Содержание к диссертации
Введение
Раздел 1. Анализ состояния телекоммуникаций в р. Гана 10
1.1. Анализ состояния рынка систем связи 10
1.1.1. Международная связь 13
1.1.2. Междугородная связь 13
1.1.3. Сотовая связь 15
1.2. Экономическая целесообразность использования низкоорбитальных систем спутниковой связи в республике Гана 15
1.3. Физико-географические свойства республики Гана 18
1.3.1. Явление "Хамматан" 18
Раздел 2. Сравнительные характеристики спутниковых систем радиотелефонной связи 18
2.1. Типы орбит и их показатели 20
2.1.1. Геостационарные орбиты 20
2.1.2. Средневысотные орбиты 22
2.1.3. Низкие круговые орбиты 23
2.1.4. Эллиптические орбиты 26
2.2. Критерии оптимизации и сравнение орбитальных структур 29
2.3. Основные характеристики системы низкоорбитальной спутниковой радиосвязи Иридиум 33
2.3.1. Виды связи и услуги, предоставляемые системой 33
2.3.1.1. Виды связи 33
2.3.1.2. Виды услуг 33
2.3.2. Орбитальная группировка 33
2.3.2.1. Критерии выбора орбиты 33
2.3.2.2. Параметры ОГ 34
2.3.3. Диапазоны и полосы частот 34
2.3.4. Радиолиния "КА - абонент" 35
2.3.4.1. Зоны обслуживания 35
2.3.4.2. Использование спектра частот 36
2.3.4.3. Методы доступа 36
2.3.4.4. Надёжность связи и пропускная способность 37
2.3.5. Радиолиния "КА - шлюзовая станция" 38
2.3.5.1. Зоны обслуживания 38
2.3.5.2. Использование спектра частот, метод доступа, сжатие речевой информации, модуляция и кодирование 38
2.3.5.3. Надёжность связи и пропускная способность 38
2.3.6. Радиолинии межспутниковой связи 39
2.3.6.1. Зоны обслуживания 39
2.3.6.2. Использование спектра частот и метод доступа 39
2.3.6.3. Сжатие речевой информации, модуляция, кодирование 39
2.3.6.4. Надёжность связи и пропускная способность 39
2.3.7. Командная и телеметрическая радиолинии 40
2.3.8. Структурная схема 40
2.3.8.1. Состав системы 40
2.3.9. Космический аппарат 44
2.3.9.1. Состав КА 44
2.3.9.2. Радиоэлектронное оборудование 44
2.3.9.3. Система ориентации, стабилизации и управления манёвром КА 46
2.3.9.4. Силовая установка 48
2.3.9.5. Энергопитание 50
2.3.10. Наземный сегмент 52
2.3.10.1 Состав наземного сегмента 52
2.3.10.2 Основные характеристики персонального терминала 54
Раздел 3. Разработка методики расчёта геометрических параметров низкоорбитальных систем связи 55
3.1. Постановка задачи 55
3.2. Выбор модели Земли 55
3.3. Расчёт орбитальной зоны покрытия 59
3.4. Определение наклонной дальности 64
3.4.1. Общий случай 64
3.4.2. Определение угла места КА 67
3.4.3. Определение максимальной наклонной дальности КА 68
3.4.3.1. Земная станция расположена на границе ОЗП 68
3.4.3.2. Земная станция расположена в произвольной точке 74
3.5. Расчёт локальной зоны покрытия 80
3.5.1. Азимутальный линейный размер ЛЗП 80
3.5.2. Угломестный линейный размер ЛЗП 87
3.5.3. Определение площади локальной зоны покрытия 91
3.5.3.1. Площадь области криволинейной поверхности 91
3.5.3.2. Определение пределов интегрирования 94
3.5.3.3. Алгоритм расчёта площади ЛЗП 95
3.6. Выводы 98
Раздел 4. Разработка алгоритма расчёта устойчивости связи из-за ослабления в гидрометеорах . 99
4.1. Постановка задачи 99
4.2. Аппроксимация статистического распределения интенсивности дождя для первой дождевой зоны МККР 99
4.3. Аппроксимация километрического затухания в дожде 102
4.4. Расчёт наклонной протяжённости дождя 108
4.5. Разработка алгоритма расчёта множителя ослабления в дожде 111
4.6. Разработка программы расчёта множителя ослабления и анализ результатов счёта 116
4.7. Определение местоположения шлюзовых станций 116
4.8. Выводы 142
Раздел 5. Особенности распространения радиоволн в системах связи в условиях Р. Гана 143
5.1. Постановка задачи 143
5.2. Физико-географические особенности Р. Гана 143
5.2.1. Рельеф поверхности 143
5.2.2. Климатические условия 146
5.2.3. Диэлектрическая проницаемость тропосферы 146
5.3. Влияние рефракции в спутниковых СРС 147
5.3.1. Построение траектории радиолуча "вниз" 152
5.3.2. Пример построения траектории 158
5.3.3. Зоны распространения радиоволн 166
5.4. Выводы 172
Заключение 173
Список литературы 174
- Экономическая целесообразность использования низкоорбитальных систем спутниковой связи в республике Гана
- Критерии оптимизации и сравнение орбитальных структур
- Определение максимальной наклонной дальности КА
- Аппроксимация статистического распределения интенсивности дождя для первой дождевой зоны МККР
Введение к работе
Запуском 4-го октября 1957 года первого искусственного спутника земли Советский Союз положил начало освоению околоземного, космического пространства.
Одним из важнейших практических применений искусственных спутников Земли является организация и обеспечение связи с земными станциями, удаленными на очень большие расстояния друг от друга, посредством ретрансляции сигналов через один или несколько космических аппаратов (КА). Эффективность такого размещения ретрансляторов была уже со времени первого запуска КА очевидна, по сравнению с размещением их на высоких башнях радиорелейных линиях прямой видимости, на самолетах и других низколетящих аппаратов.
В качестве космической ретрансляционной станции КА оказался более удобным чем другие средства подъема активного ретранслятора, из-за большой высоты, длительного срока существования без заметных затрат энергии, так как спутник движется по орбите как небесное тело, эффективной работы солнечных батарей и т.д.
Большая высота космического ретранслятора позволяет не только создавать широкополосные линии связи прямой видимости большой длины и большой емкости, но и осуществлять непосредственную связь через КА большого числа земных станции (ЗС), расположенных в зоне обслуживания КА [1].
Космические ретрансляторы выводят на околоземную орбиту с помощью мощных ракетоносителей. Они могут быть классифицированы по их техническим характеристикам или по назначению. По техническим характеристикам они могут быть малой, средней, большой и сверхбольшой пропускной способности. По назначению КА могут быть использованы для радиотелефонной связи, радиовещания, ретрансляции, передачи телевизионного изображения, передачи данных, метеорологических сводок и т.д.
Для осуществления радиосвязи, широко используют КА выводимые на геостационарные, высокоэллиптические и круговые орбиты.
Уже в начале шестидесятых годов были запущены первые спутники связи с активной ретрансляцией - "Телестар" (США 1962г.) и "Молния Г(СССР 1965г.).
В последние годы во многих странах с развитыми космическими технологиями ведутся интенсивные работы по созданию системы спутниковой связи с помощью искусственных спутников земли, выводимых на низкие круговые орбиты. Мысль об использовании нгокоорбитальных спутников для определения местоположения передатчика, терпящего бедствие, возникла независимо от разработчиков космических систем СССР, КАНАДЫ, США и Франции в начале 70гг. В 1977г. была достигнута договоренность о создания самостоятельных, но взаимодополняющих и технически совместимых проектов: КОСПАСС - САРСАТ образующих единую космическую систему поиска и спасения [2,3].
Низкоорбитальные спутниковые системы радио связи (СРС) с полярными орбитами (ПО) дают возможность обеспечить связь с подвижными и удаленными от экватора объектами, а также обеспечить связь в регионах, имеющих достаточно развитую инфраструктуру в горных и труднодоступных районах, особенно в местах с малой плотностью населения (в том числе, где создание земных сетей нерентабельно).
Особенностью построения функционирования низкоорбитальных систем спутниковой СРС с ПО является относительная простота подключения новых абонентов, оперативность организации связи, а также возможность ее обеспечения в глобальном масштабе, что свидетельствуют о перспективности развития инфраструктуры этой отрасли связи.
При этом стоимость услуг оказывается несколько дешевле услуг аналогичных геостационарных системам, за счет использования недорогих радиотелефонов. Необходимо также отметить, что применение многостанционного доступа на основе кодового разделения сигналов позволяет эффективна использовать спектра за счет повторного использования выделенных полос частот (150 - 200 тыс. абонента на 1 МГц полосы).
Низкоорбитальные спутниковые СРС с ПО могут быть использованы для осуществления связи с помощью персональных радиотелефонов в реальном масштабе времени, в том числе с выходом на сети общего пользования. Более того, они могут составить определенную конкуренцию наземным сотовым системам связи и, в тоже время, хорошо дополнять их, особенно в удаленных и труднодоступных районах с малой плотностью населения. Они могут быть использованы для предоставления следующих видов связи:
- передача данных по типу "Интернет" и Электронной почты,
- обмен деловой (банковской и биржевой) информацией,
- создание компьютерных сетей,
- определение местоположения и передача информации о местоположении подвижных объектов, - Системы аварийно-спасательной службы,
- Экологических, промышленных, и научных наблюдений.
Общеизвестно, что стоимость создания системы спутниковой связи очень велика. Так, по оценкам международного консультативного комитета по радио, средняя стоимость изготовления и вывода на геостационарную орбиту одного КА составляет около 80-100 миллионов долларов США. А для создания ЗС и их сооружений, в зависимости от размера зеркала антенны, стоимость составляет около 25 миллионов долларов США. Разумеется, такая высокая стоимость не позволяет создать такие системы в широком масштабе, особенно в развивающихся странах со слабо развитыми инфраструктурой и экономикой. Такие страны обладают огромными природными ресурсами, но их освоение затрудняется из-за отсутствия инфраструктуры и системы связи, так как большинство регионов являются труднодоступными.
Для развития этих регионов необходимо создать такие системы связи, которые могли бы обеспечить связь в этих труднодоступных районах. Такая система должна быть гибкой и очень простой в эксплуатации.
Определяющей тенденцией развития техники связи на рубеже XXI века стало создание систем подвижной и персональной связи, интегрированной с неземными сетями связи. Это означает, что абонент может получить доступ телекоммуникационных услуг в любой точке Земли, в независимости от своего местоположения и времени суток. При этом речь идет не только об обеспечении радиотелефонной связью и обмена данных, но и о предоставлении услуг сети «Интернет» и «Мультимедиа». Пользователь может установить связь с любым абонентом в глобальном масштабе, который может быть как физическим лицом, так и необслуживаемым датчиком или персональным компьютером. Такая система связи дает возможность доступа не только к базам данных, но и к теле- или радиовещательным программам - это позволяет охватить труднодоступные, удаленные и малонаселенные регионы Земли.
Персонализация телекоммуникаций означает их максимальное приближение к пользователю. Это значит, что абонентская аппаратура может находиться в помещении пользователя, а услуги предоставлены независимо от местонахождения пользователя.
Помимо традиционных, узкополосных видов телекоммуникационных услуг (радиотелефон, телекс, передача данных и т.д.), в перспективных системах персональной спутниковой связи предполагается реализовать передачу видеоданных, мультимедийной информации и интерактивных телевизионных программ.
В начале 90-х годов произошли коренные преобразования в области спутниковой связи. Они обусловлены, главным образом, тремя факторами:
• коммерциализацией космических программ,
• использование низкоорбитальных и средне орбитальных спутниковых СРС,
• переход на цифровую связь.
Новый качественный скачок в развитии персональной спутниковой связи произошел после появления первых проектов спутниковых систем, основанных на использовании КА на низких круговых и средних орбитах. Переход на низкие и средние орбиты позволяет не только решить проблему перегруженности геостационарных орбит, но и существенно расширить сферу телекоммуникационных услуг, обеспечив пользователей глобальной персональной связью с помощью ручного терминала типа сотовой телефонной трубки.
Основные особенности структуры и принципов функционирования низкоорбитальных систем связи следующее:
• возможность регионального или глобального покрытия обслуживаемой территории своими зонами радио видимости за счет создания много спутниковых орбитальных группировок,
• поддержание на обслуживаемой территории непрерывности связи,
• обеспечение ретрансляции сообщений между удаленными пользователями с помощью между спутниковой связи наземных станций сопряжения.
Начавшийся процесс повсеместного внедрения персональной компьютерной техники, а также необычайно быстрый рост услуг сети «Интернет», повлиял на тенденции развития спутниковой связи. Все системы персональной спутниковой связи построены на цифровых принципах, что позволяет передавать по их каналам различные виды информации. С появлением персонального компьютера возникла острая необходимость в обмене низкоскоростными потоками информации и мультимедиа.
Технология мультимедиа включает в себя компьютерную видеографику, видео, текстовую и географическую информацию, а также звуковые эффекты. Щтем синтеза всей этой аудиовизуальной информации пользователь может быть обеспечен практически всеми видами современных услуг. Ожидается, что в ближайшее будущее наибольшее распространение получат технологии мультимедиа в области образования и обучения, развлечения и досуга, связи и средств коммуникации.
Данная диссертационная работа исследует эффективность использования низкоорбитальных спутниковых систем связи на основе «Иридиум» в условиях республики Гана. Работа содержит пять глав и выполнена в следующем порядке:
• первый раздел посвящен анализу современного состояния средств связи и состояние рынка телекоммуникации в р. Гана Анализируются экономическая целесообразность использования низкоорбитальных спутниковых систем связи в условиях Ганы.
• второй раздел посвящен анализу современных систем спутниковой связи, и обзор выбору различных орбит для космического аппарата,
• дается анализ низкоорбитальных систем и сравнительный анализ геостационарных и низкоорбитальных систем спутниковой связи,
• третий раздел посвящен методике расчета основных геометрических показателей низкоорбитальных спутниковой системы связи, таких как максимальная наклонная дальность, локальные зоны покрытия и разработке программного обеспечения расчета геометрических показателей.
• четвертый раздел посвящен анализу затухания электромагнитного поля с учетом физико-географическим условий территории в республике Гана, и предлагается метод аппроксимации кило метрического затухания в дожде.
• пятый раздел посвящен вопросам распространения электромагнитных волн с учетом рельефа территории р. Ганы и разработке построения траектории радиолуча, изложению методики построения территориальных зон распространения радиоволн.
• В заключении формулируются достигнутые результаты научно -исследовательской работы.
Экономическая целесообразность использования низкоорбитальных систем спутниковой связи в республике Гана
Инфраструктура систем телекоммуникаций играет очень важную роль в развития любой страны мира. Общеизвестно, что для создания современной инфраструктуры связи требуется большие капиталовложения, которые для стран со слабой экономикой практически невозможны. Как правило, большинство развивающихся стран мира, обладают огромными природными ресурсами, но их освоение затрудняется из-за отсутствия мощной экономической и промышленной инфраструктуры, в том числе системы телекоммуникаций.
В большинстве случаев эти огромные запасы природных ресурсов находятся в удаленных и труднодоступных местах, в разброшенных малонаселенных пунктах с низким уровнем дохода местного населения.
Хотя нет существенной разницы в архитектуре сети связи для региональной и сельской связи, в большинстве случаев инфраструктура телекоммуникаций находится вдали от малонаселенных пунктов разброшенных далеко друг от друга. Это требует очень длинных и дорогостоящих линий передачи, что делает такую систему нерентабельной. Иногда проблема усугубляется из-за отсутствия источника энергоснабжения, труднодоступность местности и тяжелые климатические условия. Кроме этого отсутствие квалифицированного персонала для обслуживания системы затрудняет создание системы связи.
Создание инфраструктуры телекоммуникаций в труднодоступных и малонаселенных пунктах способствует росту экономической деятельности, повышение уровня образования, и, наконец, повышения уровня жизни населения, проживающего в этих регионах. Для решения этой проблемы необходимо глобальный подход в разработки и создании системы и инфраструктуры для этих регионах. Такая система должна быть экономичной, не требующей больших финансовых затрат, гибкой в эксплуатации, простой в обслуживании.
При создании спутниковой системы связи для национального обслуживания необходимо учитывать ряд требовании которые почти не зависят от вида обслуживания.
Во-первых, для обеспечения взаимосвязь рабочих ЗС и снижения стоимости оборудования ЗС территория данной страны должна освещаться одним лучом бортовой антенны при использовании только одного типа поляризации.
Во-вторых, для работы небольших ЗС без системы наведения точность удерживания спутника на орбите должно быть не хуже 0,1 .
В-третьих, угол места антенн ЗС должен быть не менее 10. И последнее, чтобы свести к минимуму мощность передатчика на небольших ЗС, необходимо необходима предусмотреть эффективную работу приемника при шгзкой плотности потока мощности на входе бортовой антенны (порядка -80дБвт/м2).
Рекомендуется, чтобы уровень ЭИИМ составляла не менее 32дБвт, хотя следует отметить, что все виды обслуживания, за исключения приема ТВ сигналов на малых ЗС, можно обеспечить при уровне ЭИИМ, равном 23дБвт [1]. Поскольку стоимость КА растет с увеличением ЭИИМ, а стоимость ЗС - увеличением G/T, в заданной сети всегда хможно определить оптимальное соотношение этих параметров при котором суммарная стоимость сводится к минимуму.
Для примера, рассмотрим сеть из пяти ЗС, предназначенную для передачи ТФ сигналов с КА на геостационарной орбите в диапазоне 6/4ГТц. При экономическом анализе работы сети можно определить минимальное расстояние между пунктами коммутации при котором стоимость наземного канала дешевле стоимости спутникового канала.
При увеличении этого расстояния спутниковой канал становится более экономичным по сравнению с наземным. В зависимости от местных условий для линии с высокой пропускной способностью это расстояние составляет 400 - 1500 км, а для линии с нгакой пропускной способностью 200 - 800км. В [1,5,6,7] проанализированы стоимостные показатели гипотетической региональной система спутниковой связи, в которой используется два рабочих КА, а запасной КА хранится на земле.
Ниже указаны основные капиталовложения в космический сектор для данного варианта.
Разработка и не возвращаемые затраты 30 милл. долл. Два КА и возвращаемые затраты 200 милл.долл Запасной КА на земле 100 милл.долл Система слежения, телеуправления 10 милл.долл Два запуска 150 милл.долл Заработная штата 20 милл.долл Страхование 15 милл.долл Итого 625 милл.долл
Как видно из анализа, такая высокая стоимость системы спутниковой связи неприемлема для таких развивающихся стран как Гана. Исходя из этого для предоставления связи в труднодоступных и малонаселенных регионах Ганы, необходимо использовать такую систему, которая потребовала бы минимальных капиталовложений.
Такая система должна отвечать следующее требованиям: Высокая эффективность использования спектра за счет повторного использования выделенных полос частот. Малое усиление антенны абонентского терминала, который по габаритам соизмерим с терминалом наземной сотовой связи. Низкая стоимость абонентского терминала и относительно малый тариф за минуту разговора. Возможность системы таксофонов работать в автономном режиме с питанием от солнечных батарей для обслуживания удаленных, малонаселенных и труднодоступных регионов.
В начале 90гг. появились множество проектов основанных на использования КА на более низких орбитах и отвечающих выше указанным требованиям. В настоящее время наиболее развернутым проектом является спутниковой системы связь «Иридиум». Из анализа альтернативных проектов, можно сделать вывод что в настоящее время экономически целесообразно построит систему связи для малонаселенных и труднодоступных регионах Р. Гана с использованием КА на низких орбитах на основе системы «Иридиум».
Республика Гана - государство, расположенное в западной части Африки между 1 и 11,5 градусов северной долготы и иметь общую площадь 239,460 км. (рис. 1.4). Ландшафты страны разнообразны: север - это савана, средняя часть страны покрыта густыми тропическими лесами, горами и холмами. А южный район расположен у побережья Гвинейского залива Атлантического океана и тоже имеет смешанный ландшафт.
Для данной диссертационной работы особый интерес представляет три региона, а именно: северный, южный и центральный (срединный). По отчетам 563-2 МККР, республика Гана находится в первый дождевой климатической зоне. В республике существует два дождевых сезона -апрель - июнь и сентябрь.
Продолжительность одного ливня от 3 - 5 дней со средним уровнем дождя 1,140-1,270 мм./час.
С середины декабря и до конца февраля во всех странах западной Африки и в частности республика Гана наблюдается сезон, который называется «Хамматан». Это сезон, когда песчаные и пыльные облака и бури охватывают все территории западной части Африки, граничащие с пустыней Сахара. Сильные пыльные ветры, сопровождающиеся интенсивными суховеями, во всех этих странах Африки, захватывают десятки и даже сотни километров и поднимаясь вверх на несколько сотен метров, уменьшая видимость до значения менее 10 метров. По имеющимся данным, средние размеры частиц песка и пыли составляют 0,015 и 0,008 см. соответственно. Это явление и его влияние на распространение радиоволн до сих пор не исследовано до конца и требует более глубокого изучения.
Критерии оптимизации и сравнение орбитальных структур
Как показывает практика, невозможно построить СРС, которая удовлетворяла бы всем требованиям всех критериев одновременно. Для оптимизации используют разные критерии: максимизация времени радиовидимости КА в заданном географическом регионе, обеспечение многократного покрытия в определенных регионах, минимизация времени ожидания одиночного КА и.т.д. Последний параметр особенно важно в системах передачи коротких пакетов. Немаловажную роль играет минимизация затрат на создание орбитальной группировки с учетом веса КА, высоты орбиты и средств вывода КА на орбиту.
Задача сравнения систем является многокритериальной и достаточно сложной. В данной работе воспользуемся упрощенной методикой, изложенной в [8], где приведены кривые зависимости времени радиовидимости от высоты орбиты (рис.2.5 и 2.6). Кривые, приведенные на графиках, получены при нулевых углах работы ЗС путем усреднения по всем виткам за сутки для различных наклонений орбиты от і=0 до i=90 и четырех значений широты: 0, 30, 60, и 90. Вычисления произведены для сферической модели Земли без учета внешних возмущений. На графиках пунктиром показаны параметры орбит сравниваемых систем (высота и наклонение).
Из представленных графиков видно, что на экваториальных широтах в тропических регионах как республика Гана (рис.2.5а) наиболее выгодны орбиты с наклонением 0. Такое наклонение орбит выбрано в системе ЕССО и ELLIPSO (Н= 2000км). Такая же высокая эффективность таких систем сохраняется и на широте 30, как показана на рис.2.56. Что же касается систем на средневысотных орбитах (ТСО и ODYSSEY), то по критерию максимального времени пребывания КА в зоне прямой видимости ЗС, они обеспечивают высокие показатели обслуживания практически на всех широтах.
С увеличением широты местоположения абонента суммарное время пребывания КА в зоне прямой видимости ЗС падает. Например, на широте 60 (рис.2.6а) в зону действия ЗС уже не попадают спутники с наклонением орбиты 0 . Однако, при этом увеличивается эффективность систем ,использующих КА на наклонных полярных орбитах. Так, система GLOBALSTAR (высота орбиты 1400км, наклонение 52. ) рассчитана на обслуживание территорий в средних широтах (в пределах от 72 ю.ш. до 72 с.ш.). В этих областях, включающих территорию США, обеспечивается практически постоянное двукратное покрытие земной поверхности. По этому показателю система GLOBALSTAR существенно отличается от системы IRIDIUM, где структура космического сегмента оптимизирована для однократного покрытия территорий.
Как показана на рис.2.66, система GLOBALSTAR не обслуживает высокоширотные регионы.
В [9] представлены результаты моделирования системы IRIDIUM по определению кратности покрытия земной поверхности в зависимости от местоположения абонента при углах места более 10. В приэкваторнои зоне обслуживания (от 30 с.ш. до 30 ю.ш ) вероятность однократного покрытия при время ожидания Тож. = 0 мин. лежит в пределах Р=0,974, а при Тож.= 2мин. становится равным 1. При рабочих углах места ЗС
Р 20, что ближе к реальным условиям эксплуатации, результаты существенно хуже: в указанной выше приэкваторнои зоне при Тож. = 0 мин. вероятность Р=0,5-0,6, а при Тож. = 2-Змин. Имеем Р = 0,7-0,91.
Из всех рассмотренных спутниковых СРС глобальность связи обеспечивает системы «Иридиум» и «Глобалстар».Учитывая, что в настоящее время технически развитой является системы «Иридиум» в последующих разделов диссертации исследуется особенности использования системы «Иридиум» в условиях Р.Ганы. - дуплексная телефонная связь; - передача данных; - факс. - связь абонентов, оснащенных терминалами между собой; - связь абонентов, оснащенных персональными терминалами с абонентами национальной сети телефонной связи и наоборот; - определение местоположения; - предоставление пользователю различных типов терминалов: носимый, переносной (для офисов), мобильной (для автотранспортных средств), авиа и морской, а также пейджер; - время установления связи, аналогично времени установления связи между абонентами наземной системы сотовой связи и не превышает 2 сек.; - непрерывность связи в течение сеанса связи; - вес носимых терминалов не превышает 700 г., вес и габариты переносных (для офисов), мобильных, авиа и морских терминалов идентичны весу мобильных терминалов наземной системы сотовой связи (2,5 кг),
Основные положения, учитываемые при обостювании ОГ проектировщиками системы: - необходимость глобального охвата, территории земли в любое время суток; - обеспечение идентичности дальности прямой видимости между соседними К А: - минимизация затрат на создание ОГ с учетом веса КА и высоты орбиты; - диапазон высоты орбиты 00-600 морских миль (высоты низке 200 морских миль требуют больший запас топлива для маневра КА, высоты выше 600 морских миль подвержены влиянию радиации, что увеличивает массу КА).
Базовый проект предусматривал орбитальную группировку из 77 спутников, распределенных в семи плоскостях квазиполярной круговой орбиты с 11-ю КА в каждой плоскости. Кроме того, в каждой плоскости предполагалось разместить по одному резервному КА.
Все проекты НКСС, в том числе и представленные в таблице 2.3.1. обладают избыточностью по перекрытию зон смежными КА при удалении траектории полета КА от экватора.
Для предотвращения столкновения между КА на полюсах, между плоскостями ОГ вводится угловой разнос, образующий минимальную дистанцию "промаха". Вид орбиты становится квазиполярной.
В орбитальной группировке для образования минимальной дистанции "промаха" угловой разнос между плоскостями составляет не менее 27 град. Основные параметры орбитальной группировки: - орбита - квазиполярная; - число плоскостей - 6; - число КА в одной плоскости - II; - угловой разнос КА в одной плоскости - 32,7 град; - высота орбиты - 780 км; - период обращения КА вокруг Земли " 100 мин.; - стабилизация КА - 3-х осная, с точностью ±0,5 град по осям и ±20 км по высоте.
Определение максимальной наклонной дальности КА
Ослабление радиосигналов в дожде рассмотрено во многих работах, в частности [16,21-67] в которых приведены методики расчета. Существующие методики расчета наиболее полно приведены в работе [19], где дается сравнение погрешностей методов расчета. Для республики Гана статистика распределения интенсивности дождя недостаточно исследована. В настоящее время известно лишь статистика, рекомендованная МККР[20,16] с ориентировочным делением территории земного шара на пять дождевых зон.
Анализ методов [19] показал, что наиболее подходяще является метод, изложенной в [16,21], дающее завышенные значения ослабления. Это позволяет в некоторым мере скомпенсировать неопределенность существующих статистических данных для Ганы. В работах [16,21] аппроксимащія экспериментальных зависимостей километрического затухания в дожде сделан для диапазона частот 9-ЗОГГц. Этой аппроксимацией нельзя пользоваться для низких частот , в частности, для диапазона 1,6 ГГц , в котором работает система «Иридиум», из-за смены знака километрического затухания.
Ниже приводится аппроксимация указанных зависимостей с расширением в области низких частот.
Согласно МККР республика Гана располагается в первой дождевой зоне [16,21] (рис.4.1). Для этой зоны на рис.4.2 приведено статистическое распределение интенсивности дождя. Это распределение с погрешностью не более 6% аппроксимируется выражением:
Для определения аналитической зависимости погонного ослабления в дожде уд от интенсивности дождя I и частоты / воспользуемся графическими зависимостями, предложенными МККР [16,20] и показанными на рис.4.4. Как показано в [16] зависимость уд (рис.4.5) удовлетворительно аппроксимируется выражением : Уд = - РдҐ , (4.2) где коэффициенты ад и (Зд являются функциями частоты (рис.4.5): ад= 1,4-0,09 V/ ; (4.3) Рд=-ю-3 + 5,1.ю-5/245; (4.4) a / - рабочая частота , ГГц..
Формулы (4.3) и (4.4) хорошо аппроксимируют зависимость уд, начиная с частот / 10 ГГц. На частотах / 9 ГГц коэффициент рд становится отрицательным, а уд положительным, что искажает физический смысл затухания. Для расширения частотного диапазона использования зависимости (4.2 ) предлагается следующая аппроксимация коэффициентов ад и рд: ад=1,37ехр(-0,01313/), (4.5) Рд =4. Ю-3 /2,47- (4-6)
Степень точности аппроксимации показана на рис.4.6, где крестиками отмечены точные значения. Точность аппроксимации, вычисленная по формуле (4.2), представлена в табл. 4:1 и 4:2. Из таблиц видно, что приведенная аппроксимация дает вполне удовлетворительные результаты без отрицательных значении уд с погрешностью не более 7 % для ади для рд-14 % .
Расчет наклонной протяженности дождя будем производить в соответствии с рис.4.7 . На этом рисунке обозначено: О - центр Земли, R3- радиус Земли, 11,4=3км - вертикальная протяженность дождя, b=R3+hA Яд- наклонная дальность дождя, (3- угол места.
При расчете будем исходить из того, что известны радиус орбиты спутника Re а так же географические координаты земной станции Шз, D3 и спутника UIc,Dc.Здесь Ш- широта, D- долгота. Как показан в третьем разделе, угол места определятся выражением (3.11):
В низкоорбитальных системах спутниковой радиосвязи угол места меняется от 0 до 90. Из -за заметного рефракционного влияния атмосферы и поверхности Земли зону уверенного приема ограничивают углами места в пределах 5} р 90 . Так как наклонная протяженность дождя будет наибольшей при Р = 5, то дальнейший анализ будем производить при этом угле места. В этих формулах вмАлгоритм расчета множителя ослабления Ул будем составлять с учетом следующих допущений [16]: Вертикальная структура дождя однородная ; Вероятность расположения центра дождя в любой точке вдоль трассы одинакова; Вертикальная протяженность дождя составляет пд = 3 км. При этом множитель ослабления может быть вычислен по формуле Уд = уд (1).R3, дБ, (4.12) где уд - километрическое затухание в дожде, дБ./км, 1 - интенсивность дождя в мм/ч. R3 - эквивалентная протяженность « равномерного» дождя, км.
Порядок расчета Уд может быть представлен следующем образом : 1. По (4.10 ) находим наклонную протяженность дождя Яд для известного угла места (Р = 5). 2. Для заданной рабочей частоты / по (4.5 )и (4.6 ) вычисляем Коэффициенты ССд и Рл. есто истинного радиуса Земли следует подставлять эквивалентное, учитывающее действия рефракции, т.е.
Аппроксимация статистического распределения интенсивности дождя для первой дождевой зоны МККР
Как известно[70], верхняя граница тропосферы лежит над экватором на высоте 16 - 18 км. Поэтому для р. Ганы, расположенной вблизи экватора, при дальнейших исследованиях будем считать ее высоту равной hT = 18 км. При учете влияния тропосферы на работу СРС используется, согласно рекомендации МККР[69], стандартная тропосфера, для которой ее дизлектрігческая проницаемость є представляется экспоненциальной зависимостью є=1+ Ac0 exp(gh / Aso), (5.1) где h - высота, Або - отклонение є от единицы у поверхности Земли, g 0 - среднее значение вертикального градиента диэлектрической проницаемости воздуха у земной поверхности. Из (5.1) получаем градиент диэлектрической проницаемости на любой высоте: g(h) = de I dh = g exp(gh І Аєо). (5.2) Стандартными значениями MKKP величин As0 и g считаются : Ає0 = 5,78 10"4,І = -7,85 10"81/м.
Для учета специфики Ганы воспользуемся картами [3] с изолиниями среднемесячных значений индекса преломления на уровнем моря N0 = 0,5 (є- 1) 10r, = 0,5 106 As0 (5.3) и разности между среднемесячными значениями индекса преломления на высоте h = 1 км и у земной поверхности AN0 »0,5 109 g. (5.4)
Эти карты представлены соответственно на рис.5.3-5.5, данные с которых перенесены в табл.5.1. В этой же таблице приведены рассчитанные значения параметровДє0 и Ц в соответствии с формулами (5.3) и (5.4). Из анализа табл. 5.1 следует, что наиболее заметное изменение состояния тропосферы происходит на юге страны в июле. Исходя из этого, в качестве стандартной модели тропосферы выбираем Лє0 и g их июльские значения для южной Ганы, т.е. є = 1 + 760 10 6 ехр(- 0,21h), (5.5) g(h) = 16 10-8 exp(-0,21h), (5.6) где h следует подставлять в км.
При распространении радиоволн в тропосфере с плавным изменением диэлектрической проницаемости s имеет место рефракция (искривление траектории) радиоволн. Хотя изменения є невелики, но они приводят к значительному увеличению дальности радиосвязи, к появлению интерференционных и дифракционных замираний и т.д. Строгие методы исследования распространения радиоволн в слоистых неоднородных средах, к которым относится тропосфера, являются довольно сложными. Этим объясняется то, что в наземных СРС экспоненциальная зависимость є аппроксимируется линейной: є «1+ Ає + gh .
Такая аппроксимация допустима для приземного слоя тропосферы при относительно небольших высотах антенн. В табл.5.2 приведена погрешность линейной аппроксимации g(h) для территории Ганы. Из таблицы видно, что погрешность незначительна для высот порядка 500м. Такие высоты характерны для антенн передающих телевизионных центров, а для РРЛПВ высоты подъема антенн не превышают 200м.
В отличие от этого в спутниковых СРС, когда радиолуч пронизывает всю толщу тропосферы, линейная апроксимация приводит к грубым численным погрешностям.
Для спутниковых СРС представим тропосферу, как это принято [70], слоисто неоднородной (рис.5.6). Всю толщу hT тропосферы разобьем на тонкие слои Ahc, концентричные земной поверхности, в пределах которых градиент g(h) мог считаться постоянным и равным gj = g exp[-0,21 (j-l) Ahc], (5.7) где 1 j і, j - порядковый номер слоя, і - число слоев.
При таком строении тропосферы каждый слой можно рассматривать как элементарную тропосферу с радиусом основания слоя
В спутниковых СРС из-за наличия двух типов радиолучей, «вверх» и «вниз», их траектории будут различаться при одинаковом строении тропосферы. При этом вид траектории существенно, зависит от угла места. аппроксимация, истинный ход луча заменяется прямолинейным (g=0) путём введения эквивалентного радиуса Земли, что позволяет значительно упростить расчёты [69,70]. Для спутниковых СРС такой метод недопустим, так как радиолуч при прохождении всей тропосферы претерпевает различную степень искривления из-за её неоднородности. Поскольку в научно - технической литературе практически отсутствует методика расчёта траектории радиолуча для спутниковых СРС, то в данном разделе предлагается решение этой задачи. В [69] приводится аналитическое выражение для радиуса кривизны траектории.
Для построения траектории радиолуча «вниз» воспользуемся рис.5.7, где для его упрощения построение сделано для 4х слоев тропосферы, а луч показан пуністиром. В точке С расположен К А, а в К - ЗС. Углы 9 и у являются соответственно углами падения и преломления.
Для построения траектории луча необходимо найти зависимость между радиус-вектором р и геоцентрическим углом а. Поскольку р известен, так как p=po+j-Ahc, то потребуется найти углы ctj. Запишем для треугольников рис.5.7 следующие равенства:
