Comunicazione satellitare - Guida rapida

In termini generali, a satelliteè un oggetto più piccolo che ruota attorno a un oggetto più grande nello spazio. Ad esempio, la luna è un satellite naturale della terra.

Lo sappiamo Communicationsi riferisce allo scambio (condivisione) di informazioni tra due o più entità, attraverso qualsiasi mezzo o canale. In altre parole, non è altro che invio, ricezione ed elaborazione di informazioni.

Se la comunicazione avviene tra due stazioni terrestri qualsiasi tramite un satellite, viene chiamata come satellite communication. In questa comunicazione, le onde elettromagnetiche vengono utilizzate come segnali portanti. Questi segnali trasportano le informazioni come voce, audio, video o qualsiasi altro dato tra il suolo e lo spazio e viceversa.

L'Unione Sovietica aveva lanciato il primo satellite artificiale al mondo chiamato Sputnik 1 nel 1957. Quasi 18 anni, l'India lanciò anche il satellite artificiale chiamato Aryabhata nel 1975.

Necessità di comunicazione satellitare

I seguenti due tipi di propagazione vengono utilizzati in precedenza per la comunicazione fino a una certa distanza.

• Ground wave propagation- La propagazione delle onde di massa è adatta per frequenze fino a 30 MHz. Questo metodo di comunicazione utilizza le condizioni della troposfera della terra.

• Sky wave propagation - La larghezza di banda adatta per questo tipo di comunicazione è ampiamente compresa tra 30 e 40 MHz e utilizza le proprietà della ionosfera della terra.

Il salto massimo o la distanza dalla stazione è limitato a 1500 KM solo nella propagazione delle onde di terra e nella propagazione delle onde del cielo. La comunicazione satellitare supera questa limitazione. In questo metodo, i satelliti fornisconocommunication for long distances, che è ben oltre la linea di vista.

Poiché i satelliti si trovano a una certa altezza sopra la terra, la comunicazione avviene facilmente via satellite tra due stazioni terrestri qualsiasi. Quindi, supera la limitazione della comunicazione tra due stazioni terrestri a causa della curvatura terrestre.

Come funziona un satellite

UN satelliteè un corpo che si muove attorno a un altro corpo in un particolare percorso. Un satellite per comunicazioni non è altro che un ripetitore a microonde nello spazio. È utile nelle telecomunicazioni, radio e televisione insieme alle applicazioni Internet.

UN repeaterè un circuito che aumenta la potenza del segnale ricevuto e poi lo trasmette. Ma questo ripetitore funziona come un filetransponder. Ciò significa che cambia la banda di frequenza del segnale trasmesso da quella ricevuta.

La frequenza con cui il segnale viene inviato nello spazio è chiamata come Uplink frequency. Allo stesso modo, la frequenza con cui il segnale viene inviato dal transponder viene chiamata comeDownlink frequency. La figura seguente illustra chiaramente questo concetto.

La trasmissione del segnale dalla prima stazione terrestre al satellite attraverso un canale è chiamata come uplink. Allo stesso modo, la trasmissione del segnale dal satellite alla seconda stazione terrestre attraverso un canale è chiamata comedownlink.

Uplink frequencyè la frequenza alla quale la prima stazione terrestre comunica con il satellite. Il transponder satellitare converte questo segnale in un'altra frequenza e lo invia alla seconda stazione terrestre. Questa frequenza è chiamata comeDownlink frequency. Allo stesso modo, anche la seconda stazione terrestre può comunicare con la prima.

Il processo di comunicazione satellitare inizia in una stazione terrestre. Qui, un'installazione è progettata per trasmettere e ricevere segnali da un satellite in un'orbita attorno alla terra. Le stazioni terrestri inviano le informazioni ai satelliti sotto forma di segnali ad alta potenza e ad alta frequenza (gamma GHz).

I satelliti ricevono e ritrasmettono i segnali a terra dove vengono ricevuti da altre stazioni terrestri nell'area di copertura del satellite. Satellite'sfootprint è l'area che riceve un segnale di potenza utile dal satellite.

Pro e contro della comunicazione satellitare

In questa sezione, diamo uno sguardo ai vantaggi e agli svantaggi della comunicazione satellitare.

Di seguito sono riportati i file advantages di utilizzare la comunicazione satellitare:

• L'area di copertura è maggiore di quella dei sistemi terrestri

• Ogni angolo della terra può essere coperto

• Il costo di trasmissione è indipendente dall'area di copertura

• Maggiore larghezza di banda e possibilità di trasmissione

Di seguito sono riportati i file disadvantages di utilizzare la comunicazione satellitare -

• Il lancio di satelliti in orbita è un processo costoso.

• Il ritardo di propagazione dei sistemi satellitari è maggiore di quello dei sistemi terrestri convenzionali.

• Difficile fornire attività di riparazione se si verifica un problema in un sistema satellitare.

• La perdita di spazio libero è di più

• Può esserci una congestione delle frequenze.

Applicazioni della comunicazione satellitare

La comunicazione satellitare gioca un ruolo fondamentale nella nostra vita quotidiana. Di seguito sono riportate le applicazioni della comunicazione satellitare:

• Trasmissione radio e comunicazioni vocali

• Trasmissioni TV come Direct To Home (DTH)

• Applicazioni Internet come la connessione a Internet per il trasferimento di dati, applicazioni GPS, navigazione in Internet, ecc.

• Applicazioni e navigazioni militari

• Applicazioni di rilevamento remoto

• Monitoraggio delle condizioni meteorologiche e previsioni

Sappiamo che il percorso del satellite che gira intorno alla terra è noto come orbit. Questo percorso può essere rappresentato con notazioni matematiche. La meccanica orbitale è lo studio del moto dei satelliti presenti nelle orbite. Quindi, possiamo facilmente comprendere le operazioni spaziali con la conoscenza del moto orbitale.

Elementi orbitali

Gli elementi orbitali sono i parametri utili per descrivere il movimento orbitale dei satelliti. Di seguito sono riportati i fileorbital elements.

• Semiasse maggiore
• Eccentricity
• Media anomalia
• Argomento del perigeo
• Inclination
• Ascensione retta del nodo ascendente

I sei elementi orbitali di cui sopra definiscono l'orbita dei satelliti terrestri. Pertanto, è facile distinguere un satellite da altri satelliti in base ai valori degli elementi orbitali.

Semiasse maggiore

La lunghezza di Semi-major axis (a)definisce la dimensione dell'orbita del satellite. È la metà dell'asse maggiore. Questo va dal centro attraverso un fuoco fino al bordo dell'ellisse. Quindi, è il raggio di un'orbita nei due punti più distanti dell'orbita.

Sia il semiasse maggiore che il semiasse minore sono rappresentati nella figura sopra. Lunghezza dei semimajor axis (a) non solo determina la dimensione dell'orbita del satellite, ma anche il periodo di tempo della rivoluzione.

Se l'orbita circolare è considerata un caso speciale, la lunghezza del semiasse maggiore sarà uguale a radius di quell'orbita circolare.

Eccentricità

Il valore di Eccentricity (e)fissa la forma dell'orbita del satellite. Questo parametro indica la deviazione della forma dell'orbita da un cerchio perfetto.

Se le lunghezze del semiasse maggiore e del semiasse minore di un'orbita ellittica sono a & b, l'espressione matematica per eccentricity (e) sarà

$$e = \frac{\sqrt{a^2 - b^2}}{a}$$

Il valore dell'eccentricità di un'orbita circolare è zero, poiché entrambi a e b sono uguali. Considerando che, il valore dell'eccentricità di un'orbita ellittica è compreso tra zero e uno.

Il seguente figure mostra le varie orbite dei satelliti per diversi valori di eccentricità (e)

Nella figura sopra, l'orbita del satellite corrispondente al valore di eccentricità (e) zero è un'orbita circolare. Inoltre, le restanti tre orbite dei satelliti sono ellittiche corrispondenti ai valori di eccentricità (e) 0,5, 0,75 e 0,9.

Anomalia media

Per un satellite, il punto più vicino alla Terra è noto come Perigeo. Mean anomaly (M) fornisce il valore medio della posizione angolare del satellite rispetto al perigeo.

Se l'orbita è circolare, allora Anomalia media fornisce la posizione angolare del satellite nell'orbita. Ma, se l'orbita è ellittica, il calcolo della posizione esatta è molto difficile. A quel punto, l'anomalia media viene utilizzata come passaggio intermedio.

Argomento del Perigeo

L'orbita satellitare taglia il piano equatoriale in due punti. Il primo punto è chiamato comedescending node, dove il satellite passa dall'emisfero settentrionale all'emisfero meridionale. Il secondo punto è chiamato comeascending node, dove il satellite passa dall'emisfero meridionale all'emisfero settentrionale.

Argument of perigee (ω)è l'angolo tra il nodo ascendente e il perigeo. Se sia il perigeo che il nodo ascendente esistono nello stesso punto, l'argomento del perigeo sarà zero gradi

L'argomento del perigeo viene misurato sul piano orbitale al centro della terra nella direzione del movimento del satellite.

Inclinazione

L'angolo tra il piano orbitale e il piano equatoriale terrestre è noto come inclination (i). Viene misurata nel nodo ascendente con la direzione da est a nord. Quindi, l'inclinazione definisce l'orientamento dell'orbita considerando l'equatore della terra come riferimento.

Esistono quattro tipi di orbite in base all'angolo di inclinazione.

• Equatorial orbit - L'angolo di inclinazione è zero gradi o 180 gradi.

• Polar orbit - L'angolo di inclinazione è di 90 gradi.

• Prograde orbit - L'angolo di inclinazione è compreso tra zero e 90 gradi.

• Retrograde orbit - L'angolo di inclinazione è compreso tra 90 e 180 gradi.

Ascensione retta del nodo ascendente

Lo sappiamo ascending node è il punto in cui il satellite attraversa il piano equatoriale mentre va dall'emisfero sud a quello settentrionale.

Ascensione retta del nodo ascendente (Ω)è l'angolo tra la linea dell'Ariete e il nodo ascendente verso la direzione est nel piano equatoriale. L'Ariete è anche chiamato primaverile ed equinozio.

Satellite's ground trackè il percorso sulla superficie della Terra, che si trova esattamente al di sotto della sua orbita. La traccia al suolo di un satellite può assumere diverse forme a seconda dei valori degli elementi orbitali.

Equazioni orbitali

In questa sezione, discutiamo delle equazioni relative al movimento orbitale.

Forze che agiscono sul satellite

Un satellite, quando gira intorno alla terra, subisce una forza di trazione dalla terra a causa della forza gravitazionale della terra. Questa forza è nota comeCentripetal force(F ₁ ) perché questa forza tende il satellite verso di esso.

Matematicamente, il Centripetal force(F ₁ ) che agisce sul satellite a causa della terra può essere scritto come

$$F_{1} = \frac{GMm}{R^2} $$

Dove,

• Gè costante gravitazionale universale ed è uguale a 6,673 x 10 ^-11 N ∙ m ² / kg ² .

• Mè la massa della terra ed è pari a 5,98 x 10 ²⁴ Kg.

• m è la massa del satellite.

• R è la distanza dal satellite al centro della Terra.

Un satellite, quando gira intorno alla terra, subisce una forza di attrazione dal sole e dalla luna a causa delle loro forze gravitazionali. Questa forza è nota comeCentrifugal force(F ₂ ) perché questa forza allontana il satellite dalla terra.

Matematicamente, il Centrifugal force(F ₂ ) Agire su satellite può essere scritto come

$$F_{2} = \frac{mv^2}{R} $$

Dove, v è la velocità orbitale del satellite.

Velocità orbitale

La velocità orbitale del satellite è la velocità alla quale il satellite gira intorno alla terra. Il satellite non devia dalla sua orbita e si muove con una certa velocità in quell'orbita, quando entrambe le forze centripete e centrifughe sonobalance l'un l'altro.

Così, equateForza centripeta (F ₁ ) e forza centrifuga (F ₂ ).

$$\frac{GMm}{R^2} = \frac{mv^2}{R}$$

$$= > \frac{GM}{R} = v^2$$

$$= > v = \sqrt{\frac{GM}{R}}$$

quindi, il orbital velocity del satellite è

$$v = \sqrt{\frac{GM}{R}}$$

Dove,

• Gè costante gravitazionale ed è uguale a 6,673 x 10 ^-11 N ∙ m ² / kg ² .

• Mè la massa della terra ed è pari a 5,98 x 10 ²⁴ Kg.

• R è la distanza dal satellite al centro della Terra.

Quindi, principalmente la velocità orbitale depends sulla distanza dal satellite al centro della Terra (R), poiché G e M sono costanti.

Sappiamo che il satellite ruota attorno alla terra, che è simile alla terra che ruota intorno al sole. Quindi, i principi che vengono applicati alla terra e al suo movimento intorno al sole sono applicabili anche al satellite e al suo movimento intorno alla terra.

Molti scienziati hanno fornito diversi tipi di teorie fin dai primi tempi. Ma soloJohannes Kepler (1571-1630) è stato uno degli scienziati più accettati nel descrivere il principio di un satellite che si muove intorno alla terra.

Keplero ha formulato tre leggi che hanno cambiato l'intera teoria e le osservazioni sulla comunicazione satellitare. Questi sono popolarmente conosciuti comeKepler’s laws. Questi sono utili per visualizzare il movimento nello spazio.

Prima legge di Keplero

La prima legge di Keplero afferma che il percorso seguito da un satellite attorno al suo primario (la terra) sarà un ellipse. Questa ellisse ha due punti focali (fuochi) F1 e F2 come mostrato nella figura sotto. Il centro di massa della terra sarà sempre presente in uno dei due fuochi dell'ellisse.

Se si considera la distanza dal centro dell'oggetto a un punto sul suo percorso ellittico, il punto più lontano di un'ellisse dal centro viene chiamato come apogee e il punto più corto di un'ellisse dal centro è chiamato come perigee.

Eccentricity "e" di questo sistema può essere scritto come -

$$e = \frac{\sqrt{a^2 - b^2}}{a}$$

Dove, a & b sono le lunghezze del semiasse maggiore e del semiasse minore dell'ellisse rispettivamente.

Per un elliptical path, il valore dell'eccentricità (e) è sempre compreso tra 0 e 1, cioè $0$ < $e$ < $1$, poiché a è maggiore di b. Supponiamo, se il valore dell'eccentricità (e) è zero, il percorso non sarà più in forma ellittica, ma verrà convertito in una forma circolare.

Seconda legge di Keplero

La seconda legge di Keplero afferma che per intervalli di tempo uguali, il areacoperto dal satellite sarà lo stesso rispetto al centro di massa terrestre. Questo può essere compreso guardando la figura seguente.

Supponiamo che il satellite copra le distanze p1 e p2 nello stesso intervallo di tempo. Quindi, le aree B1 e B2 coperte dal satellite in questi due casi sono uguali.

Terza legge di Keplero

La terza legge di Keplero afferma che il quadrato del tempo periodico di un'orbita ellittica è proporzionale al cubo della lunghezza del suo semiasse maggiore. Mathematically, può essere scritto come segue -

$$T^2\:\alpha\:a^3$$

$$=> T^2=\left(\frac{4\pi ^2}{\mu }\right) a^3$$

Dove, $\frac{4\pi^2}{\mu}$ è la costante di proporzionalità.

$\mu$è la costante di Keplero e il suo valore è uguale a 3.986005 x 10 ¹⁴ m ³ / sec ²

$$1 = \left(\frac{2\pi}{T}\right)^2\left(\frac{a^2}{\mu}\right)$$

$$1 = n^2\left(\frac{a^3}{\mu}\right)$$

$$=> a^3 = \frac{\mu}{n^2}$$

Dove, ‘n’ è il movimento medio del satellite in radianti al secondo.

Note- Un satellite, quando gira intorno alla terra, subisce una forza di trazione dalla terra, che è la forza gravitazionale. Allo stesso modo, sperimenta un'altra forza di attrazione dal sole e dalla luna. Pertanto, un satellite deve bilanciare queste due forze per mantenersi nella sua orbita.

Il satellite dovrebbe essere posizionato correttamente nell'orbita corrispondente dopo averlo lasciato nello spazio. Gira in un modo particolare e serve ai suoi scopi scientifici, militari o commerciali. Le orbite, assegnate ai satelliti rispetto alla terra, sono chiamate comeEarth Orbits. I satelliti presenti in quelle orbite sono chiamati comeEarth Orbit Satellites.

Dovremmo scegliere un'orbita correttamente per un satellite in base al requisito. Ad esempio, se il satellite è posizionato inlower orbit, quindi ci vuole meno tempo per viaggiare intorno alla terra e ci sarà una migliore risoluzione in una telecamera di bordo. Allo stesso modo, se il satellite è posizionato inhigher orbit, quindi ci vuole più tempo per viaggiare intorno alla terra e copre più superficie terrestre contemporaneamente.

Di seguito sono riportati i tre importanti types of Earth Orbit satellites -

• Satelliti geosincroni in orbita terrestre
• Satelliti in orbita terrestre media
• Satelliti in orbita terrestre bassa

Ora, parliamo di ogni tipo di satellite in orbita terrestre uno per uno.

Orbita terrestre geosincrona Satelliti

Un'orbita terrestre geosincrona (GEO) Satellite è uno, che si trova ad un'altitudine di 22,300miglia sopra la Terra. Questa orbita è sincronizzata con un giorno reale laterale (cioè 23 ore e 56 minuti). Questa orbita può avere inclinazione ed eccentricità.

Potrebbe non essere circolare. Questa orbita può essere inclinata ai poli della terra. Ma sembra stazionario se osservato dalla Terra. Questi satelliti vengono utilizzati per la televisione satellitare.

La stessa orbita geosincrona, se è circolare e nel piano dell'equatore, allora è chiamata come Geostationary orbit. Questi satelliti sono posti a 35.900 km (come Geosynchronous) sopra l'equatore terrestre e continuano a ruotare rispetto alla direzione terrestre (da ovest a est).

I satelliti presenti in queste orbite hanno la stessa velocità angolare di quella terrestre. Quindi, questi satelliti sono considerati comestationary rispetto alla Terra in quanto sono in sincronia con la rotazione terrestre.

Il advantage dell'orbita geostazionaria è che non c'è bisogno di tracciare le antenne per trovare la posizione dei satelliti.

I satelliti geostazionari in orbita terrestre vengono utilizzati per previsioni meteorologiche, TV satellitare, radio satellitare e altri tipi di comunicazioni globali.

La figura seguente mostra la differenza tra orbite geosincrone e geostazionarie. L'asse di rotazione indica il movimento della Terra.

Note- Ogni orbita geostazionaria è un'orbita geosincrona. Ma non è necessario che il contrario sia vero.

Satelliti in orbita terrestre media

Orbita terrestre media (MEO) i satelliti orbiteranno a distanze di circa 8000 milesdalla superficie terrestre. I segnali trasmessi da un satellite MEO percorrono una distanza inferiore. A causa di ciò, la potenza del segnale all'estremità ricevente viene migliorata. Ciò mostra che terminali riceventi più piccoli e leggeri possono essere utilizzati all'estremità ricevente.

Transmission delaypuò essere definito come il tempo impiegato da un segnale per viaggiare su un satellite e tornare indietro a una stazione ricevente. In questo caso, il ritardo di trasmissione è inferiore. Perché il segnale viaggia per una distanza più breve da e verso il satellite MEO.

Per real-time communications, minore è il ritardo di trasmissione, migliore sarà il sistema di comunicazione. Ad esempio, se un satellite GEO richiede 0,25 secondi per un viaggio di andata e ritorno, il satellite MEO richiede meno di 0,1 secondi per completare lo stesso viaggio. I MEO funzionano nella gamma di frequenza di 2 GHz e superiore.

Questi satelliti vengono utilizzati per i segnali telefonici ad alta velocità. Sono necessari dieci o più satelliti MEO per coprire l'intera Terra.

Satelliti in orbita terrestre bassa

Orbita terrestre bassa LEO)i satelliti sono principalmente classificati in tre categorie. Quelli sono piccoli LEO, grandi LEO e Mega-LEO. I LEO orbiteranno a una distanza di500 to 1000 milessopra la superficie terrestre. Questi satelliti vengono utilizzati per telefoni satellitari e GPS.

Questa distanza relativamente breve riduce il ritardo di trasmissione a soli 0,05 secondi. Ciò riduce ulteriormente la necessità di apparecchiature di ricezione sensibili e ingombranti. Sono necessari venti o più satelliti LEO per coprire l'intera Terra.

I piccoli LEO opereranno nella gamma di 800 MHz (0,8 GHz). I Big LEO opereranno nella gamma dei 2 GHz o superiore, mentre i Mega-LEO opereranno nella gamma dei 20-30 GHz.

Le frequenze più alte associate a Mega-LEOs si traduce in una maggiore capacità di trasporto delle informazioni e si traduce nella capacità di uno schema di trasmissione video in tempo reale ea basso ritardo.

Il seguente figure raffigura i percorsi di LEO, MEO e GEO

Orbital Slots

Qui, può sorgere una domanda che con più di 200 satellites che sono in orbita geosincrona, come possiamo evitare che si scontrino o tentino di utilizzare la stessa posizione nello spazio?

Per rispondere a questo problema (domanda), organismi di regolamentazione internazionali come l'Unione internazionale delle telecomunicazioni (ITU) e organizzazioni governative nazionali come la Federal Communications Commission (FCC) designare le posizioni sull'orbita geosincrona, dove possono essere localizzati i satelliti per le comunicazioni.

Queste posizioni sono specificate in gradi di longitudine e sono chiamate come orbital slots. FCC e ITU hanno progressivamente ridotto la spaziatura richiesta fino a soli 2 gradi per i satelliti in banda C e Ku ​​a causa dell'enorme domanda di slot orbitali.

La stazione terrestre riceverà il livello di segnale massimo, se si trova direttamente sotto il satellite. In caso contrario, non riceverà il livello di segnale massimo e tale livello di segnale diminuisce all'aumentare della differenza tra la latitudine e la longitudine della stazione terrestre.

Quindi, in base al requisito, possiamo posizionare il satellite in un'orbita particolare. Ora, parliamo degli angoli di visione.

Guarda gli angoli

I seguenti due angoli dell'antenna della stazione terrestre combinati insieme sono chiamati come look angles.

• Angolo azimutale
• Angolo di elevazione

Generalmente, i valori di questi angoli cambiano per le orbite non geostazionarie. Invece, i valori di questi angoli non cambiano per le orbite geostazionarie. Perché i satelliti presenti nelle orbite geostazionarie appaiono stazionari rispetto alla Terra.

Questi due angoli sono utili per puntare il satellite direttamente dall'antenna della stazione terrestre. Così lamaximum gain dell'antenna della stazione terrestre può essere diretta al satellite.

Noi possiamo calculate gli angoli di sguardo dell'orbita geostazionaria utilizzando la longitudine e la latitudine della stazione terrestre e la posizione dell'orbita satellitare.

Angolo azimutale

L'angolo tra il piano orizzontale locale e il piano che passa per la stazione terrestre, il satellite e il centro della terra è chiamato come azimuth angle.

Il formula per l'angolo azimutale ($\alpha$) è

$$\alpha\: = 180^0 + Tan^{-1}\left(\frac{Tan G}{TanL}\right)$$

Dove,

• L è la latitudine dell'antenna della stazione terrestre.

• G è la differenza tra la posizione dell'orbita del satellite e l'antenna della stazione terrestre.

Il seguente figure illustra l'angolo azimutale.

Misura il horizontal angleall'antenna della stazione di terra al polo nord come mostrato in figura. Rappresenta l'angolo azimutale. Viene utilizzato per tracciare il satellite orizzontalmente.

Angolo di elevazione

L'angolo tra il piano verticale e la linea che punta al satellite è noto come Angolo di elevazione. Il piano verticale non è altro che il piano, che è perpendicolare al piano orizzontale.

Il formula per Angolo di elevazione ($\beta$) è

$$\beta = Tan^{-1}\left(\frac{cosG.cosL-0.15}{\sqrt{1-cos^2G.cos^2L}}\right)$$

Possiamo calcolare l'angolo di elevazione usando la formula sopra. Il seguentefigure illustra l'angolo di elevazione.

Misura il vertical angleall'antenna della stazione terrestre da terra a satellite come mostrato in figura. Rappresenta l'angolo di elevazione.

Perturbazioni orbitali

Di seguito sono riportate le perturbazioni orbitali dovute a forze o parametri gravitazionali e non gravitazionali.

• Forza gravitazionale irregolare attorno alla Terra a causa della distribuzione della massa non uniforme. Anche il campo magnetico terrestre causa perturbazioni orbitali.

• Le principali perturbazioni esterne provengono dal Sole e dalla Luna. Quando un satellite è vicino a questi corpi esterni, riceve un'attrazione gravitazionale più forte.

• I satelliti a bassa orbita vengono colpiti a causa dell'attrito causato dalla collisione con atomi e ioni.

• La pressione della radiazione solare colpisce i grandi satelliti GEO, che utilizzano grandi pannelli solari.

• Coppie e pressioni autogenerate causate dalla radiazione RF dall'antenna.

La maggior parte dei satelliti utilizza un file propulsion subsystem al fine di mantenere una corretta direzione dell'asse di rotazione e controllare l'altitudine del satellite contro le forze di perturbazione.

I satelliti rimangono nello spazio per la maggior parte della loro vita. Sappiamo che l'ambiente dell'assenza di gravità è presente nello spazio. Ecco perché i satelliti non richiedono ulteriori frame forti nello spazio. Ma questi sono necessari durante il processo di avvio. Perché in quel processo il satellite trema violentemente, finché il satellite non è stato posizionato in un'orbita adeguata.

Il design of satellites dovrebbe essere compatibile con uno o più veicoli di lancio per posizionare il satellite in orbita.

Sappiamo che il periodo della rivoluzione sarà più alto apogeealtitudine secondo la seconda legge di Keplero. Il periodo di orbita di trasferimento geostazionario è quasi pari a 16 ore. Seperigee viene aumentata all'altitudine GEO (circa 36.000 km), quindi il periodo di rivoluzione aumenterà a 24 ore.

Lancio di satelliti

Il processo di posizionamento del satellite in un'orbita corretta è noto come launching process. Durante questo processo, dalle stazioni di terra possiamo controllare il funzionamento del satellite. Principalmente, ci sono quattro fasi nel lancio di un satellite.

• First Stage - La prima fase del veicolo di lancio contiene razzi e carburante per il sollevamento del satellite insieme al veicolo di lancio da terra.

• Second Stage- La seconda fase del veicolo di lancio contiene razzi più piccoli. Questi si accendono dopo il completamento della prima fase. Hanno i loro serbatoi di carburante per inviare il satellite nello spazio.

• Third Stage- Il terzo stadio (superiore) del veicolo di lancio è collegato alla carenatura del satellite. Questa carenatura è uno scudo metallico, che contiene il satellite e protegge il satellite.

• Fourth Stage- Il satellite si separa dallo stadio superiore del veicolo di lancio, quando è stato raggiunto fuori dall'atmosfera terrestre. Quindi, il satellite andrà su una "orbita di trasferimento". Questa orbita invia il satellite più in alto nello spazio.

Quando il satellite ha raggiunto l'altezza desiderata dell'orbita, i suoi sottosistemi come i pannelli solari e le antenne di comunicazione vengono dispiegati. Quindi il satellite prende la sua posizione in orbita con altri satelliti. Ora il satellite è pronto per essere fornitoservices al pubblico.

Veicoli di lancio satellitare

I veicoli di lancio dei satelliti lanciano i satelliti in un'orbita particolare in base al requisito. I veicoli di lancio dei satelliti non sono altro che razzi multistadio. Di seguito sono riportati i filetwo types dei lanciatori di satelliti.

• Expendable Launch Vehicles (ELV)
• Veicoli di lancio riutilizzabili (RLV)

Veicoli di lancio consumabili

I veicoli di lancio spendibili (ELV) vengono distrutti dopo aver lasciato i satelliti nello spazio. L'immagine seguente mostra l'aspetto di un ELV.

L'ELV contiene tre fasi. Il primo e il secondo stadio dell'ELV sollevano il satellite a circa 50 miglia e 100 miglia. La terza fase dell'ELV pone il satellite in orbita di trasferimento. Il compito diELV sarà ultimato e le sue parti di ricambio cadranno a terra, quando il satellite raggiungerà in orbita.

Veicoli di lancio riutilizzabili

È possibile utilizzare veicoli di lancio riutilizzabili (RLV) multiple timesper il lancio di satelliti. Generalmente, questo tipo di veicoli di lancio tornerà sulla terra dopo aver lasciato il satellite nello spazio.

L'immagine seguente mostra un veicolo di lancio riutilizzabile. È anche conosciuto comespace shuttle.

Le funzioni di space shuttlesono simili alle funzioni del primo e del secondo stadio dell'ELV. Il satellite e il terzo stadio dello space shuttle sono montati nella stiva. Viene espulso dalla stiva quando lo space shuttle raggiunge un'altitudine di 150-200 miglia.

Quindi, il terzo stadio dello space shuttle viene lanciato e posiziona il satellite in un'orbita di trasferimento. Dopodiché, la navetta spaziale tornerà sulla terra perreuse.

Nel sistema di comunicazione satellitare, si svolgono varie operazioni. Tra le quali, le operazioni principali sono il controllo dell'orbita, l'altitudine del satellite, il monitoraggio e il controllo di altri sottosistemi.

Una comunicazione satellitare è composta principalmente da due segments. Quelli sono segmento spaziale e segmento terrestre. Quindi, di conseguenza ci saranno due tipi di sottosistemi, vale a dire sottosistemi del segmento spaziale e sottosistemi del segmento terrestre. Il seguentefigure illustra questo concetto.

Come mostrato nella figura, il communication si svolge tra sottosistemi del segmento spaziale e sottosistemi del segmento terrestre attraverso collegamenti di comunicazione.

Sottosistemi del segmento spaziale

I sottosistemi presenti nel segmento spaziale sono chiamati sottosistemi del segmento spaziale. Di seguito sono riportati i filespace segment subsystems.

• Sottosistema AOC
• Sottosistema TTCM
• Sottosistemi di alimentazione e antenna
• Transponders

Sottosistemi del segmento terrestre

I sottosistemi presenti nel segmento di terra hanno la possibilità di accedere al ripetitore satellitare al fine di fornire la comunicazione tra gli utenti. Earth segment è anche chiamato segmento di terra.

Il segmento terrestre svolge principalmente due funzioni. Quelle sono la trasmissione di un segnale al satellite e la ricezione del segnale dal satellite.Earth stations sono i principali sottosistemi presenti nel segmento terrestre.

Discuteremo di tutti questi sottosistemi del segmento spaziale e del segmento terrestre nei capitoli seguenti.

Sappiamo che il satellite può deviare dalla sua orbita a causa delle forze gravitazionali del sole, della luna e di altri pianeti. Queste forze cambiano ciclicamente nell'arco di 24 ore, poiché il satellite si muove intorno alla terra.

Controllo dell'altitudine e dell'orbita (AOC)sottosistema è costituito da motori a razzo, che sono in grado di posizionare il satellite nell'orbita destra, ogni volta che viene deviato dalla rispettiva orbita. Il sottosistema AOC è utile per fare in modo che le antenne, che sono di tipo a fascio stretto, puntino verso la terra.

Possiamo trasformare questo sottosistema AOC nel seguente two parts.

• Sottosistema di controllo dell'altitudine
• Sottosistema di controllo dell'orbita

Parliamo ora di questi due sottosistemi uno per uno.

Sottosistema di controllo dell'altitudine

Il sottosistema di controllo dell'altitudine si occupa dell'orientamento del satellite nella rispettiva orbita. Di seguito sono riportati i filetwo methods per rendere stabile il satellite presente in un'orbita.

• Far girare il satellite
• Metodo dei tre assi

Far girare il satellite

In questo metodo, il corpo del satellite ruota attorno al suo spin axis. In generale, può essere ruotato da 30 a 100 rpm per produrre una forza, che è di tipo giroscopico. A causa di ciò, l'asse di rotazione viene stabilizzato e il satellite punterà nella stessa direzione. I satelliti di questo tipo sono chiamati comespinners.

Spinner contiene un tamburo, che è di forma cilindrica. Questo tamburo è ricoperto di celle solari. Sistemi di alimentazione e razzi sono presenti in questo tamburo.

Il sottosistema di comunicazione è posizionato sopra il tamburo. Un motore elettrico guida questo sistema di comunicazione. La direzione di questo motore sarà opposta alla rotazione del corpo del satellite, in modo che le antenne puntino verso la terra. I satelliti che eseguono questo tipo di operazione sono chiamati comede-spin.

Durante la fase di lancio, il satellite spinsquando vengono azionati i piccoli getti di gas radiali. Dopo questo, ilde-spin il sistema funziona in modo da far puntare le antenne del sottosistema TTCM verso la stazione di terra.

Metodo a tre assi

In questo metodo, possiamo stabilizzare il satellite utilizzando una o più ruote della quantità di moto. Questo metodo è chiamato comethree-axis method. Il vantaggio di questo metodo è che l'orientamento del satellite su tre assi sarà controllato e non sarà necessario ruotare il corpo principale del satellite.

In questo metodo, quanto segue three axes sono considerati.

• Roll axis è considerato nella direzione in cui il satellite si muove nel piano orbitale.

• Yaw axis è considerato nella direzione verso terra.

• Pitch axis è considerato nella direzione, che è perpendicolare al piano orbitale.

Questi tre assi sono mostrati di seguito figure.

Siano X _R , Y _R e Z _{R rispettivamente} l'asse di rollio, l'asse di imbardata e l'asse di beccheggio. Questi tre assi sono definiti considerando la posizione del satellite comereference. Questi tre assi definiscono l'altitudine del satellite.

Siano X, Y e Z un altro insieme di assi cartesiani. Questo set di tre assi fornisce le informazioni sull'orientamento del satellite rispetto agli assi di riferimento. Se c'è un cambiamento di altitudine del satellite, gli angoli tra i rispettivi assi verranno modificati.

In questo metodo, ogni asse contiene due getti di gas. Forniranno la rotazione in entrambe le direzioni dei tre assi.

• Il first gas jet funzionerà per un certo periodo di tempo, quando è richiesto il movimento del satellite in una particolare direzione dell'asse.

• Il second gas jetfunzionerà per lo stesso periodo di tempo, quando il satellite raggiunge la posizione desiderata. Quindi, il secondo getto di gas interromperà il movimento del satellite in quella direzione dell'asse.

Sottosistema di controllo dell'orbita

Il sottosistema di controllo dell'orbita è utile per portare il satellite nella sua orbita corretta, ogni volta che il satellite viene deviato dalla sua orbita.

Il sottosistema TTCM presente alla stazione di terra monitora la posizione del satellite. Se c'è qualche cambiamento nell'orbita del satellite, invia un segnale relativo alla correzione al sottosistema di controllo Orbit. Quindi risolverà il problema portando il satellite nell'orbita corretta.

In questo modo, il AOC subsystem si prende cura della posizione del satellite nell'orbita destra e alla giusta altitudine durante l'intera durata di vita del satellite nello spazio.

Telemetria, monitoraggio, comando e monitoraggio (TTCM)il sottosistema è presente sia nel satellite che nella stazione di terra. In generale, il satellite riceve i dati attraverso i sensori. Quindi, il sottosistema di telemetria presente nel satellite invia questi dati alle stazioni terrestri. Pertanto, il sottosistema TTCM è assolutamente necessario per qualsiasi satellite di comunicazione per poterlo utilizzare con successo.

È responsabilità dell'operatore satellitare controllare il satellite nel suo tempo di vita, dopo averlo posizionato nell'orbita appropriata. Questo può essere fatto con l'aiuto diTTCM subsystem.

Possiamo trasformare questo sottosistema TTCM nel seguente three parts.

• Sottosistema di telemetria e monitoraggio
• Sottosistema di monitoraggio
• Sottosistema di comando

Sottosistema di telemetria e monitoraggio

La parola ‘Telemetry’significa misurazione a distanza. Principalmente, le seguenti operazioni avvengono in "Telemetria".

• Generazione di un segnale elettrico proporzionale alla grandezza da misurare.

• Codifica del segnale elettrico.

• Trasmissione di questo codice a una distanza molto lontana.

Telemetry subsystem presente nel satellite svolge principalmente due funzioni:

• ricezione di dati dai sensori e
• trasmettere tali dati a una stazione terrestre.

I satelliti dispongono di diversi sensori per monitorare diversi parametri come pressione, temperatura, stato e così via di vari sottosistemi. In generale, i dati di telemetria vengono trasmessi come FSK o PSK.

Il sottosistema di telemetria è un sistema controllato a distanza. Invia i dati di monitoraggio dal satellite alla stazione di terra. In generale, iltelemetry signals trasportare le informazioni relative all'altitudine, all'ambiente e al satellite.

Sottosistema di monitoraggio

Il sottosistema di tracciamento è utile per conoscere la posizione del satellite e la sua orbita attuale. Satellite Control Center(SCC)monitora il funzionamento e lo stato dei sottosistemi del segmento spaziale con l'aiuto della telemetria in downlink. Inoltre, controlla quei sottosistemi utilizzando il comando uplink.

Sappiamo che il file tracking subsystemè presente anche in una stazione di terra. Si concentra principalmente sulla portata e sugli angoli di visione del satellite. Numero di tecniche utilizzate per tracciare il satellite. Perexample, il cambiamento nella posizione orbitale del satellite può essere identificato utilizzando i dati ottenuti dai sensori di velocità e accelerazione presenti sul satellite.

Il tracking subsystemche è presente in una stazione terrestre tiene traccia del satellite, quando viene rilasciato dall'ultima fase del veicolo di lancio. Svolge le funzioni come, localizzazione del satellite in orbita iniziale e orbita di trasferimento.

Sottosistema di comando

Il sottosistema di comando è necessario per lanciare il satellite in un'orbita e funzionare in quell'orbita. Questo sottosistema regola l'altitudine e l'orbita del satellite, ogni volta che c'è una deviazione in quei valori. Controlla anche il sottosistema di comunicazione. Questocommanding subsystem è responsabile dell'accensione / spegnimento degli altri sottosistemi presenti nel satellite in base ai dati provenienti dai sottosistemi di telemetria e tracciamento.

In generale, i codici di controllo vengono convertiti in parole di comando. Queste parole di comando vengono utilizzate per inviare sotto forma diTDM frames. Inizialmente, la validità delle parole di comando viene verificata nel satellite. Dopodiché, queste parole di comando possono essere rimandate alla stazione di terra. Qui, queste parole di comando vengono controllate ancora una volta.

Se anche la stazione di terra riceve la stessa parola di comando (corretta), invia un'istruzione di esecuzione al satellite. Quindi, esegue quel comando.

Dal punto di vista della funzionalità, il sottosistema di telemetria e il sottosistema di comando sono opposti l'uno all'altro. Da allora, il primo trasmette le informazioni del satellite alla stazione di terra e il secondo riceve i segnali di comando dalla stazione di terra.

In questo capitolo, parliamo di Power systems da cui vengono alimentati vari sottosistemi di satellite e Antenna subsystems uno per uno.

Sistemi di alimentazione

Sappiamo che il satellite presente in orbita dovrebbe essere utilizzato continuamente durante la sua durata. Quindi, il satellite richiede alimentazione interna per far funzionare i vari sistemi elettronici e il carico utile delle comunicazioni che sono presenti in esso.

Power systemè un sottosistema vitale, che fornisce la potenza necessaria per il funzionamento di un satellite. Principalmente, in questi sistemi vengono utilizzate le celle solari (o pannelli) e le batterie ricaricabili.

Celle solari

Fondamentalmente, il solar cellsprodurre energia elettrica (corrente) dalla luce solare incidente. Pertanto, le celle solari vengono utilizzate principalmente per fornire energia ad altri sottosistemi del satellite.

Sappiamo che le singole celle solari generano molta meno energia. Quindi, per generare più potenza, è possibile utilizzare un gruppo di celle presenti in una forma di matrice.

Matrici solari

Ci sono due types of solar arraysche vengono utilizzati nei satelliti. Quelli sono pannelli solari cilindrici e pannelli solari rettangolari o vele solari.

• Cylindrical solar arrayssono utilizzati nei satelliti in rotazione. Solo una parte della matrice cilindrica sarà coperta dal sole in un dato momento. A causa di ciò, l'energia elettrica viene generata dal pannello solare parziale. Questo è l'inconveniente di questo tipo.

• Lo svantaggio dei pannelli solari cilindrici viene superato con Solar sail. Questo produce più energia perché tutte le celle solari della vela solare sono esposte alla luce solare.

Batterie ricaricabili

Durante il periodo delle eclissi, è difficile ottenere energia dalla luce solare. Quindi, in quella situazione, gli altri sottosistemi ottengono l'alimentazionerechargeable batteries. Queste batterie producono energia anche ad altri sottosistemi durante il lancio del satellite.

In generale, queste batterie si caricano a causa della corrente in eccesso, che viene generata dalle celle solari in presenza di luce solare.

Sottosistemi di antenna

Le antenne sono presenti sia nel satellite che nella stazione terrestre. Ora parliamo delle antenne satellitari.

Le antenne satellitari funzionano two typesdi funzioni. Quelli stanno ricevendo segnali, che provengono dalla stazione di terra e trasmettono segnali a una o più stazioni di terra in base al requisito. In altre parole, le antenne satellitari ricevono segnali di uplink e trasmettono segnali di downlink.

Sappiamo che la lunghezza delle antenne satellitari è inversamente proporzionale alla frequenza operativa. La frequenza operativa deve essere aumentata per ridurre la lunghezza delle antenne satellitari. Pertanto, le antenne satellitari funzionano nell'ordine diGHz frequenze.

Antenne satellitari

Le antenne utilizzate nel satellite sono note come antenne satellitari. Ce ne sono principalmente quattrotypes of Antennas. Loro sono:

• Antenne a filo
• Antenne a tromba
• Antenne array
• Antenne riflettenti

Ora, parliamo di queste antenne una per una.

Antenne a filo

Le antenne filari sono le antenne di base. Mono pole e dipole antennasrientrare in questa categoria. Questi sono utilizzati a frequenze molto alte per fornire la comunicazione per il sottosistema TTCM.

La lunghezza del filo totale, che viene utilizzato come dipolo, se è uguale alla metà della lunghezza d'onda (cioè, l = λ / 2), tale antenna è chiamata come half-wave dipole antenna.

Wire antennassono adatti per coprire il suo raggio di accesso e per fornire la potenza del segnale in tutte le direzioni. Ciò significa che le antenne filari sono antenne omnidirezionali.

Antenne a tromba

Un'antenna con un'apertura all'estremità può essere definita come un'antenna Aperture antenna. Il bordo di una linea di trasmissione, quando termina con un'apertura, irradia energia. Questa apertura che è un'apertura, lo rende un'antenna di apertura.

Horn antennaè un esempio di antenna di apertura. Viene utilizzato nei satelliti per coprire un'area maggiore della terra.

Le antenne a tromba vengono utilizzate in microwaveintervallo di frequenze. Lo stesso corno di alimentazione può essere utilizzato sia per la trasmissione che per la ricezione dei segnali. Un dispositivo denominato duplexer, che separa questi due segnali.

Antenne array

Un'antenna quando individualmente può irradiare una quantità di energia, in una particolare direzione, risultando in una migliore trasmissione, come sarebbe se fossero aggiunti pochi elementi in più, per produrre un output più efficiente. È proprio questa idea che ha portato all'invenzione diArray Antennaso array di antenne. Le antenne array vengono utilizzate nei satelliti per formare più fasci da una singola apertura.

Antenne riflettenti

Le antenne riflettore sono adatte per produrre raggi, che hanno più forza del segnale in una particolare direzione. Ciò significa che si tratta di antenne altamente direzionali. Così,Parabolic reflectorsaumentare il guadagno delle antenne nel sistema di comunicazione satellitare. Quindi, questi sono utilizzati nelle telecomunicazioni e nella trasmissione.

Se viene utilizzata un'antenna a riflettore parabolico per transmittingun segnale, il segnale del feed, esce da un dipolo o da un'antenna a tromba, per focalizzare l'onda sulla parabola. Significa che le onde escono dal punto focale e colpiscono il riflettore paraboloidale. Questa onda ora viene riflessa come fronte d'onda collimato.

Se la stessa antenna viene utilizzata come un file receiver, l'onda elettromagnetica quando colpisce la forma della parabola, l'onda viene riflessa sul punto di alimentazione. Il dipolo o l'antenna a tromba, che funge da antenna del ricevitore alla sua alimentazione, riceve questo segnale, per convertirlo in segnale elettrico e lo inoltra al circuito del ricevitore.

Il sottosistema, che fornisce il collegamento tra le antenne trasmittenti e riceventi di un satellite, è noto come Transponder. È uno dei sottosistemi più importanti dei sottosistemi del segmento spaziale.

Il transponder svolge le funzioni di trasmettitore e ricevitore (Responder) in un satellite. Quindi, la parola "Transponder" si ottiene combinando poche lettere di due parole, Transmitter(Trans) e Risponditore (ponder).

Schema a blocchi del Transponder

Il transponder esegue principalmente two functions. Quelli stanno amplificando il segnale di ingresso ricevuto e ne traducono la frequenza. In generale, vengono scelti diversi valori di frequenza sia per il collegamento verso monte che per il collegamento verso valle al fine di evitare l'interferenza tra i segnali trasmessi e ricevuti.

Il block diagram del transponder è mostrato nella figura sottostante.

Possiamo facilmente capire il funzionamento del Transponder dallo schema a blocchi stesso. La funzione di ogni blocco è menzionata di seguito.

• Duplexerè un cancello a microonde a due vie. Riceve il segnale di uplink dall'antenna satellitare e trasmette il segnale di downlink all'antenna satellitare.

• Low Noise Amplifier (LNA) amplifica il debole segnale ricevuto.

• Carrier Processoresegue la conversione di frequenza verso il basso del segnale ricevuto (uplink). Questo blocco determina il tipo di transponder.

• Power Amplifier amplifica la potenza del segnale convertito in frequenza (down link) al livello richiesto.

Tipi di transponder

Fondamentalmente ci sono two typesdi transponder. Quelli sono transponder a tubo piegato e transponder rigenerativi.

Transponder a tubo piegato

Il transponder a tubo piegato riceve il segnale di frequenza delle microonde. Converte la frequenza del segnale di ingresso in frequenza RF e poi la amplifica.

Il transponder a tubo piegato è anche chiamato ripetitore e conventional transponder. È adatto sia per segnali analogici che digitali.

Transponder rigenerativi

Il transponder rigenerativo svolge le funzioni di transponder a tubo piegato. cioè, traduzione e amplificazione di frequenza. Oltre a queste due funzioni, il transponder rigenerativo esegue anche la demodulazione della portante RF in banda base, la rigenerazione dei segnali e la modulazione.

Il transponder rigenerativo è anche chiamato Transponder di elaborazione. È adatto solo per segnali digitali. Il principaleadvantages dei transponder rigenerativi migliorano il rapporto segnale / rumore (SNR) e hanno una maggiore flessibilità nell'implementazione.

Il earth segmentdel sistema di comunicazione satellitare è costituito principalmente da due stazioni terrestri. Quelli stanno trasmettendo la stazione di terra e ricevendo la stazione di terra.

La trasmissione earth stationtrasmette i segnali di informazione al satellite. Invece, la stazione terrestre ricevente riceve i segnali di informazione dal satellite. A volte, la stessa stazione di terra può essere utilizzata sia per la trasmissione che per la ricezione.

In generale, le stazioni di terra ricevono i segnali in banda base in una delle seguenti forme. Segnali vocali e segnali video in forma analogica o digitale.

Inizialmente, la tecnica di modulazione analogica, denominata FM modulationviene utilizzato per la trasmissione di segnali sia vocali che video, che sono in forma analogica. Successivamente, tecniche di modulazione digitale, vale a dire Frequency Shift Keying(FSK) e Phase Shift Keying (PSK)sono usati per trasmettere quei segnali. Perché entrambi i segnali vocali e video vengono utilizzati per rappresentare in digitale convertendoli da analogico.

Schema a blocchi della stazione terrestre

Progettazione di un file Earth stationdipende non solo dall'ubicazione della stazione terrestre ma anche da altri fattori. La posizione delle stazioni terrestri potrebbe essere sulla terra, sulle navi in ​​mare e sugli aerei. I fattori dipendenti sono il tipo di servizio fornito, l'utilizzo delle bande di frequenza, il trasmettitore, il ricevitore e le caratteristiche dell'antenna.

Il block diagram della stazione terrestre digitale è mostrato nella figura sottostante.

Possiamo facilmente capire il funzionamento della stazione terrestre dalla figura sopra. Ci sono quattro principalisubsystemsche sono presenti in qualsiasi stazione terrestre. Quelli sono trasmettitore, ricevitore, antenna e sottosistema di tracciamento.

Trasmettitore

L'informazione binaria (digitale) entra nell'apparecchiatura in banda base della stazione terrestre dalla rete terrestre. Encoder include bit di correzione degli errori per ridurre al minimo il tasso di errore dei bit.

Nella comunicazione satellitare, la frequenza intermedia (IF)può essere scelto come 70 MHz utilizzando un transponder con larghezza di banda di 36 MHz. Allo stesso modo, l'IF può anche essere scelto come 140 MHz utilizzando un transponder con larghezza di banda di 54 MHz o 72 MHz.

Up converter esegue la conversione di frequenza del segnale modulato in una frequenza più alta. Questo segnale verrà amplificato utilizzando un amplificatore ad alta potenza. L'antenna della stazione terrestre trasmette questo segnale.

Ricevitore

Durante reception, l'antenna della stazione terrestre riceve il segnale di downlink. Questo è un segnale RF modulato a basso livello. In generale, il segnale ricevuto avrà una minore potenza del segnale. Quindi, per amplificare questo segnale, amplificatore a basso rumore(LNA)si usa. A causa di ciò, c'è un miglioramento nel valore del rapporto segnale / rumore (SNR).

Il segnale RF può essere down convertedal valore della frequenza intermedia (IF), che è 70 o 140 MHz. Perché è facile demodulare a queste frequenze intermedie.

La funzione di decoderè esattamente opposto a quello del codificatore. Pertanto, il decodificatore produce informazioni binarie prive di errori rimuovendo i bit di correzione degli errori e correggendo le posizioni dei bit, se presenti.

Queste informazioni binarie vengono fornite alle apparecchiature in banda base per ulteriori elaborazioni e quindi inviate alla rete terrestre.

Antenna della stazione terrestre

Le parti principali di Earth station Antennasono il sistema di alimentazione e il riflettore dell'antenna. Queste due parti combinate insieme irradiano o ricevono onde elettromagnetiche. Poiché il sistema di alimentazione obbedisce al teorema di reciprocità, le antenne della stazione di terra sono adatte sia per la trasmissione che per la ricezione di onde elettromagnetiche.

Parabolic reflectorssono usati come antenna principale nelle stazioni terrestri. Il guadagno di questi riflettori è elevato. Hanno la capacità di focalizzare un raggio parallelo in un punto del fuoco, dove si trova il sistema di alimentazione.

Sottosistema di monitoraggio

Il Tracking subsystemtiene traccia con il satellite e fa in modo che il raggio arrivi verso di esso per stabilire la comunicazione. Il sistema di Tracking presente nella stazione di terra esegue principalmentetwo functions. Quelle sono l'acquisizione e il monitoraggio del satellite. Questo monitoraggio può essere eseguito in uno dei seguenti modi. Quelli sono il monitoraggio automatico, il monitoraggio manuale e il monitoraggio del programma.

In questo capitolo, discutiamo di due esempi di stazioni terrestri: Receive-only Home TV system e Community Antenna TV system.

Ricevi solo il sistema TV domestico

Se la trasmissione avviene direttamente ai ricevitori TV domestici, quel tipo di servizio viene chiamato Direct Broadcast Satellite (DBS) servizio.

Un riflettore del tipo a rete può essere utilizzato per focalizzare i segnali in un dual feed-horn. Ha due uscite separate. Da un'uscita si otterranno segnali in banda C e dall'altra uscita si otterranno segnali in banda Ku.

La programmazione televisiva nasce principalmente come segnali di prima generazione. Questi segnali vengono trasmessi attraverso il satellite alle stazioni finali principali della rete in banda C. Questi segnali vengono compressi e trasmessi in forma digitale ai fornitori di cavi e DBS.

Gli utenti in banda C possono abbonarsi ai canali televisivi a pagamento. Questi servizi in abbonamento sonocheaper rispetto al cavo a causa della disponibilità di programmazione multi-sorgente.

Il block diagram del ricevitore TV DBS è mostrato nella figura sotto.

Unità esterna

L'unità esterna è composta principalmente da receiving antenna e convertitore a basso rumore (LNC). Low Noise Converter (LNC) non è altro che la combinazione di Low Noise Amplifier (LNA) seguita da un convertitore. L'antenna ricevente viene alimentata direttamente in LNC.

In generale, il parabolic reflector viene utilizzato anche con l'antenna a tromba ricevente per una maggiore focalizzazione del raggio.

Unità interna

In generale, il segnale inviato all'unità interna è un segnale a banda larga. La frequenza di questo segnale è compresa tra 950 MHz e 1450 MHz. Nell'unità interna, questo segnale viene amplificato utilizzando unamplifier.

Il segnale amplificato viene applicato a un filtro di tracciamento e a un down converter. Seleziona il canale desiderato e converte la sua frequenza in un fileIntermediate Frequency (IF) di 70 MHz.

IF amplifieramplifica la potenza del segnale per demodularlo correttamente. Il segnale in banda base (demodulato) viene utilizzato per generare un segnale Vestigial Single Side Band (VSSB). Questo segnale viene inviato a uno dei canali VHF / UHF di un televisore standard.

La modulazione di frequenza (FM) viene utilizzata in DBS TV. Considerando che, la modulazione di ampiezza (AM) sotto forma di VSSB viene utilizzata nella TV convenzionale. Questo è ilmajor difference tra DBS TV e TV convenzionale.

Sistema TV antenna comunitario

La Community Antenna TV (CATV)il sistema utilizza una singola unità esterna e più alimentazioni. Questi feed sono disponibili separatamente per ogni senso di polarizzazione. A causa di ciò, tutti i canali saranno disponibili sul ricevitore interno, contemporaneamente.

Il block diagram dell'unità interna del sistema CATV è mostrato nella figura sottostante.

In questo caso, non è necessario un ricevitore separato per ogni utente. Perché tutte le portanti sono demodulate in un comune sistema ricevitore-filtro. Successivamente, i canali vengono combinati in un segnale multiplexato. Questo segnale viene quindi trasmesso tramite un cavo agli abbonati (utenti).

Nei sistemi di comunicazione satellitare, ci sono due tipi di calcoli di potenza. Quelli stanno trasmettendo potenza e ricevendo calcoli di potenza. In generale, questi calcoli sono chiamati comeLink budget calculations. L'unità di potere èdecibel.

Per prima cosa, discutiamo la terminologia di base utilizzata in Link Budget e poi passeremo alla spiegazione dei calcoli del Link Budget.

Terminologia di base

Un isotropic radiator(antenna) irradia ugualmente in tutte le direzioni. Ma non esiste praticamente. È solo un'antenna teorica. Possiamo confrontare le prestazioni di tutte le antenne reali (pratiche) rispetto a questa antenna.

Densità del flusso di potenza

Supponiamo che un radiatore isotropo sia situato al centro della sfera avente raggio, r. Sappiamo che la densità del flusso di potenza è il rapporto tra il flusso di potenza e l'area dell'unità.

Power flux density,$\Psi_i$ di un radiatore isotropo è

$$\Psi_i = \frac{p_s}{4\pi r^2}$$

Dove, $P_s$è il flusso di potenza. In generale, la densità del flusso di potenza di una pratica antenna varia con la direzione. Ma èmaximum value sarà solo in una particolare direzione.

Guadagno dell'antenna

Il gain dell'antenna pratica è definito come il rapporto tra la densità del flusso di potenza massima dell'antenna pratica e la densità del flusso di potenza dell'antenna isotropica.

Pertanto, il guadagno dell'antenna o Antenna gain, G è

$$G = \frac{\Psi_m}{\Psi_i}$$

Dove, $\Psi_m$è la massima densità di flusso di potenza di un'antenna pratica. E,$\Psi_i$ è la densità del flusso di potenza del radiatore isotropo (antenna).

Potenza irradiata isotropica equivalente

Equivalent isotropic irradiated power (EIRP) è il parametro principale utilizzato nella misurazione del budget di collegamento. Mathematically, può essere scritto come

$$EIRP = G\:\:P_s$$

Possiamo rappresentare l'EIRP in decibels come

$$\left [ EIRP \right ] = \left [ G \right ] + \left [ P_s \right ]dBW$$

Dove, G è il guadagno dell'antenna trasmittente e $P_s$ è il potere del trasmettitore.

Perdite di trasmissione

La differenza tra la potenza inviata a un'estremità e quella ricevuta alla stazione di ricezione è nota come Transmission losses. Le perdite possono essere classificate in 2 tipi.

• Perdite costanti
• Perdite variabili

Le perdite che sono costanti come le perdite dell'alimentatore sono note come constant losses. Non importa quali precauzioni avremmo potuto prendere, comunque queste perdite sono destinate a verificarsi.

Un altro tipo di perdite sono variable loss. Il cielo e le condizioni meteorologiche sono un esempio di questo tipo di perdita. Significa che se il cielo non è limpido il segnale non raggiungerà efficacemente il satellite o viceversa.

Pertanto, la nostra procedura prevede il calcolo delle perdite a causa di tempo sereno o chiara condizione di cielo come 1 ^° perché queste perdite sono costanti. Non cambieranno con il tempo. Quindi, nella ^seconda fase, possiamo calcolare le perdite dovute a condizioni meteorologiche avverse.

Collega i calcoli del budget

Esistono due tipi di calcoli del budget di collegamento poiché ci sono due collegamenti, vale a dire, uplink e downlink.

Uplink della stazione terrestre

È il processo in cui la terra trasmette il segnale al satellite e il satellite lo riceve. Suomathematical equation può essere scritto come

$$\left(\frac{C}{N_0}\right)_U = [EIRP]_U+\left(\frac{G}{T}\right)_U - [LOSSES]_U -K$$

Dove,

• $\left [\frac{C}{N_0}\right ]$ è il rapporto tra portante e densità del rumore

• $\left [\frac{G}{T}\right ]$ è il rapporto G / T del ricevitore satellitare e le unità sono dB / K

Qui, le perdite rappresentano le perdite dell'alimentatore del ricevitore satellitare. Le perdite che dipendono dalla frequenza sono tutte prese in considerazione.

Il valore EIRP dovrebbe essere il più basso possibile per un UPLINK efficace. E questo è possibile quando otteniamo una condizione di cielo sereno.

Qui abbiamo usato la notazione (pedice) "U", che rappresenta i fenomeni di uplink.

Downlink satellitare

In questo processo, il satellite invia il segnale e la stazione terrestre lo riceve. L'equazione è la stessa dell'uplink satellitare con la differenza che usiamo ovunque l'abbreviazione "D" invece di "U" per denotare i fenomeni di downlink.

Suo mathematical l'equazione può essere scritta come;

$$\left [\frac{C}{N_0}\right ]_D = \left [ EIRP \right ]_D + \left [ \frac{G}{T} \right ]_D - \left [ LOSSES \right ]_D - K$$

Dove,

• $\left [\frac{C}{N_0}\right ]$ è il rapporto tra portante e densità del rumore
• $\left [\frac{G}{T}\right ]$ è il rapporto G / T del ricevitore della stazione terrestre e le unità sono dB / K

Qui, tutte le perdite che sono presenti intorno alle stazioni di terra.

Nell'equazione precedente non abbiamo incluso la larghezza di banda del segnale B. Tuttavia, se includiamo che l'equazione verrà modificata come segue.

$$\left [\frac{C}{N_0}\right ]_D = \left [ EIRP \right ]_D + \left [ \frac{G}{T} \right ]_D - \left [ LOSSES \right ]_D -K-B$$

Link Budget

Se stiamo prendendo in considerazione il satellite terrestre, dovrebbe essere presa in considerazione anche la perdita di diffusione dello spazio libero (FSP).

Se l'antenna non è allineata correttamente, possono verificarsi perdite. quindi prendiamoAML(Perdite di disallineamento dell'antenna). Allo stesso modo, quando il segnale arriva dal satellite verso la terra, entra in collisione con la superficie terrestre e alcuni di essi vengono assorbiti. Questi sono curati dalla perdita di assorbimento atmosferico data da“AA” e misurato in db.

Ora possiamo scrivere l'equazione di perdita per il cielo libero come

$$Losses = FSL + RFL+ AML+ AA + PL$$

Dove,

• RFL sta per perdita di alimentazione ricevuta e le unità sono db.

• PL sta per polarization mismatch loss.

Ora il decibel equation poiché il potere ricevuto può essere scritto come

$$P_R = EIRP + G_R + Losses$$

Dove,

• $P_R$ sta per la potenza ricevuta, misurata in dBW.
• $G_r$ è il guadagno dell'antenna del ricevitore.

La progettazione di down link è più critica rispetto alla progettazione di uplink. A causa delle limitazioni nella potenza richiesta per la trasmissione e il guadagno dell'antenna.

A volte il servizio di un satellite è presente in una posizione particolare sulla stazione terrestre ea volte non è presente. Ciò significa che un satellite può avere diverse stazioni di servizio situate in luoghi diversi sulla terra. Mandano il segnale portante per il satellite.

In questa situazione, facciamo più accessi per consentire al satellite di ricevere o inviare segnali da diverse stazioni contemporaneamente senza alcuna interferenza tra di loro. Di seguito sono riportati i filethree types di più tecniche di accesso.

• FDMA (accesso multiplo a divisione di frequenza)
• TDMA (Time Division Multiple Access)
• CDMA (Code Division Multiple Access)

Ora, discutiamo ciascuna tecnica una per una.

FDMA

In questo tipo di accesso multiplo, assegniamo a ciascun segnale un diverso tipo di banda di frequenza (intervallo). Quindi, due segnali qualsiasi non dovrebbero avere lo stesso tipo di gamma di frequenza. Quindi, non ci sarà alcuna interferenza tra di loro, anche se inviamo quei segnali in un canale.

Uno perfetto exampledi questo tipo di accesso sono i nostri canali radio. Possiamo vedere che a ciascuna stazione è stata assegnata una banda di frequenza diversa per poter funzionare.

Prendiamo tre stazioni A, B e C. Vogliamo accedervi tramite la tecnica FDMA. Quindi abbiamo assegnato loro diverse bande di frequenza.

Come mostrato nella figura, la stazione satellitare A è stata mantenuta sotto la gamma di frequenze da 0 a 20 HZ. Allo stesso modo, alle stazioni B e C è stata assegnata la gamma di frequenza di 30-60 Hz e 70-90 Hz rispettivamente. Non ci sono interferenze tra di loro.

Il principale disadvantagedi questo tipo di sistema è che è molto scoppiato. Questo tipo di accesso multiplo è sconsigliato per i canali, che sono dinamici e irregolari. Perché renderà i loro dati inflessibili e inefficienti.

TDMA

Come suggerisce il nome, TDMA è un accesso basato sul tempo. Qui, diamo un determinato periodo di tempo a ciascun canale. In tale lasso di tempo, il canale può accedere all'intera larghezza di banda dello spettro

Ogni stazione ha una lunghezza o uno slot fisso. Gli slot non utilizzati rimarranno inattivi.

Supponiamo di voler inviare cinque pacchetti di dati a un particolare canale con la tecnica TDMA. Quindi, dovremmo assegnare loro determinate fasce orarie otime frame all'interno del quale può accedere all'intera larghezza di banda.

Nella figura sopra, sono attivi i pacchetti 1, 3 e 4, che trasmettono i dati. Mentre i pacchetti 2 e 5 sono inattivi a causa della loro mancata partecipazione. Questo formato viene ripetuto ogni volta che assegniamo la larghezza di banda a quel particolare canale.

Tuttavia, abbiamo assegnato determinati intervalli di tempo a un particolare canale, ma può anche essere modificato a seconda della capacità di carico. Ciò significa che, se un canale sta trasmettendo carichi più pesanti, può essere assegnato un intervallo di tempo maggiore rispetto al canale che sta trasmettendo carichi più leggeri. Questo è il più grandeadvantagedi TDMA su FDMA. Un altro vantaggio del TDMA è che il consumo di energia sarà molto basso.

Note - In alcune applicazioni utilizziamo l'estensione combination di entrambi TDMA and FDMAtecniche. In questo caso, ogni canale verrà utilizzato in una particolare banda di frequenza per un determinato intervallo di tempo. In questo caso, la selezione della frequenza è più robusta e ha una maggiore capacità di compressione nel tempo.

CDMA

Nella tecnica CDMA, a ciascun canale è stato assegnato un codice univoco per distinguerli l'uno dall'altro. Un perfettoexampledi questo tipo di accesso multiplo è il nostro sistema cellulare. Possiamo vedere che il numero di cellulare di due persone non corrisponde tra loro sebbene siano lo stesso servizio di telefonia mobile X o Y che fornisce ai clienti dell'azienda la stessa larghezza di banda.

Nel processo CDMA, eseguiamo la decodifica del prodotto interno del segnale codificato e della sequenza di scheggiatura. Pertanto, matematicamente può essere scritto come

$$Encoded\:signal = Orginal\:data\:\: \times\:\: chipping\:sequence$$

La base advantagedi questo tipo di accesso multiplo è che consente a tutti gli utenti di coesistere e di utilizzare l'intera larghezza di banda contemporaneamente. Poiché ogni utente ha un codice diverso, non ci saranno interferenze.

In questa tecnica, un numero di stazioni può avere un numero di canali a differenza di FDMA e TDMA. La parte migliore di questa tecnica è che ogni stazione può utilizzare l'intero spettro in ogni momento.

I servizi di comunicazione satellitare possono essere classificati nelle seguenti due categorie.

• Servizio di collegamento di comunicazione satellitare unidirezionale
• Servizio di collegamento di comunicazione satellitare bidirezionale

Ora, discutiamo di ogni servizio uno per uno

Servizio di collegamento di comunicazione satellitare unidirezionale

In one-wayservizio di collegamento di comunicazione satellitare, le informazioni possono essere trasferite da una stazione di terra a una o più stazioni di terra tramite un satellite. Ciò significa che fornisce connettività punto a punto e connettività punto a punto multiplo.

Sotto figure mostra un esempio di servizio di collegamento di comunicazione satellitare unidirezionale.

Qui, la comunicazione avviene tra la prima stazione terrestre (trasmettitore) e la seconda stazione terrestre (ricevitore) sulla superficie terrestre attraverso un satellite in one direction.

Di seguito sono riportati alcuni dei file one-way collegamento di comunicazione satellitare services.

• Trasmissione di servizi satellitari come radio, TV e servizi Internet.

• Servizi di operazioni spaziali come servizi di telemetria, monitoraggio e comando.

• Servizio satellitare di determinazione radio come il servizio di localizzazione della posizione.

Servizio di collegamento di comunicazione satellitare bidirezionale

In two-waycollegamento di comunicazione satellitare, le informazioni possono essere scambiate tra due stazioni di terra qualsiasi tramite un satellite. Ciò significa che fornisce solo connettività punto a punto.

La figura seguente mostra un esempio di servizio di collegamento di comunicazione satellitare bidirezionale.

Qui, la comunicazione avviene tra la prima stazione terrestre (trasmettitore) e la seconda stazione terrestre (ricevitore) sulla superficie terrestre attraverso un satellite in two (tutti e due) directions.

Di seguito sono riportati alcuni dei collegamenti di comunicazione satellitare a due vie services.

• Servizi satellitari fissi come telefono, fax e dati di servizi a bit rate elevato.

• Servizi mobili via satellite come servizi di comunicazione mobile terrestre, marittima e aerea.

Sistema di posizionamento globale (GPS)è un sistema di navigazione basato su satellite. Ha creato la rivoluzione nella navigazione e nella localizzazione della posizione. Viene utilizzato principalmente nelle applicazioni di posizionamento, navigazione, monitoraggio e rilevamento.

Il sindaco advantagesdella navigazione satellitare sono il posizionamento in tempo reale e la sincronizzazione temporale. Ecco perché i sistemi di navigazione satellitare sono diventati parte integrante nella maggior parte delle applicazioni, dove la mobilità è il parametro chiave.

Un segmento spaziale GPS operativo completo contiene ventiquattro satelliti in MEO. Questi satelliti sono suddivisi in sei gruppi in modo che ogni gruppo contenga quattro satelliti. Il gruppo di quattro satelliti è chiamato come unoconstellation. Qualsiasi due costellazioni adiacenti sono separate da 60 gradi di longitudine.

Il orbital period di ogni satellite è approssimativamente uguale a twelve hours. Quindi, tutti i satelliti ruotano intorno alla terra due volte ogni giorno. In qualsiasi momento, i ricevitori GPS riceveranno i segnali da almeno quattro satelliti.

Codici e servizi GPS

Ogni satellite GPS trasmette due segnali, L₁ and L₂ sono di frequenze diverse. Trilaterationè un metodo semplice per trovare la posizione (latitudine, longitudine, elevazione) del ricevitore GPS. Utilizzando questo metodo, la posizione di un punto sconosciuto può essere misurata da tre punti noti

Codici GPS

Di seguito sono riportati i due tipi di codici GPS.

• Codice di acquisizione grossolana o codice C / A
• Codice preciso o codice P.

Il segnale L ₁ è modulato con una sequenza di bit pseudo casuale di 1.023 Mbps. Questo codice è chiamato codice di acquisizione grossolana oC/A code ed è utilizzato dal pubblico.

Il segnale L ₂ è modulato con una sequenza di bit pseudo casuale di 10,23 Mbps. Questo codice è chiamato come codice preciso oP codeed è utilizzato nei sistemi di posizionamento militare. Generalmente, questo codice P viene trasmesso in un formato crittografato e viene chiamato comeY code

Il codice P offre una migliore precisione di misurazione rispetto al codice C / A, poiché il bit rate del codice P è maggiore del bit rate del codice C / A.

Servizi GPS

Di seguito sono riportati i due tipi di servizi forniti dal GPS.

• Servizio di posizionamento preciso (PPS)
• Servizio di posizionamento standard (SPS)

PPS receiverstenere traccia sia del codice C / A che del codice P su due segnali, L ₁ e L ₂ . Il codice Y viene decrittografato sul ricevitore per ottenere il codice P.

SPS receiverstenere traccia del solo codice C / A sul segnale, L ₁ .

Ricevitore GPS

Esiste solo una trasmissione unidirezionale dal satellite agli utenti nel sistema GPS. Quindi, il singolo utente non ha bisogno del trasmettitore, ma solo aGPS receiver. Viene utilizzato principalmente per trovare la posizione precisa di un oggetto. Svolge questa operazione utilizzando i segnali ricevuti dai satelliti.

Il block diagram del ricevitore GPS è mostrato nella figura sottostante.

Di seguito viene menzionata la funzione di ogni blocco presente nel ricevitore GPS.

• Receiving Antennariceve i segnali satellitari. È principalmente un'antenna polarizzata circolarmente.

• Low Noise Amplifier (LNA) amplifica il debole segnale ricevuto

• Down converter converte la frequenza del segnale ricevuto in un segnale a frequenza intermedia (IF).

• IF Amplifier amplifica il segnale a frequenza intermedia (IF).

• ADCesegue la conversione del segnale analogico, che si ottiene dall'amplificatore IF al digitale. Supponiamo che i blocchi di campionamento e quantizzazione siano presenti anche in ADC (convertitore da analogico a digitale).

• DSP (Digital Signal Processor) genera il codice C / A.

• Microprocessoresegue il calcolo della posizione e fornisce i segnali di temporizzazione per controllare il funzionamento di altri blocchi digitali. Invia le informazioni utili all'unità Display per visualizzarle sullo schermo.