Анализ существующего положения

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 следующий

характеризовался 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 30м 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 ЗС 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 ŋb	0.9
Угол места ЗС 1	38,5°
ЗС 2	8°
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	22500
Коэффициент усиления на передаче Gпер.б, дБ	18
Коэффициент усиления на приеме Gпр.б, дБ	18
КПД волнового тракта ŋв	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=Р_перŋ_перG_пер (1)

где Р_пер — эффективная мощность сигнала на выходе передатчика;

ŋ_пер — коэффициент передачи (по мощности) волноводного тракта;

(КПД волноводного тракта) между передатчиком и антенной;

G_пер — 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= 16π²d²/λ², (2)

где λ – длина волны (λ = 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 = 42164 [1-(0,151266 соs Ө)²]^1/2-6378 sіn Ө, (3)

где Ө — угол места антенны земной станции, Ө₁=38,5, Ө₂=8 (находится из графика в приложении Б).

Для участка 1 :

d₁=42164 [1-(0,151266 соs 38,5)²] ^1/2 -6378 sіn 38,5 = 37897 км,

λ₁=с/f=3*10⁸ /6383*10⁶=0,047 м,

Lo = 16π² (37897*10³ ) /(0,047) =1,02*10²⁰ или 200дБ.

Для участка 2:

d₂= 42164 [1-(0,151266 соs8)²]¹/²-6378 sin 8 = 40800 км,

λ₂ = с/f = 3*10⁸ /3794*10^б =0,079 м,

L₀ = 16 π² (40800*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 L_доп, которые будут вычислены в последующих пунктах; полное значение потерь на трассе L_∑=L₀ L_доп.

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

G_пр= 4πS _пр / λ ² ,

 Р_пер = 4 πd²L_допР_пр/G_перS_прŋ_перŋ_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 L_доп 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 (Р_с/Р_ш)_вх, тогда в формулу (4) следует подставить Р_пр = Р_ш (Р_с/Р_ш)_вх,где Р_ш — 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.

Р_ш = кТ_ΣΔFш  (5)

где к = 1,38 * 10 ^-²³ Вт/Гц*град — постоянная Больцмана;

Т_Σ — эквивалентная шумовая температура всей приемной системы с учетом внутренних и внешних шумов;

ΔF_ш — 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:

Р_пер=(16π²d₁²L_1допР_ш._б/λ₁²G_пер.з.G_пр.б.ŋ_пер.з.ŋ_пр.б.)(Р_с/Р_ш)_вх.б,

где Р_ш.б.=кТ_∑бΔf_ш.б.;

для участка спутник — Земля:

Р_перб=(16π²d₂²L_2допР_ш._з/λ₂²G_пер.б.G_пр.з.ŋ_пер.б.ŋ_пр.з.)(Р_с/Р_ш)_вх.з,

где Р_ш.з.=кТ_∑зΔf_ш.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.

(Р_ш/Р_с) _∑ = (Р_ш/Р_с)_вх.б + (Р_ш/Р_с)_вх.з. (6)

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

(Р_с/Р_ш)_вх.б=а(Р_с/Р_ш) _∑, (Р_с/Р_ш)_вх.з, = b (Р_с / Р_ш ) _∑ , (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 (Р_с/Р_ш)_∑; 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 Δf_ш.з< Δf_ш.б, то мощность шума на входе бортового приемника следует вычислять в полосе Δf_ш.з.

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

для участка Земля — спутник

P_пер.з.=(16π²d₁²L_1допкТ_∑б.Δf_ш.з//λ₁²G_пер.з.G_пр.б.ŋ_пер.з.ŋ_пр.б.)а(Р_с/Р_{ш) ∑}, (9)

для участка спутник — Земля

P_пер.б.=(16π²d₂²L_2допкТ_∑б.Δf_ш.з//λ₂²G_пер.б.G_пр.з.ŋ_пер.б.ŋ_пр.з.)b(Р_с/Р_ш)_∑, (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°С 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 А_а, дБ, определяется следующими формулами

[5]:

А_а=(һо₂γо₂+һн₂оγ₂о)/sin Ө при Ө>10 (11)

Aa=√Re cosӨ{γ_Hо₂√h_o2F_o2+ γ_Hо₂√h_H2oF_h2o} при 0<Ө<10, (12)

где Ө—угол места антенны земной станции;

R_е —эквивалентный радиус Земли с учетом рефракции (8500 км);

γо₂—погонное ослабление в кислороде, дБ/км, определяется по графику на рисунке 5 в зависимости от частоты;

γ_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;

Һ_о2— эквивалентная высота кислорода, км; Һ_o2=6 км при Г<50 ГГц; Һ_Н2О - эквивалентная высота водяного пара, км.

һ_Н2О⁼2,2+3/[3+(f-22,3)²]+0,3/[1+(f-118,3)²+1/[1+(f-323,8)²], (13)

F_O2,Н_H2O=[0,661tg Ө√Re/h_O2,H_O2+0,339√(tgӨ/h_O2)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: γ_O2=0,007 дб/км,

γ_Н2О⁼0,003*10/7,5=0,004 дБ/км,

Һ_Н20=2,2+3/[3+(6383-22,3)²]+0,3/[1+(6383-118,3)²]+1/[1+(6383323,8)²]=2,2км.

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

Для участка 2

γ_O2=0,007 дб/км,

γ_H2O=0,003* 10/7,5=0,004 дБ/км,

һ_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,

Р_O2=[0,661 tg8 √8500/6 +0,339√(tg√8500/6)² +5,51]=0,18,

Р_H2O=[0,661 tg8 √8500/2,2 +0,339√(tg√8500/6)² +5,51]=0,11.

Тогда:

А_а=√8500соs8 [0,007 √6 0,18+0,004 √2,2 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 І_т = 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 І_т=22 мм/ч.

На рисунке 6, показаны зависимости погонного ослабления сигнала в зоне дождя γ_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°С (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]:

Һ_F=5,1-2,15lg(1+10)^(ψ-27)/25, (15)

где ψ — широта земной станции в градусах.

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

Һд=С*һ_F, (16)

где С=0,6 при 0°≤│ψ│<20°;

С=0,6+0,02(│ψ│-20) при 20°≤│ψ│≤40°

С=1 при │ψ│>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):

d_д=2(һд-һо)/[sin²Ө+2(һд-һо)/R_c] ^1/2+sinӨ при Ө< 10,

d_д=(һд-һо)/sinӨ при Ө> 10, (17)

где Һ₀— высота станции над уровнем моря;

Ө- угол места антенны;

R_c=8500 км — эквивалентный радиус Земли;

г) горизонтальная проекция наклонной трассы, км,

d_G=d_дcosӨ (18)

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

r_0.01=90/(90+4d_G); (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 ү_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,

А_д0.01=γ_дd_дr_0.01. (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:

һ_ғ=5,1-2,151§(1+10)^{(43,13-27)/25}=3,52 км,

һ_д=1*3,52=3,52км,

dд=(3,52-0,87)/sin38,5=4,26 км,

d_G=4,26соs538,5=3,33 км,

r_0.01=90/(90+4*3,33)=0,87,

І_m=22 мм/ч,

γд=0,07дБ=1,02,

А_д0.01⁼1,02*4,26*0,87=3,78 или 5,77 дБ .

Для участка 2:

һ_ғ=5,1-2,151§(1+10)^{(51,.30-27)/25}=2,9км,

һ_д=1*2,9=3,52км,

dд=2(2,9-0,2)/sin²Ө+2(2,9-0,2)/8500]^1/2+sin8=12,86км,

d_G =12,86соs8=12,73 км,

r_0.01=90/(90+4*12,73)=0,64,

Іm=28 мм/ч,

γд =0,12 дБ=1,03,

А_д 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 :

L_доп.1=А_а1*А_д1,

L_доп.1=А_а1*А_д1=1,02*3,78=3,85 или 5,85 дБ,

Для участка 2:

L_доп.2=А_а2*А_д2=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_∑=Т_Аŋв+Т_о(1-ŋ_в)+Т_Пр, (21)

где Т_А — эквивалентная шумовая температура антенны;

Т₀ — абсолютная температура среды (290 К);

Т_пр—эквивалентная шумовая температура собственно приемника,

обусловленная его внутренними шумами;

ŋ_в—коэффициент передачи волнового тракта.

 Эквивалентная шумовая температура антенны может быть представлена в виде составляющих:

Т_А= Т_к+Т_а+Т₃+Т_а._з+Т_ш.А+Т_об. (22)

которые обусловлены различными факторами: приемом космического радиоизлучения- Т_к; излучением атмосферы с учетом гидрометеоров - Т_а;

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

влиянием обтекателя антенны (если он имеется) — Т_об. 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

Т_А=(1/4π)Tя(β,ψ)G(βψ)dΩ

где Tя(β,ψ) — яркостная температура излучения в направлении β,ψ в сферической системе координат;

G(βψ)— 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

T_ср=(1/Ωи) Tя(β,ψ)dΩ

где Ω_и — телесный угол источника излучения.

Если угловые размеры источника излучения больше ширины главного

лепестка диаграммы антенны Ω_и, то Т_ср=Т_я, в противном случае

Т_ср=Т_яΩ_и/Ω_А (23)

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

Т_A=G _гл./4π Tя(β,ψ)dΩ (1/4π)∑∫G _бок.i Tя(β,ψ)dΩ

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

получим для земной антенны

Т_А.з⁼Т_я._к(β)+Т_я._а(β)+с(Т_я,+Т_я._а,)+Т_шА+Т_об(β), (24)

для бортовой антенны

Т_A._б⁼Т_я.а+Т_я._з+2сТ_я._к+Т_ША, (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 Т_як). Основу его составляет радиоизлучение Галактики и точечных радиоисточников (Солнца, Луны, планет и некоторых звезд).

Частотная характеристика усредненных по небесной сфере значений Т_я._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 1/2 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

Т_я._а =Т_а._Ср. (L_а-1)L_а

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

Та.ср=Т≈То-32≈260 К.

Влияние осадков можно учесть по той же методике, т. е. определить Т_я._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

Т_я.а=Т_а._ср(А_аАд-1)/А_аАд. (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⁼