передачи данных.

Совместимость с ISDN.

Качество обслуживания, соответствующее обеспечиваемому телефонными станциями.

Сеть и оборудование могут быть развернуты быстро с большой
гибкостью.

Система IRT-2000 адаптирована для большого числа разнообразных приложений, включая сельские системы связи, специализированные городские сети передачи данных, ISDN, соединение и контроль морских платформ, инфраструктура связи подвижных радиосетей и сетей контроля.

Система IRT-2000 соединяет большую емкость с широкой зоной перекрытия. Абоненты могут быть соединены без существенного ограничения по дальности до 2000 км.

Система обеспечивает доступ абонента ко всем услугам, предлагаемыми самыми современными сетями связи, с прозрачностью для пользователя. Центральная станция соединяется с телефонной станцией цифровым 2 Мбит/с линиями. Каждый абонент соединяется с удаленной станцией (вблизи абонента) по проводной линии.

Субмодуль радиооборудования ТDМА центральной станции может быть удаленным, если этого требует топология сети. В этом случае станция делится на две части: телефонное оборудование в главной телефонной станции; удаленная радиостанция (RRS) в удаленной стороне сети. Эти два модуля могут быть связаны на скорости 2,048 Мбит/с по стандартному кабелю или радиолинии.

Рисунок 2. — Структурная схема сети использующейтолько кабельные соединения

Технологическое развитие привело к значительному уменьшению размеров ЗС. На начальном этапе спутник не превышал нескольких сотен килограммов, а ЗС представляли собой гигантские сооружения с антеннами более 30 метров в диаметре. Современные спутники весят несколько тонн, а антенны зачастую не превышают 1 метра в диаметре, могут быть установлены в самых разнообразных местах, тенденция уменьшения размеров ЗС вместе с упрощением установки оборудования приводит к снижению его стоимости. На сегодняшний день стоимость ЗС является, пожалуй, главной характеристикой, определяющей широкое распространение ССС. Преимущество спутниковой связи основано на обслуживании географически удаленных пользователей без дополнительных расходов на промежуточное хранение и коммутацию. Любые факторы, понижающие стоимость установки новой ЗС, однозначно содействуют развитию приложений, ориентированных на использование ССС. Относительно высокие издержки развертывания ЗС позволяют наземным волоконно-оптическим сетям в ряде случаев успешно конкурировать с ССС. Следовательно, главное преимущество спутниковых систем состоит в возможности создавать сети связи, предоставляющие новые услуги связи или расширяющие прежние, при этом с экономической точки зрения преимущество ССС обратно пропорционально стоимости ЗС.

В зависимости от типа, ЗС имеет возможности передача и/или приема. Как уже отмечалось, фактически все интеллектуальные функции в спутниковых сетях осуществляются в ЗС. Среди них — организация доступа к спутнику и наземным сетям, мультиплексирование, модуляция, обработка сигнала и преобразование частот. Отметим, что большинство проблем в спутниковой передаче решается оборудованием ЗС. В настоящее время выделяются четыре типа ЗС. Наиболее сложными и дорогостоящими являются ориентированные на большую интенсивность пользовательской нагрузки ЗС с очень высокой пропускной способностью. Станции такого типа предназначены для обслуживания пользовательских популяций, требующих для обеспечения нормального доступа к ЗС волоконно-оптических линий связи. Подобные З С стоят миллионы долларов. Станции средней пропускной способностью эффективны для обслуживания частных сетей корпораций. Размеры подобных сетей ЗС могут быть самыми разнообразными в зависимости от реализованных приложений (передача речи, данных, видео).

2 Обоснования темы проекта.

Для решения какой-либо технической задачи, поставленной перед предприятием, для воплощения в действия определенного проекта, необходимо перебрать все оптимальные варианты по внедрению идей проектировщиков «жизнь». Наиболее перспективными экономически выгодными являются сейчас радиолинейные системы передач. Это обусловлено тем, что в условиях развивающегося рынка, как в сфере телекоммуникаций, так и в сфере бизнеса необходима надежная цифровая сеть связи. Цифровая сеть связи от Алматы до прямых международных каналов связи через Лондон дает большую возможность для непосредственного представления услуг потребителя, а спутниковая линия связи для выхода на международные телефонные каналы связи. В дипломном проекте, ставится цель проверить качественные показатели межгосударственной корпоративной системы связи. Даная тема обусловлена тем, что была поставлена задача — рассчитать параметры спутниковой линии, радиорелейной линии, состоящую из двух пролетов и зону обслуживания ЦС систему радио доступа IRT.

Кроме того, в дипломном проекте, дается представление о целесообразности применения такой системы, с точки зрения технического обоснования и с экономической точки зрения, сравнения ее с системой использующей только кабельные соединения.

3 Энергетический расчет спутниковой связи.

3.1 Исходные данные для проектирования.

Линия спутниковой связи состоит из двух участков: Земля--спутник и спутник--Земля. В энергетическом смысле оба участка весьма напряженные.

Первый -- из-за тенденции к уменьшению мощности передатчиков и упрощению земной станции, второй -- из-за ограничений на массу, габаритные размеры и энергопотребление бортового ретранслятора, лимитирующих его мощность.

Основная особенность спутниковых линий -- наличие больших потерь сигнала, обусловленных затуханием его энергии на трассах большой физической протяженности. Так, при высоте орбиты ИСЗ, равной 36 тыс. км., затухание сигнала может достигать 200 дБ [3]. Помимо этого основного затухания в пространстве, сигнал в линиях спутниковой связи подвержен влиянию большого числа других факторов. Таких как поглощение в атмосфере, рефракция, влияние дождевых осадков и т. д. С другой стороны, на приемное устройство спутника и земной станции кроме собственных флуктуационных шумов воздействуют разного рода помехи в виде излучения космоса, Солнца и планет. В этих условиях правильный и точный учет влияния всех факторов позволяет осуществить оптимальное проектирование системы, обеспечить ее уверенную работу в наиболее трудных условиях и в то же время исключить излишние энергетические запасы, приводящие к неоправданному увеличению сложности земной и бортовой аппаратуры. Нормы на некоторые качественные показатели спутниковых каналов (например, отношение сигнал-шум) имеют статистический характер. Это заставляет оценивать возмущающие факторы также статистически, т. е. при расчетах вводить не только количественную меру воздействия того или иного фактора, но и вероятность (частоту) его появления. Необходимо учитывать характер и число передаваемых сигналов, а также характер их преобразования (обработки) в спутниковом ретрансляторе. При передаче телефонных сигналов с многостанционным доступом через бортовой ретранслятор проходит несколько сигналов, разделенных по частоте, времени или форме и оказывающих взаимное влияние, которое должно учитываться при расчете энергетики спутниковых линий. В настоящей главе приводится расчет спутниковой линии ЗС1 (Алматы) — ИСЗ (Іntelsat-804) — ЗС2 (Лондон) по участкам (3).

Исходные данные для расчета:

Географическое расположение ЗС 1 (Алматы)

Широта (Север)

43°13'

Долгота (Восток)

76°54'

Отметка над уровнем моря

+876 м

ЗС 2 (Лондон)

Широта (Север)

51°30'

Долгота (Восток)

0

Отметка над уровнем моря

+200 м

Вид доступа

МДЧР

Вид модуляции

QPSK

Параметры антенны и волнового тракта ЗС

Размер антенны

9,3 м

Тип антенны

параболическая двух зеркальная

Стандарт

В

Коэффициент усиления на передаче Опер. з, дБ

54

Коэффициент усиления на приеме Опр. з, дБ

51

Система слежения

Автоматическая

КПД волнового тракта ?b

0. 9

Угол места ЗС 1

38,5°

ЗС 2

Эквивалентная шумовая температура приемника обусловленная его внутренними шумамиТпрз. , К

12

Поляризация на передачу

левая круговая

Поляризация на прием

правая круговая

Параметры ИСЗ Intelsat 804

Позиция на ГО

64° в.д.

Расчетный срок существования, лет

14−17

Диапазон, ГГц

6/4 14/11

Число стволов: С-band

Кu-band

38

6

Номер транспондера

23А

ЭИИМ, дбВт

35

Полоса частот ствола, Мгц

36

Пропускнаяспособность, каналы

22 500

Коэффициент усиления на передаче Gпер. б, дБ

18

Коэффициент усиления на приеме Gпр. б, дБ

18

КПД волнового тракта ?в

0,9

Эквивалентная шумовая температура приемника, обусловленная его внутренними шумами Тпр б, К

30

Суммарное отношение (Рс/Pm)?, дБ

14,2

Допустимое отношение сигнал/шум, дБ

12

3.2 Уравнения связи для двух участков

Эквивалентная изотропно-излучаемая мощность (ЭИИМ) передающей станции

Е=Рпер?перGпер (1)

где Рпер -- эффективная мощность сигнала на выходе передатчика;

?пер -- коэффициент передачи (по мощности) волноводного тракта;

(КПД волноводного тракта) между передатчиком и антенной;

Gпер -- коэффициент усиления передающей антенны относительно изотропного излучателя.

В техническом задании ЭИИМ задана.

Затухание энергии в свободном пространстве, определяемое уменьшением плотности потока мощности при удалении от излучателя оприделяется по формуле [1]

Lo= 16?? d?/??, (2)

где? — длина волны (? = с/f, с = 3*108 м);

d — наклонная дальность (расстояние между передающей и приемной антеннами)

Найдем значения L0 для обоих участков. Для этого сначала вычислим расстояние d. Так как спутник геостационарный, то величина d, км, называемая часто наклонной дальностью, рассчитывается по формуле (3)

d = 42 164 [1-(0,151 266 соs ?)2]½-6378 sіn ?, (3)

где? -- угол места антенны земной станции, ?1=38,5, ?2=8 (находится из графика в приложении Б).

Для участка 1:

d1=42 164 [1-(0,151 266 соs 38,5)2] ½ -6378 sіn 38,5 = 37 897 км,

?1=с/f=3*108 /6383*106=0,047 м,

Lo = 16?2 (37 897*103) /(0,047) =1,02*1020 или 200дБ.

Для участка 2:

d2= 42 164 [1-(0,151 266 соs8)2]1/2-6378 sin 8 = 40 800 км,

?2 = с/f = 3*108 /3794*10б =0,079 м,

L0 = 16 ?2 (40 800*103)/(0,079) =3,98*1019 или 196дБ.

Здесь и далее величины, относящиеся к участку Земля -- спутник, имеют индекс «1», относящиеся к участку спутник -- Земля -- индекс «2».

Кроме этих основных потерь, на трассе присутствуют и дополнительные потери Lдоп, которые будут вычислены в последующих пунктах; полное значение потерь на трассе L?=L0 Lдоп.

Когда параметры антенны заданы в виде эффективной площади ее аппаратуры Sпр, связанной с коэффициентом усиления соотношением [1].

Gпр= 4? S пр /? 2 ,

Рпер = 4? d2LдопРпр/GперSпр?пер?пр (4)

Формула (4) позволяет определить необходимую мощность передатчика по заданному значению мощности сигнала на входе приемника. Отметим, что в нее не входит длина волны. Следовательно, когда передающая антенна имеет постоянный коэффициент усиления на всех частотах, а приемная -- эффективную постоянную площадь аппаратуры (может эффективно работать по мере возрастания частоты), мощность сигнала на входе приемника в первом приближении не зависит от частоты (в действительности некоторая зависимость от частоты имеется, так как Lдоп в значительной степени определяется диапазоном частот).

При расчете линии часто оказывается заданной не мощность сигнала на входе приемника, а отношение сигнал-шум на входе приемника (Рсш)вх, тогда в формулу (4) следует подставить Рпр = Ршсш)вх, где Рш -- полная мощность шума на входе приемника.

Посколъку в диапазонах частот, где работают спутниковые системы, шумы, создаваемые различными источниками, имеют аддитивный характер, их суммарная мощность выражается формулой.

Рш = кТ??Fш (5)

где к = 1,38 * 10 -?? Вт/Гц*град -- постоянная Больцмана;

Т? -- эквивалентная шумовая температура всей приемной системы с учетом внутренних и внешних шумов;

?Fш -- эквивалентная (энергетическая) шумовая полоса приемника.

Структурная схема и диаграмма уровней линии спутниковой связи, состоящей из двух участков, приведены на рисунке 3

Рисунок 3- Структурная схема и диаграмма уровней линии связи из двух участков

Воспользовавшись формулами (1), (5), для этих участков можно записать следующие соотношения: для участка Земля -- спутник:

Рпер=(16?2d12L1допРш. б/?12Gпер. з. Gпр. б. ?пер. з. ?пр. б.)(Рсш)вх. б,

где Рш. б. =кТ?fш. б. ;

для участка спутник -- Земля:

Рпер б=(16?2d22L2допРш. з/?22Gпер. б. Gпр. з. ?пер. б. ?пр. з.)(Рсш)вх. з,

где Рш. з. =кТ?fш. з. ;

Здесь и далее всем показателям, относящимся к земной аппаратуре, присваивается индекс «з», а показателям, относящимся к бортовой аппаратуре -- индекс «б».

Чтобы перейти от уравнений для отдельных участков к общему уравнению для всей линии, необходимо установить связь между отношениями сигнал-шум на выходе линии и на каждом из участков.

В отсутствие обработки сигнала на борту происходит сложение шумов каждого из участков, при этом суммарное отношение сигнал-шум на конце линии связи.

шс) ? = (Ршс)вх. б + (Ршс)вх. з. (6)

Очевидно, что отношение сигнал-шум на каждом из участков должно быть выше, чем на конце линии:

сш)вх. б=а (Рсш) ?, (Рсш)вх. з, = b (Рс / Рш) ?, (7)

где, а > 1, b > 1.

Из (6) и (7) следует, что

a = b/(b-1), b = а/(а-1). (8)

Выражение (8) позволяют распределить заданное отношение (Рсш)?; по двум участкам линии связи. Например, задавшись превышением отношения сигнал-шум на участке спутник -- Земля, равным 1 дБ (b=1,26), найдем, что необходимое превышение на участке Земля -- спутник должно составлять 7 дБ (а?5). Приведенное распределение коэффициентов запаса, а и b предполагает, что полосы шумов бортового ретранслятора и земного приемника равны; если? fш. з< ?fш. б, то мощность шума на входе бортового приемника следует вычислять в полосе? fш. з.

С учетом изложенного уравнения для линии спутниковой связи, состоящей из двух участков, окончательно примут вид [3]:

для участка Земля -- спутник

Pпер. з. =(16?2d12L1допкТ?б. ?fш. з//?12Gпер. з. Gпр. б. ?пер. з. ?пр. б.)а (Рсш) ?, (9)

для участка спутник -- Земля

Pпер. б. =(16?2d22L2допкТ?б. ?fш. з//?22Gпер. б. Gпр. з. ?пер. б. ?пр. з.)b (Рсш)?, (10)

4 Прохождение сигналов в системах космической связи

На распространение радиоволн на линиях Земля -- космос (или космос -- Земля) заметное влияние оказывает атмосфера Земли -- как ионосфера, так и тропосфера. Это влияние особенно заметно на частотах от 10 ГГц и выше, а также при малых углах прихода волны (малых углах места антенны земной станции)[4].

Влияние ионосферы может проявляться в поглощении энергии, дисперсии сигнала, т. е. неравномерном времени задержки в полосе, «мерцании» сигнала, вызванном рассеянием локальными нерегулярностями концентрации электронов, вращении плоскости поляризации линейно поляризованной волны (фарадеево вращение). Все эти эффекты обратно пропорциональны квадрату частоты сигнала, а дисперсия -- кубу частоты. Поэтому космические службы, работающие на частотах выше 1 ГГц, могут не учитывать влияние ионосферы, за исключением вращения плоскости поляризации.

Изменение вращения носит регулярный характер, подчиняющийся суточному и сезонному ходу, циклам солнечной активности, а также подвержено значительным и непредсказуемым отклонениям от регулярного хода в малых процентах времени. Максимальная амплитуда вращения на частоте 1 ГГц может достигать 108° при угле места 30°, а на частотах 4,6 и 1,2 ГГц максимальные амплитуды достигали 9, 4 и 1° соответственно [5]. Применение круговой поляризации волны, как и в нашем случае позволяет полностью устранить влияние этого явления. Изменения уровня сигнала могут быть вызваны интерференцией прямой волны и волны, отраженной от земной поверхности

Рисунок 4. Интерференция прямой волны и волны, отраженной от земной поверхности

Влияние тропосферы на распространение радиоволн на линиях Земля -- Космос может проявляться во многих явлениях.

Изменения индекса рефракции в тропосфере и его нерегулярности могут вызывать дефокусировку луча антенны, изменения угла прихода волны, уменьшение эффективного усиления антенн, возникновение многолучевой структуры сигнала и «мерцание». Дефокусировка луча вызывает потери сигнала менее 0,4 дБ даже при угле места 3° и больших изменениях рефракции. По данным измерений изменения угла прихода волны, вызванные рефракцией, составляли около 0,65°, 0,35°. и 0,25° при углах места 1°, 3° и 5° соответственно в морской тропической атмосфере. В полярном континентном климате соответствующие значения были 0,44°; 0,25° и 0,17° [4]. С этим явлением можно не считаться, поскольку антенны земных станций обычно снабжены устройствами автоматического или ручного наведения по максимуму сигнала.

Явления многолучевости и «мерцания» сигнала не могут оказывать сколько-нибудь существенного влияния на его уровень и поэтому не учитываются. Наиболее существенное влияние тропосферы проявляется в поглощении энергии радиоволн в газах атмосферы, поглощении и деполяризации волны в гидрометеорах, особенно в дожде.

4.1 Расчет ослабления уровня сигнала в атмосфере

Основное поглощение энергии сигнала вызывают кислород и водяной пар. На рисунке 5 показаны теоретические зависимости погонного ослабления уровня сигнала у, дБ/км, от частоты при стандартном давлении воздуха, температуре 20 °C и концентрации р водяного пара 7,5 г/м3.

На линиях связи Земля -- космос волна проходит через всю толщу тропосферы, и на ее пути содержание кислорода и водяного пара существенно меняется, поэтому для расчета ослабления сигнала применяется концепция эквивалентной высоты кислорода и водяного пара, в пределах которой их содержание принимается постоянным.

Рисунок 5. — Зависимости погонного ослабления уровня сигналов от частоты при стандартном давлении воздуха, температуре 20° С и концентрации водяного пара 7,5 г/м3

Величина ослабления сигнала Аа, дБ, определяется следующими формулами

[5]:

Аа=(?о22+?н2о?2о)/sin? при ?> 10 (11)

Aa=vRe cos?{?Hо2vho2Fo2+ ?Hо2vhH2oFh2o} при 0< ?<10, (12)

где ?--угол места антенны земной станции;

Rе --эквивалентный радиус Земли с учетом рефракции (8500 км);

2--погонное ослабление в кислороде, дБ/км, определяется по графику на рисунке 5 в зависимости от частоты;

?2O --погонное ослабление в водяном паре, дБ/км, определяется по р/7,5, учитывающее влагосодержание водяного пара р, которое может отличаться от значения 7,5 г/м3, указанного на графике;

?о2-- эквивалентная высота кислорода, км; ?o2=6 км при Г< 50 ГГц; ?Н2О — эквивалентная высота водяного пара, км.

?Н2О=2,2+3/[3+(f-22,3)2]+0,3/[1+(f-118,3)2+1/[1+(f-323,8)2], (13)

FO2, НH2O=[0,661tg ?vRe/hO2, HO2+0,339v (tg?/hO2)2+5,51] (14)

В приложении В на мировой карте показаны среднемесячные значения концентрации водяного пара р атмосферы в августе. Эти значения можно использовать в расчетах как наибольшие.

Найдем величины ослабления сигнала, вызванного поглощением энергии радиоволн в газах атмосферы, для обоих участков, используя формулы (11 — 14).

Для участка 1:

Из рисунка 5: ?O2=0,007 дб/км,

?Н2О=0,003*10/7,5=0,004 дБ/км,

?Н20=2,2+3/[3+(6383−22,3)2]+0,3/[1+(6383−118,3)2]+1/[1+(6 383 323,8)2]=2,2 км.

Тогда: Аа=(6*0,007+2,2*0,004)/sin38,5=1,02 что соответствует 0,08 дБ.

Для участка 2

?O2=0,007 дб/км,

?H2O=0,003* 10/7,5=0,004 дБ/км,

?H2O=2,2+3/[3+(3794−22,3)2]+0,3/[1+(3794−118,3)2]+1/[1+(3794−23,8)2]=2,2 км,

РO2=[0,661 tg8 v8500/6 +0,339v (tgv8500/6)2 +5,51]=0,18,

РH2O=[0,661 tg8 v8500/2,2 +0,339v (tgv8500/6)2 +5,51]=0,11.

Тогда:

Аа=v8500соs8 [0,007 v6 0,18+0,004 v2,2 0,11 ]=0,34 или -4,67 дБ.

4.2 Расчет ослабления уровня сигнала, в зоне дождя

Ослабление уровня сигнала при прохождении радиоволн через зону дождя вызвано рассеянием электромагнитной энергии частицами, при этом каждая частица рассеивает энергию в разных направлениях, вследствие чего энергия, приходящая в точку приема, уменьшается. Кроме того, энергия поглощается в частицах дождя, что вызывает ослабление уровня сигнала. Интенсивность рассеяния и поглощения зависит от количества частиц в единице объема, отношения размеров этих частиц к длине волны, размеров области, занятой частицами, и их электрических свойств, зависящих от температуры. Количество частиц в единице объема и их размеры характеризуются интенсивностью дождя.

Интенсивность дождя различна в разных географических районах и в разное время года. В приложении Г, взятом из Отчета 563---2 МККР, на мировой карте показаны дождевые климатические зоны, обозначенные буквами от, А до Р, а в таблице данного же приложения приведены значения интенсивности дождя, превышаемые в указанные проценты времени среднего года. Лондон относится согласно карте к зоне F, тогда согласно таблице в приложении В, интенсивность дождя на участке ИСЗ — ЗС1 составляет Іт = 28 мм/ч.

В приложении Д на карте СССР показаны дождевые климатические районы, обозначенные цифрами от 1 до 29, а в таблице 3.2 [5] даны значения интенсивности дождя, превышаемые воопределенном проценте времени «худшего» месяца. Согласно упомянутым картам и таблице, для участка ЗС 1 — ИСЗ интенсивность дождя равна Іт=22 мм/ч.

На рисунке 6, показаны зависимости погонного ослабления сигнала в зоне дождя ?д частоты и интенсивности дождя [5].

Чтобы определить ослабление сигнала в зоне дождя на линии Земля -- космос (или Космос -- Земля), нужно знать длину пути сигнала в зоне дождя. Очевидно, уровень зоны дождя определяется высотой изотермы 0 °C (или уровнем замерзания), ниже которой ледяные капли дождя переходят в жидкую фазу. Согласно Отчету 563 -- 2 МККР средняя высота нулевой изотермы определяется формулой (в километрах) [5]:

?F=5,1−2,15lg (1+10)(?-27)/25, (15)

где? -- широта земной станции в градусах.

Высота дождя определяется умножением ?f на эмпирический коэффициент, который учитывает, что в тропических зонах высота дождя часто значительно ниже уровня замерзания:

?д=С*?F, (16)

где С=0,6 при 0°?¦?¦< 20°;

С=0,6+0,02(¦?¦-20) при 20°?¦?¦?40°

С=1 при ¦?¦> 40°

Необходимо также учесть пространственную неравномерность дождя в горизонтальном направлении. В Отчете 564--2 МККР предложен следующий метод расчета ослабления сигнала в зоне дождя [5]:

а) определяется высота нулевой изотермы, км, в зависимости от широты
станции по (16);

б) определяется высота дождя, км, по (17);

в) определяется длина пути сигнала, км, по наклонной трассе от станции до высоты дождя (км):

dд=2(?д-?о)/[sin2?+2(?д-?о)/Rc] ½+sin? при ?< 10,

dд=(?д-?о)/sin? при ?> 10, (17)

где ?0-- высота станции над уровнем моря;

?- угол места антенны;

Rc=8500 км -- эквивалентный радиус Земли;

г) горизонтальная проекция наклонной трассы, км,

dG=dдcos? (18)

д) фактор уменьшения, учитывающий неравномерность дождя для 0,01% времени,

r0. 01=90/(90+4dG); (19)

е) определяется интенсивность дождя Іm, мм/ч, превышаемая в 0,01% среднего года (с временем интеграции 1 мин) для климатического района, где находится станция;

ж) определяется погонное ослабление сигнала в зоне дождя ?д, дБ/км, для данной частоты сигнала и интенсивности дождя по графикам на рисунке 6;

з) определяется ослабление сигнала в дожде, дБ, превышаемое в 0,01% среднего года,

Ад0. 01=?дdдr0. 01. (20)

Рисунок 6. Погонное ослабление сигнала взоне дождя в зависимости от частоты

Используя вышепривиденный метод найдем значения ослабления в зоне дожде для обоих участков.

Для участка 1:

??=5,1−2,151§(1+10)(43,13−27)/25=3,52 км,

?д=1*3,52=3,52 км,

dд=(3,52−0,87)/sin38,5=4,26 км,

dG=4,26соs538,5=3,33 км,

r0. 01=90/(90+4*3,33)=0,87,

Іm=22 мм/ч,

?д=0,07дБ=1,02,

Ад0. 01=1,02*4,26*0,87=3,78 или 5,77 дБ.

Для участка 2:

??=5,1−2,151§(1+10)(51,. 30−27)/25=2,9 км,

?д=1*2,9=3,52 км,

dд=2(2,9−0,2)/sin2?+2(2,9−0,2)/8500]½+sin8=12,86 км,

dG =12,86соs8=12,73 км,

r0. 01=90/(90+4*12,73)=0,64,

Іm=28 мм/ч,

?д =0,12 дБ=1,03,

Ад 0. 01=1,03*12,86*0,64=8,48 или 9,28 дБ.

Таким образом, дополнительные потери на участках линии связи обусловлены главным образом влиянием двух факторов, рассмотренных выше. Их можно определить по формуле:

Для участка 1:

Lдоп. 1а1д1,

Lдоп. 1а1д1=1,02*3,78=3,85 или 5,85 дБ,

Для участка 2:

Lдоп. 2а2д2=0,34*8,48=2,9 или 4,61 дБ.

5 Расчет шумов

5.1 Расчет шумов

При расчете энергетики спутниковых радиолиний важно определить полную мощность шумов, создаваемых на входе приемного устройства спутника и земной станции различными источниками. Как показано в § 3. 2,

мощность шума на входе приемника может быть определена по формуле (5).

Полная эквивалентная шумовая температура приемной системы, состоящей из антенны, волноводного тракта и собственно приемника, пересчитанная ко входу приемника [5]:

Т?А?во(1-?в)+ТПр, (21)

где ТА -- эквивалентная шумовая температура антенны;

Т0 -- абсолютная температура среды (290 К);

Тпр--эквивалентная шумовая температура собственно приемника,

обусловленная его внутренними шумами;

?в--коэффициент передачи волнового тракта.

Эквивалентная шумовая температура антенны может быть представлена в виде составляющих:

ТА= Тка3а. зш. Аоб. (22)

которые обусловлены различными факторами: приемом космического радиоизлучения- Тк; излучением атмосферы с учетом гидрометеоров — Та;

излучением земной поверхности, принимаемым через боковые лепестки антенны -- Т3; приемом излучения атмосферы, отраженного от Земли -- Та. 3; собственными шумами антенны из-за наличия потерь в ее элементах--ТШ. А;

влиянием обтекателя антенны (если он имеется) -- Тоб. Общая методика, определения этих составляющих основана на том, что антенна, находящаяся в бесконечном объеме поглощающей среды с однородной кинетической температурой, при термодинамическом равновесии поглощает и переизлучает мощность, равную мощности излучения. В этом случае

ТА=(¼?)Tя (?,?)G (??)d?

где Tя (?,?) -- яркостная температура излучения в направлении ?,? в сферической системе координат;

G (??)-- усиление антенны (относительно изотропного излучателя) в том же направлении.

Понятие «яркостная температура» вводится для характеристики источников излучения; она определяется как температура абсолютно черного тела, имеющего на данной частоте и в данном направлении такую же яркость, как рассматриваемый источник.

Для характеристики источников излучения с неравномерным распределением яркостной температуры используется понятие усредненной или эффективной температуры излучения

Tср=(1/?и) Tя (?,?)d?

где ?и -- телесный угол источника излучения.

Если угловые размеры источника излучения больше ширины главного

лепестка диаграммы антенны ?и, то Тсря, в противном случае

Тсря?и/?А (23)

Для упрощения последующих расчетов примем усиление антенны в пределах главного лепестка постоянным и равным Gгл, а в пределах задних и боковых лепестков также постоянным и равным Gбок; тогда

ТA=G гл. /4? Tя (?,?)d? (¼?)??G бок. i Tя (?,?)d?

Решая это выражение для всех составляющих шума (22) с учетом (23),

получим для земной антенны

ТА. з=Тя. к(?)+Тя. а(?)+с (Тя,+Тя. а,)+ТшАоб(?), (24)

для бортовой антенны

ТA. б=Тя. ая. з+2сТя. кША, (25)

где с -- коэффициент, учитывающий интегральный уровень энергии боковых лепестков.

Количественная оценка величины с для различных типов антенн в зависимости от формы облучения поверхности зеркала антенны с=0,1 … 0,4 [5].

Как следует из (24), первая составляющая температуры шумов антенны определяется яркостной температурой космического пространства (изофоты, дающие количественную оценку Тяк). Основу его составляет радиоизлучение Галактики и точечных радиоисточников (Солнца, Луны, планет и некоторых звезд).

Частотная характеристика усредненных по небесной сфере значений Тя. к показана на рисунке 7, из которого следует, что космическое излучение существенно на частотах ниже 4… 6 ГТц; максимальное значение на данной частоте отличается от минимального в 20… 30 раз [5], что обусловлено большой неравномерностью излучения различных участков неба; наибольшая яркость наблюдается в центре Галактики; имеется также ряд локальных максимумов. Следует отметить, что излучение Галактики имеет сплошной спектр и слабо поляризовано; поэтому при приеме его на поляризованную антенну (с любым видом поляризации) можно с достаточной степенью точности считать, что принимаемое излучение будет половиной интенсивности (т. е. принимается ½ всей мощности излучения, попадающей в раскрыв антенны). На том же рисунке показан вклад излучения Солнца в спокойном состоянии (в годы минимума активности) и в состоянии «возмущения», свойственного годам максимума активности. Солнце -- самый мощный источник радиоизлучения и может полностью нарушить связь, попав в главный лепесток диаграммы направленности антенны. Однако вероятность такого попадания мала.

Рисунок 7-Частотная зависимость яркостной температуры Галактики, Солнца и атмосферы

Следует отметить, что спутник довольно редко проходит через центр солнечного диска, а обычно пересекает его по линиям, смещенным относительно центра. Точная дата и время «засветки» земных антенн солнечным диском обычно рассчитывают по данным орбиты ИСЗ и сообщают земным станциям.

Следующий по мощности радиоисточник--Луна -- практически не может нарушить связи, так как ее яркостная температура не более 220 К [5]. Остальные источники (планеты и радиозвезды) дают существенно меньший вклад; вероятность встречи антенн с этими источниками меньше, чем с Солнцем, так как угловые размеры их малы.

Радиоизлучение земной атмосферы имеет тепловой характер и в полной мере обусловлено рассмотренным в предыдущем разделе поглощением сигналов в атмосфере. В силу термодинамического равновесия среда (атмосфера) излучает такое же количество энергии на данной частоте, которое поглощает соответственно

Тя. аа. Ср. (Lа-1)Lа

Как показывают расчеты атмосферы, средняя термодинамическая температура атмосферы для углов места ?> 5° в рассматриваемых диапазонах частот

Та. ср=Т?То-32?260 К.

Влияние осадков можно учесть по той же методике, т. е. определить Тя. а через потери в дожде Ад. Хотя ряд исследований показывает, что непосредственная корреляция между интенсивностью дождя и температурой неба невелика (т. е. может наблюдаться повышение шумовой температуры неба из-за дождевых туч, когда собственно дождь не выпадает), тем не менее корреляция с многолетней статистикой дождя все же имеется.

Раздельное вычисление температуры спокойного неба и температуры дождя с последующим их суммированием приведет к ошибке (примерно удвоит результат), поэтому вычисление следует проводить по формуле

Тя. а=Та. сраАд-1)/АаАд. (26)

Максимальная температура шумов неба не превышает 260 К и начинает играть существенную роль в диапазонах частот выше 5 ГГц.

Приведенная выше оценка температуры атмосферы, по существу, относится к тропосфере; радиоизлучением ионосферы в диапазоне частот выше 1 ГГц можно пренебречь, так как поглощение в ионосфере обратно пропорционально квадрату частоты.

Яркостная температура Земли определяется ее кинетической температурой Тя3=290 К и коэффициентом отражения электромагнитной энергии от поверхности Земли

Тя.з. =Тоз (1-Ф)^2. (27)

Комплексный коэффициент отражения определяется известными формулами Френеля:

для горизонтальной поляризации

ФГ=(sin ?- v? + j 60? — соs 2 ?)/(sіn ?+ v? + j 60? — соs 2 ?), (28)

для вертикальной поляризации

Фв=[(є+ j 60??)sin?-v? + j 60? — соs 2 ?)]/ [(є+ j 60??)sin?+v? + j 60? — соs 2 ?)]

(29)

где є -- диэлектрическая проницаемостьЗемли;

? -- электропроводимость Земли.

Значения є и? для некоторых видов земной поверхности приведены в таблице 1.

Результаты расчетов по формуле (27) с учетом горизонтальной и вертикальной поляризаций (28−29) при отражении от участков земной поверхности, представленных в таблице, приведены на рисунке 8 (номера кривых на рисунке 8 соответствуют нумерации почв в таблице).

Таблица 1. Виды земной поверхности.

№ п/п

Видземной поверхности

Є, В/М

?, Сим/м

1

Морская вода

80

1… 6

2

Пресная вода

80

10-3 5*10-3

3

Влажная почва

5.. 30

10-2 10-3

4

Сухая почва

2… 6

10-4 10-5

Рисунок 8-Зависимость яркостной температуры Земли от угла места антенны земной станции для вертикальной (а) и горизонтальной (б) поляризаций

Для определения Тя. 3 при. круговой поляризации в первом приближении следует усреднить значения Тя. 3 для горизонтальной и вертикальной поляризаций. При определении величины ТЯІЗ, входящей в формулу (25) для бортовой антенны, следует учитывать вид и характер земной поверхности, попадающей в зону видимости этой антенны. Для бортовых антенн с глобальным охватом следует принимать Тя. 3 ?60 К. Можно принять следующее,

Тя. зя. а. з ?290 К.

т. е. отраженная от Земли компонента атмосферных шумов дополняет термодинамическое излучение Земли, и в сумме они дают излучение с яркостной температурой, близкой к 290 К.

Рассмотрим еще одну составляющую шумов антенны в формулах (24) и (25), обусловленную омическими потерями в антенне,

Т Ш. А. =То (Lм-1)/Lм

где Т0=290 К; Lм -- потери в материале зеркала антенны.

Современные металлические зеркальные антенны имеют весьма низкие потери, поэтому значения ТшА весьма малы и составляют на разных частотах значения, указанные в таблице 2.

Таблица 2 значения потерь на частотах.

F, ГГц

0. 3

1

3

10

30

60

ТША, К

0. 018

0. 04

0,06

0,09

0,18

0. 3

Теперь определим Т и Т по формуле (21) с учетом входящих в нее величин, представленных формулами (24) и (25), а также рисунками 7-- 8. Полученные значения Т и Т также будут квазипиковыми, так как они вычислены на основе квантилей распределения интенсивности осадков.

Тя. а=260*(1,02*3,78−1)/(1,02*3,78)=192,5 К;

Тя. кб=0 К; Тя. к. (?)3=4 К (из рисунка 7),

Тя. 3 з=250 К; Тя. зб=90 К (из рисунка 8).

Из таблицы 2 находим:

ТшАз=0,075 К,

Т ш. А. б=0,065 К,

Тя. а-з=290−250=40 К,

Т об=0 К, с=0,4,

ТА. з=4+0,4*(250+40)+0,075=120 К, Та.б. =192,5+90+2*0,4*0+0,065=282,5 К.

Таким образом получим:

Т=120+290*[(1−0,9)/0,9]+12/0,9=165,5К.

Т =282,5+290*[(1−0,9)/0,9]+30/0,9=348К.

5.2 Расчет мощностей передатчиков

Подставляя полученные значения в (9) и (10), получаем мощности земного и бортового передатчиков, необходимые для обеспечения требуемого отношения сигнал-шум (12 дБ согласно рекомендации SSОG 308.2 для QPSK IDR) на конце линии связи в течение заданного процента времени (99,9%):

P пер. з=[(16?2*37,897*106)2*3,85*1,38*10-23*384*1,75*106)/((0,047)2*251 188,6*316*0,9*0,9)]*5*15,84=4 Вт,

Рпер. б=[(16?2*(40,8*106)2*2,9*1,38*10-23*165,5*36*106)/ /((0,079) 2*63* 125 892*0,9*0,9)]*1,26*26,3=52 Вт.

Следует отметить, что найденные значения мощностей передатчиков обеспечит получение требуемого значения отношения сигнал/шум в канале (12 дБ в течении 99,9% времени).

6. Расчет электромагнитной совместимости двух спутниковых систем.

Расчет электромагнитной совместимости основан на представлении, что по мере возрастания уровня мешающего излучения, увеличивается шумовая температура системы, подвергающейся помехам.

Согласно этому методу рассчитывается кажущееся увеличение эквивалентной шумовой температуры линии, обусловленное помехами, создаваемыми мешающей станции и отношение этого увеличения к эквивалентной шумовой температуры спутниковой линии, выраженной в процентах [1].

Для конкретного случая выберем земную станцию находящуюся на территории г. Алматы эта станция является мешающей станцией для рассматриваемой системы.

Мешающая система работает на тех же частотах, что и рассматриваемая система и использует геостационарный спутник российского производства «Экспресс 6А». Исходные данные: Система, А --> Система В Плотность мощности:

РКМА= -52,8 дБВт/Гц Ркмв = -51,4 дБВт/Гц

РЗМА = -27,4 дБВт/Гц Рзмв = -40,4 дБВт/Гц

Координаты земной станции А: 76°13' восточной долготы

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой