Сателитните комуникации и проблемът с геостационарната орбита (стр.
| Поради големия обем този материал е разположен на няколко страници: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 |
1. Орбита на геостационарни спътници. Зони на обслужване………………..10
1.1 Орбити на спътниците на Земята. …………………………….10
1.2 Геостационарна орбита. …………………………… 13
1.3 Осветление на геостационарен спътник; осветяване на антени на земни станции от Слънцето и Луната………………………………………………………….21
1.4 Закъснение на радиосигналите и ефекта на Доплер ……………..……27
1.5 Зони на обслужване на геостационарни сателити………………………………………………32
2.1 Радиокомуникационни услуги, използващи спътници в геостационарна орбита………………………………………………………………………. …38
2.2 Основни характеристики на геостационарните сателити и комуникационни системи
2.3 Сателитни комуникационни системи с геостационарни сателити. 54
2.4 За тенденциите в развитието на геостационарната орбита, плановете за създаване на нови комуникационни системи с геостационарни спътници………. 65
3. Изчисляване на взаимните смущения между стационарни сателити…………….70
3.1 Определяне на необходимите защитни съотношения сигнал/шум
на входа на приемните устройства…………………………………………………70
3.2 Въздействие на смущенията върху аналоговите FM сигнали……..…72 Въздействие на смущенията при предаването на сигнали в дискретна форма….
3.3 Изчисляване на съотношението сигнал/смущение на входа на приемащите устройства ……………………………………………………………………………………94
3.4.Норми за допустими нива на смущения. …………………………..99
3.5. Норми за допустими нива на смущения………. …. …. …………107
4. Показатели за ефективността на използването на геостационарната орбита. 112
4.1.Възможни подходи за генериранеиндикатор………………….112
4.2 Индикатор за ефективността на използването на GO……………. Технически фактори, влияещи върху ефективността на използването на GO……………………………………………………………………………………..124
5.1. Параметри на антената, които определят ефективността на използването на HE………………………………………………………..….……124
5.2 Технически фактори, влияещи върху ефективността на използването на GO, свързани с методите за предаване и регулиране на сигнала. 134
5.3 Анализ на хомогенността на спътниковите комуникационни системи …………….143
6. Оценка на капацитета на геостационарната орбита…………………………. 154
6.1 Оценка на орбиталния капацитет въз основа на реални предположения……. 154
6.2 Оценка на максималната производителност на GO ……………. 161
7. Международно регулиране на използването на геостационарната орбита………………………………. …..169
7.1 Общи разпоредби за използването на GO…………….…………169
7.2. Текущата процедура за координиране на нови системи с помощта на геостационарни спътници ………………………………. ……… 176
8. Планирано използване на честотните ленти, определени за сателитната услуга за радиоразпръскване…………………………….…..…………181
8.1 Приети планове за услугата сателитно излъчване WARC-77 и RARC-83………………………………………………………………. 181
8.2 Критерии за междурегионално привеждане в съответствие и решение на RACR-83 ………………………………………………………………………. 196
8.3. Проблеми при планиране на захранващи линии на програмата в Royny 1 и 3………………………………………………………………………………. … 201
8.4 Проблеми при изпълнението на плановете за услугата сателитно радиоразпръскване в обхвата 12 GHz …………………………. 205
9. Възможни методи за осигуряване на гарантиран достъп до геостационарната орбита и решения на WACR ORB от 1985 г.…………………. 207
9.1 Задачи на WACR ORB 1985 и подготвителна работа през
9.2 Решения на WACR ORB от 1985 г. относно въвеждането на планиране на сателитни услуги. 215
9.3 Относно използването на обобщени параметри при планиране на FSS………………………………………………………………………. 222
9.4 Относно разработването на примерен план за FSS. 232
Библиография. 245
Предговор
Средата на 20 век бе белязана от успеха на ракетната и космическата техника. Изключителна роля в създаването на научните основи на тези успехи има българският учен.
От момента на изстрелването на първия изкуствен спътник на Земята (AES) в СССР през 1957 г. възниква практическата възможност за създаване на комуникационни системи с ретранслатор (пасивен или активен), разположен на спътника. Ефективността на такова разположение на ретранслатора вече беше очевидна по това време, тъй като широко се използваха радиорелейни линии с пряка видимост с релейни станции на високи кули и за увеличаване на обхвата на комуникация ретранслаторът многократно се издигаше на голяма височина с помощта на самолети и други въздухоплавателни средства. Като космическа релейна станция, изкуственият спътник се оказа по-удобен от други средства за издигане на активен ретранслатор, поради голямата (практически неограничена) височина, дълъг живот без забележими енергийни разходи (сателитът се движи в орбита като небесно тяло), ефективна работа на слънчеви батерии, които не са затъмнени от атмосферни образувания - облаци. Тези предимства се оказаха по-важни от очевидния недостатък - високата цена за извеждане на сателити в орбита.
Голямата надморска височина на космическата станция дава възможност не само за създаване на широколентови комуникационни линии с голяма дължина и голям капацитет, но и за осъществяване на директна комуникация чрез спътници на голям брой земни станции, разположени в зоната на обслужване на този спътник.
Още в началото на шейсетте години бяха изстреляни първите комуникационни спътници Молния-1.(СССР, 1965 г.) "Телстар" (САЩ, 1962 г.). Високата елиптична орбита на спътника "Молния-л" с височина на апогея около 1 км в северното полукълбо и наклон около 65 ° спрямо екватора се оказа удобна за обслужване на зони, включващи субполярни региони, и досега успешно се използва от Съветския съюз. Ниската орбита на Telstar (височина на апогея 4800 km, перигей 800 km, наклон към екваториалната равнина 45°) никога не е била използвана в бъдеще.
комуникационна геостационарна орбита, определи необходимата височина на тази орбита (
Има ли опасност да излезем от геостационарната орбита? От чисто геометрична гледна точка, тоест от гледна точка на вероятността от сблъсъци и взаимно засенчване на спътниците, такава опасност все още не съществува. В крайна сметка дължината на геостационарната орбита е много голяма - км, а размерът на сателита е ограничен до няколко метра. В допълнение, GO на практика, за действително изстреляни спътници с известна промяна във височината и скоростта, не е геометрична линия, а тяло на въртене („поничка“), което има забележим обем. Изчислено е [2], че дори ако изкуствен спътник бъде изстрелян в геостационарна орбита, вероятността от сблъсък на MX няма да надвишава 1 пъти полет. Въпреки това, за да се избегне „замърсяването“ на GO, документите на Международния консултативен комитет по радиото (CCIR) разглеждат необходимостта от „изтегляне“ на сателитите от геостационарната орбита след края на тяхната експлоатация, за което определено количество енергия в сателитния двигател трябва да се поддържа до края на експлоатационния му живот.
Ако разгледаме проблема с запълването на GO от гледна точка на електромагнитната съвместимост между комуникационните системи с геостационарен спътник, тогава се оказва, че геостационарната орбита вече е претоварена в някои области в някои честотни ленти. С реализираните в моментапространствена селективност на антените, разстоянието между съседни сателити, работещи в обща честотна лента, за да се избегнат взаимни смущения, на практика е 3-4 ° и само в редки случаи се намалява до 2 °. При тези условия на GO могат да бъдат поставени не повече от 100-180 сателита, работещи в обща честотна лента. Разделянето на сателитите по честота за някои услуги е трудно, тъй като например модерен сателит във фиксираната услуга обикновено използва по-голямата част от разпределената честотна лента за тази услуга в една от двойните ленти 4/6 или 11/14 GHz, или дори и двете. Внедряването на комуникационни системи в други, по-високи честотни диапазони, предназначени за фиксираната услуга, е възможно, но е свързано с определени енергийни и технологични затруднения.
Така претоварването на геостационарната орбита от сателити поради радиосмущения между тях е факт от днес. Координацията между съответните комуникационни администрации преди регистрацията на нова система понякога отнема години.
Във връзка с възникналата ситуация редица комуникационни администрации (предимно развиващи се страни) имат желание да разпределят геостационарната орбита на планирана основа, като на всяка страна се определя позиция и честотна лента за обслужване на определена зона (при спазване на редица необходими параметри на сигнала). За услугата радиоразпръскване такъв план беше разработен и приет на Световната административна радиокомуникационна конференция от 1977 г. (WARC-77) за страните от Източното полукълбо, на Регионалната административна радиокомуникационна конференция от 1983 г. (RARC-83) за Западното полукълбо.
През 1985 г. се проведе WARC (1-ва сесия) за използването на геостационарната орбита и планирането на услугите, използващи я, с цел да се осигури на всички страни равен достъп до геостационарната орбита. Товасесията реши, че за националните системи във фиксираната спътникова служба трябва да се разработи т. нар. план за разпределение, за да се отговори на исканията на администрациите, с поне една позиция в орбита, определена за всяка администрация. За планиране лентите са разпределени в лентите 4/6 GHz и 11/14 GHz, по 800 MHz всяка за линиите Космос-Земя и Земя-Космос. В останалите ленти трябва да се въведе подобрена процедура за координиране.
По този начин може да се види, че използването на геостационарната орбита от комуникационни спътници сега е един от най-важните и интересни проблеми в развитието на комуникационните технологии и изследването на космоса в интерес на националната икономика. Именно на този проблем е посветена тази книга. Книгата предоставя основна информация за движението на спътниците в геостационарна орбита, принципите за определяне на зоните на обслужване на такива спътници. Описани са типични спътникови комуникационни системи с геостационарни спътници, дадени са параметрите на сигналите, предавани в тези системи, параметрите на оборудването на земни и космически станции. Разгледани са правните и технически аспекти на проблема за регулиране на използването на орбитата, анализирани са смущенията между комуникационните системи с геостационарни спътници. Най-важните раздели на книгата са посветени на методите за повишаване на ефективността на използването на геостационарната орбита, оценката на максимално постижимия капацитет на тази орбита и принципите на нейното планово използване.
Може да се предположи, че тези въпроси ще останат актуални за дълго време и ще представляват интерес за широк кръг читатели, както специалисти в областта на създаването и използването на съвременни комуникационни системи, така и читатели, интересуващи се от възможностите и перспективите на такива системи.
1. ГЕОСТАЦИОНАРНА ОРБИТА.ЗОНА НА ОБСЛУЖВАНЕ
1.1. САТЕЛИТНИ ОРБИТИЗЕМЯ
Траекторията на изкуствен спътник на Земята се нарича неговата орбита. По време на свободен полет, когато бордовите реактивни двигатели са изключени, спътникът на Земята се движи като небесно тяло, под въздействието на гравитационни сили и инерция, а земното привличане е доминиращата гравитационна сила. Ако просто считаме Земята за строго сферична и гравитационното поле на Земята е единственото, което влияе върху спътника, тогава движението на спътника около Земята се подчинява на законите на Кеплер. При тези предположения движението на спътника се извършва във фиксирана (в абсолютното пространство) равнина - равнината на орбитата, минаваща през центъра на Земята; общата механична енергия (кинетична и потенциална) на спътника остава непроменена, в резултат на което при отдалечаване на спътника от Земята скоростта на неговото движение намалява, а при приближаване се увеличава. Орбитата на сателит в строго централно гравитационно поле има формата на елипса или кръг - специален случай на елипса.
Уравнението на елиптичната орбита на спътника на Земята в полярната координатна система (в нотацията, приета в [1]) (има
=p/(1+eCOS),(1.1)
където е модулът на радиус вектора (разстоянието от сателита до центъра на Земята); е ъгловата координата на радиус вектора („истинска аномалия“); e е ексцентрицитетът на орбитата;p— фокусен параметър.