2.1 Цель работы:

 

- теоретически ознакомиться с процедурой нахождения местоположения спутника;

- изучить программу SatScape;

- задать настройки и получить данные местонахождении спутника на заданное время.

 

2.2 Подготовка к работе

 

Повторить разделы: Спутниковые системы, виды орбит, геостационарные орбиты, расчет угловых зависимостей между космическим аппаратом, целью и центром Земли.

 

2.3 Рабочее задание

 

2.3.1 Изучите возможности программы SatScape.

2.3.2 Создать алгоритм работы в программе SatScape.

2.3.3 По заданию преподавателя определить местонахождение пяти спутников из разных типов орбит.

2.3.4 Показать траекторию движения и зону покрытия главного спутника в режимах 2D и 3D.

 

2.4 Порядок выполнения расчётов

 

2.4.1 Запустить программу SatScape

Рисунок 2.1 – Меню программы

 

2.4.2 В появившемся окне выбрать вкладку Pass redictions/Предсказания Прохода

 

Рисунок 2.2 – Меню ввода информации

 

2.4.3 В появившемся окне выберите вкладку: Add new job/Добавить Новую Работу

Рисунок 2.3 – Новая работа

 

2.4.4 Заполните данные и сохраните работу

Рисунок 2.4

Рисунок 2.5

 

2.4.5 В списке работ слева появится созданная вами работа

 2.4.6 Выберите свою работу, нажав по вкладке Run Selected Job

 

Рисунок 2.6

2.4.7 Программа выдаст вам данные о выбранных спутниках на заданный промежуток времени

  2.5 Контрольные вопросы

 1 Какие спутники представлены в лабораторной работе?

2 Высота орбиты (высота ИСЗ над поверхностью Земли).

3 Что понимается под зоной видимости ИСЗ?

4 Что называют зоной покрытия?

5  Расстояние от наземной станции до КА в процессе его полета.

6 Как отличаются значения ЭИИМ современных систем спутниковой связи, используемых типов орбит?

3 Лабораторная работа. Изучение орбит ИСЗ с помощью программы “Orbitron”

 

 

3.1 Цель работы:

 

Практическое изучение параметров орбит ИСЗ, зон покрытия геостационарных и низкоорбитальных систем, эффекта Доплера, определение длительности нахождения спутника на горизонте.

 

3.2 Подготовка к работе

 

3.2.1 Изучить виды и параметры спутниковых орбит.

3.2.2 Изучить определение координат на поверхности Земли в геоцентрической и топоцентрической системах.

3.2.3 Изучить понятие вспышек Иридиумов и звездной величины, их назначение и применение.

3.2.4 Изучение Доплеровского смещения частот для линии вверх, вниз.

3.2.5 Анализ полученных результатов.

 

3.3 Рабочее задание

 

3.3.1 Запустить программу “Orbitron”.

3.3.2 Определить по карте примерные координаты заданной точки, согласно варианту.

3.3.3 . Определить координаты спутника в заданный момент времени согласно варианту.

3.3.4 Сравнить  зоны покрытия геостационарных и низкоорбитальных систем.

3.3.5 Оценить максимальную длительность возможного сеанса связи в  заданной точке.

3.3.6 Определить длительность нахождения спутника над горизонтом.

 

Точка, в которой орбита пересекает плоскость экватора при дви­жении спутника на север, называется восходящим узлом орбиты (точ­ка А на рисунке 3.1). Точка пересечения с поверхностью Земли радиуса-вектора, про­веденного в точку размещения спутника из центра Земли, называ­ется подспутниковой.

Очевидно, что из подспутниковой точки С (рисунок 3.1) спутник ви­ден точно в зените, т.е. ось луча антенны ЗС при наведении ее на ИСЗ должна

быть перпендикулярна поверхности Земли.

 

 

Рисунок 3.1 – Геоцентрическая система OXYZ

 

В любой другой точке N земной поверхности положение оси NB луча антен­ны ЗС отличается от зенита и характеризуется двумя угловыми ве­личинами: азимутом А и углом места .

На рисунке 3.1 показаны две системы координат — геоцентрическая и топоцентрическая.

Геоцентрическая система OXYZ имеет начало в центре Земли, плоскость ХОY совпадает с плоскостью экватора, ось OZ направлена от цен­тра к северному полюсу, ось ОХ направлена в точку весеннего рав­ноденствия (в случае так называемой инерциальной геоцентрической системы, показанной на рисунке 3.1) или лежит в плоскости начально­го меридиана, например, гринвичского (тогда это относительная гео­центрическая система, сохраняющая неизменное положение относи­тельно точек на поверхности Земли); ось OY дополняет систему до правой.   Топоцентрическая система N имеет начало в точке N на поверхности Земли. Плоскость N ( касательна к поверхности Зе­мли в точке N, ось N направлена на север, то есть по касательной к меридиану, проходящему через N, ось N - по нормали к поверхности Земли, т.е. по направлению  радиуса ON, в сторону от центра Земли, ось N дополняет систему до правой. Направление от точ­ки N па спутник показано на рисунке 3.1 линией NB. Проекция NВ на плоскость N — линия ND, плоскость NBD перпендикулярна к касательной плоскости N.

Теперь можно определить угол места (угол возвышения) как угол BND между направлением на спутник BN и проекцией ND этого направления на плоскость, касательную к поверхности Земли, а азимут - как угол между направлением на север N  и проек­цией ND направления на ИСЗ на касательную плоскость. Положе­ние точки N на земной поверхности характеризуют ее долготой _N  углом между плоскостью Гринвичского меридиана и плоскостью меридиана, проходящего через N  и широтой  _N - углом между радиусом ON и плоскостью экватора.

 Для систем связи и вещания необходимо, чтобы имелась прямая видимость между спутником и соответствующими земными станциями в течение сеанса связи достаточной длительности.

Орбита геостационарного ИСЗ («Пояс Кларка»)  — это круговая (эксцентриситет е = 0), экваториальная (наклонение i = 0°), синхронная орбита с периодом обращения 24 ч, с движением спутника в восточном направлении.

Связь осуществляется непрерывно, круглосуточно, зона видимости геостационарного ИСЗ около одной трети земной поверхности; трех геостационарных ИСЗ достаточно для создания глобальной системы связи; отсутствует (или становится весьма малым) частотный сдвиг, обусловленный эффектом Доплера.

Эффектом Доплера называют физическое явление, заключающееся в изменении частоты высокочастотных электромагнитных колебаний при взаимном перемещении передатчика и приемника. Эффект Доплера объясняется изменением расстояния во времени. Этот эффект может возникнуть также и при движении ИСЗ на орбите

Эффект Доплера способствует изменению частоты модулирующих колебаний. Это сжатие (или расширение) спектра передаваемого сигнала невозможно контролировать аппаратурными методами, так что если сдвиг частоты превысит допустимые пределы (например, 2 Гц для некоторых типов аппаратуры частотного разделения каналов), то канал оказывается неприемлемым.

Длина волны λ, принятая наблюдателем, связана с длиной волны источника излучения соотношением:

где V– проекция скорости источника на луч зрения. Открытый  закон получил название закона Доплера:

Эффект Доплера наибольший, ели движение передатчика относительно приемника происходит вдоль линии связи (=0или ψ=π)

 

∆f ≈ ± f₀V / c

 

при сближении передатчика и приемника частота колебаний возрастает пропорционально V / c , при удалении уменьшается по тому же закону.

На линии связи через строго геостационарный спутник доплеровский сдвиг не возникает, в случае реальных геостационарных ИСЗ – малосущественен, а при сильно вытянутых  эллиптических или низких круговых орбитах может быть значительным. Расчет его сводится к расчету отношения (Vcos ψ)/c для некоторой траектории движения ИСЗ.

Суммарный доплеровский сдвиг максимален для линии связи между близко расположенными ЗС, когда на обоих участках (Земля-спутник и спутник-Земля) сдвиг примерно одинаков и потому на всей линии удваивается.

Влияние доплеровского сдвига на работу линии связи проявляется как частотная нестабильность несущей частоты ретранслируемых спутником колебаний, добавляющаяся к аппаратурной нестабильности частоты, возникающей в бортовом ретрансляторе и ЗС. Эта нестабильность может существенно осложнять прием сигналов, особенно узкополосных, приводя к снижению помехоустойчивости приема. А также, изменяется частота модулирующих колебаний. Если частота несущей f₀ сдвигается на ∆f , то частота верхней боковой составляющей (f₀ + F), обусловленной компонентом F модулирующего процесса, составит (f₀ + F) (1+ V / c)= f₀ + f₀ V/c + F + F V/c, нижней боковой - соответственно f₀ + f₀ V/c - F  - F V/c. Таким образом, разность частот боковых и несущей, равная частоте колебания, образующего после демодуляции, составляет F(1+V/c)

При передаче симплексных (однонаправленных) сообщений (программ телевидения, звукового вешания и других дискретных (прерывистых) сообщений это запаздывание не ощущается потребителем. Однако при дуплексной (двусторонней) связи запаздывание на несколько секунд уже заметно.

При запуске программы Orbitron (система моделирования траекторий движения ИСЗ) появляется интерактивное окно, содержащее: панель задач, карту мира, и список спутников.

Панель задач содержит следующие вкладки: главное, отображение, место информация, настройки расчета, расчет, ротор/радио и  и т.д.

Карта – отображает позиции спутников над Землей. Вы можете выбрать позицию или приближать заинтересовавшую вас область с помощью контекстного меню. Также карту можно перемещать с помощью drag-and-drop. Щелчком левой кнопки мыши можно перемещать спутник в необходимую позицию.

Настройки карты находятся в закладке "Отображение"  - и "настроек" или с помощью клавиш ALT+F5. По умолчанию дорожка заземления имеет два цвета, света для освещенной части и темной для eclipsed. На карте отображены дневные и ночные зоны.

 

Карта мира:

Рисунок 3.2 – Карта мира: 1-геостационарный спутник; 2 -пройденный путь спутника; 3 - направление движения спутника; 4- активный спутник с отображением его покрытия; данные для этого спутника представлены на панели справа; 5- низкоорбитальный спутник; 6 - выбранное место расположения; 7- ночь; 8 - граница дня и ночи; 9 -геодезическая сетка.

 

В закладке “отображение” можно выбрать тип карты Радар, отображаем месторасположение спутника на небе относительно выбранной точки на Земле (точки наблюдения) как в реальном, так и в режиме Симуляции.

Быстрое меню находится в верхнем правом углу рабочего окна. Или вызывается с помощью клавиши ESC.

Правая Панель содержит список загруженных объектов (спутников),  а также данные об их месторасположении (и других космических объектов).

 

Bottom Panel

 

Screen Shot(ALT+SHIFT+F2): Сохраняет текущие картинки с экрана в формате BMP.

Minimize Application: Сворачивает приложение.

Close application (ALT+F4): Сохраняет настройки и закрывает программу. 

Setup: Вызывает окно настроек Орбитрона.

 

Load settings: Загружает настройки из INI File.

Save settings: Сохраняет настройки в INI File. При закрытии программы Орбитрон сохраняет все настройки, но вы можете создать свою собственную конфигурацию для ускорения работы.

Message Board System: открывает MBS окно, на котором вы можете найти информацию о новых версиях продукта.

NightLife: преображение цветовой гаммы в мягкие тоня для защиты глаз от ярких бликов экрана.

Hide Bottom  Panels (Ctrl+Space): Используется для сворачивания нижней панели.

Maximize viewport (Ctrl+Enter): для максимального увеличения окна.

Full screen/ Window Mode.

Refresh interval: определяет интервал расчета данных.

Информация на правой панели, отображает сведения об активном спутнике, а также о Солнце и Луне.

teПанель времени

 

Панель времени отображает информацию о настоящем или симуляционном временном режиме. Также она отображает контрольные настройки времени. Можно скрывать или активировать панель с помощью клавиши F11, изменение настроек возможно правым кликом.

RT/SIM

Режим настоящего времени / Режим симуляции

CLOCK

Панель работает в режиме часов

AUTO-FWD/AUTO-BCK

Автоматическая перемотка вперед/Режим отмотки времени назад

LCL/UTC

Работа программы в режиме локального времени/время UTC

 

Таблица 1.1

Name	Название спутника
Lat	Земная широта
Lon	Земная долгота
Alt	Высота спутника над уровнем Земли
Azm	Угол с которого обозревается спутник
Elev	Видимый угол  обозрения спутника
RA	Right ascension of satellite, for sky map reference
Продолжение таблицы 1.1
Delc	Declination of satellite, for sky map reference
Range	Расстояние от обозревателя до спутника
RRt	Скорость расстояния; изменение расстояния во времени; для Доплеровского смещения (км /с)
Vel	Скорость движения спутника (км /с)
Direction	Ascending - satellite moves from South to North; Descending - North to South
Eclipse	Posible values are: Penumbral / Umbral / No (satellite is illuminated)
MA (phase)	Mean Anomaly (0-360 degrees) and AM-SAT phase (0-255) of satellite counted from perigee
Orbit #	Номер орбиты отсчитываемого от первого перигея
Mag (illum)	Visual magnitude and illuminated fraction in percents. Posible values are: 'not visible' (satellite is below the horizon), 'eclipsed' (satellite is in umbral eclipse), 'X.X* (80%)' (magnitude and illuminated fraction, * - penumbral eclipse)

Sun and moon data similarly as satellite...Sun and moon data similarly as

Mini radar

Мини радар находится в правой части активного окна. Возможны три режима функционирования радара:

On – Радар всегда включен.

Off – Радар скрыт.

Auto – Радар активен, если объект появляется на небе и если основная карта не радар.

Возможно изменять его настройки правым кликом на необходимом режиме также клавишой F12. Можно выбирать спутник нажатием на него на карте радара.

Bottom panels: Rotor/Radio

Эта панель показывает значение доплеровского смещения для  линии вверх и линии вниз.

 

Таблица 1.2

Azimuth, Elevation, Receive/doppler, Transmit/doppler, Dnlink mode, Uplink mode	Информация, отправляемая на драйвера.
Dnlink, Uplink	Список частот. Также вы можете внести свои данные. Существующие берутся из “notes file”, пожалуйста, проверьте NOTES/00000.TXT для более подробного описания.
Driver	List of available drivers. 'WispDDE' is a build-in one, other drivers must be listed in Config\Drivers.dat file (driver's file names without extension, line by line).
Run selected driver and start sending data (icon)	After pressing this button, Orbitron will try to run driver and starts sending tracking data. At the first time you will be asked for location of driver's EXE file.
Tracking object	Выберите объект наблюдения
Lock active satellite (icon)	В обычном режиме Орбитрон отправляет сведения об активном спутнике на rotor/radio driver. Кнопка 'Lock Active Satellite' подтверждает, что необходимый поток информации направляется даже если другой спутник активирован.