Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Системы мобильной спутниковой связи представляют сравнительно новый, очень мощный, гибкий и быстроразвивающийся вид мобильной связи. Под спутниковой связью понимают передачу сообщения от одной земной станции (ЗС) к другой через космическую станцию, размещенную на ИСЗ. Широкому использованию ИСЗ для целей связи и передачи данных способствуют такие преимущества спутниковой связи, как:

- высокая "связность" - возможность быстро соединять между собой десятки и сотни ЗС, удаленных на значительные расстояния;

- гибкость сети по отношению к изменениям ее конфигурации и графика отдельных ЗС;

- независимость в широких пределах затрат на канал от расстояния между абонентами;

- незначительное влияние атмосферы и географических особенностей окружающей местности на устойчивость связи;

- небольшие затраты энергии на поддержание ИСЗ на орбите.

За последние годы создано большое число систем спутниковой связи (ССС), различных по назначению, обслуживаемой территории, составу, числу и пропускной способности каналов. Для передачи информации между ИСЗ могут организовываться линии межспутниковой связи, повышающие гибкость спутниковых систем. По охвату территорий, размещению и принадлежности ЗС, структуре управления спутниковые системы связи подразделяют на ведомственные, национальные, международные, а также на региональные или глобальные системы.

Также широкое распространение получили радиорелейные линии связи, которые позволяют передавать телевизионные программы и одновременно сотни и тысячи телефонных сообщений на огромные расстояния.



1. Техническое задание

1.1 Американский спутник Landsat

Произвести энергетический расчет линий «вниз» и «вверх» для спутниковой системы связи:

- определить значения мощностей передатчика и приемника на линиях «вниз» и «вверх», при которых спутниковый канал надежно работает в условиях помех и не содержит излишних энергетических запасов;

- построить диаграмму уровней сигнала на линиях «вверх» и «вниз» для заданной спутниковой системы.

Таблица 1 - Параметры передающих КС

Система	A
Наклонение	98,2 град.
d, км	40842
Диапазон f, ГГц	15,6-14,8
Эффективная полоса частот fш, ГГц	12
Отношение сигнал/шум Рс/Рш, дБ	14.9
КПД АФТ	0,85

Таблица 2- Параметры приемных ЗС

Система	В
Координаты	73° в.д. 49° с.ш.
Диапазон f, ГГц	13,6-16,8
Диаметр антенны DA, м	9
Эффективная полоса частот fш, МГц	33
Коэффициент шума приемника КШ	7
Шумовая температура антенны ТА, К	100
КПД АФТ	0,85



2. Американский спутник Landsat-8

2.1 Американский спутник Landsat-8

спутник связь энергетический приемник

Landsat -- искусственный спутник Земли одноимённой программы «Landsat», предназначеный для получения спутниковых фотоснимков планеты.

Программа Landsat -- наиболее продолжительный проект по получению спутниковых фотоснимков планеты Земля. Первый из спутников в рамках программы был запущен в 1972 году; последний, на настоящий момент, Landsat 8 -- 11 февраля 2013 года. Оборудование, установленное на спутниках Landsat, сделало миллиарды снимков. Снимки, полученные в США и на станциях получения данных со спутников по всему миру, являются уникальным ресурсом для проведения множества научных исследований в области сельского хозяйства, картографии, геологии, Лесоводства, разведки, образования и национальной безопасности. К примеру, Landsat 7 поставляет снимки в 8 спектральных диапазонах с пространственным разрешением от 15 до 60 метров на точку; периодичность сбора данных для всей планеты изначально составляла 16-18 суток.

История программы Landsat по получению спутниковых фотографий Земли:

В 1969 году, в год полёта человека на Луну, в исследовательском центре Hughes Santa Barbara начали разработку и производство первых трех Мультиспектральных сканеров (MSS, Multi-Spectral-Scanners). Первые прототипы MSS были изготовлены в течение 9 месяцев, к осени 1970 года, после чего они были протестированы на гранитном куполе Хаф-Доум в национальном парке Йосемити. Изначальная оптическая схема MSS создана Jim Kodak, инженером по разработке опто-механических систем, который также спроектировал оптическую камеру КА программы Пионер, ставшую первым оптическим прибором, покинувшем Солнечную систему. В момент создания в 1966 году программа называлась Earth Resources Observation Satellites (Спутники наблюдения за ресурсами Земли), но в 1975 году программу переименовали. В 1979 году, Президентской Директивой № 54, президент США Джимми Картер передал управление программой из NASA в NOAA, рекомендовав разработку долговременной системы с 4 дополнительными спутниками после Landsat 3, а также передачу программы в частный сектор. Это произошло в 1985 году, когда группа из Earth Observation Satellite Company (EOSAT), Hughes Aircraft и RCA, были выбраны NOAA для управления системой Landsat в рамках десятилетнего контракта. EOSAT управляла Landsat-4 и -5, имела эксклюзивные права на продажу данных, полученных в программе, и построила Landsat-6 и -7.

Спутниковая фотография Калькутты в симулированных цветах (simulated-color). Снято спутником NASA LandSat 7. В 1989 году, когда передача программы еще не была окончательно завершена, у NOAA были исчерпаны бюджетные фонды для программы Landsat (NOAA не запрашивала финансирования, и конгресс США выделил финансирование лишь на половину финансового года) и NOAA решило закрыть Landsat 4 и 5. Глава нового Национального Космического комитета (en: National Space Council, вице-президент Джеймс Куэйл, обратил внимание на сложившуюся ситуацию и помог программе получить внеочередное финансирование. В 1990 и 1991 годах конгресс снова предоставлял NOAA финансирование лишь на половину года, требуя, чтобы другие агентства, использующие данные собранные в программе Landsat, предоставили оставшуюся половину необходимых денег. В 1992 принимались усилия восстановить финансирование, однако к концу года EOSAT прекратил обработку данных Landsat. Landsat 6 был запущен 5 октября 1993, но потерян в результате аварии. Обработка данных от Landsat-4 и -5 была возобновлена EOSAT в 1994. Landsat-7 был запущен NASA 15 апреля 1999.

Отличия спутника Landsat-8 от предыдущей серии Landsat.

В отличие от предыдущих спутников программы, на LandSat-8 (во время тестирования назывался Landsat Data Continuity Mission), собранном в Аризоне компанией Orbital Sciences Corporation, используется не сканирующее зеркало, а схема Push broom scanner с линейными датчиками (развитие системы ALI, протестированной на спутнике Earth Observing-1. В фокальной плоскости основного инструмента миссии, Operational Land Imager (OLI), установлено 14 модулей Focal Plane Modules, в каждом модуле установлено 10 линейных сенсоров различных диапазонов. Телескоп OLI состоит из 4 неподвижных зеркал. В инфракрасном инструменте Thermal Infrared Sensor (TIRS) используется сходная схема с 3 модулями в фокальной плоскости и отдельным телескопом из 4 линз, изготовленных из германия и селенида цинка. Использование архитектуры Push broom требует огромного числа детекторов (6,5 тысяч для мультиспектрального и 13 тысяч для панхроматического канала) и увеличенных размеров фокальной плоскости, однако позволяет увеличить выдержку с примерно 10 мкс (ETM+) до 4 мс, тем самым повышая соотношение сигнал-шум. Отсутствие постоянно движущихся частей увеличивает стабильность платформы и улучшает геометрию снимков.

Таблица 3 - Основные характеристики космического аппарата

Дата запуска: 11 февраля 2013 г.
Стартовая площадка: авиабаза Ванденберг (США)
Средство выведения: РН Atlas 5
Разработчики: Orbital Sciences Corporation (OSC) (США; быв. General Dynamics Advanced Information Systems) (платформа)
Оператор: NASA (США) и USGS (США)
Масса, кг	2623
Орбита	Тип	Солнечно-синхронная
	Высота, км	705
	Наклонение, град.	98,2
Расчетный срок функционирования, лет	5



Рисунок 1 - Американский спутник LANDSAT-8

2.2 Применение и решаемые задачи спутника LANDSAT-8

1. Создание и обновление топографических и специальных карт вплоть до масштаба 1:200 000;

2. Обновление топографической подосновы для разработки проектов схем территориального планирования субъектов федерации;

3. Обоснование перспективных площадей под поисковые работы на нефть и газ, прогнозирование и выявление ловушек нефти и газа, потенциальная оценка их нефтегазоносности;

4. Поиск и обоснование перспективных площадей под поисковые работы на рудные и нерудные полезные ископаемые;

5. Мелкомасштабная лесная инвентаризация. Контроль лесопользования и мониторинг состояния лесов;

6. Сельскохозяйственное картографирование на уровне регионов, мониторинг состояния посевов, прогнозирование урожайности;

7. Автоматизированное создание карт растительности, ландшафтов и природопользования;

8. Мониторинг и прогнозирование процессов заболачивания и опустынивания, засоления, карста, эрозии, степных пожаров половодий, паводков и т. п.



2.3 Диапазоны спутника Landsat-8

Таблица 4 - Диапазоны спутника LANDSAT-8

Спектральный канал	Длины волн	Разрешение
Диапазоны OLI
Канал 1 - Побережья и аэрозоли	0.433 - 0.453мкм	30м
Канал 2 - Синий	0.450-0.515мкм	30м
Канал 3 - Зеленый	0.525-0.600мкм	30м
Канал 4 - Красный	0.630-0.680мкм	30м
Канал 5 - Ближний ИК	0.845-0.885мкм	30м
Канал 6 - Ближний ИК	1.560-1.660мкм	30м
Канал 7 - Ближний ИК	2.100-2.300мкм	30м
Канал 8 -Панхроматический	0.500-0.680мкм	15м
Канал 9 - Перистые облака	1.360-1.390мкм	30м
Диапазоны TIRS
Канал 10 - Дальний ИК	10.30 - 11.30мкм	100м
Канал 11 - Дальний ИК	11.50 - 12.50мкм	100м

Диапазон 1. Чувствителен к темно-синим и фиолетовым цветам. Синий цвет трудно различать из космоса, так как он хорошо рассеивается на пыли и частичках воды в воздухе, а также на самих молекулах воздуха. Это одна из причин, по которым удаленные предметы (например гора на горизонте) имеют голубоватый оттенок, а также почему небо голубое. Так же как и мы видим синюю дымку, когда смотрим в небо солнечным днем, так и Landsat смотрит на нас через тот же самый воздух. Эта часть спектра плохо регистрируется с достаточной точностью, чтобы быть сколь-нибудь полезной, и Диапазон 1 представляет единственный в своем роде инструмент, предоставляющий открытые данные в таком разрешении. Это одна из вещей, делающих этот спутник особенным. Этот диапазон также называется побережным или аэрозольным, согласно двум своим основным видам применения: в нем видно мелководье и мельчайшие частички пыли и дыма в воздухе. Изображение в этом диапазоне выглядит почти так же, как и в Диапазоне 2, но если увеличить контраст, то можно увидеть разницу:

Рисунок 2 - Изображение в Диапазоне 1 минус Диапазон 2. Океан и живые растения отражают больше темно-фиолетовых тонов. Большинство растений производит вещество, называемое эпикутикулярным воском (к примеру, белый налет на свежих сливах), которое отражает ультрафиолет.

Диапазоны 2, 3 и 4.

Мы уже видели, они представляют собой видимые синий, зеленый и красный спектры. Но прежде, чем идти дальше, давайте возьмем это изображение Лос-Анджелеса, на котором видны различные варианты землепользования для сравнения с другими диапазонами.



Рисунок 3 - Часть западного Лос-Анджелеса, от сельскохозяйственных угодий около Окснарда на западе до Голливуда на востоке. Как и многие другие городские территории, в этом масштабе виден преимущественно в серых тонах.

Диапазон 5.

Измеряет ближний инфракрасный спектр или NIR (Near Infrared). Эта часть спектра особенно важна для экологов, поскольку вода в листьях здоровых растений отражает ее. Сравнивая с изображениями других диапазонов, мы получаем индексы вроде NDVI (Normalized Difference Vegetation Index -- нормализованный относительный индекс растительности -- простой количественный показатель количества фотосинтетически активной биомассы (вегетационный индекс). Один из самых распространенных и используемых индексов для решения задач, использующих количественные оценки растительного покрова. -- Прим. пер.), которые позволяют нам измерять степень здоровья растений точнее, чем если бы мы просто оценивали видимую зелень.



Рисунок 4 - Яркие пятна это парки или другие зоны с большим количеством увлажненной растительности. В нижней части снимка находится Малибу, так что можно поспорить, что яркое пятно рядом с холмами это поля для гольфа. На западе виден темный шлейф большого пожара, который на полноцветном снимке едва различим.

Диапазоны 6 и 7.

Покрывают разные участки коротковолнового ИК или SWIR (shortwave infrared). Они позволяют отличать сухую землю от влажной, а также скалы и почвы, которые выглядят похоже в других диапазонах, но отличаются в SWIR. Взглянем на раскрашенное изображение, в котором SWIR используется вместо красного канала, NIR вместо зеленого и темно-синий вместо синего (технически это комбинация диапазонов 7-5-1):

Рисунок 5 - След огня теперь невозможно не заметить - сильно отражающий в Диапазоне 7 и практически не отражающий в других, он становится красным.



Неясные ранее детали растительности становятся четкими. Кажется, что растения в каньонах к северу от Малибу растут более пышно, чем те, что на горных хребтах, что типично для климата, где наличие воды является основным ограничением роста. Мы также видим распределение растительности в Лос-Анджелесе - некоторые районы имеют больше посадок (парков, деревьев на тротуарах, лужаек), нежели другие.

Диапазон 8.

Панхроматический. Он напоминает черно-белую пленку: вместо того, чтобы разделять цвета по спектру, он собирает их все в одном канале. За счет этого он воспринимает больше света и дает самую четкую картинку среди все диапазонов. Его разрешение составляет 15 метров. Давайте взглянем на Малибу в масштабе 1:1 в панхроматическом диапазоне:

Рисунок 6 - А теперь на полноцветное изображение в том же масштабе:



Рисунок 7 - Цветная версия выглядит размазанной, потому что сенсоры не воспринимают детали такого размера. Но если мы объединим цветовую информацию с детализацие панхроматического снимка, получится картинка четкая и цветная.

Рисунок 8 - Картинка четкая и цветная.

Диапазон 9.

Это одна из самых интересных особенностей Landsat 8 Он покрывает очень узкую полосу длин волн - 1370 ± 10 нанометров. Немногие из космических инструментов регистрируют эту область спектра, поскольку она почти полностью поглощается атмосферой. Landsat 8 использует это как преимущество. Поскольку земля в этом диапазоне едва различима, значит все, что в нем ярко видно, либо отражает очень хорошо, либо находится вне атмосферы. Вот снимок того же места в Диапазоне 9:

Рисунок 8 - В Диапазоне 9 видны только облака! Облака представляют реальную проблему для спутниковых снимков, так как из-за размытых краев плохо различимы в обычных диапазонах, а снимки, сделанные сквозь них, могут иметь расхождения с другими. С помощью Диапазона 9 это легко отследить.

Диапазоны 10 и 11.

Это тепловое ИК или TIR (thermal infrared) - они видят тепло. Вместо измерения температуры воздуха, как это делают погодные станции, они измеряют температуру поверхности, которая часто бывает намного выше. Недавние исследования показали, что температура поверхности в пустынях может достигать 70 градусов цельсия - достаточно, чтобы пожарить яйцо. К счастью, Лос-Анджелес в этом плане довольно умерен:



Рисунок 9 - Очень темные (холодные) пятна соответствуют облакам со снимка в Диапазоне 9. Затем идет увлажненная растительность, открытая вода и природная растительность. След от пожара рядом с Малибу, покрыт углем и мертвой растительностью, поэтому имеет очень высокую температуру. В городе парки имеют самую низкую темературу, а индустриальные районы - самые горячие. На этом снимке не наблюдается эффект «городских островов жары», для исследования которого TIR диапазон наиболее полезен.



3. Расчетная часть

3.1 Энергетический расчет линии «вниз» и «вверх» для спутниковой системы связи

Задача энергетического расчета - определение основных энергетических параметров, обеспечивающих требуемое качество передачи сигналов по спутниковой линии связи.

Выбираем общую структуру системы, в результате чего определяем диапазоны частот, методы многостанционного доступа и использование полосы частот, режим работы ретранслятора, используемые виды и параметры модуляции, зоны обслуживания и т. п.

Энергетическими параметрами линии связи являются мощность передатчика, коэффициенты усиления передающей и приемной антенн, эквивалентная шумовая температура приемного устройства в целом.

Рассмотрим один участок спутниковой линии, состоящей из передающего и приемного устройства, антенного тракта и тракта распространения, как это показано на рисунке.

Пропускная способность спутниковой линии ограничивается, с одной стороны, шириной полосы пропускания, а с другой - энергетикой участка «вниз».

3.2 Энергетический расчет линии «вниз»

Исходные данные: диапазон частот 5,4 ГГц.

Параметры передающей космической станции: координата 98.2,в.д.; коэффициент усиления антенны (передача) 21 дБ; КПД_{АФТ КС} 0,6.

Параметры приемной земной станции: координаты ; диаметр антенны 10 м; отношение Р_с/Р_ш на приеме 15 дБ (31,6223 раза); коэффициент шума приемника К_ш=7 дБ; эффективная полоса частот 6 ГГц; КПД_{АФТ ЗС} 0,85; шумовая температура антенны 70 К.

Определим ослабление сигнала за счет сферической расходимости фронта волны:

,

где - длина волны,

с - скорость света;

f - верхняя частота канала.

,

Полное ослабление сигнала на пути распространения определяется по формуле:

,

где L_ДОП - дополнительные потери на трассе (поглощение энергии сигнала в атмосфере, потери из-за рефракции, потери из-за несогласованности поляризации антенн и др.) заметного влияния на энергетику спутниковых линий не оказывают.

,



Найдем полную мощность шума на входе приемника по формуле:

,

где - постоянная Больцмана;

Т - эквивалентная шумовая температура приемного тракта;

- шумовая полоса приемника МГц;

,

где Т_А = 100К - шумовая температура антенны (Т включает космическое радиоизлучение, излучение атмосферы, земной поверхности, собственные шумы антенны);

Т₀ 290К;

- собственная шумовая температура приемника,

,

Мощность шума на входе приемника:

При расчете линии была задана не мощность сигнала на входе приемника, а отношение сиг/шум.

a = 6=3,98(раз).



Мощность передатчика можно найти из модифицированного уравнения Шеннона:

,

где G_ПРД = 10^16/10 = 39.8 (дБ)=9550(раз),

,

_ПРД = 0,8,

_ПРМ = 0,9.

.

Рисунок 10 - Диаграмма уровней



Заключение

В этой курсовой работе были произведены теоретические расчеты: энергетический расчет линий «вниз» для спутниковой системы связи и расчет мешающего влияния одной спутниковой системы на другую. Была построена энергетическая диаграмму уровней сигнала на линиях «вверх» и «вниз».

Задачей энергетического расчёта спутниковой линии связи «вниз» было определение основных энергетических параметров, обеспечивающих требуемое качество передачи сигналов по спутниковой линии связи.

При расчете основных энергетических параметров, обеспечивающих требуемое качество передачи сигналов по спутниковой линии связи определила ослабление сигнала L₀ = 104.964 дБ, дополнительное ослабление на трассе L_доп = 1,9дБ, суммарная шумовая температура приемного тракта T_? = 2117,2, коэффициент усиления антенны ЗС G_зс = 871200, мощность передатчика КС Р_ПРД = 1.012*10^-8, суммарная мощность шумов на входе приемника Р_ш = 1.0518*10^-12.

Основные научные задачи, решаемые спутником Landsat 8:

1. Сбор и сохранение многоспектральных изображений среднего разрешения (30 метров на точку) в течение не менее чем 5 лет;

2. Сохранение геометрии, калибровки, покрытия, спектральных характеристик, качества изображений и доступности данных на уровне, аналогичном предыдущим спутникам программы Landsat;

3. Бесплатное распространение изображений, полученных с помощью Landsat 8.



Список литературы

1 Проект государственной программы «Развитие космической деятельности в Республике Казахстан на 2008 - 2020 годы», 2007.

2 Андрианов В.И., Соколов А.В. Средства мобильной связи. - СПб.: BHV - Санкт-Петербург, 1998.

3 Спутниковая связь и вещание: Справочник. - 3-е изд., Под ред. Л.Я.Кантора. - М.: Радио и связь, 1997.

4 Макаренко Д. Услуги подвижной спутниковой связи // Технологии и средства связи, 2003.-№5.

5 Гарбук С.В., Гершензон В.Е. Космические системы дистанционного зондирования Земли. - М.: Издательство А и Б, 1997.

6 http://www.racurs.ru/?page=67

Размещено на Allbest.ru

...