Лекция 9. Геостационарная орбита; выбор диапазона частот

Цель лекции: Научиться рассчитывать азимут и угол места для геостационарного спутника, ознакомиться с диапазонами частот для ССС.

При проектировании ССС и ССВ необходимо знать геометрические соотношения, определяющие взаимное расположение ЗС и ИСЗ – угол места β и азимут А – рисунок 1.3.3.

Рисунок 9.1– Определение азимута А и угла места β для геостационарного спутника

Точка пересечения с поверхностью Земли радиуса-вектора, проведенного в точку размещения спутника из центра Земли, называется подспутниковой.

Угол места (угол возвышения) β – угол между направлением на спутник и проекцией этого направления на плоскость, касательную к поверхности Земли в точке размещения ЗС.

Азимут А – угол между направлением на север и проекцией направления ИСЗ на касательную плоскость.

Исходные данные для расчета угла места и азимута для геостационарного спутника:

широта ЗС – φ_N, ◦;

долгота ЗС – λ_N, ◦ ;

широта ИСЗ – φ_ИСЗ, ◦=0;

долгота подспутниковой точки – λ₀, ◦ ;

γ₀=R_З/(R_З+Н) =0,15;

δ=| λ_N – λ₀|

cosψ=cos φ_Ncosδ.

В результате

β =arctg[(cosψ – 0,15)/sinψ],

A=arcos(tg φ_N/tgψ).

(9.1)

При этом d будет достигать максимального значения d_макс=42250км при ψ =75◦ северной широты.

Использование различных частот для систем радиосвязи и вещания, включая спутниковые, строго регламентируется международными организациями. Это необходимо для достижения совместимости различных систем, а также для предотвращения взаимных помех при работе различных служб. В 1977 году состоялась Всемирная административная радиоконференция (WARC-77) по планированию вещательной спутниковой службы, на которой был принят ныне действующий Регламент радиосвязи. В соответствии с ним вся территория Земли разделена на три района, для вещания в каждом из которых выделены свои полосы частот.
Район 1 включает Африку, Европу, Россию, Монголию и страны СНГ.
Район 2 охватывает территорию Северной и Южной Америки.
Район 3 - это территории Южной и Юго-Восточной Азии, Австралия и островные государства Тихо-Океанского региона.

В соответствии с этим регламентом для систем спутниковой связи выделено несколько диапазонов частот, указанных в таблице 9.1, каждый из которых получил условное обозначение буквой латинского алфавита.

Т а б л и ц а 9.1

Наименование диапазона	Полоса частот в ГГц
L -диапазон	1,452-1,550 и 1,610-1,710
S - диапазон	1,93 - 2,70
C - диапазон	3,40 -5,25 и 5,725 - 7,075
X - диапазон	7,25 - 8,40
Ku - диапазон	10,70 - 12,75 и 12,75 - 14,80
Ka - диапазон	15,40 - 26,50 и 27,00 - 30,20
K - диапазон	84,0 - 86,0

При этом направление Земля – Спутник обозначается « », направление Спутник – Земля – « », а отсутствие стрелки означает невозможность использования данной полосы частот в указанном районе. Выделенные полосы частот обозначают по округленным значениям, например 6/4.

Большинство действующих систем спутниковой связи на базе геостационарных спутников работают в диапазонах С (6/4 ГГц) и Ku (14/11 ГГц). Эффективность приемных зеркальных антенн ("тарелок") пропорциональна числу длин волн, укладывающихся в ее поперечнике. А длина волны с увеличением частоты уменьшается. Следовательно, при одинаковой эффективности размеры антенн уменьшаются с увеличением частоты. Если для приема в диапазоне С требуется антенна 2,4 - 4,5 м, то для диапазона Ku ее размер уменьшится до 0,6 - 1,5 м, для диапазона Ка он может быть уже 30 - 90 см, а для К- диапазона - всего 10 - 15 см.

При одинаковых размерах антенна в диапазоне Ku имеет коэффициент усиления примерно на 9,5 дБ больше, чем в диапазоне C. Обычно, ЭИИМ – эквивалентная изотропно-излучаемая мощность спутников в диапазоне C не превышает 40-42 дБ, тогда как в диапазоне Ku нередки уровни ЭИИМ 50-54 дБ для систем фиксированной спутниковой связи, и даже 60-62 дБ для спутников систем НТВ. По тем же причинам, коэффициент усиления приемных антенн на спутниках-ретрансляторах в диапазоне Ku выше, чем в диапазоне C. В результате, размеры антенн и мощность передающих устройств земных станций в диапазоне Ku в большинстве случаев меньше, чем в диапазоне C. Например, для работы со спутником "Горизонт" в диапазоне C требуются земные станции с антеннами не менее 3,5 м и передатчиком около 20 Вт. В то же время, земные станции с такой же пропускной способностью для работы со спутником "Интелсат" (Intelsat) в диапазоне Ku могут оснащаться антеннами диаметром 1,2 м и передатчиком 1 Вт. Стоимость первой станции примерно в два раза выше, чем второй при одинаковых пользовательских характеристиках.

Для работы систем спутниковой связи выделяются определенные полосы частот, в рамках которых возможно размещение большого числа каналов. При используемых в настоящее время методах модуляции полоса частот одного симплексного (однонаправленного) канала, выраженная в килогерцах (кГц), примерно равна скорости передачи, выраженной в килобитах в секунду (кбит/с). Таким образом, для передачи данных в одном направлении со скоростью 64 кбит/с требуется полоса около 65 кГц, а для канала Е1 (2048 кбит/с) необходима полоса частот около 2 МГц. Для двухсторонней (дуплексной) связи требуемую полосу необходимо удвоить. Следовательно, для организации дуплексного канала со скоростью передачи 2 Мбит/с потребуется полосачастот около 4 МГц. Это соотношение выполняется и для большинства других радиоканалов, а не только спутниковых.

Для стандартного спутникового ствола с полосой 36 МГц максимальная скорость передачи составляет около 36 Мбит/с. Но большинству пользователей такие высокие скорости не нужны и они используют лишь часть этой полосы. Поэтому в одном стволе спутника могут работать десятки пользователей и необходимо предпринимать меры по разделению сигналов различных пользователей.