Otázka č.15 Satelitní komunikace

Otázka č.15: Satelitní komunikace

Otázka č.15 Satelitní komunikace Satelity na geostacionárních a eliptických drahách Satelitní (družicové) spojení je jistým druhem dálkového spojení. Je to výhodný retranslační prostředek. Vzdálenost družice od místa vysílání respektive příjmu je asi 42 000 km. Je to podobná vzdálenost jako obvod zeměkoule na rovníku. Také cena vývoje a vypuštění družice, udržování spojení a služby na pozemních stanovištích jsou horentní. Přesto rozložením nákladů mezi milióny uživatelů produktů satelitního spojení si dnes může například příjem satelitní televize dovolit téměř každá rodina. Obecně platí, že čím více uživatelům jsou zařízení mikroelektroniky přístupnější, tím vycházejí zařízení pro uživatele levněji. I přes velkou vzdálenost spojení vychází například srovnání kvality různých způsobů televizního vysílání pro DVB-S. Přitom k příjmu je kromě televizoru zapotřebí jen parabolické zrcadlo, konvertor a satelitní přijímač. Původní význam slova satelit je člen družiny, průvodce, ale také měsíc. První umělý satelit – bezpilotní družice Sputnik 1 byl vypuštěn v SSSR 4. října 1957, na oběžné dráze se udržel jen 92 dnů. Američané tak učinili v únoru 1958 (Explorer 1). První telekomunikační satelit Intelsat (1965) vážil 39 kg a současně mohl zpracovat 240 telefonních kanálů, dnes zvládají telekomunikační družice i více než 12000 kanálů. Ať už se jedná o satelit přirozený nebo umělý, musí k oběhu kolem Země splňovat podmínku: Fo = Fg kde Fo je síla odstředivá, Fg přitažlivá síla Země. Třením s horními vrstvami atmosféry se snižuje kinetická energie pohybující se družice, což se projeví snížením odstředivé síly a přibližováním k Zemi. V případě televizního satelitního vysílání se výkony vysílačů na družicích pohybují kolem 53 dBW ERP, což je 200 kW. Jedná se tedy o výkon srovnatelný s výkony pozemních vysílačů. Vzdálenost, na kterou dopraví signál, je ovšem nesrovnatelná, stejně tak i plocha pokrytí signálem. Z tohoto pohledu je DVB-S naprosto nepřekonatelná technologie. Umělé družice země se používají mimo jiné jako převáděče vkv signálu pro zvětšení dosahu radiového spoje. S umístěním družic ve velkých výškách souvisí i jedna z nevýhod spojení, a to velký útlum – radiová vlna musí projít dvakrát ionosférou. Útlum se zvyšuje s rostoucí frekvencí. Druhou nevýhodou družicového spojení pomocí nestacionárních družic je jejich pohyb. dráha družice Jako u každého jiného spojení za použití převáděčů je stínová dráha nutné i u družic dodržet optickou viditelnost míst spojení s družicí, což na některých místech Země není možné. ozářená Maximální vzdálenost obou stanic je dána průměrem plocha kruhové plochy Země, ozářené družicí. Příklad dráhy rovník družice na obecné eliptické dráze je na obrázku 1, pro družice geostacionární na obr. 2. Pro obě stanice musí být obr.1 družice „nad obzorem“. Spojení bychom jednou družicí vůbec nenavázali mezi stanicemi tzv. „protinožců“.

1


Vzdálenost spojení tedy závisí na i na poloze i na výšce družice. Dráhy družic jsou zdánlivě eliptické, ve skutečnosti se výška družice nad povrchem země vlivem brzdných účinků prostředí zmenšuje a družice se pohybuje po eliptické spirále. V hustších vrstvách atmosféry pak po jisté době družice shoří. Doba existence družice od její vypuštění po zánik je tedy samozřejmě úměrná počáteční výšce dráhy. Podle výšky počáteční dráhy se tyto dělí na dráhu nízkou a dráhu vysokou. Nízká dráha: Výhody: obr.2

-

levnější doprava na oběžnou dráhu (jako „spoluzavazadlo“ s meteorologickou družicí)

- menší útlum signálů a tedy menší náročnost na zařízení pozemní stanice (menší výkon) poloha družice je lépe predikovatelná a nastavení pozemních je snazší

Necvýhody: -

menší dosah (asi 8000 km) – na druhé straně pokrývá méně stanic, potřebuje menší výkon a stačí menší šířka kanálů

-

velký posun v kmitočtu vlivem Dopplerova1 efektu

-

nutnost stálého směrování antény

-

krátká doba přeletu, které omezí dobu spojení nejvzdálenějších míst jen na několik desítek sekund

Vysoká dráha: Výhody: -

oběžná doba je srovnatelná s délkou dne a může pracovat nepřetržitě až deset hodin

-

lze snadno navazovat spojení na velké vzdálenosti

-

nižší nároky na směrovost antén vlivem pomalého pohybu družice vůči místu vysílání, respektive místu příjmu

-

menší změna Dopplerova efektu

kmitotu

vlivem

Nevýhody: -

větší útlum

-

větší cena vypuštění družice

1

Přibližuje-li se zdroj periodického vlnění, vnímá jej pozorovatel jako kmitočet vyšší než skutečně je a obráceně při pohybu zdroje kmitotu od pozorovatele se jeví frekvence nižší než skutečně je. Maximální odchylka při východu družice (+) a při západu družice (-) v pásmu 32 MHz je větší než 8 kHz, tzn. 1,8.10-4%. Jev se při cestě signály ze Země na družici a zpět na Zemi uplatní dvakrát. Je možno provádět transpozici, aby se vliv na obou trasách odečetl. Dopplerův jev je minimální v poloze družice nad stanovištěm zdroje či příjemce signálu. Obecně je možné naladění na protistanici jen při současném poslechu vlastního signálu z družic převáděče. 2


Nejdůležitější komponenty vybavení družice: -

napájecí blok o panel slunečních baterií, o akumulátor, o stabilizátor napětí

-

majákový vysílač má výkon asi 100 mW, jeho poslech na Zemi je možný i s jednoduchou anténou; zprostředkovává potřebných elektrických a fyzikálních dat a údajů palubních zařízení (proudy, napětí, vf výkon, teplota apod.)

-

povelový přijímač s ovládací části, reagující na povely vysílané pozemní řídící stanicí

-

anténní systémy o u družic na nízké dráze dipóly nebo čtvrtvlnné pruty i složitější antény o u družic na vysoké dráze soustavy zářičů napájených s fázovým posuvem – k dosažení polarizace a žádaného zisku

-

stabilizátor polohy k potlačení vlastní rotace družice s anténou pro kruhovou polarizaci a k potlačení úniku signálu přijímaných na Zemi

-

vlastní převáděč (transportér) sestává z o přijímače o vysílače

Převáděče jsou širokopásmové, lineární, tzn. bez modulace. Frekvence kmitotu přijatého z pozemní stanice je jiný, než signál vyslaný z převáděče zpět k Zemi. Pro sestupnou (downlink) trasu jsou voleny nižší frekvence než vzestupnou (up-link), výkon vysílače na družici nemůže být tak velký jako na zemských stanicích a útlum na sestupné trase by měl být nižší, čemuž je u nižší frekvence skutečně tak. Pro eliminování nebo alespoň omezení Dopplerova jevu se na UHF provádí inverzní transpozice frekvence. Kmitočtové transpozice z jednoho pásma do druhého jsou dány tzv. módem. Příklad používaných módů: Označení módu

up-link

down-link

A

145 MHz

24 MHz

B

435 MHz

145 MHz

J

145 MHz

435 MHz

JL

145 MHz a 1296 MHz

435 MHz

K

21 MHz

29 MHz

KA

21 a 145 MHz

29 MHz

KT

21 MHz

2 a 145 MHz

L

1246 MHz

435 MHz

S

435 MHz

2400 MHz

T

21 MHz

145 MHz

3


Pozemní vysílač pro družicové spojení Stačí i vysílače s výkonem 100W s dipólem nebo GP anténou. Je nutné regulovat vyzářený výkon. Převáděč totiž lineárně zpracovává vstupní signály jen do určité úrovně, při přebuzení nastává automatické řízení zisku a převáděč sníží citlivost pro všechny účastníky provozu. Požadavky na přijímač pozemní stanice – neliší se příliš od ostatních typů přijímačů Citlivý selektivní přijímač vyžaduje jemné ladění a přesné čtení kmitočtu. Geostacionární dráha V úvodu kapitoly byl uveden vztah pro rovnost síly odstředivé a gravitační. Pro pohyb kosmických těles platí Keplerovy zákony, popisující dráhy planet ve sluneční soustavě. Pro charakterizací drah jsou rozhodující parametry: -

vzdálenost dráhy od povrchu Země

-

čas obletu kolem Země (perioda)

-

úhlová rychlost pohybu těles

Fo družice Fg

Pokud by dráha byla ideálně kruhová, platil by vztah pro úhlovou rychlost družice:

631,35 w= a

oběžná dráha h

R a

[km / s]

přičemž a = R + h , kde R = 6371 km je střední poloměr Země, h výška dráhy od zemského povrchu v km.

obr.3

Doba oběhu družice kolem Země

æaö T = 84,491 ç ÷ èRø

3

[min ]

Například pro h = 525 km je w =

631,35 = 7,6 km/s 6371 + 525

Výška dráhy [km]

Úhlová rychlost [m/s]

Doba oběhu

439

7,66

93,01min

829

7,44

101,3 min

1629

7,06

118,69 min

3629

6,31

165,64 min

13 629

4,47

7 hod 49 min 43 sec

35887

3,07

24 hod

Při výšce dráhy nad Zemí (rovníkem) asi 36 000 km je úhlová rychlost družice shodná s úhlovou rychlostí Země. Takovou dráhu můžeme nazvat jako „synchronní“

4


nebo“geostacionární“. Družice se na ni jeví pozorovateli jako stálice a odpadá tedy neustálé přesměrovávání antén. Převáděče na takové družici lze použít pro přenos zpráv, telefonu, televizních programů. Nasměrování geostacionárních družic http://www.qsl.net/ok1cfp/satcalc.htm.

je

možné

vypočíst

např.

na

adrese

Úhel, který svírá rovina v níž probíhá dráha družice a rovina proložena rovníkem se nazývá inklinace (i). Polární dráha i = 90° Rovníková dráha i = 0° i

Směrování při startu je výhodnější od východního směru, při němž využijeme i rychlost otáčení Země kolem své osy. Tato rychlost je největší na rovníku (0,304 km/s) a směrem k pólům se snižuje. Směrování družice při startu západním směrem spotřebuje pro uvedení rakety na potřebnou rychlost více energie. Například, chceme-li vynést raketu s družicí na výšku h = 829 km na konečnou rychlost 7,44 km/s potřebujeme uvést raketu na počáteční rychlost při startu (na rovníku) -

východním směrem 7,44 – 0304 = 7,136 km/s

-

západním směrem

7,44 + 0,304 = 7,714 km/s

Mimo rovník jsou samozřejmě tyto rozdíly menší. Přehled satelitů na geostacionární dráze včetně přímých linků na přehledy digit. TV stanic v Ku pásmu a info o satelitech ke dni 20.10.2008, podle http://www.parabola.cz/satelit/

pozice

pásmo

satelity

C Ku

datum

90,0°E

Jamal-201

83,0°E

Insat 2E

-

83,0°E

Insat 4A

-

80,0°E

Express AM-2

78,5°E 76,5°E

Thaicom 2 Thaicom 5 Telstar 10

pozice

26.08.08 16,0°E

satelity Eutelsat W2

pásmo C Ku

datum 18.10.08

Hot Bird 2 13,0°E

03.10.08

Hot Bird 6 Hot Bird 7A

18.10.08

Hot Bird 8

-

5

10,0°E

Eutelsat W1

16.10.08

09,0°E

Eurobird 9

18.10.08


75,0°E

ABS 1 (LMI 1)

74,0°E

Insat 3C

72,0°E

Intelsat 4

70,5°E

Eutelsat W5

68,5°E

Intelsat 7 Intelsat 10

15.10.08 07,0°E 25.03.08 05,0°E 20.07.08 04,0°E

09.10.08

64,0°E

Intelsat 906

27.02.08

62,0°E

Intelsat 902

03.07.08

60,0°E

Intelsat 904

18.09.08

57,0°E

NSS 703

02.05.07 05,0°W

56,0°E

Bonum-1

17.09.08

Express AM-22

49,0°E

Jamal 202

-

46,0°E

Afrisat 1 (inkl. 0,8°)

-

45,0°E

Intelsat 12

42,0°E

Türksat 2A Türksat 3A

07,0°W

08,0°W

Atlantic Bird 2 Telecom 2D (inkl. 2,1°)

19.10.08

08.08.08

15,0°W

Telstar 12

24.09.08

18,0°W

Intelsat 901

10.11.07

20,0°W

Intelsat 603

-

09.10.08 22,0°W

NSS 7

30.06.08

24,5°W

Intelsat 905

17.10.08

27,5°W

Intelsat 907

15.06.08

Optus A3 (inkl. 9,2°)

13.10.08

Astra 1D

30,0°W 13.10.08

Türksat 1C -

Eurobird 1 Astra 2A 18.10.08

Astra 2C Astra 2D Badr 3

19.10.08

NileSat 103 (Atlantic Bird 4)

Express A4

31,5°E

26,0°E

NileSat 102

17.10.08 14,0°W

11.10.08

Astra 2B

17.10.08

16.10.08

Eurobird-3

28,2°E

Atlantic Bird 3

15.10.08

Atlantic Bird 1

33,0°E

Arabsat 2B

Amos-2

12,5°W

09.10.08

30,5°E

Amos-1

25.09.08

Hellas SAT 2

Astra 5A

17.10.08

Express A3

39,0°E

31,5°E

Thor 5

11,0°W

03.10.08

Eutelsat W4

14.05.08

NileSat 101

12.09.08

Express AM-1

36,0°E

04,0°W

12.09.08

40,0°E

Eutelsat Sesat

Eurobird 4

Intelsat 10-02

-

53,0°E

17.10.08

Thor 3

27.02.08 01,0°W

Insat 3E

Sirius 4 Thor 2

Intelsat 704

Intelsat 702

09.10.08

Sirius 3

66,0°E

55,1°E

Eutelsat W3A

19.10.08

6

Hispasat 1C Hispasat 1D

17.10.08

31,5°W

Intelsat 801

01.07.08

34,5°W

Intelsat 903

-

37,5°W

Astra 4A

08.07.07

40,5°W

NSS 806

-

43,0°W

Intelsat 3

08.09.08

45,0°W

Intelsat 1R

12.02.07

50,0°W

Intelsat 705

-

53,0°W

Intelsat 707

-

55,5°W

Intelsat 805

-


Badr C

Intelsat 9

58,0°W

12.02.07

Badr 2 (Eurobird 2) Badr 4 Badr 6 Astra 3A

23,5°E

Astra 1E

21,5°E

Eutelsat W6

21,0°E

AfriStar

19.10.08 22.09.08 -

Astra 1F Astra 1G Astra 1H

19,2°E

18.10.08

Astra 1KR Astra 1L AKTUALIZACE:

pozice satelit C-pásmo

dnes, včera

před 2 až 4 dny

před 5 až 7 dny

starší

VYSVĚTLIVKY K PŘEHLEDU: aktivní linky - přehled digitálně vysílaných programů v KU-pásmu aktivní linky - technická data o satelitu 3,5 až 8 GHz

Ku-pásmo 10 až 18 GHz Uvedený satelit má vysílací transpondéry v uvedeném pásmu Uvedený satelit NEmá či NEpoužívá vysílací transpondéry v uvedeném pásmu datum datum představuje poslední aktualizaci na dané sat.pozici V přehledu jsou pouze družice, které lze přijímat v ČR a na Slovensku

Polohy družice se tedy uvádějí ve stupních východně nebo západně od nulové polohy, tj. od poledníku, procházejícího městem Greenwich ve Velké Británii. Z každého místa na Zemi je vidět jen část orbity. U nás je to od 66° východně do 53° západně. Nás zajímají především pásma: 10,97 – 11,7 GHz 12,5 – 12,75 GHz 11,7 – 12,5 GHz u družicového DBS pásma (Direct Broadcasting Satellites), které jsou z ČR vidět. C pásmo nás zajímá méně než Ku. Družice jsou rozmístěny na dráze s určitou separací uváděnou ve stupních. Přísně je předepsána separace u družic DBS. U družic pásma 11 GHz – 12,5 GHz není předpis tak rigorózní. Při separaci < 3°moho vzájemné interference rušit příjem, proto se volí větší. V jedné poloze může být umístěno několik družic. Podívejte se např. v tabulce výše na rozmístění několika družic ASTRA v jedné poloze 19,2° 7


Popis satelitu lze nalézt třeba na internetu, příklad družice Intelsat 10-02 je na adrese http://www.parabola.cz/satelit/intelsat-10-02/

Intelsat 10-02 (1°W) Datum vynesení satelitu: 17.června 2004, 27 minut po půlnoci Nosná raketa: Proton-M Umístění satelit: 1°W Počet transpondérů v C-pásmu: 70 Počet transpondérů v Ku-pásmu: 24 EIRP transpondérů v C pásmu: global beam (EIRP od 32 do 35 dBW), hemi beam (EIRP od 37 do 42 dBW) a zone beam (EIRP od 37 do 46,9 dBW). EIRP transpondérů v Ku pásmu: Spot1 (až 54 dBW), Spot2 (až 54 dBW) a Spot3 (až 55,3 dBW) Mapky pokrytí signálem družicí Intelsat 10-02 v Ku pásmu. SPOT1

SPOT2

SPOT3

Tento svazek (Spot3) používá i platforma Digi TV). Na adrese http://www.parabola.cz/satelit/ lze nalézt tyto podrobné informace i o dalších satelitech. Aktualizovaný seznam satelitů naleznete především v databázi Řídícího střediska satelitního vysílání SatcoDX na adrese http://www.satcodx.com/ces/. Velký katalog družic a kosmických sond naleznete na webové adrese knihovny Akademie věd ČR http://www.lib.cas.cz/space.40/. Tato databáze obsahuje přehled všech úspěšných kosmických startů od roku 1957 do současnosti a stručný popis jednotlivých funkčních objektů (družic a 8


kosmických sond) vypuštěných do vesmíru, stručný přehled astronautů, kosmodromů a nosných raket. Také doporučuji navštívit přehled družic http://www.satcentrum.com/druzice/ Eliptické dráhy Obecně mohou nastat dva případy 1 ) v < vpožadovaná 2) v > vpožadovaná Pro udržení družice na oběžné dráze je potřebná určitá rychlost vpožadovaná. Oba případy platí pro eliptickou oběžnou dráhu. Bod na kterém družice začne svou dráhu v případě 1) se nazývá apogeum, v případě 2) perigeum. perigeum apogeum

družice

apogeum

družice perigeum

Eliptická dráha může být pro družici dráhou oběžnou, na níž se neustále pohybuje (eliptická spirála) nebo může sloužit, po dodatečném zapálení motoru rakety k dosažení vyšší oběžné dráhy rakety. Družice pak může pomocí přídavných motorů obíhat i po dráze kruhové. Proces má tyto fáze: - družice je vypuštěná na eliptickou dráhu; předpokládejme, že je družice vybavená přídavnými raketami (na obr. modrá dráha) - družice dosáhne apogea, přídavná raketa se zapálí tak, aby v apogeu v > vpožadovaná pro původní dráhu - družice zane opět opisovat eliptickou dráhu, ale její původní apogeum se stane novým perigeem (na obr. červená dráha) - nové apogeum leží ve věší výšce, posunuté o 180° proti původnímu - takto se můžeme dostávat stále na vyšší dráhy - postupným regulováním rychlosti rakety lze přeměnit eliptickou dráhu na kruhovou. Při uvádění spojových a televizních satelitů na oběžné dráhy se používá výhradně princip podle obr.

9

Obr. 4


10

Otázka č.15 Satelitní komunikace

Recommend Documents