Основная особенность спутниковых линий — наличие больших потерь сигнала, обусловленных затуханием его энергии на трассах большой физической протяженности. Так, при высоте орбиты ИСЗ, равной 36 тыс. км., затухание сигнала может достигать 200 дБ [3]. Помимо этого основного затухания в пространстве, сигнал в линиях спутниковой связи подвержен влиянию большого числа других факторов. Таких как поглощение в атмосфере, рефракция, влияние дождевых осадков и т.д. С другой стороны, на приемное устройство спутника и земной станции кроме собственных флуктуационных шумов воздействуют разного рода помехи в виде излучения космоса, Солнца и планет. В этих условиях правильный и точный учет влияния всех факторов позволяет осуществить оптимальное проектирование системы, обеспечить ее уверенную работу в наиболее трудных условиях и в то же время исключить излишние энергетические запасы, приводящие к неоправданному увеличению сложности земной и бортовой аппаратуры. Нормы на некоторые качественные показатели спутниковых каналов (например, отношение сигнал-шум) имеют статистический характер. Это заставляет оценивать возмущающие факторы также статистически, т. е. при расчетах вводить не только количественную меру воздействия того или иного фактора, но и вероятность (частоту) его появления. Необходимо учитывать характер и число передаваемых сигналов, а также характер их преобразования (обработки) в спутниковом ретрансляторе. При передаче телефонных сигналов с многостанционным доступом через бортовой ретранслятор проходит несколько сигналов, разделенных по частоте, времени или форме и оказывающих взаимное влияние, которое должно учитываться при расчете энергетики спутниковых линий.

В настоящей главе приводится расчет спутниковой линии ЗС1 (Алматы) – ИСЗ (Іntelsat-804) - ЗС2 (Лондон) по участкам (3).

3.2 Уравнения связи для двух участков

Эквивалентная изотропно-излучаемая мощность (ЭИИМ) передающей станции

Е=Р_перŋ_перG_пер (1)

где Р_пер — эффективная мощность сигнала на выходе передатчика;

ŋ_пер — коэффициент передачи (по мощности) волноводного тракта;

(КПД волноводного тракта) между передатчиком и антенной;

G_пер — коэффициент усиления передающей антенны относительно изотропного излучателя.

В техническом задании ЭИИМ задана.

Затухание энергии в свободном пространстве, определяемое уменьшением плотности потока мощности при удалении от излучателя оприделяется по формуле [1]

Lo= 16π²d²/λ², (2)

где λ – длина волны (λ = с/f, с = 3*10⁸ м);

d – наклонная дальность (расстояние между передающей и приемной антеннами)

Найдем значения L₀ для обоих участков. Для этого сначала вычислим расстояние d. Так как спутник геостационарный, то величина d, км, называемая часто наклонной дальностью, рассчитывается по формуле (3)

d = 42164 [1-(0,151266 соs Ө)²]^1/2-6378 sіn Ө, (3)

где Ө — угол места антенны земной станции, Ө₁=38,5, Ө₂=8 (находится из графика в приложении Б).

Для участка 1 :

d₁=42164 [1-(0,151266 соs 38,5)²] ^1/2 -6378 sіn 38,5 = 37897 км,

λ₁=с/f=3*10⁸ /6383*10⁶=0,047 м,

Lo = 16π² (37897*10³ ) /(0,047) =1,02*10²⁰ или 200дБ.

Для участка 2:

d₂= 42164 [1-(0,151266 соs8)²]¹/²-6378 sin 8 = 40800 км,

λ₂ = с/f = 3*10⁸ /3794*10^б =0,079 м,

L₀ = 16 π² (40800*10³)/(0,079) =3,98*10¹⁹ или 196дБ.

Здесь и далее величины, относящиеся к участку Земля — спутник, имеют индекс «1», относящиеся к участку спутник — Земля — индекс «2».

Кроме этих основных потерь, на трассе присутствуют и дополнительные потери L_доп, которые будут вычислены в последующих пунктах; полное значение потерь на трассе L_∑=L₀ L_доп.

Когда параметры антенны заданы в виде эффективной площади ее аппаратуры S_пр, связанной с коэффициентом усиления соотношением [1].

G_пр= 4πS _пр / λ ² ,

Р_пер = 4 πd²L_допР_пр/G_перS_прŋ_перŋ_пр (4)

Формула (4) позволяет определить необходимую мощность передатчика по заданному значению мощности сигнала на входе приемника. Отметим, что в нее не входит длина волны. Следовательно, когда передающая антенна имеет постоянный коэффициент усиления на всех частотах, а приемная — эффективную постоянную площадь аппаратуры (может эффективно работать по мере возрастания частоты), мощность сигнала на входе приемника в первом приближении не зависит от частоты (в действительности некоторая зависимость от частоты имеется, так как L_доп в значительной степени определяется диапазоном частот).

При расчете линии часто оказывается заданной не мощность сигнала на входе приемника, а отношение сигнал-шум на входе приемника (Р_с/Р_ш)_вх, тогда в формулу (4) следует подставить Р_пр = Р_ш (Р_с/Р_ш)_вх,где Р_ш — полная мощность шума на входе приемника.

Посколъку в диапазонах частот, где работают спутниковые системы, шумы, создаваемые различными источниками, имеют аддитивный характер, их суммарная мощность выражается формулой.

Р_ш = кТ_ΣΔFш (5)

где к = 1,38 * 10 ^-²³ Вт/Гц*град — постоянная Больцмана;

Т_Σ — эквивалентная шумовая температура всей приемной системы с учетом внутренних и внешних шумов;

ΔF_ш — эквивалентная (энергетическая) шумовая полоса приемника.

Структурная схема и диаграмма уровней линии спутниковой связи, состоящей из двух участков, приведены на рисунке 3

Рисунок 3- Структурная схема и диаграмма уровней линии связи из двух участков

Воспользовавшись формулами (1), (5), для этих участков можно записать следующие соотношения: для участка Земля — спутник:

Р_пер=(16π²d₁²L_1допР_ш._б/λ₁²G_пер.з.G_пр.б.ŋ_пер.з.ŋ_пр.б.)(Р_с/Р_ш)_вх.б,

где Р_ш.б.=кТ_∑бΔf_ш.б.;

для участка спутник — Земля:

Р_{пер б}=(16π²d₂²L_2допР_ш._з/λ₂²G_пер.б.G_пр.з.ŋ_пер.б.ŋ_пр.з.)(Р_с/Р_ш)_вх.з,

где Р_ш.з.=кТ_∑зΔf_ш.з.;

Здесь и далее всем показателям, относящимся к земной аппаратуре, присваивается индекс «з», а показателям, относящимся к бортовой аппаратуре — индекс «б».

Чтобы перейти от уравнений для отдельных участков к общему уравнению для всей линии, необходимо установить связь между отношениями сигнал-шум на выходе линии и на каждом из участков.

В отсутствие обработки сигнала на борту происходит сложение шумов каждого из участков, при этом суммарное отношение сигнал-шум на конце линии связи.

(Р_ш/Р_с) _∑ = (Р_ш/Р_с)_вх.б + (Р_ш/Р_с)_вх.з. (6)

Очевидно, что отношение сигнал-шум на каждом из участков должно быть выше, чем на конце линии:

(Р_с/Р_ш)_вх.б=а(Р_с/Р_ш) _∑, (Р_с/Р_ш)_вх.з, = b (Р_с / Р_ш ) _∑ , (7)

где а > 1 , b > 1 .

Из (6) и (7) следует, что