Министерство образования и науки Республики Казахстан
Международная образовательная корпорация
Методические указания
к выполнению
лабораторных работ по дисциплине
«Спутниковая и космическая связь»
Виртуальные лабораторные работы «Orbitron»
Алматы 2015
Лабораторная работа №1
Тема: Изучение характеристик орбит
Цель работы: Ознакомиться с работой программы “Orbitron” и изучить параметры спутниковых орбит.
Теоретические сведения
Спутниковые линии связи работают в 9 - 11 диапазонах частот и, в перспективе, в оптических диапазонах. В этих системах сигнал с земной станции посылается на спутник, содержащий приемопередающую аппаратуру, там усиливается, обрабатывается и посылается обратно на Землю, обеспечивая связь на большие расстояния и перекрывая большие площади. Существует множество разнообразных спутниковых систем, как коммерческого, так и специального назначения. Спутники движутся по эллиптическим или круговым орбитам, согласно законам Кеплера, которые сформулированы еще в начале 17 века.
Особый интерес представляет круговая орбита, расположенная в плоскости экватора Земли. При расстоянии до орбиты порядка 36000 километров и движении спутника в сторону вращения Земли, спутник будет неподвижным относительно земного наблюдателя. Такая орбита называется геостационарной (рис. 1) и позволяет осуществлять связь при помощи неподвижных антенн. Недостатками геостационарной орбиты является ее уникальность и невозможность обеспечения связи для высокоширотных областей Земли. Геостационарная орбита является основной для спутникового телевизионного вещания, том числе, и для приема сигналов на индивидуальные устройства.
Ввиду уникальности орбиты она распределена между государствами.
Рисунок 1 – Геостационарная орбита
При движении спутника по другим орбитам он будет перемещаться относительно земного наблюдателя. Следовательно, для связи нужно иметь следящие антенны и группировки спутников, следующих друг за другом для непрерывной связи. По такому принципу работают несколько глобальных систем для передачи телефонных сообщений.
Орбиты, на которых размещаются спутниковые ретрансляторы, подразделяют на три класса (рисунок 2).
экваториальные,
наклонные,
полярные.
Рисунок 2 - Орбиты: 1 — экваториальная, 2 — наклонная, 3 — полярная
Однако геостационарная орбита одна, и все спутники вывести на неё невозможно. Другим её недостатком является больша́я высота, а значит, и бо́льшая цена вывода спутника на орбиту. Кроме того, спутник на геостационарной орбите неспособен обслуживать земные станции в приполярной области.
Наклонная орбита позволяет решить эти проблемы, однако, из-за перемещения спутника относительно наземного наблюдателя необходимо запускать не меньше трех спутников на одну орбиту, чтобы обеспечить круглосуточный доступ к связи.
Наиболее известные из них - международные проекты Iridium и Global Star, в которых Россия принимает участие.
При движении спутника по другим орбитам он будет перемещаться относительно земного наблюдателя. Следовательно, для связи нужно иметь следящие антенны и группировки спутников, следующих друг за другом для непрерывной связи. По такому принципу работают несколько глобальных систем для передачи телефонных сообщений. Наиболее известные из них - международные проекты Iridium и Global Star.
На рис 3 показана группировка системы Global Star, состоящая из 48 спутников, расположенных на 6 орбитах и общий вид пользовательского терминала.. Такая система обеспечивает абонентов телефонной связью почти на всей территории Земли.
Рисунок 3 - Система Global Star, состоящая из 48 спутников
Порядок выполнения работы:
Orbitron - система слежения за спутниками
Основные возможности:
-одновременно может быть загружено и рассчитано 2000 спутников -полноэкранный режим, разные режимы представления -мощная система поиска прохождений спутников и вспышек Иридиумов. -синхронизация часов компьютера через NTP -обновление данных TLE (поддерживается архивация ZIP) через HTTP -управление ротор/радио (использует встроенные или пользовательские драйверы). -есть модуль работы в качестве экранной заставки для Windows
При запуске программы 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.
Содержит карту мира (рисунок 4).
Рисунок 4 – Расположение спутников на карте 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, 9 - координаты
Выбрать спутники по варианту.
Зафиксировать их место расположения.
Определить их орбиты по карте.
Определить какие спутники имеют геостационарную орбиту.
Результаты записать в отчет.
Контрольные вопросы:
Что называется геостационарной орбитой?
Назовите типы орбит.
Назовите преимущества и недостатки геостационарной орбиты.
Назовите спутники, имеющие геостационарные орбиты.
Что называется активным и пассивным ретранслятором?
Поясните упрощенную структурную схему беспроводного интервала
Лабораторная работа №2 Тема: Расчет по карте координат заданной точки
Цель работы: изучить карту Земли и определить расчетным путем координаты заданной точки
Теоретические сведения
Важной разновидностью экваториальной орбиты является геостационарная орбита, на которой спутник вращается с угловой скоростью, равной угловой скорости Земли, в направлении, совпадающем с направлением вращения Земли. Очевидным преимуществом геостационарной орбиты является то, что приемник в зоне обслуживания «видит» спутник постоянно.
При использовании наклонных орбит земные станции оборудуются системами слежения, осуществляющими наведение антенны на спутник. Станции, работающие со спутниками, находящимися на геостационарной орбите, как правило, также оборудуются такими системами, чтобы компенсировать отклонение от идеальной геостационарной орбиты. Исключение составляют небольшие антенны, используемые для приема спутникового телевидения: их диаграмма направленности достаточно широкая, поэтому они не чувствуют колебаний спутника возле идеальной точки.
Геостациона́рная орби́та (ГСО) — круговая орбита, расположенная над экватором Земли (0° широты), находясь на которой искусственный спутник обращается вокруг планеты с угловой скоростью, равной угловой скорости вращения Земли вокруг оси. В горизонтальной системе координат направление на спутник не изменяется ни по азимуту ни по высоте над горизонтом, спутник «висит» в небе неподвижно. Геостационарная орбита является разновидностью геосинхронной орбиты и используется для размещения искусственных спутников (коммуникационных, телетрансляционных и т.п.).
Синхро́нная орби́та — орбита спутника, которую он проходит за период, равный периоду вращения планеты, вокруг которой он вращается.
Если синхронная орбита круговая и ее плоскость совпадает с плоскостью экватора центрального тела, то такую орбиту называют стационарной. Спутник на стационарной орбите кажется неподвижным с точки зрения наблюдателей, находящихся на центральном теле. Соответствующие орбиты Земли называют геоссинхронной и геостационарной.
Каждая точка на земной поверхности характеризуется широтой и долготой. Координата обычно задается в градусах формата градусы, минуты, секунды.
Широта - это угол между нормалью точки и экватором, на экваторе она равна 0, на северном полюсе +90, на южном -90.
Долгота - это угол между начальным меридианам и меридианам точки. Начальный меридиан 0, проходит через Гринвич. В восточном направлении до +180, в западном направлении до -180.
Траектория движения ИСЗ называется орбитой.
Линия пересечения плоскости орбиты с плоскостью экватора называется линией узлов, угол между плоскостью орбиты и плоскостью экватора — наклонением орбиты. По наклонению различают экваториальные (i = 0°), полярные (i = 90°) и наклонные орбиты,(0°<i<90° 90°<i<180°).
Орбита спутника характеризуется также долготой апогея д — долгота подспутниковой точки (точка пересечения радиуса-вектора с поверхностью Земли) в момент прохождения спутником апогея и периодом обращения Т (время между двумя последовательными прохождениями одной и той же точки орбиты).
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, без переходов (заходящего ИСЗ на другой); 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.
Существенное влияние на свойства каналов связи оказывает и запаздывание радиосигнала при его распространении по линии Земля — ИСЗ — Земля.
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.
Порядок выполнения работы:
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.
Выбрать спутники по варианту
Рассмотреть позиции спутников в дневное время
Определить данные спутников.
Зафиксировать.
Рассмотреть те же спутники в ночное время.
Определить их данные.
Зафиксировать.
Сделать сравнительный анализ и внести результаты в отчет.
Контрольные вопросы:
Как рассчитать мощность сигнала на входе приемника?
Что называется экваториальной, полярной, наклонной орбитой?