Расчет спутникового канала Алматы-Атырау

1. Энергетический расчет спутникового канала Алматы-Атырау

Для расчета энергетики радиолиний зададимся исходными данными. Выберем в качестве используемого ИСЗ спутник АзияСат-2 (100,5° в.д.). Это геостационарный спутник, луч которого в С-диапазоне покрывает Китай, Японию, Индонезию, Индию, Средний Восток, страны СНГ. Техническая спецификация спутника приведена в таблице 2.1, зона покрытия - на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Зона покрытия ИСЗ АзияСат-2

Таблица 2.1 - Техническая спецификация ИСЗ АзияСат-2

1. Разработчик / производитель Lockheed Martin Astro Space

2. Модель Astro Series 7000

3. Масса при запуске 3,5 тонны

4. Планируемый срок службы 13 лет

5. Стабилизация Стабилизирован по 3 осям

6. Орбитальная позиция 100,5° в.д.

7. Число транспондеров 24

8. Частота трансляции (вверх/вниз) 6 / 4 ГГц

9. Ширина полосы частот транспондера 20 по 36 МГц, 4 по 72 МГц

10. Поляризация Линейная

11. Максимальная ЭИИМ 40 дБВт

12. Зона покрытия Китай, Япония, Индия, Средний Восток, СНГ

13. Мощность передатчика на ЛБВ 55Вт

14. Плотность потока насыщения (SFO) -97 ± 1 дБ•Вт/м2 (макс)

15. Приемная командная частота 6423,5 МГц – вертикально поляризованная

16. Передаваемые частоты телеметрии 4197,5 МГц горизонт.

4199,5 МГц горизонт.

Так как Алматы находится в зоне с эквивалентной изотропно излучаемой мощностью потока энергии 39 дБ∙Вт, а остальная территория Республики Казахстан находится в зоне с ЭИИМ 37 дБ•Вт, выберем в качестве местоположения периферийной станции город Атырау, географические координаты которого 47°6' с.ш. и 51°55' в.д. Центральную станцию системы разместим в городе Алматы, координаты которого 43°14' с.ш. и 76°58' в.д.

На рисунке 2.2 приведен частотный план ИСЗ АзияСат-2.

Рисунок 2.2 - Частотный план ИСЗ АзияСат-2

Рассчитаем расстояния от земных станций до бортового ретранслятора по формуле, приведенной в /5/:

, (2.1)

где ,

где ξ - широта наземной станции,

β- разность долгот спутника и земной станции,

d - расстояние от земной станции до спутника, км.

Подставляя исходные данные в формулу (2.1), получим:

для Алматы:

для Атырау:

Далее рассчитаем угол места и азимут на спутник с земных станций по формулам, приведенным в /5/:

(2.2)

(2.3)

где ,

- долгота подспутниковой точки, грд;

- долгота земной станции, грд;

- широта земной станции, грд.

Подставляя исходные данные в формулы (2.2) и (2.3), получим:

для Алматы:

,

,

для Атырау:

,

.

Далее рассчитаем затухание энергии сигнала, в свободном пространстве: для этого необходимо выбрать конкретный транспондер, через который будет работать сеть, чтобы знать частоты приема и передачи, необходимые для расчетов (рисунок 2.2).

Выберем для расчетов транспондер 1А, центральные частоты этого транспондера - 5885 МГц на прием и 3660 МГц на передачу.

Затухание энергии сигнала в свободном пространстве рассчитывается по формуле:

(2.4)

где L - затухание энергии, дБ;

d - расстояние между ИСЗ и ЗС, м;

- длина волны, м;

с =3•108 м/с - скорость света;

f - частота сигнала, Гц.

Для Алматы затухание энергии сигналов в свободном пространстве за счет расхождения фронта волны на пути распространения Земля - спутник (f = 5885 МГц, λ= 0,0509 м) будет равно:

а на пути распространения спутник - Земля (f = 3660 МГц, λ = 0,0819 м) равно:

Аналогично рассчитываем затухание для ЗССС в Атырау. Подставляя в формулу (2.4) исходные данные, получаем затухание на линии Земля спутник:

а на линии спутник - Земля:

Для дальнейших расчетов необходимо воспользоваться некоторыми техническими характеристиками станции. Технические характеристики центральной и удаленной станций и бортового ретранслятора сведем в таблицы 2.2, 2.3, 2.4.

Таблица 2.2 - Параметры центральной станции

Параметр Величина Обозначение

Диаметр антенны, м 4,6 Dцс

Коэффициенты усиления антенны:

на передачу, дБ

на прием, дБ

53,4

52

Затухание в ВЧ-части:

на передачу, дБ

на прием, дБ

4,1

1,9

Выходная мощность передатчика, дБ 13

Эквивалентная шумовая температура, К 355 Тцс

Требуемое отношение сигнал/шум на входе приемника при вероятности ошибки 10-6, дБ 7,2

Таблица 2.3 - Параметры удаленной станции

Параметр Величина Обозначение

Диаметр антенны, м 1,8 Dус

Коэффициенты усиления антенны:

на передачу, дБ

на прием, дБ

40

39

Затухание в ВЧ-части:

на передачу, дБ

на прием, дБ

4,7

1,7

Эквивалентная шумовая температура, К 355 Тус

Требуемое отношение сигнал/шум на входе приемника при вероятности ошибки 10-6, дБ 7,2

Таблица 2.4 - Параметры бортового ретранслятора

Параметр Величина Обозначение

Эквивалентная изотропно излучаемая мощность в центре зоны, дБ 40 ЭИИМ

Мощность бортового передатчика, дБ 17,40 Рб

Затухание в ВЧ-части

на передачу, дБ

на прием, дБ

2

2

Эквивалентная шумовая температура, К 1200

Для дальнейших расчетов необходимо, вычислить коэффициенты усиления антенны спутника в направлении на ЗС Алматы и Атырау.

Воспользуемся формулой из /5/:

, (2.5)

где Рпер - эффективная мощность сигнала на выходе передатчика, дБ;

η - затухание в ВЧ-части, дБ.

Исходя из рисунка 2.1, Алматы находится в зоне с ЭИИМ = 39 дБ; Атырау в зоне с ЭИИМ = 37 дБ. Преобразуем формулу (2.5).

(2.6)

Вычислим усиление антенны спутника в направлении

на Алматы:

на Атырау:

Произведем расчет дополнительного затухания при распространении радиоволн в атмосфере. Воспользуемся формулой, приведенной в /5/:

(2.7)

где - дополнительное затухание, дБ;

- поглощение энергии сигнала в атмосфере, дБ;

- потери в гидрометеорах, дБ;

- потери из-за несогласованности поляризации антенн, дБ.

Определим величину потерь для каждой станции, исходя из графиков, представленных в /5/ и результатов, полученных по формулам (2.2) и (2.3):

для Алматы (азимут = 147,56°, угол места = 31,98°):

La = 1 дБ; Ln = 1 дБ; Lg=7 дБ; LН = 2 дБ;

тогда:

для Атырау (азимут = 122,8°, угол места = 16,37°)

La = 1 дБ; Ln = 1 дБ; Lg=7 дБ; LН = 2 дБ;

Дополнительное затухание при распространении вниз будет отличаться от затухания при распространении луча вверх на малую величину, которой можно, пренебречь, поэтому для удобства расчетов примем .

Следующим шагом необходимо произвести расчёт мощности для передатчиков ЗС и бортового ретранслятора. Так как мощности передатчиков ЦС и ИСЗ нам известны, приведем расчет мощности для удаленной станции, исходя из условий минимизации мощности передатчика удалённой станции.

Расчёт мощности передатчика земной станции выполняется по формуле из /6/:

(2.8)

где - затухание на трассе вверх, дБ;

- дополнительное затухание, дБ;

k = -228,6 дБ - постоянная Больцмана;

- суммарная шумовая температура борта, дБ;

- шумовая полоса ЗС, дБ;

- коэффициент усиления на передачу ЗС, дБ;

- коэффициент усиления на прием спутника, дБ;

- затухание в ВЧ-части земной, станции на передачу, дБ;

- затухание в ВЧ-части спутника на прием, дБ;

а = 7 дБ - коэффициент запаса;

(Рс/Рш) - сигнал/шум на входе приемника, дБ.

Для формулы (2.8) все величины подставляются в децибелах. Подставляя все вышеуказанные величины в формулу (2.8) получим:

Переведем в ватты, получаем:

.

Для реальной станции для С-диапазона предлагается использование передатчика мощностью 5 Вт.

Рассчитаем мощность, требующуюся при работе удаленной станции на центральную станцию по формуле (2.8):

Переведем Рпер.З в ватты:

.

При работе удаленной станции на центральную требуется мощность 1,26 Вт, что показывает работоспособность станции