Спутниковая связь - Краткое руководство

В общем, satellite- это меньший объект, который вращается вокруг более крупного объекта в космосе. Например, Луна - естественный спутник Земли.

Мы знаем это Communicationотносится к обмену (совместному использованию) информации между двумя или более объектами через любую среду или канал. Другими словами, это не что иное, как отправка, получение и обработка информации.

Если связь осуществляется между любыми двумя земными станциями через спутник, то она называется satellite communication. В этой связи электромагнитные волны используются как несущие сигналы. Эти сигналы несут информацию, такую ​​как голос, аудио, видео или любые другие данные, между землей и космосом и наоборот.

Советский Союз запустил первый в мире искусственный спутник под названием Спутник-1 в 1957 году. Спустя почти 18 лет Индия также запустила искусственный спутник под названием Арьябхата в 1975 году.

Необходимость спутниковой связи

Следующие два вида распространения используются ранее для связи на некоторое расстояние.

• Ground wave propagation- Распространение земной волны подходит для частот до 30 МГц. Этот метод связи основан на условиях тропосферы Земли.

• Sky wave propagation - Подходящая полоса пропускания для этого типа связи находится в диапазоне 30–40 МГц и использует свойства ионосферы Земли.

Максимальный пролет или расстояние до станции ограничено 1500 км только как при распространении земной волны, так и при распространении космической волны. Спутниковая связь преодолевает это ограничение. В этом методе спутники обеспечиваютcommunication for long distances, который находится далеко за пределами прямой видимости.

Поскольку спутники расположены на определенной высоте над землей, связь между любыми двумя земными станциями легко осуществляется через спутник. Таким образом, он преодолевает ограничение связи между двумя земными станциями из-за кривизны Земли.

Как работает спутник

А satelliteэто тело, которое движется вокруг другого тела определенным путем. Спутник связи - это не что иное, как радиорелейная станция в космосе. Он полезен в телекоммуникациях, радио и телевидении наряду с интернет-приложениями.

А repeaterпредставляет собой схему, которая увеличивает мощность принимаемого сигнала и затем передает его. Но этот репитер работает какtransponder. Это означает, что он изменяет полосу частот передаваемого сигнала от принятой.

Частота, с которой сигнал отправляется в пространство, называется Uplink frequency. Точно так же частота, с которой сигнал отправляется транспондером, называетсяDownlink frequency. Следующий рисунок ясно иллюстрирует эту концепцию.

Передача сигнала с первой земной станции на спутник по каналу называется uplink. Точно так же передача сигнала со спутника на вторую земную станцию ​​через канал называетсяdownlink.

Uplink frequencyэто частота, на которой первая земная станция обменивается данными со спутником. Спутниковый транспондер преобразует этот сигнал в другую частоту и отправляет его на вторую земную станцию. Эта частота называетсяDownlink frequency. Аналогичным образом вторая земная станция также может связываться с первой.

Процесс спутниковой связи начинается на земной станции. Здесь установка предназначена для передачи и приема сигналов со спутника на орбите вокруг Земли. Земные станции отправляют информацию на спутники в виде мощных высокочастотных (диапазон ГГц) сигналов.

Спутники принимают и ретранслируют сигналы обратно на Землю, где они принимаются другими земными станциями в зоне покрытия спутника. Спутникfootprint это область, которая принимает сигнал полезной мощности со спутника.

Плюсы и минусы спутниковой связи

В этом разделе давайте посмотрим на преимущества и недостатки спутниковой связи.

Ниже приведены advantages использования спутниковой связи:

• Зона покрытия больше, чем у наземных систем

• Каждый уголок земли можно покрыть

• Стоимость передачи не зависит от зоны покрытия

• Больше пропускной способности и возможностей вещания

Ниже приведены disadvantages использования спутниковой связи -

• Вывод спутников на орбиты - дорогостоящий процесс.

• Задержка распространения спутниковых систем больше, чем у обычных наземных систем.

• Трудно обеспечить ремонтные работы, если возникнет какая-либо проблема в спутниковой системе.

• Потеря свободного места больше

• Может быть перегрузка частот.

Приложения спутниковой связи

Спутниковая связь играет жизненно важную роль в нашей повседневной жизни. Ниже приведены приложения спутниковой связи -

• Радиовещание и голосовая связь

• Телевещание, такое как Direct To Home (DTH)

• Интернет-приложения, такие как подключение к Интернету для передачи данных, приложения GPS, просмотр веб-страниц и т. Д.

• Военные приложения и навигация

• Приложения дистанционного зондирования

• Мониторинг и прогнозирование погодных условий

Мы знаем, что путь спутника, вращающегося вокруг Земли, известен как orbit. Этот путь можно представить с помощью математических обозначений. Орбитальная механика - это изучение движения спутников, находящихся на орбитах. Итак, мы можем легко понять космические операции, зная об орбитальном движении.

Орбитальные элементы

Орбитальные элементы - это параметры, которые помогают описать орбитальное движение спутников. Ниже приведеныorbital elements.

• Большая полуось
• Eccentricity
• Средняя аномалия
• Аргумент перигея
• Inclination
• Прямое восхождение восходящего узла

Вышеупомянутые шесть орбитальных элементов определяют орбиту спутников Земли. Следовательно, легко отличить один спутник от других спутников на основе значений элементов орбиты.

Большая полуось

Длина Semi-major axis (a)определяет размер орбиты спутника. Это половина большой оси. Он проходит от центра через фокус к краю эллипса. Итак, это радиус орбиты в двух наиболее удаленных точках орбиты.

На рисунке выше представлены как большая полуось, так и малая полуось. Длина полуфабрикатаmajor axis (a) определяет не только размер орбиты спутника, но и период обращения.

Если рассматривать круговую орбиту как частный случай, то длина большой полуоси будет равна radius этой круговой орбиты.

Эксцентриситет

Значение Eccentricity (e)фиксирует форму орбиты спутника. Этот параметр указывает на отклонение формы орбиты от идеального круга.

Если длины большой и малой полуосей эллиптической орбиты равны a и b, то математическое выражение для eccentricity (e) будет

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

Величина эксцентриситета круговой орбиты равна zero, так как оба a и b равны. Тогда как значение эксцентриситета эллиптической орбиты лежит между нулем и единицей.

Следующее figure показывает различные орбиты спутников для разных значений эксцентриситета (е)

На рисунке выше орбита спутника, соответствующая нулевому значению эксцентриситета (e), является круговой орбитой. Остальные три спутниковые орбиты имеют эллиптическую форму, соответствующую значениям эксцентриситета (e) 0,5, 0,75 и 0,9.

Средняя аномалия

Ближайшая к Земле точка для спутника называется Перигей. Mean anomaly (M) дает среднее значение углового положения спутника относительно перигея.

Если орбита круговая, то средняя аномалия дает угловое положение спутника на орбите. Но, если орбита эллиптическая, то вычислить точное положение очень сложно. При этом средняя аномалия используется в качестве промежуточного шага.

Аргумент Перигея

Орбита спутника пересекает экваториальную плоскость в двух точках. Первая точка называетсяdescending node, где спутник переходит из северного полушария в южное. Вторая точка называетсяascending node, где спутник переходит из южного полушария в северное.

Argument of perigee (ω)- угол между восходящим узлом и перигеем. Если и перигей, и восходящий узел существуют в одной точке, то аргумент перигея будет равен нулю градусов.

Аргумент перигея измеряется в плоскости орбиты в центре Земли в направлении движения спутника.

Наклон

Угол между плоскостью орбиты и плоскостью экватора Земли известен как inclination (i). Он измеряется в восходящем узле с направлением с востока на север. Таким образом, наклон определяет ориентацию орбиты, принимая за точку отсчета земной экватор.

В зависимости от угла наклона существует четыре типа орбит.

• Equatorial orbit - Угол наклона равен нулю или 180 градусам.

• Polar orbit - Угол наклона 90 градусов.

• Prograde orbit - Угол наклона составляет от нуля до 90 градусов.

• Retrograde orbit - Угол наклона от 90 до 180 градусов.

Прямое восхождение восходящего узла

Мы знаем это ascending node это точка, в которой спутник пересекает плоскость экватора, двигаясь из южного полушария в северное.

Прямое восхождение восходящего узла (Ω)- угол между линией Овна и восходящим узлом в направлении на восток в экваториальной плоскости. Овен также называют весенним равноденствием.

Спутник ground trackэто путь по поверхности Земли, который лежит точно ниже ее орбиты. Наземный трек спутника может принимать различные формы в зависимости от значений элементов орбиты.

Орбитальные уравнения

В этом разделе давайте обсудим уравнения, связанные с орбитальным движением.

Силы, действующие на спутнике

Спутник, когда он вращается вокруг Земли, испытывает притягивающую силу со стороны Земли из-за силы гравитации Земли. Эта сила известна какCentripetal force(F ₁ ), потому что эта сила приближает спутник к себе.

Математически Centripetal force(F ₁ ), действующее на спутник из-за земли, можно записать как

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

Где,

• G- универсальная гравитационная постоянная, равная 6,673 x 10 ^-11 Н ∙ м ² / кг ² .

• Mмасса Земли, равная 5,98 х 10 ²⁴ кг.

• m масса спутника.

• R это расстояние от спутника до центра Земли.

Когда спутник вращается вокруг Земли, он испытывает притягивающую силу со стороны Солнца и Луны из-за их гравитационных сил. Эта сила известна какCentrifugal force(F ₂ ), потому что эта сила уводит спутник от Земли.

Математически Centrifugal force(F ₂ ), действующее на спутник, можно записать как

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

Где, v - орбитальная скорость спутника.

Орбитальная скорость

Орбитальная скорость спутника - это скорость, с которой спутник вращается вокруг Земли. Спутник не отклоняется от своей орбиты и движется по этой орбите с определенной скоростью, когда действуют центростремительные и центробежные силы.balance друг друга.

Так, equateЦентростремительная сила (F ₁ ) и Центробежная сила (F ₂ ).

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

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

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

Следовательно orbital velocity спутника

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

Где,

• G- гравитационная постоянная и равна 6,673 x 10 ^-11 Н ∙ м ² / кг ² .

• Mмасса Земли, равная 5,98 х 10 ²⁴ кг.

• R это расстояние от спутника до центра Земли.

Итак, орбитальная скорость в основном depends на расстоянии от спутника до центра Земли (R), так как G и M являются постоянными.

Мы знаем, что спутник вращается вокруг Земли, что подобно тому, как Земля вращается вокруг Солнца. Итак, принципы, которые применяются к Земле и ее движению вокруг Солнца, также применимы к спутнику и его движению вокруг Земли.

Многие ученые с давних времен выдвигали разные типы теорий. Но толькоJohannes Kepler (1571-1630) был одним из наиболее признанных ученых, описавших принцип движения спутника вокруг Земли.

Кеплер сформулировал три закона, которые изменили всю теорию спутниковой связи и наблюдения. Они широко известны какKepler’s laws. Они помогают визуализировать движение в пространстве.

Первый закон Кеплера

Первый закон Кеплера гласит, что путь, пройденный спутником вокруг своей первичной стороны (Земли), будет ellipse. Этот эллипс имеет две фокальные точки (фокусы) F1 и F2, как показано на рисунке ниже. Центр масс Земли всегда будет находиться в одном из двух фокусов эллипса.

Если рассматривать расстояние от центра объекта до точки на его эллиптическом пути, то самая дальняя точка эллипса от центра называется apogee а самая короткая точка эллипса от центра называется perigee.

Eccentricity "e" этой системы можно записать как -

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

Где, a & b - длины большой и малой полуосей эллипса соответственно.

Для elliptical path, значение эксцентриситета (e) всегда находится между 0 и 1, т. е. $0$ < $e$ < $1$, поскольку a больше b. Предположим, если значение эксцентриситета (e) равно нулю, тогда путь больше не будет иметь эллиптическую форму, а будет преобразован в форму круга.

Второй закон Кеплера

Второй закон Кеплера гласит, что в течение равных промежутков времени areaпокрываемый спутником, будет одинаковым относительно центра масс Земли. Это можно понять, взглянув на следующий рисунок.

Предположим, спутник преодолевает расстояния p1 и p2 за один и тот же интервал времени. Тогда зоны B1 и B2, покрытые спутником в этих двух экземплярах, равны.

Третий закон Кеплера

Третий закон Кеплера гласит, что квадрат периодического времени эллиптической орбиты пропорционален кубу длины его большой полуоси. Mathematically, это можно записать следующим образом -

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

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

Где, $\frac{4\pi^2}{\mu}$ - константа пропорциональности.

$\mu$- постоянная Кеплера и ее значение равно 3.986005 x 10 ¹⁴ м ³ / сек ²

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

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

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

Где, ‘n’ - среднее движение спутника в радианах в секунду.

Note- Спутник, когда он вращается вокруг Земли, испытывает силу притяжения со стороны Земли, которая является силой гравитации. Точно так же он испытывает другую притягивающую силу от солнца и луны. Следовательно, спутник должен уравновесить эти две силы, чтобы оставаться на своей орбите.

После выхода в космос спутник должен быть правильно выведен на соответствующую орбиту. Он вращается определенным образом и служит своей цели в научных, военных или коммерческих целях. Орбиты, которые назначаются спутникам относительно Земли, называютсяEarth Orbits. Спутники, находящиеся на этих орбитах, называютсяEarth Orbit Satellites.

Мы должны правильно выбрать орбиту для спутника, исходя из требований. Например, если спутник размещен вlower orbit, то путешествие вокруг Земли займет меньше времени и у бортовой камеры будет лучшее разрешение. Аналогично, если спутник помещен вhigher orbit, то путешествие вокруг Земли занимает больше времени, и за один раз он покрывает большую часть земной поверхности.

Ниже приведены три важных types of Earth Orbit satellites -

• Спутники на геостационарной околоземной орбите
• Спутники на средней околоземной орбите
• Спутники на низкой околоземной орбите

Теперь давайте обсудим каждый тип спутников на околоземной орбите один за другим.

Спутники на геостационарной орбите Земли

Гео-синхронная земная орбита (GEO) Satellite тот, который находится на высоте 22,300миль над Землей. Эта орбита синхронизирована с боковыми реальными сутками (т.е. 23 часа 56 минут). Эта орбита может иметь наклон и эксцентриситет.

Он не может быть круглым. Эта орбита может быть наклонена к полюсам Земли. Но при наблюдении с Земли он кажется неподвижным. Эти спутники используются для спутникового телевидения.

Такая же геосинхронная орбита, если она круговая и в плоскости экватора, то называется Geostationary orbit. Эти спутники размещены на расстоянии 35 900 км / с (то же самое, что и геосинхронный) над экватором Земли, и они продолжают вращаться относительно направления Земли (с запада на восток).

Спутники, находящиеся на этих орбитах, имеют угловую скорость, такую ​​же, как у Земли. Следовательно, эти спутники рассматриваются какstationary относительно Земли, поскольку они синхронны с вращением Земли.

В advantage Геостационарной орбиты заключается в том, что нет необходимости отслеживать антенны для определения положения спутников.

Спутники на геостационарной околоземной орбите используются для прогнозирования погоды, спутникового телевидения, спутникового радио и других видов глобальной связи.

На следующем рисунке показана разница между геосинхронными и геостационарными орбитами. Ось вращения указывает на движение Земли.

Note- Каждая геостационарная орбита является геосинхронной орбитой. Но обратное не обязательно.

Спутники на средней околоземной орбите

Средняя околоземная орбита (MEO) спутники будут двигаться по орбите на расстоянии около 8000 milesс поверхности земли. Сигналы, передаваемые со спутника MEO, проходят меньшее расстояние. Благодаря этому усиливается сигнал на принимающей стороне. Это показывает, что на приемной стороне можно использовать меньшие и легкие приемные терминалы.

Transmission delayможно определить как время, необходимое сигналу, чтобы добраться до спутника и вернуться на принимающую станцию. В этом случае задержка передачи меньше. Потому что сигнал распространяется на более короткое расстояние до спутника MEO и от него.

За real-time communicationsЧем короче задержка передачи, тем лучше будет система связи. Например, если спутнику GEO требуется 0,25 секунды для полета туда и обратно, то спутнику MEO требуется менее 0,1 секунды, чтобы совершить такой же рейс. СОО работают в диапазоне частот 2 ГГц и выше.

Эти спутники используются для высокоскоростных телефонных сигналов. Для покрытия всей Земли требуется десять или более спутников на СОО.

Спутники на низкой околоземной орбите

Низкая околоземная орбита LEO)Спутники в основном делятся на три категории. Это маленькие LEO, большие LEO и Mega-LEO. НОО будут двигаться по орбите на расстоянии500 to 1000 milesнад поверхностью земли. Эти спутники используются для спутниковых телефонов и GPS.

Это относительно небольшое расстояние сокращает задержку передачи до 0,05 секунды. Это дополнительно снижает потребность в чувствительном и громоздком приемном оборудовании. Для покрытия всей Земли требуется двадцать или более спутников на низкой околоземной орбите.

Маленькие LEO будут работать в диапазоне 800 МГц (0,8 ГГц). Большие LEO будут работать в диапазоне 2 ГГц или выше, а Mega-LEOs будут работать в диапазоне 20-30 ГГц.

Более высокие частоты, связанные с Mega-LEOs переводит в большую пропускную способность информации и уступает возможности схемы передачи видео с малой задержкой в ​​реальном времени.

Следующее figure изображает пути LEO, MEO и GEO

Орбитальные слоты

Здесь может возникнуть вопрос, что при более чем 200 satellites которые находятся на геостационарной орбите, как мы можем предотвратить их столкновение друг с другом или попыток использовать одно и то же место в космосе?

Чтобы ответить на эту проблему (вопрос), международные регулирующие органы, такие как Международный союз электросвязи (ITU) и национальные правительственные организации, такие как Федеральная комиссия по связи (FCC) Обозначить места на геостационарной орбите, где могут быть расположены спутники связи.

Эти местоположения указываются в градусах долготы и называются orbital slots. FCC и ITU постепенно уменьшили требуемый интервал до 2 градусов для спутников C-диапазона и Ku-диапазона из-за огромного спроса на орбитальные слоты.

Земная станция получит максимальный уровень сигнала, если она будет расположена непосредственно под спутником. В противном случае он не получит максимальный уровень сигнала, и этот уровень сигнала будет уменьшаться по мере увеличения разницы между широтой и долготой земной станции.

Итак, исходя из требований, мы можем разместить спутник на определенной орбите. Теперь давайте обсудим углы обзора.

Углы взгляда

Следующие два угла поворота антенны земной станции вместе называются look angles.

• Азимутальный угол
• Угол возвышения

Обычно значения этих углов меняются для негеостационарных орбит. Тогда как значения этих углов не меняются для геостационарных орбит. Потому что спутники, находящиеся на геостационарных орбитах, кажутся неподвижными по отношению к Земле.

Эти два угла полезны для наведения на спутник непосредственно от антенны земной станции. Так чтоmaximum gain антенны земной станции можно направить на спутник.

Мы можем calculate углы обзора геостационарной орбиты с использованием долготы и широты земной станции и положения спутниковой орбиты.

Азимутальный угол

Угол между местной горизонтальной плоскостью и плоскостью, проходящей через земную станцию, спутник и центр Земли, называется azimuth angle.

В formula для азимутального угла ($\alpha$) является

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

Где,

• L - широта антенны земной станции.

• G - разница между положением спутниковой орбиты и антенны земной станции.

Следующее figure показывает азимутальный угол.

Измерьте horizontal angleот антенны земной станции к северному полюсу, как показано на рисунке. Он представляет собой азимутальный угол. Он используется для отслеживания спутника по горизонтали.

Угол возвышения

Угол между вертикальной плоскостью и линией, указывающей на спутник, известен как угол места. Вертикальная плоскость - это не что иное, как плоскость, перпендикулярная горизонтальной плоскости.

В formula для угла возвышения ($\beta$) является

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

Мы можем рассчитать угол возвышения, используя приведенную выше формулу. Следующееfigure показывает угол возвышения.

Измерьте vertical angleна антенне земной станции от земли к спутнику, как показано на рисунке. Он представляет собой угол возвышения.

Орбитальные возмущения

Ниже приведены орбитальные возмущения из-за гравитационных и негравитационных сил или параметров.

• Неравномерная гравитационная сила вокруг Земли из-за неравномерного распределения массы. Магнитное поле Земли тоже вызывает орбитальные возмущения.

• Основные внешние возмущения исходят от Солнца и Луны. Когда спутник находится рядом с этими внешними телами, он получает более сильное гравитационное притяжение.

• На низкоорбитальные спутники влияет трение, вызванное столкновением с атомами и ионами.

• Давление солнечной радиации влияет на большие спутники GEO, которые используют большие солнечные батареи.

• Самостоятельно создаваемые крутящие моменты и давления, вызванные радиочастотным излучением антенны.

Большинство спутников используют propulsion subsystem для поддержания правильного направления оси вращения и контроля высоты спутника против сил возмущения.

Спутники остаются в космосе большую часть своей жизни. Мы знаем, что в космосе присутствует среда невесомости. Поэтому спутникам не требуются дополнительные прочные рамки в космосе. Но они необходимы в процессе запуска. Потому что в этом процессе спутник сильно трясется, пока спутник не будет выведен на правильную орбиту.

В design of satellites должен быть совместим с одной или несколькими ракетами-носителями, чтобы вывести спутник на орбиту.

Мы знаем, что период революции будет больше, чем выше apogeeвысота согласно второму закону Кеплера. Период перехода на геостационарную орбиту почти равен 16 часам. Еслиperigee увеличивается до высоты GEO (около 36 000 км), то период обращения увеличивается до 24 часов.

Запуск спутников

Процесс вывода спутника на правильную орбиту известен как launching process. Во время этого процесса с земных станций мы можем контролировать работу спутника. В основном запуск спутника состоит из четырех этапов.

• First Stage - Первая ступень ракеты-носителя содержит ракеты и топливо для подъема спутника вместе с ракетой-носителем с земли.

• Second Stage- Вторая ступень ракеты-носителя содержит ракеты меньшего размера. Они воспламеняются после завершения первой стадии. У них есть собственные топливные баки, чтобы отправить спутник в космос.

• Third Stage- Третья (разгонная) ступень ракеты-носителя связана с обтекателем спутника. Этот обтекатель представляет собой металлический экран, который содержит спутник и защищает спутник.

• Fourth Stage- Спутник отделяется от верхней ступени ракеты-носителя, когда он выходит за пределы земной атмосферы. Затем спутник выйдет на «переходную орбиту». Эта орбита отправляет спутник выше в космос.

Когда спутник достигает желаемой высоты орбиты, его подсистемы, такие как солнечные батареи и антенны связи, разворачиваются. Затем спутник занимает свое положение на орбите с другими спутниками. Теперь спутник готов предоставитьservices публике.

Спутниковые ракеты-носители

Ракеты-носители запускают спутники на определенную орбиту в зависимости от требований. Ракеты-носители спутников - это не что иное, как многоступенчатые ракеты. Ниже приведеныtwo types ракет-носителей спутников.

• Расходные ракеты-носители (ELV)
• Многоразовые ракеты-носители (RLV)

Расходуемые ракеты-носители

Расходные ракеты-носители (ELV) уничтожаются после того, как спутники остаются в космосе. На следующем изображении показано, как выглядит ELV.

ПЗВ состоит из трех этапов. Первая и вторая ступени ELV поднимают спутник на расстояние около 50 и 100 миль. Третья ступень ELV выводит спутник на переходную орбиту. ЗадачаELV будет достроен, а его запчасти упадут на землю, когда спутник выйдет на переводную орбиту.

Многоразовые ракеты-носители

Многоразовые ракеты-носители (РЛВ) могут использоваться multiple timesдля запуска спутников. Как правило, ракеты-носители этого типа возвращаются на Землю после того, как спутник оставлен в космосе.

На следующем изображении показана многоразовая ракета-носитель. Он также известен какspace shuttle.

Функции space shuttleаналогичны функциям первого и второго этапов ПЗВ. Спутник вместе с третьей ступенью космического корабля установлен в грузовом отсеке. Он выбрасывается из грузового отсека, когда космический шаттл достигает высоты от 150 до 200 миль.

Затем запускается третья ступень космического челнока и переводит спутник на переходную орбиту. После этого космический шаттл вернется на Землю наreuse.

В системе спутниковой связи происходят различные операции. Среди них основными операциями являются управление орбитой, высота спутника, мониторинг и управление другими подсистемами.

Спутниковая связь состоит в основном из двух segments. Это космический сегмент и земной сегмент. Таким образом, соответственно будет два типа подсистем, а именно подсистемы космического сегмента и подсистемы земного сегмента. Следующееfigure иллюстрирует эту концепцию.

Как показано на рисунке, communication происходит между подсистемами космического сегмента и подсистемами земного сегмента через каналы связи.

Подсистемы космического сегмента

Подсистемы, присутствующие в космическом сегменте, называются подсистемами космического сегмента. Ниже приведеныspace segment subsystems.

• Подсистема AOC
• Подсистема TTCM
• Подсистемы питания и антенны
• Transponders

Подсистемы земного сегмента

Подсистемы, присутствующие в наземном сегменте, имеют возможность доступа к спутниковому ретранслятору для обеспечения связи между пользователями. Earth segment также называется наземным сегментом.

Земной сегмент выполняет в основном две функции. Это передача сигнала на спутник и прием сигнала со спутника.Earth stations являются основными подсистемами, присутствующими в земном сегменте.

Обо всех этих подсистемах космического и земного сегментов мы поговорим в следующих главах.

Мы знаем, что спутник может отклоняться от своей орбиты из-за гравитационных сил Солнца, Луны и других планет. Эти силы циклически меняются в течение 24 часов, поскольку спутник движется вокруг Земли.

Контроль высоты и орбиты (AOC)Подсистема состоит из ракетных двигателей, которые способны выводить спутник на правильную орбиту всякий раз, когда он отклоняется от соответствующей орбиты. Подсистема AOC полезна для того, чтобы антенны с узким лучом были направлены на землю.

Мы можем превратить эту подсистему AOC в следующую two parts.

• Подсистема контроля высоты
• Подсистема управления орбитой

Теперь давайте обсудим эти две подсистемы одну за другой.

Подсистема контроля высоты

Подсистема управления высотой обеспечивает ориентацию спутника на соответствующей орбите. Ниже приведеныtwo methods сделать спутник, находящийся на орбите, максимально устойчивым.

• Вращение спутника
• Метод трех осей

Вращение спутника

В этом методе корпус спутника вращается вокруг своего spin axis. Обычно его можно вращать со скоростью от 30 до 100 об / мин для создания силы гироскопического типа. Благодаря этому ось вращения стабилизируется, и спутник будет указывать в том же направлении. Спутники этого типа называютсяspinners.

Вертушка содержит барабан цилиндрической формы. Этот барабан покрыт солнечными батареями. В этом барабане присутствуют энергосистемы и ракеты.

Подсистема связи размещена сверху барабана. Электродвигатель управляет этой системой связи. Направление этого двигателя будет противоположным вращению корпуса спутника, так что антенны будут направлены на землю. Спутники, выполняющие такую ​​операцию, называютсяde-spin.

На этапе запуска спутник spinsпри работе малых радиальных газовых форсунок. После этогоde-spin Система работает таким образом, чтобы антенны подсистемы TTCM были направлены на земную станцию.

Метод трех осей

В этом методе мы можем стабилизировать спутник, используя одно или несколько колес. Этот метод называетсяthree-axis method. Преимущество этого метода состоит в том, что ориентация спутника по трем осям будет контролироваться и нет необходимости вращать основной корпус спутника.

В этом методе следующие three axes считаются.

• Roll axis рассматривается в направлении движения спутника в плоскости орбиты.

• Yaw axis считается по направлению к земле.

• Pitch axis считается в направлении, перпендикулярном плоскости орбиты.

Эти три оси показаны ниже. figure.

Пусть X _R , Y _R и Z _R - ось крена, ось рыскания и ось тангажа соответственно. Эти три оси определяются путем рассмотрения положения спутника какreference. Эти три оси определяют высоту спутника.

Пусть X, Y и Z - еще один набор декартовых осей. Этот набор из трех осей предоставляет информацию об ориентации спутника относительно опорных осей. Если есть изменение высоты спутника, то углы между соответствующими осями будут изменены.

В этом методе каждая ось содержит две газовые струи. Они обеспечат вращение в обоих направлениях по трем осям.

• В first gas jet будет работать в течение некоторого периода времени, когда необходимо движение спутника в определенном направлении оси.

• В second gas jetбудет работать в течение того же периода времени, когда спутник достигнет желаемой позиции. Таким образом, вторая газовая струя остановит движение спутника в этом направлении оси.

Подсистема управления орбитой

Подсистема управления орбитой полезна для вывода спутника на правильную орбиту всякий раз, когда спутник отклоняется от своей орбиты.

Подсистема TTCM, присутствующая на земной станции, отслеживает положение спутника. Если происходит изменение орбиты спутника, он посылает сигнал о корректировке в подсистему управления орбитой. Затем он решит эту проблему, переведя спутник на правильную орбиту.

Таким образом, AOC subsystem заботится о положении спутника на правильной орбите и на нужной высоте в течение всего срока службы спутника в космосе.

Телеметрия, отслеживание, управление и мониторинг (TTCM)подсистема присутствует как на спутниковой, так и на земной станции. Обычно спутник получает данные через датчики. Таким образом, подсистема телеметрии, присутствующая на спутнике, отправляет эти данные на земную станцию ​​(станции). Поэтому подсистема TTCM очень необходима любому спутнику связи для его успешной работы.

Оператор спутника несет ответственность за то, чтобы управлять спутником в течение всего срока его службы после вывода его на соответствующую орбиту. Это можно сделать с помощьюTTCM subsystem.

Мы можем превратить эту подсистему TTCM в следующую three parts.

• Подсистема телеметрии и мониторинга
• Подсистема отслеживания
• Командная подсистема

Подсистема телеметрии и мониторинга

Слово ‘Telemetry’означает измерение на расстоянии. В «Телеметрии» в основном выполняются следующие операции.

• Генерация электрического сигнала, пропорционального измеряемой величине.

• Кодирование электрического сигнала.

• Передача этого кода на дальнее расстояние.

Telemetry subsystem присутствующий в спутнике выполняет в основном две функции -

• получение данных с датчиков, и
• передача этих данных на земную станцию.

Спутники имеют довольно много датчиков для отслеживания различных параметров, таких как давление, температура, состояние и т. Д. Различных подсистем. Обычно данные телеметрии передаются в формате FSK или PSK.

Подсистема телеметрии - это система с дистанционным управлением. Он отправляет данные мониторинга со спутника на земную станцию. Как правило,telemetry signals нести информацию о высоте, окружающей среде и спутнике.

Подсистема отслеживания

Подсистема слежения полезна, чтобы знать положение спутника и его текущую орбиту. Центр управления спутником(SCC)контролирует работу и состояние подсистем космического сегмента с помощью нисходящей телеметрической связи. И он управляет этими подсистемами с помощью команды uplink.

Мы знаем, что tracking subsystemтакже присутствует на земной станции. В основном он фокусируется на дальности и углах обзора спутника. Количество методов, используемых для отслеживания спутника. Заexampleизменение орбитального положения спутника можно определить, используя данные, полученные от датчиков скорости и ускорения, имеющихся на спутнике.

В tracking subsystemприсутствующая на земной станции отслеживает спутник, когда он выпущен из последней ступени ракеты-носителя. Он выполняет такие функции, как нахождение спутника на начальной и переходной орбите.

Командная подсистема

Подсистема управления необходима для вывода спутника на орбиту и его работы на этой орбите. Эта подсистема регулирует высоту и орбиту спутника всякий раз, когда есть отклонения в этих значениях. Он также управляет подсистемой связи. Этотcommanding subsystem отвечает за включение / выключение других подсистем, присутствующих на спутнике, на основе данных, полученных от подсистем телеметрии и слежения.

Обычно управляющие коды преобразуются в командные слова. Эти командные слова используются для отправки в видеTDM frames. Первоначально на спутнике проверяется правильность командных слов. После этого эти командные слова можно отправить обратно на земную станцию. Здесь эти командные слова проверяются еще раз.

Если земная станция также получает такое же (правильное) командное слово, то она посылает на спутник команду выполнения. Итак, он выполняет эту команду.

С точки зрения функциональности подсистема телеметрии и командная подсистема противоположны друг другу. Поскольку первый передает информацию спутника на земную станцию, а второй принимает командные сигналы от земной станции.

В этой главе давайте обсудим Power systems от которых различные подсистемы спутника получают питание и Antenna subsystems по одному.

Энергетические системы

Мы знаем, что спутник, находящийся на орбите, должен работать непрерывно в течение всего срока его службы. Таким образом, спутнику требуется внутренняя энергия для работы различных электронных систем и коммуникационной нагрузки, которые в нем присутствуют.

Power systemжизненно важная подсистема, которая обеспечивает питание, необходимое для работы спутника. В этих системах в основном используются солнечные элементы (или панели) и аккумуляторные батареи.

Солнечные батареи

В основном solar cellsпроизводят электрическую энергию (ток) от падающего солнечного света. Поэтому солнечные элементы используются в первую очередь для обеспечения энергией других подсистем спутника.

Мы знаем, что отдельные солнечные элементы вырабатывают гораздо меньше энергии. Таким образом, для увеличения мощности можно использовать группу ячеек, которые представлены в виде массива.

Солнечные батареи

Есть два types of solar arraysкоторые используются в спутниках. Это цилиндрические солнечные батареи и прямоугольные солнечные батареи или солнечный парус.

• Cylindrical solar arraysиспользуются при вращении спутников. Только часть цилиндрического массива будет покрыта солнечным светом в любой момент времени. Благодаря этому электроэнергия вырабатывается частичной солнечной батареей. Это недостаток этого типа.

• Недостаток цилиндрических солнечных батарей устраняется Solar sail. Этот производит больше энергии, потому что все солнечные элементы солнечного паруса подвергаются воздействию солнечного света.

Аккумуляторы

Во время затмений трудно получить энергию от солнечного света. Итак, в этой ситуации другие подсистемы получают питание отrechargeable batteries. Эти батареи также вырабатывают энергию для других подсистем во время запуска спутника.

Обычно эти батареи заряжаются за счет избыточного тока, который генерируется солнечными элементами в присутствии солнечного света.

Антенные подсистемы

Антенны есть как на спутниковой, так и на земной станции. Теперь поговорим о спутниковых антеннах.

Спутниковые антенны выполняют two typesфункций. Это прием сигналов, поступающих с земной станции, и передача сигналов на одну или несколько земных станций в зависимости от потребности. Другими словами, спутниковые антенны принимают сигналы восходящей линии связи и передают сигналы нисходящей линии связи.

Мы знаем, что длина спутниковых антенн обратно пропорциональна рабочей частоте. Рабочую частоту необходимо увеличить, чтобы уменьшить длину спутниковых антенн. Поэтому спутниковые антенны работают в порядкеGHz частоты.

Спутниковые антенны

Антенны, которые используются в спутнике, известны как спутниковые антенны. В основном четыреtypes of Antennas. Они есть:

• Проволочные антенны
• Рупорные антенны
• Антенные решетки
• Рефлекторные антенны

Теперь давайте обсудим эти антенны одну за другой.

Проволочные антенны

Проволочные антенны - это основные антенны. Mono pole и dipole antennasподпадают под эту категорию. Они используются на очень высоких частотах для обеспечения связи для подсистемы TTCM.

Общая длина провода, используемого в качестве диполя, равна половине длины волны (т. Е. L = λ / 2), такая антенна называется half-wave dipole antenna.

Wire antennasподходят для покрытия диапазона доступа и обеспечения мощности сигнала во всех направлениях. Это означает, что проволочные антенны являются всенаправленными.

Рупорные антенны

Антенну с отверстием на конце можно назвать Aperture antenna. Край линии передачи, когда заканчивается отверстием, излучает энергию. Это отверстие, которое является апертурой, делает ее апертурной антенной.

Horn antennaявляется примером апертурной антенны. Он используется в спутниках, чтобы покрыть большую площадь на Земле.

Рупорные антенны используются в microwaveДиапазон частот. Один и тот же рупор можно использовать как для передачи, так и для приема сигналов. Устройство под названием дуплексер, которое разделяет эти два сигнала.

Антенные решетки

Антенна, когда по отдельности, может излучать определенное количество энергии в определенном направлении, что приводит к лучшей передаче, как это было бы, если бы ее добавили несколько дополнительных элементов, для получения более эффективного выходного сигнала. Именно эта идея привела к изобретениюArray Antennasили антенные решетки. Антенны решетки используются в спутниках для формирования нескольких лучей из одной апертуры.

Рефлекторные антенны

Отражательные антенны подходят для создания лучей с большей силой сигнала в одном конкретном направлении. Это означает, что это высоконаправленные антенны. Так,Parabolic reflectorsувеличить коэффициент усиления антенн в системе спутниковой связи. Следовательно, они используются в телекоммуникациях и радиовещании.

Если параболическая рефлекторная антенна используется для transmittingсигнал, сигнал от корма, выходит из диполя или рупорной антенны, чтобы сфокусировать волну на параболу. Это означает, что волны выходят из фокальной точки и попадают на параболоидальный отражатель. Эта волна теперь отражается как коллимированный волновой фронт.

Если та же антенна используется в качестве receiver, когда электромагнитная волна попадает в форму параболы, волна отражается на точку питания. Диполь или рупорная антенна, которая действует как приемная антенна в своем питании, принимает этот сигнал, чтобы преобразовать его в электрический сигнал и направить его в схему приемника.

Подсистема, которая обеспечивает соединение между передающей и приемной антеннами спутника, известна как Transponder. Это одна из важнейших подсистем подсистем космического сегмента.

Транспондер выполняет функции как передатчика, так и приемника (ответчика) на спутнике. Следовательно, слово «транспондер» получается путем объединения нескольких букв двух слов: «Передатчик»(Trans) и ответчик (ponder).

Блок-схема транспондера

Транспондер выполняет в основном two functions. Они усиливают принятый входной сигнал и преобразуют его частоту. Как правило, разные значения частоты выбираются как для восходящей, так и для нисходящей линии связи, чтобы избежать помех между переданными и принятыми сигналами.

В block diagram транспондера показан на рисунке ниже.

Мы можем легко понять работу транспондера из самой блок-схемы. Функции каждого блока описаны ниже.

• Duplexerдвухсторонний микроволновый вентиль. Он принимает сигнал восходящей линии связи от спутниковой антенны и передает сигнал нисходящей линии связи на спутниковую антенну.

• Low Noise Amplifier (LNA) усиливает слабый принимаемый сигнал.

• Carrier Processorвыполняет преобразование принятого сигнала с понижением частоты (восходящая линия связи). Этот блок определяет тип транспондера.

• Power Amplifier усиливает мощность сигнала, преобразованного с понижением частоты (нисходящий канал) до необходимого уровня.

Типы транспондеров

В основном есть two typesтранспондеров. Это транспондеры изогнутой трубы и регенеративные транспондеры.

Транспондеры изогнутой трубы

Транспондер изогнутой трубы принимает сигнал микроволновой частоты. Он преобразует частоту входного сигнала в частоту RF, а затем усиливает ее.

Транспондер изогнутой трубы также называют повторителем и conventional transponder. Он подходит как для аналоговых, так и для цифровых сигналов.

Регенеративные транспондеры

Регенеративный транспондер выполняет функции транспондера изогнутой трубы. т.е. преобразование частоты и усиление. В дополнение к этим двум функциям, регенеративный транспондер также выполняет демодуляцию РЧ несущей в основную полосу частот, регенерацию сигналов и модуляцию.

Регенеративный транспондер также называется обрабатывающим транспондером. Подходит только для цифровых сигналов. Главныйadvantages регенеративных транспондеров улучшают отношение сигнал / шум (SNR) и имеют большую гибкость в реализации.

В earth segmentСистема спутниковой связи в основном состоит из двух земных станций. Это передающая земная станция и приемная земная станция.

Передающий earth stationпередает информационные сигналы на спутник. Принимающая земная станция принимает информационные сигналы со спутника. Иногда одна и та же земная станция может использоваться как для передачи, так и для приема.

Обычно земные станции принимают сигналы основной полосы частот в одной из следующих форм. Голосовые сигналы и видеосигналы в аналоговой или цифровой форме.

Первоначально метод аналоговой модуляции, названный FM modulationиспользуется для передачи как голосовых, так и видеосигналов в аналоговой форме. Позднее появились методы цифровой модуляции, а именно частотная манипуляция.(FSK) и фазовая манипуляция (PSK)используются для передачи этих сигналов. Потому что и голосовые, и видеосигналы используются для представления в цифровом виде путем их преобразования из аналогового.

Блок-схема земной станции

Проектирование Earth stationзависит не только от местоположения земной станции, но и от некоторых других факторов. Земные станции могут располагаться на суше, на кораблях в море и на самолетах. Зависящие от них факторы - это тип предоставления услуг, использование полос частот, характеристики передатчика, приемника и антенны.

В block diagram цифровой земной станции показано на рисунке ниже.

Из рисунка выше легко понять работу земной станции. Есть четыре основныхsubsystemsкоторые присутствуют на любой земной станции. Это передатчик, приемник, антенна и подсистема слежения.

Передатчик

Двоичная (цифровая) информация поступает в оборудование базовой полосы земной станции из наземной сети. Encoder включает биты исправления ошибок, чтобы минимизировать частоту ошибок по битам.

В спутниковой связи промежуточная частота (IF)можно выбрать 70 МГц при использовании транспондера с полосой пропускания 36 МГц. Точно так же IF может быть выбрана равной 140 МГц, используя транспондер с полосой пропускания 54 МГц или 72 МГц.

Повышающий преобразователь выполняет преобразование частоты модулированного сигнала в более высокую частоту. Этот сигнал будет усилен с помощью усилителя высокой мощности. Антенна земной станции передает этот сигнал.

Приемник

В течение reception, антенна земной станции принимает сигнал нисходящей линии связи. Это низкоуровневый модулированный радиочастотный сигнал. В общем, принимаемый сигнал будет иметь меньшую мощность. Итак, чтобы усилить этот сигнал, малошумящий усилитель(LNA)используется. Благодаря этому улучшается значение отношения сигнал / шум (SNR).

Радиочастотный сигнал может быть down convertedна значение промежуточной частоты (ПЧ), равное 70 или 140 МГц. Потому что на этих промежуточных частотах легко демодулировать.

Функция decoderпрямо противоположен кодировщику. Таким образом, декодер производит двоичную информацию без ошибок, удаляя биты исправления ошибок и исправляя позиции битов, если таковые имеются.

Эта двоичная информация передается оборудованию основной полосы частот для дальнейшей обработки, а затем доставляется в наземную сеть.

Антенна земной станции

Основные части Earth station AntennaСистема питания и антенный отражатель. Эти две части вместе излучают или принимают электромагнитные волны. Поскольку система питания подчиняется теореме взаимности, антенны земных станций подходят как для передачи, так и для приема электромагнитных волн.

Parabolic reflectorsиспользуются в качестве основной антенны на земных станциях. Коэффициент усиления этих отражателей велик. У них есть способность фокусировать параллельный луч в точку в фокусе, где расположена система подачи.

Подсистема отслеживания

В Tracking subsystemотслеживает спутник и следит за тем, чтобы луч приближался к нему, чтобы установить связь. Система слежения, присутствующая на земной станции, в основном выполняетtwo functions. Это спутниковая съемка и отслеживание спутников. Это отслеживание может быть выполнено одним из следующих способов. Это автоматическое отслеживание, ручное отслеживание и отслеживание программ.

В этой главе давайте обсудим два примера земных станций: Receive-only Home TV system и Community Antenna TV system.

Принимать только домашнюю телевизионную систему

Если вещание осуществляется непосредственно на домашние ТВ-приемники, то такой тип услуги называется Спутниковое прямое вещание. (DBS) служба.

Отражатель сетчатого типа может использоваться для фокусировки сигналов в dual feed-horn. Он имеет два отдельных выхода. С одного выхода будут поступать сигналы C-диапазона, а с другого выхода - сигналы Ku-диапазона.

Телевизионные программы в основном возникают как сигналы первого поколения. Эти сигналы передаются через спутник на главные конечные станции сети в диапазоне C. Эти сигналы сжимаются и передаются в цифровой форме провайдерам кабельного и DBS.

Пользователи C-диапазона могут подписаться на платные телеканалы. Эти услуги подпискиcheaper по сравнению с кабелем из-за возможности программирования с несколькими источниками.

В block diagram ТВ ресивера DBS показана на рисунке ниже.

Наружный блок

Наружный блок в основном состоит из receiving antenna и конвертер с низким уровнем шума (LNC). Малошумящий преобразователь (LNC) - это не что иное, как комбинация малошумящего усилителя (LNA), за которым следует преобразователь. Приемная антенна напрямую подключается к LNC.

В целом parabolic reflector также используются с рупорной антенной приемной для получения дополнительной фокусировки луча.

Внутренний блок

Обычно сигнал, подаваемый на внутренний блок, является широкополосным. Частота этого сигнала находится между 950 МГц и 1450 МГц. Во внутреннем блоке этот сигнал усиливается за счет использованияamplifier.

Усиленный сигнал подается на следящий фильтр и понижающий преобразователь. Он выбирает желаемый канал и преобразует его частоту вIntermediate Frequency (ПЧ) 70 МГц.

IF amplifierусиливает уровень сигнала, чтобы правильно его демодулировать. Сигнал основной полосы частот (демодулированный) используется для генерации сигнала остаточной односторонней полосы (VSSB). Этот сигнал подается на один из каналов VHF / UHF стандартного телевизора.

Частотная модуляция (FM) используется в DBS TV. Принимая во внимание, что амплитудная модуляция (AM) в форме VSSB используется в обычном телевидении. Этоmajor difference между DBS TV и обычным TV.

Общественная антенная телевизионная система

Общественное антенное телевидение (CATV)система использует один наружный блок и несколько каналов. Эти каналы доступны отдельно для каждого направления поляризации. Благодаря этому все каналы будут доступны на внутреннем ресивере одновременно.

В block diagram внутреннего блока системы кабельного телевидения показано на рисунке ниже.

В этом случае нет необходимости в отдельном приемнике для каждого пользователя. Потому что все несущие демодулируются в общей системе приемник-фильтр. После этого каналы объединяются в мультиплексированный сигнал. Затем этот сигнал передается по кабелю абонентам (пользователям).

В системах спутниковой связи есть два типа расчета мощности. Это расчеты мощности передачи и мощности приема. В общем, эти расчеты называютсяLink budget calculations. Единица мощности -decibel.

Во-первых, давайте обсудим основную терминологию, используемую в ссылочном бюджете, а затем перейдем к объяснению расчетов ссылочного бюджета.

Базовая терминология

An isotropic radiator(антенна) излучает одинаково во всех направлениях. Но его практически не существует. Это просто теоретическая антенна. Мы можем сравнить характеристики всех реальных (практических) антенн относительно этой антенны.

Плотность потока мощности

Предположим, что изотропный излучатель расположен в центре сферы радиуса r. Мы знаем, что плотность потока мощности - это отношение потока мощности к единице площади.

Power flux density,$\Psi_i$ изотропного радиатора

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

Где, $P_s$это поток мощности. Как правило, плотность потока мощности практической антенны зависит от направления. Но этоmaximum value будет только в одном конкретном направлении.

Усиление антенны

В gain Практическая антенна определяется как отношение максимальной плотности потока мощности практической антенны к плотности потока мощности изотропной антенны.

Следовательно, усиление антенны или Antenna gain, G есть

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

Где, $\Psi_m$- максимальная плотность потока мощности практической антенны. И,$\Psi_i$ - плотность потока мощности изотропного излучателя (антенны).

Эквивалентная изотропная излучаемая мощность

Эквивалентная изотропная излучаемая мощность (EIRP) является основным параметром, который используется при измерении бюджета линии. Mathematically, это можно записать как

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

Мы можем представить EIRP в decibels в виде

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

Где, G - усиление передающей антенны и $P_s$ мощность передатчика.

Потери при передаче

Разница между мощностью, передаваемой на одном конце и принимаемой на принимающей станции, известна как Transmission losses. Убытки можно разделить на 2 типа.

• Постоянные потери
• Переменные потери

Постоянные потери, такие как потери в фидере, известны как constant losses. Какие бы меры предосторожности мы ни предприняли, эти убытки неизбежны.

Другой тип проигрышей: variable loss. Небо и погодные условия являются примером такого типа потерь. Означает, что если небо не ясное, сигнал не будет эффективно достигать спутника или наоборот.

Поэтому наша процедура включает в себя расчет потерь из-за ясной погоды или условий ясного неба как 1- ^й, поскольку эти потери постоянны. Со временем они не изменятся. Затем на 2- ^м шаге мы можем рассчитать потери из-за плохих погодных условий.

Связать расчет бюджета

Существует два типа расчета ссылочного бюджета, так как есть две ссылки, а именно: uplink и downlink.

Восходящая линия земной станции

Это процесс, в котором Земля передает сигнал на спутник, а спутник принимает его. этоmathematical equation можно записать как

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

Где,

• $\left [\frac{C}{N_0}\right ]$ отношение несущей к плотности шума

• $\left [\frac{G}{T}\right ]$ - отношение G / T спутникового приемника, единицы - дБ / К

Здесь потери представляют собой потери в фидере спутникового приемника. Учитываются все потери, зависящие от частоты.

Значение EIRP должно быть как можно более низким для эффективного UPLINK. И это возможно при условии ясного неба.

Здесь мы использовали (нижний индекс) обозначение «U», которое представляет явление восходящей линии связи.

Спутниковая связь

В этом процессе спутник отправляет сигнал, а земная станция принимает его. Уравнение такое же, как и для спутниковой восходящей линии связи, с той разницей, что мы везде используем аббревиатуру «D» вместо «U» для обозначения явления нисходящей линии связи.

это mathematical уравнение можно записать как;

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

Где,

• $\left [\frac{C}{N_0}\right ]$ отношение несущей к плотности шума
• $\left [\frac{G}{T}\right ]$ - отношение G / T приемника земной станции, единицы - дБ / K

Здесь все потери, которые присутствуют вокруг земных станций.

В приведенное выше уравнение мы не включили полосу пропускания сигнала B. Однако, если мы включим это уравнение, уравнение будет изменено следующим образом.

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

Связать бюджет

Если мы рассматриваем наземный спутник, то следует также учитывать потери за счет расширения пространства (FSP).

Если антенна не выровнена должным образом, могут возникнуть потери. поэтому мы беремAML(Потери от несоосности антенны). Точно так же, когда сигнал идет от спутника к Земле, он сталкивается с земной поверхностью, и некоторые из них поглощаются. Их учитывают потери на атмосферное поглощение, определяемые“AA” и измеряется в дБ.

Теперь мы можем записать уравнение потерь для свободного неба в виде

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

Где,

• RFL означает потерю принятого фидера, а единицы измерения - дБ.

• PL означает потерю рассогласования поляризации.

Теперь decibel equation для полученной мощности можно записать как

$$P_R = EIRP + G_R + Losses$$

Где,

• $P_R$ обозначает принимаемую мощность, которая измеряется в дБВт.
• $G_r$ - усиление антенны приемника.

Проектирование нисходящего канала более важно, чем проектирование восходящего канала. Из-за ограничений по мощности, необходимой для передачи, и усилению антенны.

Иногда спутниковая служба присутствует в определенном месте на земной станции, а иногда ее нет. Это означает, что у спутника могут быть разные собственные станции обслуживания, расположенные в разных местах на Земле. Они отправляют сигнал несущей для спутника.

В этой ситуации мы используем множественный доступ, чтобы спутник мог принимать или передавать сигналы от разных станций в определенное время без каких-либо помех между ними. Ниже приведеныthree types методов множественного доступа.

• FDMA (множественный доступ с частотным разделением каналов)
• TDMA (множественный доступ с временным разделением)
• CDMA (множественный доступ с кодовым разделением каналов)

Теперь давайте обсудим каждую технику по очереди.

FDMA

В этом типе множественного доступа мы назначаем каждому сигналу отдельный тип полосы частот (диапазон). Таким образом, любые два сигнала не должны иметь один и тот же частотный диапазон. Следовательно, между ними не будет никаких помех, даже если мы отправим эти сигналы по одному каналу.

Один идеальный exampleтакого типа доступа - наши радиоканалы. Мы видим, что каждой станции для работы была предоставлена ​​отдельная полоса частот.

Возьмем три станции A, B и C. Мы хотим получить к ним доступ через технологию FDMA. Поэтому мы присвоили им разные полосы частот.

Как показано на рисунке, спутниковая станция A находилась в диапазоне частот от 0 до 20 Гц. Аналогичным образом, станциям B и C назначен частотный диапазон 30-60 Гц и 70-90 Гц соответственно. Между ними нет никакого вмешательства.

Главный disadvantageсистемы такого типа в том, что она очень взрывная. Этот тип множественного доступа не рекомендуется для каналов, которые бывают динамическими и неравномерными. Потому что это сделает их данные негибкими и неэффективными.

TDMA

Как следует из названия, TDMA - это доступ на основе времени. Здесь мы даем каждому каналу определенные временные рамки. В течение этого периода времени канал может получить доступ ко всей полосе частот спектра.

Каждая станция имела фиксированную длину или слот. Неиспользуемые слоты останутся в состоянии ожидания.

Предположим, мы хотим отправить пять пакетов данных на определенный канал в методе TDMA. Итак, мы должны назначить им определенные временные интервалы илиtime frame в пределах которого он может получить доступ ко всей полосе пропускания.

На рисунке выше активны пакеты 1, 3 и 4, которые передают данные. При этом пакеты 2 и 5 простаивают из-за их неучастия. Этот формат повторяется каждый раз, когда мы назначаем полосу пропускания этому конкретному каналу.

Хотя мы назначили определенные временные интервалы конкретному каналу, но он также может быть изменен в зависимости от несущей способности. Это означает, что если канал передает более тяжелые нагрузки, ему может быть назначен больший временной интервал, чем канал, который передает более легкие нагрузки. Это самый большойadvantageTDMA поверх FDMA. Еще одно преимущество TDMA - очень низкое энергопотребление.

Note - В некоторых приложениях мы используем combination обоих TDMA and FDMAтехники. В этом случае каждый канал будет работать в определенной полосе частот в течение определенного периода времени. В этом случае выбор частоты более надежен и имеет большую способность сжатия во времени.

CDMA

В методе CDMA каждому каналу назначен уникальный код, позволяющий отличать их друг от друга. Идеально подходитexampleэтого типа множественного доступа является наша сотовая система. Мы видим, что номера мобильных телефонов двух человек не совпадают друг с другом, хотя это одна и та же мобильная служба X или Y, предоставляющая клиентам компании одинаковую пропускную способность.

В процессе CDMA мы выполняем декодирование внутреннего продукта кодированного сигнала и последовательности чипов. Следовательно, математически это можно записать как

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

Базовый advantageэтого типа множественного доступа заключается в том, что он позволяет всем пользователям сосуществовать и использовать всю полосу пропускания одновременно. Поскольку у каждого пользователя свой код, никаких помех не будет.

В этом методе ряд станций может иметь несколько каналов, в отличие от FDMA и TDMA. Лучшая часть этого метода - то, что каждая станция может использовать весь спектр в любое время.

Услуги спутниковой связи можно разделить на две следующие категории.

• Услуга односторонней спутниковой связи
• Услуга двусторонней спутниковой связи

Теперь давайте обсудим каждую услугу по очереди.

Услуга односторонней спутниковой связи

В one-wayСлужба спутниковой связи, информация может передаваться от одной земной станции к одной или нескольким земным станциям через спутник. Это означает, что он обеспечивает как двухточечное соединение, так и точечное многоточечное соединение.

Ниже figure показывает пример услуги односторонней спутниковой связи.

Здесь связь осуществляется между первой земной станцией (передатчиком) и второй земной станцией (приемником) на поверхности Земли через спутник в one direction.

Ниже приведены некоторые из one-way линия спутниковой связи services.

• Вещание спутниковых услуг, таких как радио, телевидение и Интернет.

• Службы космических операций, такие как службы телеметрии, слежения и управления.

• Спутниковая служба радиоопределения, такая как служба определения местоположения.

Услуга двусторонней спутниковой связи

В two-wayканал спутниковой связи, информация может передаваться между любыми двумя земными станциями через спутник. Это означает, что он обеспечивает соединение только точка-точка.

На следующем рисунке показан пример услуги двусторонней спутниковой связи.

Здесь связь осуществляется между первой земной станцией (передатчиком) и второй земной станцией (приемником) на поверхности Земли через спутник в two (и то и другое) directions.

Ниже приведены некоторые из двухсторонних линий спутниковой связи. services.

• Фиксированные спутниковые услуги, такие как телефон, факс и передача данных с высокой скоростью передачи данных.

• Мобильные спутниковые услуги, такие как наземная мобильная, морская и авиационная мобильная связь.

спутниковая система навигации (GPS)это спутниковая навигационная система. Он произвел революцию в навигации и определении местоположения. Он в основном используется в приложениях для позиционирования, навигации, мониторинга и геодезии.

Основным advantagesспутниковой навигации - позиционирование в реальном времени и временная синхронизация. Вот почему системы спутниковой навигации стали неотъемлемой частью большинства приложений, где мобильность является ключевым параметром.

Полный оперативный космический сегмент GPS содержит двадцать четыре спутника на СОО. Эти спутники разделены на шесть групп, так что каждая группа содержит четыре спутника. Группа из четырех спутников называется однимconstellation. Любые два соседних созвездия разделены по долготе на 60 градусов.

В orbital period каждого спутника примерно равна twelve hours. Следовательно, все спутники обращаются вокруг Земли два раза в день. В любое время приемники GPS будут получать сигналы как минимум от четырех спутников.

Коды и услуги GPS

Каждый спутник GPS передает два сигнала, L₁ and L₂ имеют разные частоты. Trilaterationэто простой метод определения местоположения (широты, долготы, высоты) GPS-приемника. Используя этот метод, положение неизвестной точки может быть измерено из трех известных точек.

Коды GPS

Ниже приведены два типа кодов GPS.

• Код грубого сбора данных или код C / A
• Точный код или P-код

Сигнал L ₁ модулируется псевдослучайной битовой последовательностью 1,023 Мбит / с. Этот код называется кодом грубого сбора данных илиC/A code и это используется публикой.

Сигнал L ₂ модулируется псевдослучайной битовой последовательностью 10,23 Мбит / с. Этот код называется точным кодом илиP codeи он используется в военных системах позиционирования. Обычно этот P-код передается в зашифрованном формате и называетсяY code

Код P обеспечивает лучшую точность измерения по сравнению с кодом C / A, поскольку скорость передачи данных кода P больше, чем скорость передачи кода C / A.

Услуги GPS

Ниже приведены два типа услуг, предоставляемых GPS.

• Служба точного позиционирования (PPS)
• Стандартная служба позиционирования (SPS)

PPS receiversотслеживайте как код C / A, так и код P для двух сигналов, L ₁ и L ₂ . Y-код дешифруется в приемнике для получения P-кода.

SPS receiversотслеживать только код C / A по сигналу, L ₁ .

Приемник GPS

В системе GPS существует только односторонняя передача от спутника к пользователям. Следовательно, отдельному пользователю не нужен передатчик, а нужен толькоGPS receiver. В основном он используется для определения точного местоположения объекта. Он выполняет эту задачу, используя сигналы, полученные со спутников.

В block diagram приемника GPS показан на рисунке ниже.

Функция каждого блока, присутствующего в приемнике GPS, описана ниже.

• Receiving Antennaпринимает спутниковые сигналы. В основном это антенна с круговой поляризацией.

• Low Noise Amplifier (LNA) усиливает слабый принимаемый сигнал

• Down converter преобразует частоту принятого сигнала в сигнал промежуточной частоты (ПЧ).

• IF Amplifier усиливает сигнал промежуточной частоты (ПЧ).

• ADCвыполняет преобразование аналогового сигнала, полученного от усилителя ПЧ, в цифровой. Предположим, блоки дискретизации и квантования также присутствуют в АЦП (аналого-цифровой преобразователь).

• DSP (Цифровой сигнальный процессор) генерирует код C / A.

• Microprocessorвыполняет вычисление положения и предоставляет временные сигналы для управления работой других цифровых блоков. Он отправляет полезную информацию на дисплей, чтобы отобразить ее на экране.