1-_Wyk_ad_TECHNIKA_SATELITARNA_WJK_2012

TECHNIKA SATELITARNA

POLITECHNIKA WROCŁAWSKA

Wydział Elektroniki

Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki

Wrocław

Wykład nr 1

Dr hab. inż. Wojciech J. Krzysztofik

∗ Technologia satelitarna dokonała ogromne postępy w ciągu ostatnich 50 lat, od kiedy Arthur C. Clarke w 1945 roku w artykule „Wireless World”, po raz pierwszy zaproponował wykorzystanie sztucznych satelitów Ziemi w łączności globalnej .

∗ Dzisiaj systemy satelitarne mogą dostarczyć różnych usług takich jak ∗ komunikacja szerokopasmowa, ∗ sieci dystrybucyjne audio/video, ∗ nawigacja morska, ∗ dział obsługi klienta na całym świecie jak również ∗ dowodzenia i kontroli militarnej.

∗ Satelitarne systemy będą odgrywały ważną rolę w pojawiającej sięglobalnej infrastrukturze 4G, zapewniając szeroki obszar pokrycia niezbędny dla realizacji wizji “Optimally Connected Anywhere, Anytime” która napędza rozwój nowoczesnej telekomunikacji.

Wstęp

2

Dr hab. inż. W. J. Krzysztofik TECHNIKA SATELITARNA

3

DSB / VSAT GROUND STATION

DSB

VSATCATV

GPSS-PCN

DSB

Współczesne systemy komunikacji satelitarnej


4

Przyszłościowe systemy komunikacji

Przyszłościowe generacje systemów będą wykorzystywały wiele nowych typów systemów komunikacyjnych, takich jak:

� szerokopasmowy dostęp bezprzewodowy (Broadband Wireless Access),

� sieci LAN pracujące w zakresie fal milimetrowych (Millimeter-Wave LANs),

� inteligentne systemy transportu ITS (Intelligent Transport Systems),

� satelitarne systemy komunikacji osobistej� systemy pracujące w oparciu o platformy stratosferyczne HAPS

(High Altitude Paltform Systems).

Kluczowym rozwiązaniem przyszłościowych systemów komunikacji ruchowej będą komunikacja multimedialna, szerokopasmowy dostęp do sieci stałych i „bezszfowe” połączenia (roaming) pomiędzy różnymi systemami, oparty na KOWERGENCJI usług i systemów


5

Przyszłościowe systemy komunikacji

Szerokopasmowa stała sieć szkieletowa


∗ Przedstawienie stanu telekomunikacji satelitarnej.

∗ Omówienie głównych problemów związanych z kanałem fizycznym, architekturą i sieciowymi realizacjami systemów satelitarnych.

∗ Przegląd współczesnych modulacji, kodowania i systemów wielodostępu.

∗ Omówienie stanu techniki w zakresie badań dotyczących kodowania (sygnałów mowy i obrazów), sieci satelitarnych, internetu via satelity,satelitarnej komunikacji osobistej, pomiarów i nawigacji satelitarnej.

∗ Wskazanie trendów i przyszłych kierunków rozwoju łączności satelitarnej

Zagadnienia do rozważenia

66


Słuchacz powinien znać:

∗ Podstawy systemów telekomunikacji analogowej i cyfrowej, oraz∗ Zasady projektowania systemów telekomunikacyjnych

Wymagania wstępne

77


∗ Przegląd systemów łączności satelitarnej∗ Przykłady współczesnych systemów komercyjnych i wojskowych. ∗ Orbity satelitów i cechy transponderów (LEO, MEO, GEO)∗ Realizacja ruchu telekomunikacyjnego w strukturze: siatki, gwiazdy, punkt-punkt

i/lub rozsiewczej.

∗ Podstawowy teorii transmisji satelitarnej∗ Zaburzenia transmisji w torze satelitarnym: pogoda i efekt Doppler, ∗ Modele kanału.

∗ Budżet linii radiowej: definicja EIRP, temperatura szumowa i stosunek G/T, Eb/No. zysk transpondera i minimalna gęstość promieniowania, SFD. Wymagania dla transmisji w dół. Projekt łącza satelitarnego spełniającego określone wymagania.

∗ Typy anten stacji naziemnych: punktowe, śledzące, małe anteny na pasmo Ku. Wymagania FCC-Intelsat-ITU dla anten, ograniczenia gęstości promieniowania, EIRP.

∗ Krótkie wprowadzenie do zagadnień związanych ze stosowaniem różnych urządzeń: LNA, przemienników częstotliwości, szumy fazowe oscylatorów, …

Systemy SATCOM – zagadnienia związane z projektowaniem

88


∗ Warstwa fizyczna transpondera- system pasmowo-przepustowy

∗ Wprowadzenie do teorii komunikacji cyfrowej: modulacja, wyrównanie ikorekcja błędów∗ Cyfrowe techniki modulacji: BPSK, QPSK, kształtowanie sygnału Nyquist.∗ Omówienie modulacji efektywnych pasmowo (BEM), techniki: M-PSK, kratowe

kodowanie 8PSK, QAM.∗ Zagadnienia związane ze stosowaniem odbiornika PSK : odzyskiwanie nośnej,

błąd fazy, kodowanie różnicowe.

∗ Przegląd metod korekcji błędów do przodu (Forward Error Correction, FEC): standardowe typy FEC (kody blokowe i splotowe, dekodowanie Viterbi), zysk kodowania, kodowanie łączone, turbo-kodowanie.

Elementy projektowania transponderów

99


∗ Technika widma rozproszonego (Spread Spectrum, SS): wojskowe i komercyjne wykorzystanie SS: ∗ bezpośrednie rozpraszanie kodem pseudolosowym (Direct-Sequence, DS PN SS),

∗ skakanie po częstotliwości (Frequency-Hopping, FH SS) oraz

∗ systemy kodowe (Code Division Multiple Access, CDMA).

∗ Podstawy wielodostępowych systemów komunikacyjnych∗ Zwielokrotnianie i wielodostęp FDD/TDD, FDMA, TDMA

∗ Koncepcja dostępu losowego: ALOHA, CSMA

∗ Techniki dostępu wielokrotnego: FDMA, TDMA, CDMA. DAMA oraz pasmo na życzenie, (Bandwidth-on-Demand, BoD).

∗ Sieci TDMA: szczeliny czasowe, preambuły, przydatność DAMA and BoD.

Zagadnienia wielodostępu

1010


∗ Systemy i sieci komunikacji satelitarnej∗ Charakterystyka IP and TCP/UDP via satelita: Unicast i Multicast.

Zapotrzebowanie na wydajność.

∗ Rozszerzone techniki Proxy(PEP).∗ VSAT - sieci i ich charakterystyki.∗ DVB - standardy i MF-TDMA.

∗ Przyszłościowe SATCOM∗ SATCOM’s - rola w pojawiających się systemach 4G informacyjnych i

komunikacyjnych.

SATCOM - sieci i usługi

1111


∗ Konstantin Tsiolkovsky (1857 - 1935)rosyjski wizjoner po raz pierwszy opisał możliwość lotów kosmicznych za pomocą rakiety wielostopniowej jako środka do osiągnięcia orbity kosmicznej.

∗ Hermann Noordung (1892 - 1929)Postulował orbitę geostacjonarną.

∗ Arthur C. Clarke (1917 – 19 March 2008)Zaproponował koncepcję globalnej łączności satelitarnej z wykorzystaniem orbity geostacjonarnej, wskazał obszar pokrycia, sposoby zasilanie, usługi, elipsę słoneczną

Pionierzy łączności satelitarnej

12

orbita geostacjonarna

Ziemia

satelita

12


1957 Październik 4∗ Sputnik 01 Pierwszy satelita rosyjski

pies Łajka Pierwsza żywa istota w kosmosie na radzieckim satelicie Sputnik 021958

∗ Explorer 01 Pierwszy satelita amerykański∗ Score Pierwszy satelita telekomunikacyjny : transmisja nagranej wiadomości

1959∗ Explorer 07 Pierwszy satelita meteorologiczny

1960∗ Echo 1 Pierwszy pomyślny satelita pasywny∗ Courier 1B Pierwszy pomyślny satelita aktywny∗ Explorer 08 Pierwszy satelita NASA (National Aeronautics and Space Administration, USA)

1961 Kwiecień 12 : ∗ Jurij Gagarin Rosjanin Pierwszy człowiek w kosmosie

1962∗ Echo 1 Pierwszy przekaz telefoniczny i telewizyjny via satelitę∗ Telstar 1 Pierwszy satelita telekomunikacyjny, pierwszy aktywny w czasie rzeczywistym, AT&T∗ Alouette 1 Pierwszy satelita kanadyjski∗ 7 Czerwca dwu-stopniowa rakieta; Rehbar-I pomyślnie wystartowała z bazy Sonmiani, która wyniosła

ładunek 80 funtów sodu na wysokość 130 km w atmosferę. Pakistan stał się trzecim państwem w Azji i 10 w świecie, który dokonał takiego kroku, po USA, Rosji, UK, Francji, Szwecji, Włoszech, Kanadzie, Japonii i Izraelu.

∗ Rehbar-II powtórzył ten wyczyn 9 Czerwca 1962 1963

∗ Telstar 2 Aktywny w czasie rzeczywistym1964 Utworzenie organizacji INTELSAT

∗ Syncom 3 Pierwszy satelita geostatcjonarny, drugi satelita na orbicie ∗ San Marco 1 Pierwszy satelita włoski

Kamienie milowe techniki Satelitarnej

13

Sputnik 1

13

Telstar 1 Dr hab. inż. W. J. Krzysztofik TECHNIKA SATELITARNA

1965 Intelsat 1 staje się pierwszym komercyjnym systemem COMSAT: Early Bird∗ Molniya 1A Pierwszy aktywny w czasie rzeczywistym satelita radziecki:

1967∗ ATS 3 Pierwsza geostacjonarna platforma meteorologiczna

1968∗ ESRO 2B Pierwszy satelita europejski

1969 Lipiec 21 - Neil Armstrong Pierwszy człowiek na księżycu: Amerykanin1970

∗ Ohsumi Pierwszy satelita Japoński∗ Dong Fang Hong 01 Pierwszy satelita Chiński

1971∗ Prospero Pierwszy wystrzelony satelita UK∗ ITU-WARC Zalecenie określające zasady Telekomunikacji Satelitarnej∗ INTELSAT IV umieszczony na orbicie∗ INTERSPUTNIK – powstaje Radziecki odpowiednik INTELSAT

1974∗ ATS 6 Pierwszy satelita radiokomunikacji rozsiewczej

1976∗ MARISAT– Pierwszy system morskiej satelitarnej komunikacji cywilnej

1977∗ EUTELSAT (European Telecommunications Satellite) międzyrządowa organizacja państw Europy –

satelity HotBird, EuroBird, AtlanticBird∗ Zalecenie ITU-WARC for Space Telecommunications in the Satellite Service

1979∗ Inmarsat Utworzenie organizacji (International Maritime Satellite), wyspecjalizowanej agendy ONZ-u

Kamienie milowe techniki Satelitarnej

14

INTELSAT IV

14


1980∗ INTELSAT V umieszczony na orbicie - 3 – osiowo stabilizowany satelita zbudowany przez Ford Aerospace

1983∗ ECS (EUTELSAT 1) umieszczony na orbicie – zbudowany przez Europejskie konsorcjum nadzorowane przez ESA (European

Space Agency)1984

∗ UNISAT zaniechanie projektu angielskiego satelity TV DBS∗ SMM Pierwszy satelita naprawiany na orbicie z promu kosmicznego

1985∗ Brazilsat A1 Pierwszy satelita Brazylijski∗ Morelos 1 Pierwszy satelita Meksykański

1988∗ Astra 1A Pierwszy satelita Luksemburski

1989∗ INTELSAT VI – jeden z ostatnich wielkich „błyszczków" zbudowany przez firmę Hughes, USA∗ Panamsat - utworzenie i rozpoczęcie świadczenia usług∗ BADR-I 16 Lipca 1990, Pakistan umieszcza pierwszego eksperymentalnego satelitę z Chin

1990∗ IRIDIUM, TRITIUM, ODYSSEY i GLOBALSTAR 0S-PCN projekt proponuje – zastosowanie na szerszą skalę CDMA∗ EUTELSAT II umieszczony na orbicie

1992∗ OLYMPUS umieszczony na orbicie - duży Europeski satelita z pasmem Ka, DVB TV i pasmem Ku SS/TDMA - kończy się

niepowodzeniem po 3 latach1993

∗ INMARSAT II - 39 dBW EIRP wiązka globalna, satelita mobilny – zbudowany przez Hughes/British Aerospace 1994

∗ INTELSAT VIII – pierwszy satelita INTELSAT zbudowany przez Hughes w ramach projektu SPACEWAY DirecTV rozpoczyna bezpośrednie nadawanie do domu (Direct Broadcast to Home)

1995∗ Panamsat – Pierwsza prywatna firma dla dostarczania globalnych usług satelitarnych.

Kamienie milowe techniki satelitarnej

15

IRIDIUM

15


∗ 1996∗ INMARSAT III - pierwszy satelita mobilny z anteną wielowiązkową (GE/Marconi) ∗ Echostar rozpoczyna świadczenie usług rozsiewczych (Direct Broadcast Service)

∗ 1997∗ IRIDIUM umieszcza pierwsze satelity testowe ITU-WRC'97

∗ 1999∗ AceS pierwszy satelita w pasmie L MSS Super-GSOs – (Lockheed Martin)∗ Iridium bankrutuje - pierwsza poważniejsza awaria?

∗ 2000∗ Globalstar rozpoczyna świadczenie usług∗ Thuraya na orbicie w pasmie L MSS Super-GSO

∗ 2001∗ XM Satellite Radio rozpoczyna świadczenie usług∗ BADR-B Pakistański 2-gi satelita, omieszczony na orbicie10 XII 2001 - Baikonour Kosmodrom, Kazakstan

∗ 2002∗ Sirius Satellite Radio rozpoczyna pracę∗ Paksat-1, rozwinięty na pozycji 380 E XII 2002

∗ 2004∗ Teledesic system planuje rozpoczęcie działania

∗ 2005∗ Intelsat i Panamsat łączą się∗ VUSat OSCAR-52 (HAMSAT) umieszczony na orbicie

∗ 2006∗ CubeSat-OSCAR 56 (Cute-1.7) - na orbicie∗ K7RR-Sat wystrzelony przez California Politechnic University

∗ 2007∗ Prism umieszczony przez University of Tokyo

∗ 2008∗ COMPASS-1; projekt Aachen University wystrzelony z Satish Dawan Space Center, India, ale nie udało mu się osiągnąć

orbity.

Kamienie milowe techniki satelitarnej

16

Astra 1A


Liczba satelitów wg. państw

17

Państwo Liczba satelitów

USA 441

Rosja 83

Chiny 38

Japonia 37

Indie 16

Luksemburg 13

Kanada 11

Państwo Liczba satelitów

Arabia Saudyjska,

Francja

po 10

Anglia 9

Argentyna, Brazylia,

Izrael, Niemcy

Holandia, Hiszpania

po 6

Iran, Polska

1

„LEM pierwszy Polski satelita naukowy

Rozmiar: 20 X 20 X 20 cmMasa: 6,0 kg

wyniesiony w kosmos - wrzesień 2012


� INTELSAT - oryginalnie międzyrządowa organizacja satelita (INTEr-governmentaL SATellite organization).

� Jest właścicielem i zarządzcą większości, używanych do komunikacji międzynarodowej, satelitów na świecie.

� Zmierza w kierunku "prywatyzacji", w związku z rosnącą konkurencją ze strony operatorów komercyjnych (np. Panamsat, Loral Skynet, etc.).

� Kolejne fazy przekształceń:∗ 1964 Tymczasowe porozumienie 11 krajów

∗ 1973 Utworzenie stałej struktury

∗ 1998 komercyjne "spin-off", New Skies Satellites

∗ IV 2001 całkowita prywatyzacja� Aktualnie INTELSAT ma 143 członków

Intelsat

1818


Struktura organizacyjna Intelsat

1919


∗ IX 1978 otwarcie stałego Sekretariatu∗ 14 Maja 1982 Konferencja międzyrządowa 26 członków przyjęła ostateczny statut.∗ 1 September 1985 Ostateczna struktura organizacyjna weszła w życien

∗ Sekretariat Generalny -> Organ wykonawczy

∗ Rada Wykonawcza -> Zarząd Sygnotariuszy EUTELSAT

∗ Sekretarz Generalny -> Dyrektor Generalny

∗ Obecnie - Giuliano Berretta ∗ Aktualnie prawie 50 członków∗ Zdąża w kierunku prywatyzacji∗ Spółki z ograniczoną odpowiedzialnością posiadają i kontrolują wszystkie aktywa i

działania∗ Również pozostałe organizacje międzyrządowe, które zapewniają przestrzeganie

podstawowych zasad ogólnoeuropejskich świadczenia usług powszechnych na zasadach uczciwej konkurencji.

Eutelsat

2020


Struktura organizacyjna Eutelsat

21


∗ Satelity komunikacyjne mogą być postrzegane jako dużeprzekaźniki mikrofalowe.

∗ Zawierają wiele transponderów, pracujących w różnych zakresach częstotliwości.

∗ Służą do wzmacniania odbieranych sygnałów i nadawania ich z powrotem na Ziemię, na innych częstotliwościach, w celu uniknięcia interferencji.

Satelity komunikacyjne

2222


Celowość wykorzystania Satelitów

Transatlantycka linia radiowa

Maszt o wysokości 750 km

2323


www.ucsusa.org

Misje Satelitarne

2424


∗ Satelity mogą przekazywać sygnały na duże odległości

∗ Satelity geostacjonarne∗ Są umieszczone nad równikiem na wysokości 35 786 km, tj. ok.

36 000 km, na tzw. orbicie geosynchronicznej.

∗ Poruszają się wokół Ziemi dokładnie w czasie takim jak jej obrót.

Transmisja Mikrofal via Satelita

2525


Elementy Systemu Satelitarnego

26

Segment kosmiczny

Segment naziemny

Obszar pokrycia

Stacje naziemne

Satelita

TT&C Stacja naziemna

TT&C - Tracking Telemetry and Command StationSSC - Satellite Control Center, a.k.a.:

26


∗ Faza wystrzelenia satelity∗ Faza przejścia na orbitę∗ Wdrażanie∗ Okres pracy

∗ Etap wyłączenia („usypinia”)

Segment kosmiczny

2727


∗ Zestawienie obiektów, użytkowników i aplikacji

Segment naziemny

28

Satelitarna komunikacja stała Satelitarna komunikacja mobilna

28


∗ Downlink

∗ Linia radiowa od satelity „w dół” do jednej lub kilku stacji naziemnych lub odbiorników

∗ Uplink

∗ Linia radiowa „w górę” ze stacji naziemnej do satelity.

∗ Niektóre firmy (operatorzy) sprzedają usługi uplink i downlink :∗ stacją telewizyjnym, korporacją i innym dostawcą usług

telekomunikacyjnych.

∗ Firma może specjalizować się w użyczaniu łącza, downlink lub obu.

29

Łącza SatelitarneUplink – „w górę” i Downlink – „w dół”

29


Satelitarne łącza w górę i w dół

30

Antena

Stacja w górę Stacja w dół

Antena

Transpondersatelitarny

35 786 km

30


Komunikacja Satelitarna

� Satelita w łączności na duże odległości działa jako przekaźnik.

� Stacja naziemna

� nadaje sygnał do satelity(uplink), który jest następnie

� retransmitowany do naziemnej stacji odbiorczej (downlink).

� W obu transmisjachuplink/downlink są stosowane różne częstotliwości.

31

Orbita geostacjonana

Uplink Downlink

Stacja naziemna Stacja

naziemna

Atlantyk

Kabel

Satelita

31


∗ Naziemne stacje komunikują się ze sobą wysyłając sygnały do satelity torem uplink

∗ Satelita następnie powtarza sygnały i retransmituje torem downlink na Ziemię

∗ Rozsiewczy charakter toru downlink sprawia, że jest on atrakcyjny dla usług dystrybucji programów telewizyjnych

Satelitarna linia transmisyjna

3232


Usługi kierowane bezpośrednio do użytkownika

Łączność jednokierunkowa -ROZSIEWCZA (Broadcasting)

Łączność dwukierunkowa -Telekomunikacja (Communication)

33

Uplink

Downlink

Tk

Rk

Fu

Fd Fd Fd

Fk1 Fk2 Fk3

PrzekaźnikSatelitarny

Przekaźnik 1

Przekaźnik 2

Satelita

Fu1

Fd2

Fd1

Fu2

Tx

TxRx

Rx

33


Używane do przesyłania danych i sygnałów na długich dystansach∗ Prognozy pogody

∗ Telewizja / radiofonia rozsiewcza

∗ Telefonia

∗ Łączność Internetowa

∗ Globalne systemy nawigacyjne

Sygnały satelitarne

3434


Satellite pasma częstotliwości

Pasma

częstotliwości

Downlink

GHzUplink

GHz

C 3,7-4,2 5,925-6,425

Ku 11.7-12.2 14.0-14.5

Ka 17.7-21.2 27.5-31.0

• Pasmo C jest najczęściej używane. • Pasma Ka i Ku są zarezerwowane wyłącznie dla komunikacji satelitarnej,

ale podlegają tłumieniu deszczu.3535


36

Satelity LEO wymagają niższych częstotliwości radiowych:

Anteny terminali przenośnych o bezkierunkowych charakterystykach promieniowania mają mały zysk- typowo G = 0 [dB] = 1 [W/W]

Gęstość promieniowania F w W/m2 na powierzchni ziemiw dowolnej wiązce satelitarnej (footprint) nie zależy od częstotliwości

Moc odbierana F · A [W] , gdzie A [m2] - powierzchnią skuteczną anteny

Dla anten dookólnych A = G λ2/ 4 π = λ2/ 4 π

Na 450 MHz, A = 353 cm2, at 20 GHz, A = 0.18 cm2

Różnica wynosi 33 dB- zatem NIE NALEŻY pracować na 20 GHz z anteną bezkierunkową !

Uwagi do wyboru częstotliwości

1: niższe częstotliwości, większe zasięgi łącza


37

Satelity GEO potrzebują więcej częstotliwości radiowych RF !

Łącza o dużych szybkościach transmisji via satelity GEO potrzebują około 0.8 [Hz] szerokości pasma RF na 1 [bit/s]

Łącze transmitujące dane z szybkością 155 [Mb/s]potrzebuje 125

[MHz] szerokości pasma

W poszczególnych zakresach satelitarnych dostępne kanały RF to:

Uwagi do wyboru częstotliwości

2: wyższe częstotliwości, większe pojemności łącza

Pasmo Szerokość kanałów, [MHz]

Dostępność

C 500 wszystkie zajęte

Ku 750 większość zajęta

Ka 2000 coraz powszechniejsze

Q/V ? ?Dr hab. inż. W. J. Krzysztofik


∗ Ze względu na nachylenie, i, względem płaszczyzny równika ziemskiego:∗ Orbity równikowe ponad równikiem Ziemi (i=0°)

∗ Orbity biegunowe przechodzące

przez oba bieguny (N i S) (i = 90°)

∗ Inne - nazywane orbitami pochylonymi (0°< i <90°)

Typy orbit satelitarnych

3838


∗ Ze względu na o mimośród

∗ Kołowe, ze środkiem w centrum Ziemi

∗ Eliptyczne , z jednym ogniskiem w środku Ziemi

Typy orbit satelitarnych

3939


∗ Ze względu na wysokość orbity satelitarnej∗ GEO (Geostationary Orbits)– orbita geostationarna

∗ ok. 36000 km , równikowa, duże opóźnienia

∗ MEO (Medium Earth Orbits) – średnie orbity Ziemi∗ szerokie pasmo, duża moc, duże opóźnienia

∗ LEO (Low Earth Orbits) – niskie orbity Ziemi∗ mała moc, małe opóźnienia, więcej satelitów, mały obszar pokrycia

∗ VSAT

∗ Very Small Aperture Satellites

∗ prywatne sieci rozległe WAN (Wide Area Networks)

Typy sieci łączności satelitarnej

4040


Orbity satelitów

� Orbita geostacjonarna (GEO): 36000 km nad ziemia, wykorzystywana jest przez komercyjne i wojskowe satelity komunikacyjne, satelity wczesnego ostrzegania przed umieszczaniem rakiet balistycznych.

� Średnie orbity Ziemi (MEO): 5000 - 15000 km nad ziemią, są wykorzystywane przez nawigacjęsatelitarną (GPS, Galileo, Glonass).

� Niskie orbity Ziemi (LEO): 500 do1000 km nad Ziemią, są wykorzstywane przez wojskowe satelity zwiadowcze, satelity meteorologiczne, systemy satelitarnej komunikacji osobistej.

4141


Orbity satelitów

42

Typ orbity Wysokość[km]

Czas okrążeniaZiemi, [godz]

LEO 500-1000 1,6-1,8

MEO 8000-12000 ok. 6 na 10000 km

GEO ok. 35 876 ok. 24

Dr hab. inż. W. J. Krzysztofik


∗ W płaszczyźnie równika

∗ Okres obiegu = 23 h 56 m 4.091 s= 1 dzień siderealny (pełny obrót wiosenny)

∗ Satelita wydaje się być stacjonarny względem dowolnego punktu na równiku:∗ Ziemia obraca się z taką samą szybkością jak satelita∗ Promień orbity r = Horbity GEO + a∗ Średni promień Ziemi a = 6378.14 km

∗ 3 satelity mogą pokryć całą ziemię (po 120°)

GEO - orbita geostacjonarna

4343



44

Satelity geostacjonarne

POLSKA


45

Europejskie satelity radiodyfuzyjne- pozycje orbitalne , numery kanałów i polaryzacja , wg. planu WARC-DBS



∗ Orbity muszą unikać stref radiacyjnych Van Allena∗ regiony naładowanych

cząstek, które mogą spowodować uszkodzenie satelity

∗ Występują na wysokościach

∗ ~2000-4000 km i

∗ ~13000-25000 km

NGSO – orbity nie geostacjonarne

4646



∗ Orbity Ziemi kołowe lub nachylone o H < 1400 km ∗ Satelity przemieszczają się po całym niebie od horyzontu do

horyzontu w czasie 5 - 15 minut => potrzeba handoff∗ Stacje naziemne muszą śledzić satelitę lub posiadać

anteny o półsferycznych charakterystykach promieniowania .

∗ Wymagana jest duża konstelacja satelitów dla zapewnienia ciągłej komunikacji∗ potrzeba 66 satelitów dla pokrycia ziemi

∗ Wymagają skomplikowanej architektury∗ Wymagają śledzenia na ziemi

LEO – niskie orbity Ziemi

4747



LEO – niskie orbity Ziemi

48

- biegunowa konstelacja satelitów telefonii globalnej systemu Iridium

• 66 satelitów• 6 orbit biegunowych• łącza międzysatelitarne

w pasmie Ka• łącza downlink - pasmo L

48



∗ HEO (i = 63.4°) są odpowiednie do zapewnienia pokrycia na wysokich szerokościach geograficznych, łącznie z biegunem na półkuli północnej.

∗ Zależnie od wybranych orbit (np. satelityMolniya, Tundra, itd.) dwie lub trzy satelityzapewniają ciągły czas pokrycia obsługiwanego obszaru.

∗ Cały ruch telekomunikacyjny musi być okresowo transferowany z satelity“zachodzącego” na “wschodzący” (satelitarny handover)

HEO – wysokie orbity eliptyczne

49

Apogeum

Perigeum

Satelita

Ziemia

Orbita HEO

49



www.ucsusa.org

Wykorzystanie orbit satelitarnych

5050



Dlaczego satelity pozostają na orbitach ?

51

Siła odśrodkowa

Siła grawitacyjna

szybkośćsatelity

ZiemiaOrbita

F1

= F2

51

gdzie:M , m - masy ciałr - odległość między ich środkamir’ - promień toru ruchu ciałav - prędkość ciałak = 6,67 10-11 [Nm2/kg2] - stała

Wzajemny ruch ciał w przestrzeni kosmicznej odbywa się na zasadzie równowagi dwóch podstawowych sił:

- siły odśrodkowej

- siły przyciągania (grawitacji)




5252

gdzie:M , m - masy ciałr - odległość środek Ziemi - satelitav - prędkość satelity w odległości rkM = k M - stałaa - półoś dużej elipsy

Wykorzystując drugą ważną zasadę mechaniki ruchu: STAŁÓŚĆ sumy ENERGII KINETYCZNE J i POTENCJALNEJ otrzymamy:

- energia kinetyczna

- energia potencjalna



Ruch po orbicie eliptycznej

5353




5454



Trajektorie satelitów Ziemi

5555

• Orbita swobodnego ruchu satelity jest jedną z możliwych krzywych stożkowych (krzywa drugiego stopnia), a centrum siły grawitacyjnej znajduje się w jednym z jej ognisk.

• Krytyczna prędkość satelity na orbicie

• W ruchu po orbicie można wyróżnić 4 trasy:v < v0 - satelita wraca na Ziemię

v = v0 - satelita okrąża Ziemię, kierunek prędkości decyduje o położeniu elipsy.gdy kierunek jest równoległy do płaszczyzny Ziemi – ORBITA KOŁOWAv > v0 - satelita opuszcza strefę Ziemi i porusza się po trajektorii para- lub hiperbolicznej.

a

a

b

bc

c

d

d

v < v0v = v0

v = v0

v > v0

r0

m

Ziemia



∗ Można pokryć duży obszar geograficzny∗ Elastyczne (jeśli transpondery są przeźroczyste) ∗ Łatwo doinstalować nowe urządzenia∗ Koszty układów niezależnie od odległości∗ Możliwość emisji rozsiewczej∗ Tymczasowe (ad-hoc) zastosowania (rekonfiguracja)∗ Zastosowania niszowe∗ Aplikacje mobilne (zwłaszcza „uzupełniające") ∗ Omijanie "by-pass" sieci naziemnych∗ Świadczenia usług dla obszarów oddalonych lub słabo rozwiniętych∗ Użytkownik ma kontrolę nad własną siecią∗ Możliwość transmisji z 1 do N-punktów oczekujących

Zalety komunikaji satelitarnej

5656



∗ Duży kapitał początkowy

(koszty segmentu kosmicznego i umieszczenia na orbicie)

∗ Interferencje i

∗ Opóźnienie propagacyjne

∗ Przeciążenie dostępnych zakresów częstotliwości

∗ Ograniczona, ze względu na dogodną lokalizację względem obsługiwanego obszaru, liczba pozycji na orbitach

Wady komunikacji satelitarnej

5757



1. Wtedy gdy unikalne cechy łączności sprawiają, że satelity są atrakcyjne2. Gdy koszty łącza satelitarnego są niższe niż transmisji lądowych3. Gdy nie ma alternatywy - jest to jedyne rozwiązaniePrzykłady:

∗ Komunikacja ze statkami i samolotami (przede wszystkim bezpieczeństwołączności)

∗ Transmisje TV – linie dosyłowe, bezpośrednio do głowicy kablowej CATV, wprost do domu

∗ Transmisja danych – sieci prywatne∗ Przeciążony ruch telekomunikacyjny∗ Opóźnienia inwestycji naziemnych∗ Przekaz od 1 do N różnych odbiorców∗ Wydarzenia specjalne (katastrofy, Olimpiady, wojny, …)∗ Obserwacje dużych obszarów – geologia, geografia, inwigilacja,

monitoring, …

Kiedy wykorzystywać satelity ?

5858



∗ PSTN - łączność satelitarna staje się coraz mniej ekonomiczna dla większości magistrali telefonicznych o dużym ruchu (traffic)

∗ ale, ciągle zastosowania satelitów jest uzasadnione dla realizacji telefonii takiej jak: ważne trasy o niedużym ruchu, różnorodne, dla ruchu na bardzo długich trasach, w obszarach oddalonych.

∗ Komunikacja mobilna lądowa / osobista – w obszarach miejskich krajów rozwiniętych gdzie nowe infrastruktury naziemne prawdopodobnie będą dominować (np. GSM, itp.)

∗

∗ Satelity mogą uzupełniać świadczenie usług istniejących sieci naziemnych, realizować podobne usługi w obszarach wiejskich i w krajach słabo rozwiniętych

Kiedy stosować systemy naziemne ?

5959



∗ Pasma częstotliwości są przydzielane do różnych służb przez World Radio-communication Conferences (WRCs).

∗ Przydziały są zawarte w Artykule S5 ITU Radio Regulations (Regulamin Radiokomunikacyjny).

∗ Należy zwrócić uwagę, że (z kilkoma wyjątkami) pasma przydzielane są przeważnie więcej niż jednej służbie radiowej (bywa że służby naziemne i satelitarne wykorzystują nakładające się pasma –wymagana koordynacja).

∗ OGRANICZENIA∗ Pasma są tradycyjnie dzielone na “komercyjne" i „rządowe/wojskowe", mimo,

że nie znajduje to odzwierciedlenia w Regulaminie Radiokomunikacyjnym.∗ Podział ten staje się mniej wyraźny, jak operatorzy „komercyjni" zaczynają

wykorzystywać pasma „rządowe".

Zakresy częstotliwości przypisaneFSS (Fixed Satellite Service)

6060



Atmosfera ziemska

61



Różne rodzaje strat w atmosferze mogą utrudniać transmisję fal radiowych w liniach satelitarnych:

∗ Absorbcja atmosferyczna

∗ Tłumienie atmosfery

∗ Przemieszczające się zakłócenia jonosferyczne

Straty w atmosferze

6262



∗ Pochłanianie energii przez gazy atmosferyczne∗ zmienia się z częstotliwością fal

radiowych.

∗ Występują dwa piki absorpcyjne(przy kącie elewacji 90º - zenit):∗ 22.3 GHz od absorpcji rezonansu

pary wodnej (H2O)∗ 60 GHz od rezonansowej absorpcji

tlenu (O2)

∗ Dla pozostałych kątów elewacji:

[AA] = [AA]90 cosec θ

Absorpcja atmosferyczna

Źródło: Satellite Communications, Dennis Roddy, McGraw-Hill

63

Częstotliwość, GHz

Całk

ow

ite t

łum

ienie

zenitaln

e, dB



∗ Deszcz jest główną przyczyną tłumienia atmosfery (grad, lód i śnieg mają niewielki wpływ na tłumienie ze względu na ich niskie zawartości wody).

∗ Całkowite tłumienie deszczu można określić ze wzoru:A = αL [dB]

gdzie:

α [dB/km] jest nazywane tłumieniem specyficznym, które można obliczyć na podstawie współczynników tego tłumienia, dostępnych w Zaleceniach ITU

L [km] jest efektywną długością drogi sygnału w deszczu, która jest różna od trasy geometrycznej w wyniku fluktuacji intensywności opadów.

Tłumienie atmosferyczne

6464



∗ Przemieszczające się zaburzenia jonosferyczne są wywoływane chmurami elektronów w jonosferze, które powodują wahania sygnału radiowego, dające się określić w sensie statystycznym.

∗ Największe znaczenie mają zaburzenia powodowane:∗ scyntylacjami i∗ rotacją polaryzacji.

∗ Scyntylacje są wahaniami amplitudy, fazy, polaryzacji lub kąta odbioru fal radiowych, spowodowane przez , zmienne w czasie, niejednorodności jonosfery.

∗ Głównym wynikiem scyntylacji są zaniki sygnałów.

Przemieszczające się zaburzenia jonosferyczne

6565



∗ Polaryzacja jest właściwością fal EM, która określa kierunki poprzecznego pola EM.

∗ Ponieważ fale EM zawierają zmienne, prostopadłe do siebie pola elektryczne i magnetyczne.

∗ Należy przyjąć jakąś konwencję określania polaryzacji sygnału.

∗ Zwykle, ignoruje się pole magnetyczne i bierze pod uwagę tylko płaszczyznę pola E.

Co to jest polaryzacja?

6666



∗ Polaryzacja liniowa (pozioma lub pionowa):∗ dwie ortogonalne składowe pola

E są w fazie;∗ Kierunek linii w płaszczyźnie

zależy od względnych amplitud obu składowych pola E.

∗ Polaryzacja kołowa:∗ Dwie składowe, o jednakowych

amplitudach, są przesunięte w fazie o 90º.

∗ Polaryzacja eliptyczna:∗ wszytkie pozostałe przypadki.

Rodzaje polaryzacji

Polaryzacja liniowa, LP

Polaryzacja kołowa CP

Polaryzacja eliptyczna

6767



∗ Zmienna polaryzacja pionowa i pozioma jest szeroko stosowana w łączności satelitarnej

∗ Powoduje to zmniejszenie zakłóceń interferencyjnych między programami nadawanymi w tym samym paśmie częstotliwości z sąsiednich satelitów (jedne stosująpionową, sąsiednie - poziomą, itd)

∗ Pozwala to zmniejszyć odległości kątowe między satelitami.

Komunikacja satelitarna

68

Satelity z polaryzacją liniową

Ziemia


69

Literatura

LITERATURA PODSTAWOWA:

1. Leonard Knoch (red), Systemy radiokomunikacji satelitarnej, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności WKiŁ, 1980

2. Daniel J.Bem, Systemy telekomunikacyjne cz.3 Radiolokacja i radionawigacja, Wyd. PWR, Wrocław 1991.3. Ryszard J. Zieliński, Satelitarne sieci teleinformatyczne, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, WNT,

Warszawa, 20094. Jurdziński M., Systemy morskiej nawigacji satelitarnej, Wydawnictwo Morskie, Gdańsk 1981.5. Wereszczyński J. , Podstawy nawigacji przy użyciu sztucznych satelitów ziemi, PWN, Warszawa 1971. 6. Janusz Narkiewicz, GPS i inne satelitarne systemy nawigacyjne, WKiŁ, Warszawa, 2007. 7. Janusz Narkiewicz, GPS globalny system pozycyjny : budowa, działanie, zastosowanie, WKiŁ, Warszawa,

2003.8. Józef Pawelec, Radiosterowanie i łączność kosmiczna, WKiŁ, Warszawa 19919. Krzysztof Hejko, Precyzyjne elektroniczne pomiary odległości i katów, WNT, Warszawa, 1987

LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA:

1. Ahmed El-Rabbany, Introduction to GPS : the global positioning system, Boston, Artech House, 2002.2. Killen Harold B., Transmisja cyfrowa w systemach światłowodowych i satelitarnych, WKiŁ, 19923. Bruce R. Elbert, The Satellite Communication Applications Handbook, Artech House Publishers , ISBN:

15805349024. Dennis Roddy, Satellite Communications, McGraw-Hill Professional, ISBN: 00713717615. Michael O. Kolawole, Satellite Communication Engineering, Marcel Dekker, Inc., ISBN: 082470777X6. Internet

69


1-_Wyk_ad_TECHNIKA_SATELITARNA_WJK_2012

Documents

Transcript of 1-_Wyk_ad_TECHNIKA_SATELITARNA_WJK_2012