Учебники

Спутниковая связь – Краткое руководство

Спутниковая связь – Введение

В общих чертах, спутник – это меньший объект, который вращается вокруг более крупного объекта в космосе. Например, Луна является естественным спутником Земли.

Мы знаем, что под коммуникацией понимается обмен (обмен) информацией между двумя или более субъектами через любую среду или канал. Другими словами, это не что иное, как отправка, получение и обработка информации.

Если связь происходит между любыми двумя земными станциями через спутник, то она называется спутниковой связью . В этой связи электромагнитные волны используются в качестве несущих сигналов. Эти сигналы переносят информацию, такую ​​как голос, аудио, видео или любые другие данные, между землей и космосом и наоборот.

Советский Союз запустил первый в мире искусственный спутник «Спутник-1» в 1957 году. Почти через 18 лет Индия также запустила искусственный спутник «Арьябхата» в 1975 году.

Нужна спутниковая связь

Следующие два вида распространения используются ранее для связи на некотором расстоянии.

  • Распространение земной волны – Распространение земной волны подходит для частот до 30 МГц. Этот метод связи использует условия тропосферы Земли.

  • Распространение небесной волны . Подходящая ширина полосы для этого типа связи в широком диапазоне составляет 30–40 МГц, и в ней используются ионосферные свойства Земли.

Распространение земной волны – Распространение земной волны подходит для частот до 30 МГц. Этот метод связи использует условия тропосферы Земли.

Распространение небесной волны . Подходящая ширина полосы для этого типа связи в широком диапазоне составляет 30–40 МГц, и в ней используются ионосферные свойства Земли.

Максимальный переход или расстояние от станции ограничено 1500 км только при распространении наземной волны и при распространении небесной волны. Спутниковая связь преодолевает это ограничение. В этом методе спутники обеспечивают связь на большие расстояния , которые находятся далеко за пределами прямой видимости.

Поскольку спутники располагаются 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 искривления Земли.

Как работает спутник

Спутник – это тело, которое движется вокруг другого тела по определенному пути. Спутник связи – это не что иное, как микроволновая ретрансляторная станция в космосе. Это полезно в телекоммуникациях, радио и телевидении наряду с интернет-приложениями.

Повторитель – это схема, которая увеличивает силу принимаемого сигнала и затем передает его. Но этот ретранслятор работает как транспондер . Это означает, что он изменяет полосу частот передаваемого сигнала с принятого.

Частота, с которой сигнал отправляется в пространство, называется частотой восходящей линии связи . Аналогично, частота, с которой сигнал отправляется транспондером, называется частотой нисходящей линии связи . Следующий рисунок ясно иллюстрирует эту концепцию.

Как работает спутник

Передача сигнала от первой земной станции к спутнику через канал называется восходящей линией связи . Точно так же передача сигнала от спутника ко второй земной станции через канал называется нисходящей линией связи .

Частота восходящей линии связи – это частота, на которой первая земная станция осуществляет связь со спутником. Спутниковый ретранслятор преобразует этот сигнал в другую частоту и передает его на вторую земную станцию. Эта частота называется частотой нисходящей линии связи . 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 посылают информацию на спутники в виде мощных высокочастотных сигналов (диапазон ГГц).

Спутники принимают и ретранслируют сигналы обратно на Землю, где они принимаются другими земными станциями в зоне покрытия спутника. Зона действия спутника – это область, которая получает сигнал полезной силы от спутника.

Плюсы и минусы спутниковой связи

В этом разделе давайте рассмотрим преимущества и недостатки спутниковой связи.

Ниже приведены преимущества использования спутниковой связи:

  • Зона покрытия больше, чем у наземных систем

  • Каждый уголок земли может быть покрыт

  • Стоимость передачи не зависит от зоны покрытия

  • Больше пропускной способности и возможностей вещания

Зона покрытия больше, чем у наземных систем

Каждый уголок земли может быть покрыт

Стоимость передачи не зависит от зоны покрытия

Больше пропускной способности и возможностей вещания

Ниже приведены недостатки использования спутниковой связи –

  • Вывод спутников на орбиты является дорогостоящим процессом.

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

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

  • Потеря свободного пространства больше

  • Может быть перегруженность частот.

Вывод спутников на орбиты является дорогостоящим процессом.

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

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

Потеря свободного пространства больше

Может быть перегруженность частот.

Приложения спутниковой связи

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

  • Радиовещание и голосовая связь

  • Телевизионное вещание, такое как Direct To Home (DTH)

  • Интернет-приложения, такие как обеспечение интернет-соединения для передачи данных, GPS-приложения, интернет-серфинг и т. Д.

  • Военные приложения и навигация

  • Приложения дистанционного зондирования

  • Мониторинг и прогноз погоды

Радиовещание и голосовая связь

Телевизионное вещание, такое как Direct To Home (DTH)

Интернет-приложения, такие как обеспечение интернет-соединения для передачи данных, GPS-приложения, интернет-серфинг и т. Д.

Военные приложения и навигация

Приложения дистанционного зондирования

Мониторинг и прогноз погоды

Спутниковая связь – Орбитальная механика

Мы знаем, что путь спутника, вращающегося вокруг Земли, известен как орбита . Этот путь может быть представлен с помощью математических обозначений. Орбитальная механика – это исследование движения спутников, присутствующих на орбитах. Таким образом, мы можем легко понять космические операции со знанием орбитального движения.

Орбитальные Элементы

Орбитальные элементы – это параметры, которые полезны для описания орбитального движения спутников. Ниже приведены орбитальные элементы .

  • Большая полуось
  • эксцентричность
  • Средняя аномалия
  • Аргумент перигея
  • наклонение
  • Прямое восхождение на восходящий узел

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

Большая полуось

Длина большой полуоси (а) определяет размер орбиты спутника. Это половина большой оси. Это проходит от центра через фокус к краю эллипса. Таким образом, это радиус орбиты в двух самых удаленных точках орбиты.

Большая полуось

Обе полуоси и полуоси представлены на рисунке выше. Длина большой полуоси (а) определяет не только размер орбиты спутника, но и период обращения.

Если круговая орбита рассматривается как особый случай, то длина большой полуоси будет равна радиусу этой круговой орбиты.

эксцентричность

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

Если длины большой полуоси и малой оси эллиптической орбиты являются a & b, то математическое выражение для эксцентриситета (e) будет

e= frac sqrta2b2a

Значение эксцентриситета круговой орбиты равно нулю , так как оба a и b равны. Принимая во внимание, что значение эксцентриситета эллиптической орбиты лежит между нулем и единицей.

На следующем рисунке показаны различные спутниковые орбиты для разных значений эксцентриситета (e).

эксцентричность

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

Средняя аномалия

Для спутника точка, ближайшая к Земле, называется Перигеем. Средняя аномалия (М) дает среднее значение углового положения спутника относительно перигея.

Если орбита круглая, то средняя аномалия дает угловое положение спутника на орбите. Но если орбита эллиптическая, то вычисление точного положения очень сложно. В это время средняя аномалия используется в качестве промежуточного шага.

Аргумент Перигея

Спутниковая орбита разрезает экваториальную плоскость в двух точках. Первая точка называется нисходящим узлом , где спутник проходит от северного полушария к южному полушарию. Вторая точка называется восходящим узлом , где спутник проходит от южного полушария к северному полушарию.

Аргумент перигея (ω) – угол между восходящим узлом и перигеем. Если и перигей, и восходящий узел существуют в одной и той же точке, то аргумент перигея будет равен нулю

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

наклонение

Угол между плоскостью орбиты и экваториальной плоскостью Земли известен как наклон (i) . Он измеряется в восходящем узле с направлением с востока на север. Таким образом, наклон определяет ориентацию орбиты, рассматривая экватор Земли в качестве ориентира.

наклонение

Есть четыре типа орбит, основанных на угле наклона.

  • Экваториальная орбита – угол наклона равен нулю или 180 градусам.

  • Полярная орбита – угол наклона 90 градусов.

  • Поворотная орбита – Угол наклона лежит от нуля до 90 градусов.

  • Ретроградная орбита – угол наклона составляет от 90 до 180 градусов.

Экваториальная орбита – угол наклона равен нулю или 180 градусам.

Полярная орбита – угол наклона 90 градусов.

Поворотная орбита – Угол наклона лежит от нуля до 90 градусов.

Ретроградная орбита – угол наклона составляет от 90 до 180 градусов.

Прямое Вознесение Восходящего Узла

Мы знаем, что восходящий узел – это точка, где спутник пересекает экваториальную плоскость при переходе от южного полушария к северному полушарию.

Прямое восхождение восходящего узла (Ω) – это угол между линией Овна и восходящим узлом в восточном направлении в экваториальной плоскости. Овен также называют весенним и равноденственным.

Наземный трек спутника – это путь на поверхности Земли, которая лежит точно под его орбитой. Наземный трек спутника может принимать различные формы в зависимости от значений орбитальных элементов.

Орбитальные уравнения

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

Силы, действующие на спутник

Спутник, когда он вращается вокруг Земли, подвергается притягивающей силе от Земли из-за гравитационной силы Земли. Эта сила известна как центростремительная сила (F 1 ), потому что эта сила стремится к спутнику к нему.

Математически центростремительная сила (F 1 ), действующая на спутник из-за земли, может быть записана как

F1= fracGMmR2

Куда,

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

  • М – масса земли, и она равна 5,98 х 10 24 кг.

  • м – масса спутника.

  • R – расстояние от спутника до центра Земли.

G – универсальная гравитационная постоянная, и она равна 6,673 x 10 -11 Н ∙ м 2 / кг 2 .

М – масса земли, и она равна 5,98 х 10 24 кг.

м – масса спутника.

R – расстояние от спутника до центра Земли.

Спутник, когда он вращается вокруг Земли, подвергается воздействию силы притяжения Солнца и Луны из-за их гравитационных сил. Эта сила известна как центробежная сила (F 2 ), потому что эта сила уводит спутник от земли.

Математически, центробежная сила (F 2 ), действующая на спутник, может быть записана как

F2= fracmv2R

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 с определенной скоростью на этой орбите, когда центростремительные и центробежные силы уравновешивают друг друга.

Итак, приравниваем центростремительную силу (F 1 ) и центробежную силу (F 2 ).

 fracGMmR2= fracmv2R

=> fracGMR=v2

=>v= sqrt fracGMR

Следовательно, орбитальная скорость спутника равна

v= sqrt fracGMR

Куда,

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

  • М – масса земли, и она равна 5,98 х 10 24 кг.

  • R – расстояние от спутника до центра Земли.

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

М – масса земли, и она равна 5,98 х 10 24 кг.

R – расстояние от спутника до центра Земли.

Таким образом, орбитальная скорость в основном зависит от расстояния от спутника до центра Земли (R), поскольку G & M являются постоянными.

Спутниковая связь – законы Кеплера

Мы знаем, что спутник вращается вокруг Земли, которая похожа на Землю вращается вокруг Солнца. Таким образом, принципы, которые применяются к Земле и ее движению вокруг Солнца, также применимы к спутнику и его движению вокруг Земли.

Многие ученые давали различные типы теорий с ранних времен. Но только Иоганн Кеплер (1571-1630) был одним из наиболее признанных ученых в описании принципа движения спутника вокруг Земли.

Кеплер сформулировал три закона, которые изменили всю теорию спутниковой связи и наблюдения. Они широко известны как законы Кеплера . Они полезны для визуализации движения в пространстве.

Первый закон Кеплера

Первый закон Кеплера гласит, что путь, по которому идет спутник вокруг его первичной (Земли), будет эллипсом . Этот эллипс имеет две фокусные точки (фокусы) F1 и F2, как показано на рисунке ниже. Центр масс Земли всегда будет присутствовать в одном из двух фокусов эллипса.

Первый закон Кеплера

Если рассматривать расстояние от центра объекта до точки на его эллиптической траектории, то самая дальняя точка эллипса от центра называется апогеем, а самая короткая точка эллипса от центра называется перигеем .

Эксцентриситет «е» этой системы можно записать как –

e= frac sqrta2b2a

Где a & b – длины большой полуоси и малой оси эллипса соответственно.

Для эллиптического пути значение эксцентриситета (e) всегда лежит в диапазоне от 0 до 1, то есть 0 < e < 1 , поскольку a больше, чем b. Предположим, что если значение эксцентриситета (e) равно нулю, то траектория больше не будет иметь эллиптической формы, скорее она будет преобразована в круглую форму.

Второй закон Кеплера

Второй закон Кеплера гласит, что в течение равных промежутков времени площадь, охватываемая спутником, будет одинаковой по отношению к центру масс Земли. Это можно понять, взглянув на следующий рисунок.

Второй закон Кеплера

Предположим, что спутник покрывает расстояния p1 и p2 в одном и том же интервале времени. Тогда области B1 и B2, охватываемые спутником в этих двух случаях, равны.

Третий закон Кеплера

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

T2 альфаа3

=>T2= left( frac4 pi2 mu right)a3

Где  frac4 pi2 mu – константа пропорциональности.

 mu – постоянная Кеплера, и ее значение равно 3.986005 x 10 14 м 3 / с 2

1= left( frac2 piT right)2 left( fraca2 mu right)

1=n2 left( fraca3 mu right)

=>a3= frac mun2

Где ‘n’ – среднее движение спутника в радианах в секунду.

Примечание . Спутник, когда он вращается вокруг Земли, подвергается воздействию силы притяжения от Земли, которая является силой гравитации. Точно так же он испытывает другую силу тяги от солнца и луны. Поэтому спутник должен уравновесить эти две силы, чтобы удержаться на своей орбите.

Спутники орбиты Земли

Спутник должен быть правильно размещен на соответствующей орбите после того, как он оставлен в космосе. Он вращается особым образом и служит своей цели для научных, военных или коммерческих. Орбиты, которые назначены спутникам относительно Земли, называются Земными Орбитами . Спутники, присутствующие на этих орбитах, называются спутниками на орбите Земли .

Мы должны правильно выбрать орбиту для спутника, исходя из требований. Например, если спутник находится на более низкой орбите , то для перемещения вокруг Земли потребуется меньше времени, и в бортовой камере будет лучшее разрешение. Точно так же, если спутник находится на более высокой орбите , то для перемещения вокруг Земли требуется больше времени, и он одновременно покрывает большую поверхность Земли.

Ниже приведены три важных типа спутников орбиты Земли

  • Геосинхронные спутники орбиты Земли
  • Средние спутники орбиты Земли
  • Спутники на низкой околоземной орбите

Теперь давайте поговорим о каждом типе спутников на орбите Земли один за другим.

Геосинхронные спутники Земли Орбита

Геосинхронный спутник земной орбиты (ГЕО) – это спутник , который расположен на высоте 22 300 миль над Землей. Эта орбита синхронизирована с боковым реальным днем ​​(т. Е. 23 часа 56 минут). Эта орбита может иметь наклон и эксцентриситет.

Это не может быть круглым. Эту орбиту можно наклонить на полюсах Земли. Но он выглядит неподвижным при наблюдении с Земли. Эти спутники используются для спутникового телевидения.

Та же геосинхронная орбита, если она круглая и находится в плоскости экватора, то она называется геостационарной орбитой . Эти спутники расположены на высоте 35 900 км (так же, как и геосинхронные) над экватором Земли, и они продолжают вращаться относительно направления Земли (с запада на восток).

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

Преимущество геостационарной орбиты состоит в том, что нет необходимости отслеживать антенны, чтобы найти положение спутников.

Геостационарные спутники на орбите Земли используются для прогнозирования погоды, спутникового телевидения, спутникового радио и других видов глобальной связи.

На следующем рисунке показана разница между геосинхронной и геостационарной орбитами. Ось вращения указывает на движение Земли.

Геосинхронные спутники Земли Орбита

Примечание. Каждая геостационарная орбита является геосинхронной. Но обратное не обязательно должно быть правдой.

Средние спутники орбиты Земли

Спутники со средней околоземной орбитой (MEO) будут вращаться на расстоянии около 8000 миль от поверхности Земли. Сигналы, передаваемые со спутника MEO, перемещаются на меньшее расстояние. Благодаря этому уровень сигнала на приемном конце улучшается. Это показывает, что меньшие и легкие приемные терминалы могут использоваться на приемном конце.

Задержка передачи может быть определена как время, необходимое для прохождения сигнала на спутник и обратно на приемную станцию. В этом случае задержка передачи меньше. Потому что сигнал распространяется на более короткое расстояние от спутника MEO.

Для связи в реальном времени , чем короче задержка передачи, тем лучше будет система связи. Например, если спутнику GEO требуется 0,25 секунды для прохождения туда и обратно, то спутнику MEO требуется менее 0,1 секунды для завершения той же поездки. MEO работают в диапазоне частот от 2 ГГц и выше.

Эти спутники используются для высокоскоростных телефонных сигналов. Для того чтобы охватить всю Землю, требуется десять или более спутников MEO.

Спутники на низкой околоземной орбите

Спутники низкой околоземной орбиты LEO в основном подразделяются на три категории. Это маленькие LEO, большие LEO и Mega-LEO. НОО будут находиться на орбите на расстоянии от 500 до 1000 миль над поверхностью Земли. Эти спутники используются для спутниковых телефонов и GPS.

Это относительно короткое расстояние уменьшает задержку передачи до 0,05 секунды. Это дополнительно снижает потребность в чувствительном и громоздком приемном оборудовании. Двадцать или более спутников LEO должны покрывать всю Землю.

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

Более высокие частоты, связанные с Mega-LEO, приводят к большей пропускной способности информации и дают возможность использовать схему передачи видео с низкой задержкой в ​​реальном времени.

На следующем рисунке изображены пути LEO, MEO и GEO

Земная орбита

Орбитальные Слоты

Здесь может возникнуть вопрос, что с более чем 200 спутниками, которые находятся на геосинхронной орбите, как мы можем предотвратить их столкновение или попытки использовать одно и то же местоположение в космосе?

Чтобы ответить на эту проблему (вопрос), международные регулирующие органы, такие как Международный союз электросвязи (МСЭ), и национальные правительственные организации, такие как Федеральная комиссия по связи (FCC), определяют места на геосинхронной орбите, где могут находиться спутники связи.

Эти местоположения указаны в градусах долготы и называются орбитальными пазами . FCC и ITU постепенно сократили необходимый интервал до 2 градусов для спутников C-диапазона и Ku-диапазона из-за огромного спроса на орбитальные интервалы.

Смотри углы и орбитальные возмущения

Земная станция получит максимальный уровень сигнала, если она 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 требования, мы можем разместить спутник на определенной орбите. Теперь давайте поговорим об углах обзора.

Смотреть углы

Следующие два угла антенны земной станции, объединенные вместе, называются углами обзора .

  • Азимутальный угол
  • Угол возвышения

Как правило, значения этих углов изменяются для негеостационарных орбит. Принимая во внимание, что значения этих углов не изменяются для геостационарных орбит. Потому что спутники, присутствующие на геостационарных орбитах, кажутся стационарными относительно Земли.

Эти два угла полезны для того, чтобы указывать на спутник непосредственно от антенны земной станции. Таким образом, максимальное усиление антенны земной станции может быть направлено на спутник.

Мы можем рассчитать углы обзора геостационарной орбиты, используя долготу и широту земной станции и положение спутниковой орбиты.

Азимутальный угол

Угол между локальной горизонтальной плоскостью и плоскостью, проходящей через земную станцию, спутник и центр Земли, называется азимутальным углом .

Формула для азимутального угла (  alpha ) имеет вид

 alpha=1800+Tan1 left( fracTanGTanL right)

Куда,

  • L – широта антенны земной станции.

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

L – широта антенны земной станции.

G – разница между положением спутниковой орбиты и антенны земной станции.

На следующем рисунке показан азимутальный угол.

азимутальный угол

Измерьте горизонтальный угол на антенне земной станции к северному полюсу, как показано на рисунке. Он представляет азимутальный угол. Он используется для отслеживания спутника по горизонтали.

Угол возвышения

Угол между вертикальной плоскостью и линией, указывающей на спутник, называется углом места. Вертикальная плоскость – это не что иное, как плоскость, перпендикулярная горизонтальной плоскости.

Формула для угла возвышения (  beta ) имеет вид

 beta=Tan1 left( fraccosG.cosL0.15 sqrt1cos2G.cos2L right)

Мы можем рассчитать угол возвышения, используя приведенную выше формулу. На следующем рисунке показан угол возвышения.

Угол возвышения

Измерьте вертикальный угол на антенне земной станции от земли к спутнику, как показано на рисунке. Это представляет угол возвышения.

Орбитальные возмущения

Ниже приведены орбитальные возмущения, вызванные гравитационными и негравитационными силами или параметрами.

  • Нерегулярная гравитационная сила вокруг Земли из-за неравномерного распределения массы. Магнитное поле Земли также 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.

  • Низкоорбитальные спутники страдают из-за трения, вызванного столкновением с атомами и ионами.

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

  • Самогенерируемые моменты и давления, вызванные радиочастотным излучением от антенны.

Нерегулярная гравитационная сила вокруг Земли из-за неравномерного распределения массы. Магнитное поле Земли также 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.

Низкоорбитальные спутники страдают из-за трения, вызванного столкновением с атомами и ионами.

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

Самогенерируемые моменты и давления, вызванные радиочастотным излучением от антенны.

Большинство спутников используют двигательную подсистему , чтобы поддерживать правильное направление оси вращения и контролировать высоту спутника против сил возмущения.

Спутниковая связь – запуск

Спутники остаются в космосе большую часть своей жизни. Мы знаем, что среда невесомости присутствует в пространстве. Вот почему спутники не требуют дополнительных сильных кадров в космосе. Но они необходимы в процессе запуска. Потому что в этом процессе спутник сильно трясется, пока спутник не будет выведен на правильную орбиту.

Конструкция спутников должна быть совместима с одной или несколькими ракетами-носителями, чтобы вывести спутник на орбиту.

Мы знаем, что период революции будет больше для более высокой высоты апогея согласно второму закону Кеплера. Период геостационарной передачи орбиты почти равен 16 часам. Если увеличить перигей до высоты ГЕО (около 36 000 км), то период обращения увеличится до 24 часов.

Запуск спутников

Процесс размещения спутника на правильной орбите известен как процесс запуска . Во время этого процесса с земных станций мы можем контролировать работу спутника. В основном, есть четыре этапа запуска спутника.

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

  • Вторая ступень – вторая ступень ракеты-носителя содержит ракеты меньшего размера. Они загораются после завершения первого этапа. У них есть свои топливные баки для отправки спутника в космос.

  • Третья ступень . Третья (верхняя) ступень ракеты-носителя связана со спутниковым обтекателем. Этот обтекатель представляет собой металлический щит, который содержит спутник и защищает спутник.

  • Четвертая стадия – спутник отделяется от верхней ступени ракеты-носителя, когда он выходит из атмосферы Земли. Затем спутник отправится на «трансферную орбиту». Эта орбита отправляет спутник выше в космос.

Первая ступень . Первая ступень ракеты-носителя содержит ракеты и топливо для поднятия спутника вместе с ракетой-носителем с земли.

Вторая ступень – вторая ступень ракеты-носителя содержит ракеты меньшего размера. Они загораются после завершения первого этапа. У них есть свои топливные баки для отправки спутника в космос.

Третья ступень . Третья (верхняя) ступень ракеты-носителя связана со спутниковым обтекателем. Этот обтекатель представляет собой металлический щит, который содержит спутник и защищает спутник.

Четвертая стадия – спутник отделяется от верхней ступени ракеты-носителя, когда он выходит из атмосферы Земли. Затем спутник отправится на «трансферную орбиту». Эта орбита отправляет спутник выше в космос.

Когда спутник достиг желаемой высоты орбиты, его подсистемы, такие как солнечные панели и антенны связи, развертываются. Затем спутник занимает свою позицию на орбите вместе с другими спутниками. Теперь спутник готов предоставлять услуги населению.

Спутниковые ракеты-носители

Спутниковые ракеты-носители запускают спутники на определенную орбиту в соответствии с требованиями. Спутниковые ракеты-носители – не что иное, как многоступенчатые ракеты. Ниже приведены два типа спутниковых ракет-носителей.

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

Расходные носители

Расходные ракеты-носители (ELV) разрушаются после того, как спутники покинули космос. На следующем рисунке показано, как выглядит ELV.

Расходные носители

ELV содержит три этапа. Первая и вторая ступени ELV поднимают спутник примерно до 50 миль и 100 миль. Третий этап ELV переводит спутник на орбиту передачи. Задача ELV будет выполнена, и его запасные части упадут на землю, когда спутник достигнет орбиты.

Многоразовые ракеты-носители

Многоразовые ракеты-носители (RLV) могут использоваться несколько раз для запуска спутников. Как правило, ракеты-носители этого типа возвращаются на Землю после того, как спутник остается в космосе.

На следующем изображении показана ракета-носитель многоразового использования. Он также известен как космический челнок .

Многоразовые ракеты-носители

Функции космического челнока аналогичны функциям первой и второй ступеней ПЗВ. Спутник вместе с третьей ступенью космического челнока устанавливаются в грузовом отсеке. Он выбрасывается из грузового отсека, когда космический челнок достигает высоты от 150 до 200 миль.

Затем запускается третья ступень космического шаттла и выводит спутник на трансферную орбиту. После этого космический челнок вернется на Землю для повторного использования .

Спутниковая связь – Подсистемы

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

Спутниковая связь состоит в основном из двух сегментов . Это космический сегмент и земной сегмент. Соответственно, будет два типа подсистем, а именно: подсистемы космического сегмента и подсистемы земного сегмента. Следующий рисунок иллюстрирует эту концепцию.

Ссылки связи

Как показано на рисунке, связь осуществляется между подсистемами космического сегмента и подсистемами земного сегмента через каналы связи.

Подсистемы космического сегмента

Подсистемы, присутствующие в космическом сегменте, называются подсистемами космического сегмента. Ниже приведены подсистемы космического сегмента .

  • Подсистема AOC
  • Подсистема TTCM
  • Силовые и антенные подсистемы
  • Транспондеры

Подсистемы Земного сегмента

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

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

Мы обсудим все эти подсистемы космического сегмента и земного сегмента в следующих главах.

Спутниковая связь – Подсистема AOC

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

Подсистема контроля высоты и орбиты (AOC) состоит из ракетных двигателей, которые способны вывести спутник на правильную орбиту, когда он отклоняется от соответствующей орбиты. Подсистема AOC полезна для создания антенн, которые имеют узкие лучевые точки к земле.

Мы можем сделать эту подсистему AOC разделенной на две части .

  • Подсистема контроля высоты
  • Подсистема управления орбитой

Теперь давайте поговорим об этих двух подсистемах по очереди.

Подсистема контроля высоты

Подсистема контроля высоты учитывает ориентацию спутника на соответствующей орбите. Ниже приведены два способа сделать спутник, который присутствует на орбите, стабильным.

  • Вращение спутника
  • Метод трех осей

Вращение спутника

В этом методе тело спутника вращается вокруг своей оси вращения . В общем, его можно вращать со скоростью 30-100 об / мин, чтобы создать силу, которая имеет гироскопический тип. Благодаря этому ось вращения стабилизируется, и спутник будет указывать в том же направлении. Спутники этого типа называются прядильщиками.

Блесна содержит барабан цилиндрической формы. Этот барабан покрыт солнечными батареями. Энергетические системы и ракеты присутствуют в этом барабане.

Подсистема связи размещена сверху барабана. Электромотор управляет этой системой связи. Направление этого двигателя будет противоположным вращению корпуса спутника, так что антенны будут направлены к земле. Спутники, которые выполняют эту операцию, называются de-spin .

Во время запуска спутник вращается, когда работают маленькие радиальные газовые струи. После этого система обратного вращения работает, чтобы антенны подсистемы TTCM были направлены к земной станции.

Трехосевой метод

В этом методе мы можем стабилизировать спутник с помощью одного или нескольких импульсных колес. Этот метод называется трехосным . Преимущество этого метода заключается в том, что ориентация спутника в трех осях будет контролироваться, и нет необходимости вращать основной корпус спутника.

В этом методе рассматриваются следующие три оси .

  • Ось крена рассматривается в направлении, в котором спутник движется в орбитальной плоскости.

  • Ось рыскания рассматривается в направлении к земле.

  • Ось тангажа рассматривается в направлении, перпендикулярном плоскости орбиты.

Ось крена рассматривается в направлении, в котором спутник движется в орбитальной плоскости.

Ось рыскания рассматривается в направлении к земле.

Ось тангажа рассматривается в направлении, перпендикулярном плоскости орбиты.

Эти три оси показаны на рисунке ниже.

Трехосевой метод

Пусть X R , Y R и Z R – ось крена, ось рыскания и ось тангажа соответственно. Эти три оси определяются с учетом положения спутника в качестве эталона . Эти три оси определяют высоту спутника.

Пусть X, Y и Z – другой 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 трех осей.

  • Первая газовая струя будет работать в течение некоторого периода времени, когда существует потребность в движении спутника в определенном направлении оси.

  • Вторая газовая струя будет работать в течение того же периода времени, когда спутник достигнет желаемого положения. Таким образом, вторая газовая струя остановит движение спутника в этом направлении оси.

Первая газовая струя будет работать в течение некоторого периода времени, когда существует потребность в движении спутника в определенном направлении оси.

Вторая газовая струя будет работать в течение того же периода времени, когда спутник достигнет желаемого положения. 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, когда спутник отклоняется от своей орбиты.

Подсистема TTCM, представленная на земной станции, контролирует положение спутника. Если есть какие-либо изменения в спутниковой орбите, то он посылает сигнал об исправлении в подсистему управления орбитой. Затем он решит эту проблему, выведя спутник на правильную орбиту.

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

Спутниковая связь – Подсистема TTCM

Подсистема телеметрии, слежения, управления и мониторинга (TTCM) присутствует как на спутниковой, так и на земной станции. В общем, спутник получает данные через датчики. Таким образом, подсистема телеметрии, присутствующая в спутнике, отправляет эти данные на земную станцию ​​(и). Следовательно, подсистема TTCM очень необходима любому спутнику связи для его успешной работы.

Оператор спутника несет ответственность за управление спутником в течение срока его службы после размещения его на правильной орбите. Это можно сделать с помощью подсистемы TTCM .

Мы можем превратить эту подсистему TTCM в следующие три части .

  • Подсистема телеметрии и мониторинга
  • Подсистема слежения
  • Командная Подсистема

Подсистема телеметрии и мониторинга

Слово «Телеметрия» означает измерение на расстоянии. В основном, в «Телеметрии» происходят следующие операции.

  • Генерация электрического сигнала, который пропорционален измеряемой величине.

  • Кодирование электрического сигнала.

  • Передача этого кода на дальнее расстояние.

Генерация электрического сигнала, который пропорционален измеряемой величине.

Кодирование электрического сигнала.

Передача этого кода на дальнее расстояние.

Подсистема телеметрии, присутствующая в спутнике, выполняет в основном две функции –

  • получение данных от датчиков и
  • передача этих данных на земную станцию.

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

Подсистема телеметрии является системой с дистанционным управлением. Он отправляет данные мониторинга со спутника на земную станцию. Как правило, телеметрические сигналы несут информацию, связанную с высотой, окружающей средой и спутником.

Подсистема слежения

Подсистема слежения полезна для определения положения спутника и его текущей орбиты. Центр управления спутником (SCC) контролирует работу и состояние подсистем космического сегмента с помощью телеметрической линии связи. И он управляет этими подсистемами, используя команду uplink.

Мы знаем, что подсистема слежения также присутствует на земной станции. Он в основном фокусируется на дальности и углах обзора спутника. Количество методов, которые используются для отслеживания спутника. Например , изменение орбитальной позиции спутника может быть идентифицировано с использованием данных, полученных с датчиков скорости и ускорения, которые присутствуют на спутнике.

Подсистема слежения , присутствующая на земной станции, отслеживает спутник, когда он выпущен с последней ступени ракеты-носителя. Он выполняет такие функции, как определение местоположения спутника на начальной и передающей орбитах.

Командная Подсистема

Командная подсистема необходима для запуска спутника на орбиту и его работы на этой орбите. Эта подсистема регулирует высоту и орбиту спутника, когда есть отклонения в этих значениях. Он также контролирует коммуникационную подсистему. Эта командная подсистема отвечает за включение / выключение других подсистем, присутствующих на спутнике, на основе данных, полученных от телеметрических и отслеживающих подсистем.

Как правило, управляющие коды преобразуются в командные слова. Эти командные слова используются для отправки в виде кадров TDM . Первоначально действительность командных слов проверяется на спутнике. После этого эти командные слова могут быть отправлены обратно на земную станцию. Здесь эти командные слова проверяются еще раз.

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

По функциональности подсистема телеметрии и подсистема управления противоположны друг другу. Поскольку первый передает информацию со спутника на земную станцию, а второй принимает сигналы команд от земной станции.

Подсистемы питания и антенны

В этой главе мы поговорим о энергосистемах, от которых различные подсистемы спутника получают энергию, и антенных подсистем по одной.

Энергетические системы

Мы знаем, что спутник, присутствующий на орбите, должен работать непрерывно в течение всего срока службы. Таким образом, спутнику требуется внутреннее питание для работы различных электронных систем и полезной нагрузки связи, которые присутствуют в нем.

Система питания является жизненно важной подсистемой, которая обеспечивает мощность, необходимую для работы спутника. В основном в этих системах используются солнечные элементы (или панели) и аккумуляторы.

Солнечные батареи

В основном солнечные элементы вырабатывают электрическую энергию (ток) от падающего солнечного света. Поэтому солнечные элементы используются в основном для обеспечения питания других подсистем спутника.

Мы знаем, что отдельные солнечные элементы вырабатывают очень мало энергии. Таким образом, для генерации большей мощности можно использовать группу ячеек, которые представлены в виде массива.

Солнечные батареи

Существует два типа солнечных батарей , которые используются на спутниках. Это цилиндрические солнечные батареи и прямоугольные солнечные батареи или солнечный парус.

  • Цилиндрические солнечные батареи используются на вращающихся спутниках. Только часть цилиндрического массива будет покрыта солнечным светом в любой момент времени. Благодаря этому электроэнергия генерируется из частичной солнечной батареи. Это недостаток этого типа.

  • Недостаток цилиндрических солнечных батарей преодолевается солнечным парусом . Этот производит больше энергии, потому что все солнечные элементы солнечного паруса подвергаются воздействию солнечного света.

Цилиндрические солнечные батареи используются на вращающихся спутниках. Только часть цилиндрического массива будет покрыта солнечным светом в любой момент времени. Благодаря этому электроэнергия генерируется из частичной солнечной батареи. Это недостаток этого типа.

Недостаток цилиндрических солнечных батарей преодолевается солнечным парусом . Этот производит больше энергии, потому что все солнечные элементы солнечного паруса подвергаются воздействию солнечного света.

Перезаряжаемые батарейки

Во время затмений трудно получить энергию от солнечного света. Таким образом, в этой ситуации другие подсистемы получают питание от аккумуляторов . Эти батареи производят энергию для других подсистем также во время запуска спутника.

Как правило, эти батареи заряжаются из-за избыточного тока, который генерируется солнечными элементами в присутствии солнечного света.

Антенные подсистемы

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

Спутниковые антенны выполняют два типа функций. Это прием сигналов, поступающих с земной станции, и передача сигналов на одну или несколько земных станций в соответствии с требованиями. 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. Рабочая частота должна быть увеличена, чтобы уменьшить длину спутниковых антенн. Поэтому спутниковые антенны работают в порядке частот ГГц .

Спутниковые антенны

Антенны, которые используются в спутнике, известны как спутниковые антенны. Есть в основном четыре типа антенн . Они есть:

  • Проволочные антенны
  • Роговые Антенны
  • Антенные решетки
  • Рефлекторные антенны

Теперь давайте поговорим об этих антеннах одна за другой.

Проволочные антенны

Проволочные антенны

Проводные антенны являются основными антеннами. Однополюсные и дипольные антенны подпадают под эту категорию. Они используются на очень высоких частотах, чтобы обеспечить связь для подсистемы TTCM.

Длина общей проволоки, которая используется в качестве диполя, если равна половине длины волны (т. Е. L = λ / 2), такая антенна называется полуволновой дипольной антенной .

Проводные антенны подходят для покрытия диапазона доступа и для обеспечения силы сигнала во всех направлениях. Это означает, что проводные антенны являются всенаправленными антеннами.

Роговые Антенны

Роговые Антенны

Антенна с апертурой на конце может быть названа апертурной антенной . Край линии передачи, заканчивающийся отверстием, излучает энергию. Это отверстие, которое является апертурой, превращает его в апертуру антенны.

Роговая антенна является примером апертурной антенны. Он используется на спутниках для того, чтобы покрыть большую площадь на земле.

Роговые антенны используются в микроволновом диапазоне частот. Один и тот же звуковой сигнал может использоваться как для передачи, так и для приема сигналов. Устройство с именем duplexer, которое разделяет эти два сигнала.

Антенные решетки

Антенна в отдельности может излучать некоторое количество энергии в определенном направлении, что приводит к лучшей передаче, как это было бы, если бы добавлялось еще несколько элементов для получения более эффективного выхода. Именно эта идея привела к созданию антенных решеток или антенных решеток. Массивные антенны используются в спутниках для формирования нескольких лучей из одной апертуры.

Антенные решетки

Рефлекторные антенны

Рефлекторные антенны

Рефлекторные антенны подходят для создания лучей, которые имеют больший уровень сигнала в одном конкретном направлении. Это означает, что это высоконаправленные антенны. Так, параболические отражатели увеличивают усиление антенн в системе спутниковой связи. Следовательно, они используются в телекоммуникациях и радиовещании.

Если антенна параболического отражателя используется для передачи сигнала, сигнал от корма, выходит из диполя или рупорной антенны, чтобы сфокусировать волну на параболу. Это означает, что волны выходят из фокальной точки и ударяются о параболоидальный отражатель. Эта волна теперь отражается как коллимированный фронт волны.

Если в качестве приемника используется та же антенна, электромагнитная волна, когда она принимает форму параболы, отражается в точке подачи. Дипольная или рупорная антенна, которая действует как приемная антенна на своем питании, получает этот сигнал, чтобы преобразовать его в электрический сигнал и направить его в схему приемника.

Спутниковая связь – транспондеры

Подсистема, которая обеспечивает соединение между передающей и приемной антеннами спутника, называется Транспондером . 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 из двух слов: «Передатчик» (Trans) и «Responder» (ponder) .

Блок-схема транспондера

Транспондер выполняет в основном две функции . Они усиливают полученный входной сигнал и переводят его частоту. В общем, разные значения частоты выбираются как для восходящей линии связи, так и для нисходящей линии связи, чтобы избежать помех между передаваемым и принимаемым сигналами.

Блок-схема транспондера показана на рисунке ниже.

транспондер

Мы можем легко понять работу транспондера из самой блок-схемы. Функция каждого блока указана ниже.

  • Дуплексер – это двусторонний микроволновый вентиль. Он принимает сигнал восходящей линии связи от спутниковой антенны и передает сигнал нисходящей линии связи на спутниковую антенну.

  • Усилитель с низким уровнем шума (LNA) усиливает слабый принимаемый сигнал.

  • Процессор несущей выполняет преобразование частоты принимаемого сигнала с понижением частоты (восходящая линия связи). Этот блок определяет тип транспондера.

  • Усилитель мощности усиливает мощность преобразованного с понижением частоты сигнала (нисходящей линии связи) до требуемого уровня.

Дуплексер – это двусторонний микроволновый вентиль. Он принимает сигнал восходящей линии связи от спутниковой антенны и передает сигнал нисходящей линии связи на спутниковую антенну.

Усилитель с низким уровнем шума (LNA) усиливает слабый принимаемый сигнал.

Процессор несущей выполняет преобразование частоты принимаемого сигнала с понижением частоты (восходящая линия связи). Этот блок определяет тип транспондера.

Усилитель мощности усиливает мощность преобразованного с понижением частоты сигнала (нисходящей линии связи) до требуемого уровня.

Типы транспондеров

В основном, есть два типа транспондеров. Это гнутые транспондеры и регенеративные транспондеры.

Изогнутые трубы транспондеры

Изогнутый трубный транспондер принимает сигнал микроволновой частоты. Он преобразует частоту входного сигнала в частоту РЧ, а затем усиливает ее.

Изогнутый трубный ответчик также называется ретранслятором и обычным ответчиком . Подходит как для аналоговых, так и для цифровых сигналов.

Регенеративные транспондеры

Регенеративный транспондер выполняет функции транспондера изогнутой трубы. то есть частотная трансляция и усиление. В дополнение к этим двум функциям регенеративный ответчик также выполняет демодуляцию радиочастотной несущей в основную полосу, регенерацию сигналов и модуляцию.

Регенеративный транспондер также называется Обрабатывающим транспондером. Подходит только для цифровых сигналов. Основными преимуществами регенеративных транспондеров являются улучшение отношения сигнал / шум (SNR) и более гибкая реализация.

Подсистемы Земного сегмента

Земной сегмент системы спутниковой связи в основном состоит из двух земных станций. Это передающая земная станция и приемная земная станция.

Передающая земная станция передает информационные сигналы на спутник. Принимая во внимание, что приемная земная станция принимает информационные сигналы со спутника. Иногда одна и та же земная станция может использоваться как для передачи, так и для приема.

В общем, земные станции принимают сигналы основной полосы в одной из следующих форм. Голосовые сигналы и видеосигналы в аналоговой или цифровой форме.

Первоначально метод аналоговой модуляции, называемый FM-модуляцией , используется для передачи как голосовых, так и видеосигналов в аналоговой форме. Позднее для передачи этих сигналов используются методы цифровой модуляции, а именно частотная манипуляция (FSK) и фазовая манипуляция (PSK) . Потому что как цифровые, так и голосовые сигналы используются для представления в цифровой форме путем преобразования их из аналоговой.

Блок-схема земной станции

Проектирование земной станции зависит не только от местоположения земной станции, но и от некоторых других факторов. Расположение земных станций может быть на суше, на кораблях в море и на самолетах. Зависимыми факторами являются тип предоставляемой услуги, использование полос частот, характеристики передатчика, приемника и антенны.

Блок-схема цифровой земной станции показана на рисунке ниже.

Цифровая земная станция

Мы можем легко понять работу земной станции с рисунка сверху. Есть четыре основные подсистемы , которые присутствуют на любой земной станции. Это передатчик, приемник, антенна и подсистема слежения.

передатчик

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

В спутниковой связи промежуточная частота (ПЧ) может быть выбрана равной 70 МГц с использованием транспондера с шириной полосы 36 МГц. Аналогично, ПЧ можно также выбрать как 140 МГц с использованием транспондера, имеющего ширину полосы 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.

Получатель

Во время приема антенна земной станции принимает сигнал нисходящей линии связи. Это низкоуровневый модулированный РЧ-сигнал. Обычно принимаемый сигнал будет иметь меньшую мощность. Таким образом, для усиления этого сигнала используется усилитель с низким уровнем шума (LNA) . За счет этого улучшается значение отношения сигнал / шум (SNR).

РЧ-сигнал может быть преобразован с понижением до значения промежуточной частоты (ПЧ), которое составляет 70 или 140 МГц. Потому что на этих промежуточных частотах легко демодулировать.

Функция декодера прямо противоположна функции кодера. Таким образом, декодер генерирует безошибочную двоичную информацию, удаляя биты исправления ошибок и исправляя позиции битов, если таковые имеются.

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

Антенна земной станции

Основными частями антенны земной станции являются система питания и антенный отражатель. Эти две части, объединенные вместе, излучают или принимают электромагнитные волны. Поскольку система питания подчиняется теореме взаимности, антенны земной станции подходят как для передачи, так и для приема электромагнитных волн.

Параболические отражатели используются в качестве основной антенны на земных станциях. Усиление этих отражателей высокое. Они имеют возможность фокусировать параллельный луч в точку в фокусе, где расположена система подачи.

Подсистема слежения

Подсистема слежения отслеживает спутник и следит за тем, чтобы луч достигал его, чтобы установить связь. Система слежения, присутствующая на земной станции, выполняет в основном две функции . Это спутниковое приобретение и слежение за спутником. Это отслеживание может быть выполнено одним из следующих способов. Это автоматическое отслеживание, ручное отслеживание и отслеживание программ.

Примеры земных станций

В этой главе давайте поговорим о двух примерах земных станций: домашняя телевизионная система только для приема и телевизионная система с общественной антенной .

Система домашнего ТВ только для приема

Если вещание осуществляется непосредственно на домашние телевизионные приемники, то этот тип службы называется услугой прямого вещания (DBS) .

Отражатель в виде сетки можно использовать для фокусировки сигналов в двойной рупор . Имеет два отдельных выхода. С одного выхода будут поступать сигналы C-диапазона, а с другого выхода – сигналы Ku-диапазона.

Телевизионные программы в основном начинаются как сигналы первого поколения. Эти сигналы передаются через спутник на главные конечные станции сети в C-диапазоне. Эти сигналы сжимаются и передаются в цифровом виде кабельным и DBS провайдерам.

Пользователи C-band могут подписаться на платные телеканалы. Эти услуги по подписке дешевле по сравнению с кабельными из-за доступности программ с несколькими источниками.

Блок-схема телевизионного приемника DBS показана на рисунке ниже.

DBS TV ресивер

Наружный блок

Наружный блок в основном состоит из приемной антенны и преобразователя низкого уровня шума (LNC) . Low Noise Converter (LNC) – это не что иное, как комбинация усилителя с низким уровнем шума (LNA), за которой следует преобразователь. Приемная антенна напрямую подается в LNC.

В общем, параболический отражатель также используется с приемной рупорной антенной для более фокусировки луча.

Внутренний блок

Как правило, сигнал, подаваемый на внутренний блок, является широкополосным сигналом. Частота этого сигнала лежит между 950 МГц и 1450 МГц. Во внутреннем блоке этот сигнал усиливается с помощью усилителя .

Усиленный сигнал подается на фильтр слежения и понижающий преобразователь. Он выбирает нужный канал и преобразует его частоту в промежуточную частоту (ПЧ), равную 70 МГц.

ПЧ усилитель усиливает уровень сигнала, чтобы правильно его демодулировать. Сигнал основной полосы частот (демодулированный) используется для генерации сигнала рудиментарной однополосной полосы (VSSB). Этот сигнал подается на один из каналов УКВ / УВЧ стандартного телевизора.

Частотная модуляция (FM) используется в DBS TV. Принимая во внимание, что амплитудная модуляция (AM) в форме VSSB используется в обычном телевидении. В этом основное различие между DBS TV и обычным телевизором.

Общественная антенная телевизионная система

Система Community Antenna TV (CATV) использует один наружный блок и несколько каналов. Эти каналы доступны отдельно для каждого чувства поляризации. Благодаря этому все каналы будут доступны на внутреннем приемнике одновременно.

Блок-схема внутреннего блока системы CATV показана на рисунке ниже.

CATV

В этом случае нет необходимости в отдельном приемнике для каждого пользователя. Потому что все несущие демодулируются в общей системе фильтра приемника. После этого каналы объединяются в мультиплексированный сигнал. Этот сигнал затем передается по кабелю абонентам (пользователям).

Спутниковая связь – Линк Бюджет

В системах спутниковой связи существует два типа расчета мощности. Это мощность передачи и расчеты мощности приема. В общем, эти расчеты называются расчетами бюджета Link . Единица мощности – децибел .

Сначала давайте обсудим базовую терминологию, используемую в бюджете ссылки, а затем перейдем к объяснению расчетов бюджета ссылки.

Основная терминология

Изотропный излучатель (антенна) излучает одинаково во всех направлениях. Но его практически не существует. Это просто теоретическая антенна. Мы можем сравнить производительность всех реальных (практических) антенн по отношению к этой антенне.

Плотность потока мощности

Предположим, что изотропный излучатель расположен в центре сферы с радиусом r. Мы знаем, что плотность потока мощности – это отношение потока мощности и площади блока.

Плотность потока мощности ,  Psii изотропного излучателя равна

 Psii= fracps4 pir2

Где Ps – поток энергии. В общем, плотность потока мощности практической антенны зависит от направления. Но это максимальное значение будет только в одном конкретном направлении.

Усиление антенны

Коэффициент усиления практической антенны определяется как отношение максимальной плотности потока мощности практической антенны к плотности потока мощности изотропной антенны.

Следовательно, усиление антенны или усиление антенны , G

G= frac Psim Psii

Где  Psim – максимальная плотность потока мощности практической антенны. И,  Psii – плотность потока мощности изотропного излучателя (антенны).

Эквивалентная изотропная излучаемая мощность

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

EIRP=GPs

Мы можем представить EIRP в децибелах как

 left[EIRP right]= left[G right]+ left[Ps right]dBW

Где G – усиление передающей антенны, а Ps – мощность передатчика.

Потери передачи

Разница между мощностью, передаваемой на одном конце и получаемой на принимающей станции, называется потерями при передаче . Потери можно разделить на 2 типа.

  • Постоянные потери
  • Переменные потери

Потери, которые являются постоянными, такие как потери фидера, известны как постоянные потери . Независимо от того, какие меры предосторожности мы могли бы предпринять, все же эти потери неизбежны.

Другой тип потерьпеременные потери . 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 вычисление потерь из-за ясной погоды или состояния ясного неба как 1- го, потому что эти потери постоянны. Они не изменятся со временем. Затем на втором шаге мы можем рассчитать потери из-за плохих погодных условий.

Расчет бюджета ссылки

Существует два типа расчетов бюджета канала, поскольку есть две ссылки, а именно: восходящая и нисходящая .

Земная станция Uplink

Это процесс, при котором Земля передает сигнал на спутник, а спутник принимает его. Его математическое уравнение можно записать в виде

 left( fracCN0 right)U=[EIRP]U+ left( fracGT right)U[ПОТЕРЯ]UK

Куда,

  •  left[ fracCN0 right] – отношение несущей к плотности шума

  •  left[ fracGT right] – отношение G / T спутникового приемника, а единицы измерения – дБ / К.

Здесь потери представляют потери фидера спутникового приемника. Потери, которые зависят от частоты, все принимаются во внимание.

Значение EIRP должно быть как можно ниже для эффективного UPLINK. И это возможно, когда мы получаем ясное небо.

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

Спутниковый нисходящий канал

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

Его математическое уравнение может быть записано как;

 left[ fracCN0 right]D= left[EIRP right]D+ left[ fracGT right]D left[LOSSES right]DK

Куда,

  •  left[ fracCN0 right] – отношение несущей к плотности шума
  •  left[ fracGT right] – отношение G / T приемника земной станции, единицы измерения – дБ / К

Здесь все потери, которые присутствуют вокруг земных станций.

В вышеприведенном уравнении мы не включили ширину полосы сигнала B. Однако, если мы включим это уравнение, оно будет изменено следующим образом.

 left[ fracCN0 right]D= left[EIRP right]D+ left[ fracGT right]D left[LOSSES right]DKB

Ссылка Бюджет

Если мы принимаем во внимание наземный спутник, то потери в свободном пространстве (FSP) также должны быть приняты во внимание.

Если антенна не выровнена должным образом, могут возникнуть потери. поэтому мы принимаем во внимание AML (потери из-за смещения антенны). Точно так же, когда сигнал поступает со спутника на Землю, он сталкивается с земной поверхностью, и некоторые из них поглощаются. Они учитываются потерями при атмосферном поглощении, заданными «AA» и измеренными в дБ.

Теперь мы можем написать уравнение потерь для свободного неба как

Потери=FSL+RFL+AML+AA+PL

Куда,

  • RFL обозначает полученную потерю фидера, и единицы – дБ.

  • PL обозначает потерю несоответствия поляризации.

RFL обозначает полученную потерю фидера, и единицы – дБ.

PL обозначает потерю несоответствия поляризации.

Теперь уравнение в децибелах для полученной мощности можно записать в виде

PR=EIRP+GR+Потери

Куда,

  • PR обозначает полученную мощность, которая измеряется в дБВт.
  • Gr – усиление антенны приемника.

Проектирование нисходящей линии связи является более важным, чем проектирование восходящей линии связи. Из-за ограничений по мощности требуется для передачи и усиления антенны.

Методы множественного доступа

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

В этой ситуации мы делаем множественный доступ, чтобы позволить спутнику принимать или передавать сигналы от разных станций одновременно без каких-либо помех между ними. Ниже приведены три типа методов множественного доступа.

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

Теперь давайте обсудим каждую технику один за другим.

FDMA

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

Один прекрасный пример такого типа доступа – наши радиоканалы. Мы можем видеть, что для работы каждой станции была назначена отдельная полоса частот.

FDMA

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

Как показано на рисунке, спутниковая станция A поддерживается в диапазоне частот от 0 до 20 Гц. Аналогично, станциям B и C был присвоен диапазон частот 30-60 Гц и 70-90 Гц соответственно. Между ними нет помех.

Основным недостатком этого типа системы является то, что она очень взрывоопасна. Этот тип множественного доступа не рекомендуется для каналов, которые являются 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 определенные временные рамки каждому каналу. В течение этого времени канал может получить доступ ко всей ширине полосы спектра.

Каждая станция получила фиксированную длину или слот. Слоты, которые не используются, останутся в режиме ожидания.

TDMA

Предположим, мы хотим отправить пять пакетов данных на конкретный канал в технике TDMA. Таким образом, мы должны назначить им определенные временные интервалы или временные рамки, в течение которых он может получить доступ ко всей полосе пропускания.

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

Хотя мы присвоили определенные временные интервалы конкретному каналу, но его также можно изменить в зависимости от несущей способности. Это означает, что если канал передает более тяжелые нагрузки, то ему может быть назначен больший временной интервал, чем каналу, который передает более низкие нагрузки. Это самое большое преимущество TDMA перед FDMA. Еще одним преимуществом TDMA является то, что энергопотребление будет очень низким.

Примечание. В некоторых приложениях мы используем комбинацию методов TDMA и FDMA . В этом случае каждый канал будет работать в определенной полосе частот в течение определенного периода времени. В этом случае выбор частоты является более надежным и имеет большую емкость со временем сжатия.

CDMA

В методике CDMA каждому каналу назначается уникальный код, чтобы отличать его друг от друга. Прекрасным примером такого типа множественного доступа является наша сотовая система. Мы видим, что никакие мобильные номера двух человек не совпадают друг с другом, хотя они являются одинаковыми мобильными услугами X или Y, предоставляющими клиентам компании одинаковую пропускную способность.

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

Encodedsignal=Orginaldata timesчипированиеsequence

Основным преимуществом этого типа множественного доступа является то, что он позволяет всем пользователям сосуществовать и использовать всю полосу пропускания одновременно. Поскольку у каждого пользователя свой код, помех не будет.

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

Спутниковая связь – Услуги

Услуги спутниковой связи можно классифицировать по следующим двум категориям.

  • Услуга односторонней спутниковой связи
  • Услуга двусторонней спутниковой связи

Теперь давайте поговорим о каждой услуге по одному

Услуга односторонней спутниковой связи

В службе односторонней спутниковой связи информация может передаваться от одной земной станции к одной или нескольким земным станциям через спутник. Это означает, что он обеспечивает как двухточечное подключение, так и многоточечное подключение.

Ниже на рисунке показан пример услуги односторонней спутниковой связи.

Как работает спутник

Здесь связь происходит между первой земной станцией (передатчиком) и второй земной станцией (приемником) на земной поверхности через спутник в одном направлении .

Ниже приведены некоторые из услуг односторонней спутниковой связи.

  • Вещательные спутниковые службы, такие как радио, телевидение и интернет.

  • Космические службы, такие как телеметрия, слежение и командование.

  • Спутниковая служба определения радио, такая как служба определения местоположения.

Вещательные спутниковые службы, такие как радио, телевидение и интернет.

Космические службы, такие как телеметрия, слежение и командование.

Спутниковая служба определения радио, такая как служба определения местоположения.

Услуга двусторонней спутниковой связи

В двусторонней спутниковой линии связи информация может передаваться между любыми двумя земными станциями через спутник. Это означает, что он обеспечивает только двухточечное соединение.

На следующем рисунке показан пример услуги двусторонней спутниковой связи.

двусторонняя спутниковая связь

Здесь связь происходит между первой земной станцией (передатчиком) и второй земной станцией (приемником) на земной поверхности через спутник в двух (обоих) направлениях .

Ниже приведены некоторые из услуг двусторонней спутниковой связи.

  • Фиксированные спутниковые службы, такие как телефон, факс и передача данных, высокоскоростные услуги.

  • Услуги мобильной спутниковой связи, такие как сухопутная подвижная, морская и аэро мобильная связь.

Фиксированные спутниковые службы, такие как телефон, факс и передача данных, высокоскоростные услуги.

Услуги мобильной спутниковой связи, такие как сухопутная подвижная, морская и аэро мобильная связь.

спутниковая система навигации

Система глобального позиционирования (GPS) – это навигационная система на основе спутника. Это создало революцию в области навигации и определения местоположения. Он в основном используется в приложениях позиционирования, навигации, мониторинга и съемки.

Основными преимуществами спутниковой навигации являются позиционирование в реальном времени и синхронизация времени. Вот почему спутниковые навигационные системы стали неотъемлемой частью большинства приложений, где мобильность является ключевым параметром.

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

Период обращения каждого спутника приблизительно равен двенадцати часам . Следовательно, все спутники вращаются вокруг Земли два раза в день. В любое время приемники GPS будут получать сигналы как минимум от четырех спутников.

GPS-коды и услуги

Каждый спутник GPS передает два сигнала, L 1 и L 2 имеют разные частоты. Трилатерация – это простой метод определения местоположения (широта, долгота, высота) приемника GPS. Используя этот метод, положение неизвестной точки может быть измерено из трех известных точек

Коды GPS

Ниже приведены два типа кодов GPS.

  • Грубый код приобретения или код C / A
  • Точный код или P код

Сигнал L 1 модулируется псевдослучайной битовой последовательностью 1,023 Мбит / с. Этот код называется Coarse Acquisition code или C / A-кодом и используется публикой.

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

P-код дает лучшую точность измерения по сравнению с C / A-кодом, поскольку скорость P-кода выше, чем C / A-код.

Услуги GPS

Ниже приведены два типа услуг, предоставляемых GPS.

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

Приемники PPS отслеживают как код C / A, так и код P по двум сигналам, L 1 и L 2 . Y-код дешифруется в приемнике для получения P-кода.

SPS-приемники отслеживают только сигнал C / A в сигнале, L 1 .

Приемник GPS

В системе GPS существует только односторонняя передача со спутника пользователям. Следовательно, индивидуальный пользователь не нуждается в передатчике, а только в приемнике GPS . Он в основном используется для поиска точного местоположения объекта. Он выполняет эту задачу, используя сигналы, полученные со спутников.

Блок-схема приемника GPS показана на рисунке ниже.

Приемник GPS

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

Приемная антенна принимает спутниковые сигналы. В основном это антенна с круговой поляризацией.

Усилитель с низким уровнем шума (LNA) усиливает слабый принимаемый сигнал

Преобразователь с понижением частоты преобразует частоту принятого сигнала в сигнал промежуточной частоты (ПЧ).

Усилитель ПЧ усиливает сигнал промежуточной частоты (ПЧ).

АЦП выполняет преобразование аналогового сигнала, получаемого с усилителя ПЧ, в цифровой. Предположим, что блоки дискретизации и квантования также присутствуют в АЦП (аналого-цифровой преобразователь).

DSP (процессор цифровых сигналов) генерирует код C / A.

Микропроцессор выполняет расчет положения и выдает синхронизирующие сигналы для управления работой других цифровых блоков. Он отправляет полезную информацию на дисплей, чтобы отобразить ее на экране.