учебно-методическое пособие - Інститут телекомунікаційних

Министерство образования и науки Украины
Національний технический университетУкраины
«Киевский политехнический институт»
Інститут телекоммуникационных систем
Кафедра Информационно-телекоммуникационных сетей
автор д.т.н. проф. Сундучков К.С.
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ
ПОСОБИЕ
по выполнению лабораторной работы №7
«ОПРЕДЕЛИТЬ МОЩНОСТЬ СИГНАЛА ПРИШЕДШЕГО С
КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА (КА) ОТ ОДНОГО АБОНЕНТА
В ПЛОСКОСТИ СТЫКОВКИ АНТЕННЫ С ЛИНЕЙНЫМ
ТРАКТОМ ЗЕМНОЙ СТАНЦИИ (ЗС) СИСТЕМЫ
СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ (ССС)»
по дисциплине
«Беспроводные телекоммуникационные сети»
модуля «Беспроводные телекоммуникационные сети-2. Мобильная
связь.»
Для студентов направления:
«Информационные сети связи»
Специальности «6.050903»
Киев-2014
Лабораторная работа № 7
Определить мощность сигнала пришедшего с космического
аппарата (КА) от одного абонента в плоскости стыковки антенны
с линейным трактом земной станции (ЗС) системы спутниковой
связи (ССС).
Содержание:
Теоретическая часть.
1. Определение расстояния между ЗС и КА по заданным координатам.
2. Определение суммарной величины потерь сигнала на трассе КА-ЗС.
3. Определение величины мощности сигнала.
II.
Расчѐтная часть.
III. Требования к оформлению.
I.
I. Теоретическая часть.
1.Определение расстояния между земной станцией (ЗС) и
коспическим аппаратом (КА).
Введение
Геостационарный спутник получил свое название из-за очевидного
свойства, такой спутник "неподвижен" относительно поверхности Земли, т.е.
он как бы "висит" на высоте Н= 35 875 км над некоторой точкой поверхности
Земли, расположенной на экваторе и имеющей постоянную долготу, на высоте
Н=35875км над поверхностью земли, соответствующей периоду обращения 24
часа. (Звездные сутки:Тз=23 часа 56 минут 04 сек). Радиус Земли :R≈ 6371км.
Высота орбиты над центром Земли: h=42246 км, причем период обращения и
высота связаны однозначным соответствием.
Таблица 2.2
Период
Число витков в Высота
Высота элептической
обращении Т, час Сутки №
круговой
орбиты , км
орбиты Н, км Перигей Нп Апогей На
4
6
6750
500
13000
6
4
10750
500
21000
8
3
14250
500
28000
12
2
20325
500
40000
24
1
35857
500
71250
Максимально-возможное расстоянии от ЗС до ИСЗ на геостационарной
орбите.
Сmax (см. рис. 3.6) определим, как один из катетов прямоугольного
треугольника по формуле: (H+R)2=
+ R2
Сmax=
= 41763 км
=
Рис. 3.6.
Определение расстояния до спутника при известных географических
координатах.
Долгота подспутниковой точки ИСЗ
«INTELSAT – 604» равна 600 В.Д.
Координаты г. Киева:
50,450 С.Ш.; 30,60 В.Д.
Расстояние между земной станцией и
спутником
(наклонная
дальность)
определяется известны соотношением:
d  426431  0,2957cos   cos  
1
2
где:  - географическая широта земной
Рис. 3.7.
станции,
  (g 2 - g1 ) – разность по долготе между подспутниковой точкой и точкой
размещения земной станции.
Определим расстояние (наклонную дальность) от спутника «INTELSAT604» до земной станции, расположенной вблизи г. Киева.
Координаты земной станции: g1  30 Â.Ä. ,   50 Ñ.Ø . Тогда:
  (g 2 - g1 )  60 Â.Ä.  30 Â.Ä.  30 .

d  426431  0,2957cos 500  cos 300

1
2
 (3898 39230) êì .
При условии:
cos 50 0  0,643
cos 30 0  0,866
Примечание:
Необходимо проверить выполнение условия прямой видимости:
H  d  d max  41763êì .
Имеем: 35875 39231 41763êì .
2. Определение величины потерь на трассе КА-ЗС.
Основные потери.
Основными потерями являются потери электромагнитной энергии в
свободном пространстве на участке связи:
Bосн  10g 4d /  
2
где d – расстояние между приемной и передающей антеннами, λ – длина
волны.
Тогда при частоте вверх →14 ? 109 Гц; вниз →12 ? 109 Гц;
d  39231км  39,231 10 6 м;
3  1010 см
сек  0,0214м;
 вверх 
9 1
14  10
сек
10 см
3  10
сек  0,025м;
 вниз 
9 1
12  10
сек
6
4

3
,
14

39
,
231

10

Восн
 20 lg
 20 lg23  109   201,3617  9  207,23дБ .
0,0214
4  3,14  39,231 10 6

Восн
 20 lg
 20 lg19,7  109   201,2945  9  205,89дБ .
0,025
Дополнительные потери.
Дополнительные потери возникают из-за поглощения энергии сигнала газами
тропосферы, дождем и другими гидрометеорами, а также из-за неточности
наведения и несогласованности поляризаций антенн. Расчет по формуле:
Lдоп= La+ Lд + Lн + Lп, где
La – потери из-за поглощения газами тропосферы;
Lд – потери из-за ослабления в дожде;
Lн – потери из-за неточности наведения антенн, определяемые шириной
диаграммы направленности поляризаций антенн, примем Lп = 1дБ;
Lп – потери из-за несогласованности поляризаций антенн, примем
Lп=0,5 дБ;
Потери La.В диапазонах частот выше 500 МГц основное поглощение
определяется тропосферой, точнее газами тропосферы, - кислорода (О2) и
водяными парами (Н2О), а также дождем и прочими гидрометеорами
(облаками, туманом, снегом); ионосфера и остальные газы тропосферы
играют малую роль. Количественную оценку этих потерь можно получить,
используя рис. 1. Эти численные значения определяют поглощение в
спокойной (невозмущенной) атмосфере без дождя и прочих гидрометеоров,
которое представляет собой как бы постоянную составляющую потерь,
имеющих место в течении 100% времени. Следует оговориться, что
количественная оценка La по рис. 1 является ориентировочной, поскольку
содержание О2 и Н2О в атмосфере зависит от состояния атмосферы и
изменяется в течении суток и времени года; колебания значений Laмогут
достигать ±30%.
Из рис. 1 определим при γ=300: для частоты 12 ГГц, La =0,5 дБ.
Для частоты 14 ГГц, La=0,7 дБ.
Рис. 1. Частотная зависимость поглощения радиоволн в спокойной атмосфере
(без дождя) при различных углах места.
Потери Lд. Ослабление сигнала в дожде Lд можно рассчитать по рис. 2,
на котором приведены данные с учетом значений коэффициентов
поглощения, длины пути сигнала в дожде и распределений интенсивностей
осадков для наиболее употребительных значений вероятности Тд= 0,1% в
виде зависимости поглощения от частоты и угла места антенны ЗС. Эти
значения относятся к круговой поляризации радиоволн.
При линейной вертикальной поляризации значение Lд из рис. 2
необходимо умножить на поправочный коэффициент 0,95…0,9(в
зависимости от частоты), а при линейной горизонтальной – на коэффициент
1,05…1,1. Для f равным 12 и 14 ГГц для Тд= 0,1% находим Lд равно 3,0 дБ и
4,5дБ, соответственно. С учетом поправочного коэффициента 0,9 получим
для частоты 12 ГГц, Lд = 2,7дБ, для частоты 14 ГГц, Lд=4,05 дБ.
Рис.2. Зависимости поглощения сигнала при дожде от частоты при разных
углах места.
Суммарные потери.
Суммируя парциальные составляющие дополнительных потерь получим:
- для частоты 12 ГГц: Lдоп=0,5+2,7+1+0,5=4,7дБ.
- для частоты 14 ГГц: Lдоп=0,7+4,1+1+0,5=6,3дБ.
Тогда суммарные потери на трассе составят:
-для участка ЗС-ИСЗ (14 ГГЦ) LƩ1=207,23+6,3=213,5дБ.
-для участка ИСЗ- ЗС (12 ГГЦ) LƩ2=205,89+4,7=210,6дБ.
3. Определение величины мощности сигнала в плоскости стыковки
антенны с линейным трактом Земной станции.
Величина мощности сигнала в плоскости стыковки антенны с линейным
трактом ЗС определяется по формуле
РСЗС.вх, АА  ЭИИМ С * КУА / L
ЭИИМ С
,
где К УА - коэффициент усиления
антенны;
Земная станция
L
K УА
L - суммарные потери сигнала;
ЭИИМС – эквивалентно изотропно – излучаемая мощность сигнала
излучаемая одним абонентом.
К УА 
К ип *  2 * D 2
2
,
где D - диаметр зеркала антенны;
 - длинна волны
I. Расчетная часть.
ДАНО:
- КА расположен на геостационарной орбите, его координаты:
широта равна нулю, долгта 30 ° восточной долготы;
- коэффициент использования поверхности антенны К ип  0,6
- сигнал излучается с КА на частоте 12 ГГц;
- ЭИИМ сигнала в рабочей полосе, излучаемая по разным
направлениям при
f с
 0,1 с учѐтом неточности наведения антенн,
f прКА
и не согласованности поляризации антенн.
- диаметры зеркал приѐмных антенн ЗС равны:
вариант 1 – 0,9м; 2,4м; 5м;
вариант 2 – 1,2м; 3,7м; 7м;
- координаты расположения ЗС приведены в табл. 1.
Таблица 1. Координаты расположения ЗС.
Координаты
№ п/п
Город
1
Боярка
50,38°
30,43°
2
Бровары
50,50°
30,75°
3
Донецк
48,00°
37,83°
4
Фастов
50,13°
29,98°
5
Ирпень
50,52°
30,48°
Северная широта Восточная долгота
6
Керч
45,37°
36,45°
7
Харьков
50,00°
36,25°
8
Киев
50,47°
30,48°
9
Луганск
48,58°
39,33°
10
Львов
49,83°
24,00°
11
Малин
50,80°
29,13°
12
Нежин
51,05°
31,90°
13
Никополь
47,57°
34,42°
14
Одесса
46,50°
30,77°
15
Полтава
49,58°
34,58°
16
Тетиев
49,37°
29,67°
17
Умань
48,75°
30,17°
18
Ялта
44,50°
34,15°
19
Смела
49,25°
31,90°
20
Ровно
50,65°
26,17°
НАЙТИ: мошность принятого сигнала на выходе антенны в плоскости
стыковки антенны с линейным трактом Земной станции ССС
для ЗС с разным диаметрами зеркала приѐмной антенны в
относительных единицах [дБ/Вт] и в абсолютных единицах [Вт].
ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ.
1. На первом листе должны быть указаны:
- ВУЗ, группа, Ф.И.О., дата, наименование темы работы, номер
варианта.
2. Привести все исходные данные для вашего варианта из раздела
«ДАНО».
3. По каждому вопросу из раздела «НАЙТИ» привести содержание
вопроса, формулу пот которой будет произведен расчет, значения
параметров в формуле для вашего варианта, ответ, размерность.
Примечания. 1. Мощность и ЭИИМс вычислить в абсолютных единицах
[Вт] и относительных [дБ*Вт].
2.Все расчеты выполнить на персональном компьютере(ПК).
3.Отчѐт предоставить в виде распечатанном на формате А4 и в
электронном виде, позволяющем изменять исходные значения и вести
расчет заново.
4.В конце отчета поставить личную подпись.