7. Содержание протокола

1. Основные технические данные систем Indium и Globalstar.

2. Расчет плотности потока мощности в центре зоны обслуживания и на ее границе.

3. Расчет зоны радиовидимости ИСЗ в системах Iridium и Globalstar.

4. Схема взаимодействия систем Iridium и GSM.

5. Расчет эффективности глобальной системы мобильной радиосвязи.

8. Литература

1. Невдяев Л.М. Мобильная спутниковая связь: Справочник. – М.: МЦНТИ, 1998. - 155с.

2. Горностаев Ю.М. Мобильные системы 3-го поколения. - М.: МЦНТИ, 1998. -164 с.

3. Сукачев Э.А. Цифровые системы спутниковой связи: Учебное пособие: - Одесса, ОЭИС им. А.С.Попова. - 1983. - 60 с.

4. Одинцов Б.В., Сукачев Э.А., Гуцалюк А.К. Системы космической связи: Учебное пособие:- Одесса, ОЭИС им. А.С.Попова. - 1989, - 76 с.

5. Смирнов Н.И., Горгадзе С.Ф., Загнетко М.А. Эффективность спутниковой системы передачи информации с кодовым разделением абонентов // Электросвязь. - 1994. - №1. - с. 33-36.

6. Бородич С.В. О применении систем спутниковой связи со спутниками на низких орбитах // Электросвязь. - 1995. - № 9. - с. 19-24.

7. Смирнов Н.И., Иванчук Н.А., Горгадзе С.Ф. Достоинства низкоорбитальных спутниковых систем передачи информации с синхронным кодовым разделением каналов типа Globalstar // Электросвязь. - 1997. - № 2 - с. 20-24.

8. Смирнов Н.И., Слока В.К., Горгадзе С.Ф. Повышение эффективности высокоскоростной спутниковой системы персональной радиосвязи на основе синхронного кодового разделения абонентских станций // Радиотехника. - 1997. - №12. – с. 8-16.

Приложение А

Геометрические соотношения в системе ИСЗ-Земля.

Для решения многих практических задач, связанных с проектированием систем мобильной радиосвязи на основе низкоорбитальных спутниковых систем, используется несколько систем координат.

Начало относительной геоцентрической системы координат OXYZ совмещено с геометрическим центром Земли (рис. А.1). Ось ОХ совмещена с линией пересечения экваториальной плоскости и плоскости некоторого меридиана, принятого за начальный. В качестве начального может быть выбран гринвичский меридиан.

Рис. А.1

Топоцентрическая система координат AX_TY_TZ_T связана с точкой расположения ЗС на поверхности Земли А, основная плоскость - плоскость местного горизонта Q. Положение космического аппарата в сферической топоцентрической системе координат задается тремя сферическими координатами ,  и d.

Угол места  (-/2 ≤  ≤ /2) - это угол между радиус-вектором AS и его проекцией AS_i на плоскость Q. Азимут  (0 ≤  ≤ 2) - это угол, отсчитываемый в плоскости местного горизонта по часовой стрелке от направления на Северный полюс до проекции AS_i. Наклонная дальность d - модуль радиус-вектора AS.

Прямоугольные координаты спутника в топоцентрической системе координат могут быть выражены через сферические следующим образом:

(A.1)

Если положение космического аппарата (КА) в прямоугольной топоцентрической системе координат определяется тремя величинами x_T, y_T и z_T, to соответствующие сферические координаты могут быть вычислены по следующим формулам:

(A.2)

причем

(А.3)

Начало орбитальной подвижной системы кординат SX_KY_KZ_K совмещено с центром масс КА S, основная плоскость совпадает с плоскостью орбиты, ось SX_K является продолжением радиус-вектора OS, ось SZ_K перпендикулярна плоскости орбиты, а ось SY_K направлена по трансверсали к орбите в сторону движения КА. На рис. А.1 показано направление осей в орбитальной подвижной системе координат для спутника, вращающегося в экваториальной плоскости.

При определении относительного положения КА и ЗС приходится прибегать к преобразованию координат. Если известны широта _ЗС и долгота _ЗС земной станции, то ее координаты в геоцентрической системе координат определяются выражениями

(А.4)

Если начальный меридиан не совпадает с гринвичским, то вместо _ЗС используется .

Координаты ЗС в геоцентрической системе координат OXYZ можно найти на основании соотношений

(А.5)

где r = H + R;

_C, _C– широта и долгота подспутниковой точки (ПТ) ИСЗ в рассматриваемый момент времени.

Для расчета азимута, угла места и наклонной дальности необходимо знать координаты ИСЗ в прямоугольной топоцентрической системе координат.

Преобразование координат записывается в виде

V=A(V_C–V_З), (A.6)

где – матрица направляющих косинусов, определяющих углы между осями рассматриваемых кординатных систем;

– координаты ЗС в геоцентрической системе координат (А.4);

– координаты ИСЗ в геоцентрической системе координат (А.5);

– координаты ИСЗ в топоцентрической системе координат.

Геометрическая интерпретация этого преобразования сводится к двум поворотам системы OXYZ вокруг собственных осей и переносу начала координат из точки О в точку А. Вращением системы координат вокруг оси OZ на угол _ЗС добиваемся совмещения оси ОХ с линией ОВ, лежащей в плоскости меридиана ЗС. После этого поворота ось OY совмещается с линией ОС (см. рис. А.1). Вращением системы вокруг нового положения оси OY на угол добиваемся совмещения оси OZ с линией ОА. В результате поворотов обеспечено совпадение направлений осей систем OXYZ и AX_TY_TZ_T. Матирицы этих поворотов имеют вид

и (А.7)

Элементы матрицы определяются как результат перемножения матриц (А.7), т.е.

(А.8)

После расчета элементов по формулам (А.8), а затем координат ИСЗ в прямоугольной топоцентрической системе кординат по формулам (А.4)-(А.6), можно определить параметры ,  и d, использовав для этого выражения (А.2) и (А.З).

Рассмотрим сечение пространственной системы Земля-Спутник плоскостью OAS (рис.А.1). Отдельно это сечение показано на рис. А.2.

Рис. А.2

Здесь  - центральный (геоцентрический) угол, 2 - угловой размер зоны видимости,  - угол места, d - наклонная дальность, Н - расстояние от КА до ПТ, r = H + R – радиус орбиты.

Значение d может быть рассчитано по одной из следующих формул

(А.9)

или

. (А.10)

Из рисунка непосредственно следует, что a + b + g = 90°.

После очевидных геометрических построений легко получить равенство

. (А.11)

Из треугольника OAS на основании теоремы синусов получаем

, (А.12)

откуда

. (А.13)

Выражение (А.13) позволяет найти угол места  для границы зоны луча, если известна ширина ДН ₀ = 2 бортовой антенны.

Если точка А, перемещаясь по земной сфере, совмещается с точкой N, для которой  = 0°, то наклонная дальность принимает свое максимальное значение

. (А.14)

Если в (А.11) положить = 0°, то

. (А.15)

В том случае, когда известны географические координаты ЗС и ПТ, центральный угол  может быть найден из соотношения

. (А.16)

Диаметр зоны видимости определяется по формуле

. (А.17)

Площадь поверхности Земли, видимую с борта КА, можно рассчитать по формуле

(А.18)

Расчет зоны видимости. Зоной видимости называется часть территории Земли, где ИСЗ можно наблюдать радиотехническими средствами под углом места, который превышает некоторую минимальную допустимую величину (например,  = 5°). Границами зон видимости при различных  являются концентрические окружности с центром в ПТ. Для геостационарных ИСЗ зоны видимости неподвижны.

Если орбита ИСЗ не совпадает с геостационарной, то пользуются понятием мгновенной зоны видимости.

Для расчета границы зоны видимости при  = const необходимо знать величины r, _C, и _C.

Геоцентрический угол  равен

, град.

Координаты точек на границе зоны видимости _ЗВi и  _ЗВi. рассчитывают по формуле (А.16), которую для этой цели можно представить в следующем виде

.

Задаваясь различными значениями широты _ЗВi, i = 1,2,3... в пределах _C ± , определяют соответствующие значения долглты  _ЗВi, а затем по точкам на географической карте строят зону видимости.

Приложение В

Основные соотношения для расчета энергетического потенциала космической линии

При энергетических расчетах космических радиолиний используются следующие понятия.

Эквивалентная изотропно-излучаемая мощность (ЭИИМ) передающей станции

ЭИИМ = P_пер_перG_пер,

где Р_пер - эффективная мощность сигнала на выходе передатчика;

_пер - КПД фидерного тракта между передатчиком и антенной;

G_пер - коэффициент усиления антенны относительно изотропного излучателя.

Затухание энергии в свободном пространстве, вызванное уменьшением плотности потока мощности при удалении от излучателя,

,

где – длина волны; d - наклонная дальность.

Кроме основных потерь L₀, на космических линиях учитывают также дополнительные потери L_доп. Полное значение потерь на трассе равно L_= L₀L_доп.

Максимальное усиление антенны определяется по формулам

,

(B.3)

или

б

где S - площадь апертуры антенны;

D, q - диаметр и коэффициент использования поверхности (КИП) зеркала антенны соответственно;

, град - ширина основного лепестка ДН антенны.

Для параболических антенн q=0,5...0,7.

Плотность потока мощности в направлении максимального излучения

, Вт/м² (B.4)

Энергетическая добротность приемной станции

, дБ/К. (B.5)

где G_пр - усиление приемной антенны;

T_ - полная эквивалентная шумовая температура приемной системы с учетом внутренних и внешних шумов, приведенная ко входу облучателя антенны.

Полная эквиалентная шумовая температура приемной станции, состоящей из антенны, фидера и приемника, определяется по формуле

(B.6)

где Т_А - эквивалентная шумовая температура антенны;

Т₀ = 290 К - абсолютная температура среды;

Т_пр - эквивалентная температура собственно приемника, обусловленная его внутренними шумами;

_пр - КПД фидера приемника.

Основные параметры передатчика, трассы и приемника связаны уравнением

, (B.7)

называемым первым уравнением передачи. В выражении (В.7) Р_пр представляет собой мощность сигнала на выходе фидера приемника.

Часто первое уравнение передачи записывают в виде

Р_пр = Р_пер + _пер + G_пер + _пр + G_пр – L₀ – L_доп, дБВт. (В.8)

Если ввести понятие эффективной или действующей площади апертуры приемной антенны

(B.9)

то выражение (В.7) с учетом (В.1) и (В.2) можно переписать в виде

(B.10)

или, принимая во внимание (В.4)

P_пр = W + _пр + S_д.пр, дБВт. (B.11)

Энергетический потенциал радиолинии определяется как отношение мощности принимаемого сигнала к спектральной плотности шумов N₀ = kT_:

или , дБГц. (B.12)

где k = l,38·10^-23 Вт/(Гц·К) (-228,6 дБ Вт/(Гц·К) ) – постоянная Больцмана;

– мощность принимаемого сигнала.

Отношение сигнал/шум в точке приема

где f_ш – эквивалентная шумовая полоса приемника.

Составители Э.А. Сукачев, А.А. Одегов

Редактор B.C. Черенков