9

Основы построения телекоммуникационных систем и систем

И.М. Орощук

4 часа

Лекция 10: ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМ СВЯЗИ И ВЕЩАНИЯ ИСПОЛЬЗУЮЩИХ ИСКУССТВЕННЫЕ СПУТНИКИ ЗЕМЛИ

План занятия:

Время	№п/п	Содержание раскрываемого вопроса:
25 мин.	1	Особенности построения спутниковых систем связи и вещания
30 мин.	2	Основные характеристики траектории движения ИСЗ
35 мин.	3	Классификация ССС
45 мин.	4	Основные эксплутационные параметры ССС

10.1 Особенности построения спутниковых систем связи и вещания

Спутниковые системы связи и вещания отличаются от аналогичных наземных РРЛ систем тем, что в качестве ретранслятора используется ИСЗ. Искусственный спутник Земли выполняет роль промежуточной станции ретрансляции. Естественно, в силу специфических требований к управлению ИСЗ техническое оборудование такой станции намного сложнее и дороже, но благодаря возможностям обслуживания одним спутником глобальных территориальных масштабов (до одной трети земной поверхности) их применение намного эффективнее.

Спутниковая система связи имеет некоторое отличие от системы вещания. Оно состоит в том, что первая система строится на принципах двухсторонней дуплексной связи, т.е. в этой системе используются приемопередающие земные станции и активный ретранслятор на ИСЗ (рис. 10.1). Системы спутниковой связи применяются для междугородней и международной телефонной связи (в последние годы внедряются новые виды связи). Наземные станции подключаются к местным телефонным станциям, которые располагаются, как правило, в крупных городах. С целью обеспечения максимальной помехоустойчивости наземные станции космической связи располагают в загородной зоне, откуда соединяются к телефонным станциям по РРЛ или кабельным линиям.

Рис. 10.1. Система спутниковой связи

Система вещания строится на принципах односторонней циркулярной связи (рис. 10.2). В данной системе используется одна земная станция, формирующая и передающая программы телевидения и радиовещания. Искусственный спутник Земли выполняет здесь роль активного ретранслятора, циркулярно передающего для большого числа приемных земных станций. После приема информации на наземных станциях сигнал в последующем, как и в первом случае, соединяется к местным вещательным станциям. Другим вариантом может быть непосредственное подключение к одному либо группе телевизионных приемников. Во втором случае приемные станции располагаются непосредственно возле телевизионных приемников (на крышах или балконах зданий).

Рис. 10.2. Система спутникового вещания

Следует заметить, что чаще всего используются многофункциональные системы с многоствольным спутниковым ретранслятором (рис. 10.3).

Рис. 10.3. Многофункциональная спутниковая система связи

и вещания

Часть стволов такой системы используется для телевизионного вещания, а другие для телефонной дуплексной связи и иных целей (факсимильной связи, компьютерных сетей и др.). Система может состоять из стволов с одинаковыми и различными параметрами, оптимальными для заданного круга задач.

10.2 Основные характеристики траектории

движения ИСЗ

Системы связи и вещания с использованием ИСЗ могут функционировать, если ИСЗ находятся в зоне видимости станций, поэтому возможное время связи или вещания зависит существенным образом зависит от вида орбиты ИСЗ и ее параметров.

При определении орбит ИСЗ считается в первом приближении, что поле тяготения Земли центрально - симметрично, а влияние побочных факторов (поля тяготения Солнца, Луны, других планет, сопротивления воздуха и др.) можно не учитывать.

При этом движение ИСЗ в центрально-симметричном поле тяготения Земли происходит в общем случае по эллиптическим орбитам, плоскость которых проходит через центр Земли, который является одним из фокусов эллипса.

На рис. 10.2.1 показана эллиптическая орбита ИСЗ в геоцентрической системе координат. Ось z совпадает с осью вращения Земли, ее положительное направление ориентировано на северный полюс. Экваториальная плоскость совпадает с плоскостьюx0y, причем положительному направлению осиx соответствует направление из центра Земли на точку пересечение гринвичского меридиана с экваториальной плоскостью, а положительное направление осиyсовпадает с линией проведенной из центра Земли на точку с координатоми 0^ос.ш. и 90^ов.д.

Пространственная ориентация орбиты ИСЗ характеризуетсяследующими четырьмя элементами:

1. Наклонением орбиты i,т.е. углом между положительным направлением осиzи положительным направлением нормали к плоскости орбиты, соответствующим такому направлению, с которого движение ИСЗ по орбите наблюдается против часовой стрелки (см. рис. 10.4).

Значение угла iможет меняться в пределах от 0^одо 180^о. Приi=0 орбита является экваториальной, приi=90^о – полярной. Наклонные орбиты с0<i<90^о называют прямыми, в этом случае

движение ИСЗ совпадает с направлением движения Земли. При 90^о<i<180^одвижение ИСЗ противоположно движению Земли, такиеорбиты носят названия обратных.

Рис. 10.4. Элементы орбиты ИСЗ

2. Долготой восходящего узла .Орбита ИСЗ пересекает экваториальную плоскость в двух точках, называемых узлами. Там, где ИСЗ переходит из южного полушария в северное будет восходящий узел, а из северного в южное – нисходящий узел. Прямая соеденяющая эти узлы называется линией узлов. Уголотсчитывается в экваториальной плоскости от положительного направления осиxдо линии, соединяющей начало координат с восходящим узлом.

3. Временем t₀, которое характеризует положение ИСЗ в какой-либо точке орбиты, обычно в точке перигея. Так как плоскость орбиты ИСЗ сохраняет свое положение неизменным относительно звезд, а Земля совершает вращательное движение, то долгота восходящего узла равномерно меняется в течение суток на 360^о. Поэтому начальная величинадолжна быть привязана к величинеt_o.

4. Аргументом перигея ,т.е. углом, отсчитываемым в плоскости орбиты от линии, соединяющей начало координат и восходящий узел, до линии, проведенной из начала координат в точку перигея (см. рис. 10.4). Угол может принимать значения от 0 до 360^о, а направление его отсчета может быть по часовой стрелке, или обратным.

Уравнение движение ИСЗ в полярных координатах, совмещенных с плоскостью орбиты и с началом в центре Земли (рис. 10.5), имеет вид

, (10.3.1)

где - высота ИСЗ над поверхностью Земли;а=6370 км – радиус Земли;v– так называемая истинная аномалия, т.е. угол между направлением из начала координат на точку перигея и направлением на ИСЗ;е<1 – эксцентриситет орбиты, т. е. отношение расстояния между фокусами ОО^/к большой оси эллипса 2а_с; р –фокальный параметр орбиты:

(10.3.2)

Период обращение ИСЗ по орбите определяется выражением

, (10.3.3)

г

де h_aиh_п– соответствующие высоты апогея и перигея; ;k²=6,6710^-11м³/кгс² – гравитационная постоянная;m_З =5,97610²⁴кг – масса Земли. ОткудаК= 3,98610¹⁴м³/с².

Апогей

О^,/

a_c

b_c

b_c

a_c

О

h_c

a

ИСЗ

v

Перигей

Рис. 10.5. К определению уравнения движение ИСЗ

Для обеспечения связи с использованием наклонных орбит наиболее целесообразно применение прямых орбит с наклонением 0<i<90^о, так как для обратных орбит значительно сокращается время сеанса связи.