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.

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 g.

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 NxhV имеет начало в точке N на поверхности Земли. Плоскость xNV (касательна к поверхности Зе­мли в точке N, ось Nx направлена на север, то есть по касательной к меридиану, проходящему через N, ось Nh - по нормали к поверхности Земли, т.е. по направлению радиуса ON, в сторону от центра Земли, ось NV дополняет систему до правой. Направление от точ­ки N па спутник показано на рисунке 3.1 линией NB. Проекция NВ наплоскость NxhV — линия ND, плоскость NBD перпендикулярна ккасательной плоскости NxhV.

Теперь можно определить угол места (угол возвышения) как угол BND между направлением на спутник BN и проекцией ND этогонаправления на плоскость, касательную к поверхности Земли, а азимут - как угол между направлением на север Nx и проек­цией ND направления на ИСЗ на касательную плоскость. Положе­ние точки N на земной поверхности характеризуют ее долготой l_N углом между плоскостью Гринвичского меридиана и плоскостью меридиана, проходящего через N и широтой j _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.

te Панель 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

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.

A uto – 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

3.4 Выполнение работы:

3.4.1 По заданию преподавателя определите координаты, указанные на карте. Вариант определения точки по последней цифре зачетной книжки.

.

3.4.2 Изучить возможности программы Орбитрон:

3.4.2.1 Загрузить программу Орбитрон;

3.4.2.2 С помощью панели «Загрузка ТLE», выберите из каждой группировки спутников 5 ИСЗ. Определите параметры орбитальной группировки, типы используемых орбит спутников по высоте орбиты.

3.4.3 Щёлкаем

3.4.4 Выбираем нужную группу ИСЗ

3.4.5 Выделяем ИСЗ

3.4.6 Смотрим «Данные» или «Информация» на панели задач.

3.4.7 По предпоследней цифре зачетной книжки выбрать координаты точки.

3.4.8 Активировать необходимый спутник, с помощью вкладки “Загрузить”, которая находится в правой части окна.

3.4.9 Активировать режим симуляции. Для этого необходимо во вкладке “общее” панели задач, выполнить:

3.4.10 Задать необходимые параметры симуляции

3.4.11 И с помощью навигационных клавиш запустить режим

3.4.12 Занести координаты точки. Для этого необходимо в панели задач активировать вкладку “место”. И в полях долгота и широта внести заданные координаты

3.4.13 Определить максимальное время нахождения точки в зоне покрытия спутника.

3.4.14 На карте запустить симуляцию, и выбрать такую траекторию спутника, при которой она находится на минимальном удалении от заданной точки, на глобальной карте.

3.4.15 Перейти на тип карты “радар” и в режиме симуляции определить максимальную длительность нахождения спутника на горизонте с точки наблюдения, фиксируя время прохождения спутника по табло времени.

3.4.16 Все полученные данные нужно записать и внести в отчет.

3.4.17 Для Доплеровского смешения сделайте выводы. Выбрать спутник и его параметры по последний цифре зачетной книжки.

3.4.18 В меню «Главное» выбрать режим «Симуляция». Изменяя шаг времени (сек., мин., час., дни), наблюдайте за траекторией, скоростью изменения и территорией покрытия спутника, относительно Места наблюдения на карте (можно перемещать положение креста или стрелки с помощью правой кнопки мыши).

3.4.19 В меню «Ротор/Радио» наблюдайте за изменениями в активных окнах. (азимут, высота, Прием/доплер, Передача/доплер).

3.4.20 Сделайте выводы относительно влияния изменения параметров спутника на изменение скорости, частоты приема и передачи.

Таблица 1.3 – Исходные данные

Таблица 1.4 - Исходные данные

Контрольные вопросы

1. Каковы принципы организации спутникового вещания?

2. Нормирование спутниковых каналов в соответствии с документами ITU-R и ITU-T.

3. Опишите типы используемых орбит спутников. Как определяется наклонение и восходящий узел орбиты, подспутниковая точка?

4. Как располагаются орбиты относительно радиационных поясов Ван-Аллена.

5. Что такое эффект Доплера?

6. Как изменяется расстояние от наземной станции до КА в процессе его полета и на какие параметры влияет?

7. Каков процесс контроля положения ИСЗ на орбите.

8. Какова высота орбиты исследуемого спутника (высота ИСЗ над поверхностью Земли)?

9. Что понимается под зоной видимости ИСЗ?

10. Что называют зоной покрытия?

4 Лабораторная работа. Расчет азимута и угла места при установке спутниковой антенны с помощью программы "Satellite Antenna Alignment"

4.1Цель работы:

Целью данной работы является изучение видов спутниковых антенн, определение угла места и азимута на спутник при установке спутниковой антенны с помощью программы «Satellite Antenna Alignment».

4.2Подготовка к работе

4.2.1 Изучить виды и основные характеристики спутниковых антенн.

4.2.2 Изучить геоцентрическую и топоцентрическую системы, определение угла места (угол возвышения), азимута, долготы и широты для любой точки Земли.

4.3Рабочее задание

4.3.1 Рассчитать азимут и угол места на спутник с земных станций.

4.3.2 Сравнить результаты, рассчитанные и полученные в ходе выполнения лабораторной работы.

4.4Методические указания для расчета

4.4.1 Рассчитать азимут на спутник с земных станций по формуле:

(4.1)

где Az – азимут на спутник с земной станции, град;

Δ β = |β _кс – β _зс | - разность долгот космической и земной станции, град;

β_кс – долгота подспутниковой точки, град;

β _зс – долгота земной станции, град;

ξ – широта земной станции, град.

4.4.2 Рассчитать угол места по формуле:

(4.2)

где γ – угол места на спутник с земной станции, град;

Δ β = |β _кс – β _зс | - разность долгот космической и земной станции, град;

β _кс – долгота подспутниковой точки, град;

β _зс – долгота земной станции, град;

ξ – широта земной станции, град.

Например, координаты городов, где устанавливаются земные станции:

Подставляя исходные данные в формулы (2.3) и (2.4), получаем азимут и угол места для ЗС: для ЗС1 г.Шымкент:

Δβ = |β_кс – β_зс|=103-69,9=29,1⁰,

Антенна служит для фокусировки и сбора слабого микроволнового сигнала. Поверхность антенны должна иметь высокую отражающую способность по отношению к микроволнам. Антенна имеет форму параболоида, который обладает свойством переносить все излучение, передаваемое со спутника параллельно его оси, в фокус. Существует два основных типа антенн - параболическая и офсетная. Параболические антенны - антенны, фокусирующие сигнал со спутника в фокусе антенны, расположенной на оси окружности. Недостатком таких антенн является налипание снега зимой и отсутствие возможности установить второй конвертор. Офсетные антенны - антенны со смещенным фокусом, имеют овальную форму отражателя. Данные антенны более современные и популярные, так как дают возможность установить второй конвертор для приема 2-3 спутников в зависимости от месторасположения спутников на полярной оси. Также антенны различаются по диаметру. Антенны обычно изготавливаются из стали или алюминия.

Конвертор или LNB – приспособление, находящееся в фокусной точке антенны, является прибором, который принимает сфокусированный антенной сигнал. При этом он детектирует поступающие слабые микроволны, усиливает их с малыми шумами и, наконец, преобразовывает в частоту удобную для передачи по кабелю – промежуточную частоту.

С помощью программы «Satellite Antenna Alignment (Расчет угла поворота спутниковой антенны)» рассчитайте угол, необходимый при установке спутниковой антенны. Программа рисует простую схему, отображающую стороны горизонта. Желтым сектором обозначается световой день, восточная его часть – это восход солнца, западная часть – заход солнца. На этой же схеме можно схематически отобразить направление на нужный вам спутник. Выберите спутник в выпадающем списке, направление на него (азимут) рисуется красной линией. Если угол места на спутник отрицательный, то красная линия не рисуется (спутник не виден).

Азимут – это направление на спутник в градусах от направления на север по часовой стрелке.

Угол места является углом (в градусах) между направлением сигнала со спутника и касательной плоскости к поверхности земли в точке вашего приема.

Рисунок 4.1 – Определение азимута на солнце

Программа позволяет произвести расчет сразу на все спутники. Таким образом складывается ясная картина о том, какие спутники физически видны в месте установки антенны, а какие нет.
Следует помнить, что в данной программе расчет производится чисто теоретический, по формулам, и в реальных условиях при установке антенны надо учитывать еще множество факторов, такие как различные препятствия (здания, деревья), рельеф местности, высота над уровнем моря, направленность транспондеров, поляризация и т.п.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: