1. Энергетический расчет спутникового канала Алматы-Атырау

Для расчета энергетики радиолиний зададимся исходными данными. Выберем в качестве используемого ИСЗ спутник АзияСат-2 (100,5° в.д.). Это геостационарный спутник, луч которого в С-диапазоне покрывает Китай, Японию, Индонезию, Индию, Средний Восток, страны СНГ. Техническая спецификация спутника приведена в таблице 2.1, зона покрытия - на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Зона покрытия ИСЗ АзияСат-2
Таблица 2.1 - Техническая спецификация ИСЗ АзияСат-2
Так как Алматы находится в зоне с эквивалентной изотропно излучаемой мощностью потока энергии 39 дБ•Вт, а остальная территория Республики Казахстан находится в зоне с ЭИИМ 37 дБ·Вт, выберем в качестве местоположения периферийной станции город Атырау, географические координаты которого 47°6' с.ш. и 51°55' в.д. Центральную станцию системы разместим в городе Алматы, координаты которого 43°14' с.ш. и 76°58' в.д.
На рисунке 2.2 приведен частотный план ИСЗ АзияСат-2.

Рисунок 2.2 - Частотный план ИСЗ АзияСат-2
Рассчитаем расстояния от земных станций до бортового ретранслятора по формуле, приведенной в /5/:
EMBED Equation.3 , (2.1)
где EMBED Equation.3 ,
где ? - широта наземной станции,
?- разность долгот спутника и земной станции,
d - расстояние от земной станции до спутника, км.
Подставляя исходные данные в формулу (2.1), получим:
для Алматы:
EMBED Equation.3
для Атырау:
EMBED Equation.3
Далее рассчитаем угол места и азимут на спутник с земных станций по формулам, приведенным в /5/:
EMBED Equation.3 (2.2)
EMBED Equation.3 (2.3)
где EMBED Equation.3 ,
EMBED Equation.3 - долгота подспутниковой точки, грд;
EMBED Equation.3 - долгота земной станции, грд;
EMBED Equation.3 - широта земной станции, грд.
Подставляя исходные данные в формулы (2.2) и (2.3), получим:
для Алматы:
EMBED Equation.3 ,
EMBED Equation.3 ,
для Атырау:
EMBED Equation.3 ,
EMBED Equation.3 .
Далее рассчитаем затухание энергии сигнала, в свободном пространстве: для этого необходимо выбрать конкретный транспондер, через который будет работать сеть, чтобы знать частоты приема и передачи, необходимые для расчетов (рисунок 2.2).
Выберем для расчетов транспондер 1А, центральные частоты этого транспондера - 5885 МГц на прием и 3660 МГц на передачу.
Затухание энергии сигнала в свободном пространстве рассчитывается по формуле:
EMBED Equation.3 (2.4)
где L - затухание энергии, дБ;
d - расстояние между ИСЗ и ЗС, м;
EMBED Equation.3 - длина волны, м;
с =3·108 м/с - скорость света;
f - частота сигнала, Гц.
Для Алматы затухание энергии сигналов в свободном пространстве за счет расхождения фронта волны на пути распространения Земля - спутник (f = 5885 МГц, ?= 0,0509 м) будет равно:
EMBED Equation.3
а на пути распространения спутник - Земля (f = 3660 МГц, ? = 0,0819 м) равно:
EMBED Equation.3
Аналогично рассчитываем затухание для ЗССС в Атырау. Подставляя в формулу (2.4) исходные данные, получаем затухание на линии Земля спутник:
EMBED Equation.3
а на линии спутник - Земля:
EMBED Equation.3
Для дальнейших расчетов необходимо воспользоваться некоторыми техническими характеристиками станции. Технические характеристики центральной и удаленной станций и бортового ретранслятора сведем в таблицы 2.2, 2.3, 2.4.
Таблица 2.2 - Параметры центральной станции
Таблица 2.3 - Параметры удаленной станции
Таблица 2.4 - Параметры бортового ретранслятора
Для дальнейших расчетов необходимо, вычислить коэффициенты усиления антенны спутника в направлении на ЗС Алматы и Атырау.
Воспользуемся формулой из /5/:
EMBED Equation.3 , (2.5)
где Рпер - эффективная мощность сигнала на выходе передатчика, дБ;
? - затухание в ВЧ-части, дБ.
Исходя из рисунка 2.1, Алматы находится в зоне с ЭИИМ = 39 дБ; Атырау в зоне с ЭИИМ = 37 дБ. Преобразуем формулу (2.5).
EMBED Equation.3 (2.6)
Вычислим усиление антенны спутника в направлении
на Алматы:
EMBED Equation.3
на Атырау:
EMBED Equation.3
Произведем расчет дополнительного затухания при распространении радиоволн в атмосфере. Воспользуемся формулой, приведенной в /5/:
EMBED Equation.3 (2.7)
где EMBED Equation.3 - дополнительное затухание, дБ;
EMBED Equation.3 - поглощение энергии сигнала в атмосфере, дБ;
EMBED Equation.3 - потери в гидрометеорах, дБ;
EMBED Equation.3 - потери из-за несогласованности поляризации антенн, дБ.
Определим величину потерь для каждой станции, исходя из графиков, представленных в /5/ и результатов, полученных по формулам (2.2) и (2.3):
для Алматы (азимут = 147,56°, угол места = 31,98°):
La = 1 дБ; Ln = 1 дБ; Lg=7 дБ; LН = 2 дБ;
тогда:
EMBED Equation.3
для Атырау (азимут = 122,8°, угол места = 16,37°)
La = 1 дБ; Ln = 1 дБ; Lg=7 дБ; LН = 2 дБ;
EMBED Equation.3
Дополнительное затухание при распространении вниз будет отличаться от затухания при распространении луча вверх на малую величину, которой можно, пренебречь, поэтому для удобства расчетов примем EMBED Equation.3 .
Следующим шагом необходимо произвести расчёт мощности для передатчиков ЗС и бортового ретранслятора. Так как мощности передатчиков ЦС и ИСЗ нам известны, приведем расчет мощности для удаленной станции, исходя из условий минимизации мощности передатчика удалённой станции.
Расчёт мощности передатчика земной станции выполняется по формуле из /6/:
EMBED Equation.3 (2.8)
где EMBED Equation.3 - затухание на трассе вверх, дБ;
EMBED Equation.3 - дополнительное затухание, дБ;
k = -228,6 дБ - постоянная Больцмана;
EMBED Equation.3 - суммарная шумовая температура борта, дБ;
EMBED Equation.3 - шумовая полоса ЗС, дБ;
EMBED Equation.3 - коэффициент усиления на передачу ЗС, дБ;
EMBED Equation.3 - коэффициент усиления на прием спутника, дБ;
EMBED Equation.3 - затухание в ВЧ-части земной, станции на передачу, дБ;
EMBED Equation.3 - затухание в ВЧ-части спутника на прием, дБ;
а = 7 дБ - коэффициент запаса;
(Рс/Рш) - сигнал/шум на входе приемника, дБ.
Для формулы (2.8) все величины подставляются в децибелах. Подставляя все вышеуказанные величины в формулу (2.8) получим:
EMBED Equation.3
Переведем EMBED Equation.3 в ватты, получаем:
EMBED Equation.3 .
Для реальной станции для С-диапазона предлагается использование передатчика мощностью 5 Вт.
Рассчитаем мощность, требующуюся при работе удаленной станции на центральную станцию по формуле (2.8):
EMBED Equation.3
Переведем Рпер.З в ватты:
EMBED Equation.3 .
При работе удаленной станции на центральную требуется мощность 1,26 Вт, что показывает работоспособность станции с мощностью передатчика 5 Вт.
Исходя из расчетов по мощности и энергетике радиолиний, делаем вывод о том, что система реализована для существующего оборудования.
2. Расчет электромагнитной совместимости системы для Казахстана при использовании ИСЗ AsiaSat 2

Расчет электромагнитной совместимости системы основан на представлении, что по мере возрастания уровня мешающего излучения, увеличивается шумовая температура системы, подвергающейся помехам.
Согласно этому методу рассчитывается кажущееся увеличение эквивалентной шумовой температуры линии, обусловленное помехами, создаваемыми мешающей станцией и отношение этого увеличения к эквивалентной шумовой температуре спутниковой линии, выраженное в процентах /7/.
Для конкретного случая выберем земную станцию, находящуюся на территории России в Москве; эта станция является мешающей станцией для проектируемой системы и наоборот. Данные по этой станции приведены в таблице 3.1.
Мешающая система работает на тех же частотах, что и проектируемая и использует искусственный геостационарный спутник Горизонт Стационар 12, находящийся на 40° в.д., максимальная плотность потока мощности в полосе 1 Гц, подводимая к антенне спутника, усредненная в наихудшей полосе шириной 4 кГц, равна –57 дБ·Вт/Гц.
Таблица 3.1 – Параметры мешающей системы для расчета электромагнитной совместимости
Методика расчета приведена в /7/ и сводится к определению приращения шумовой температуры по следующим формулам:
EMBED Equation.3 , (3.1)
где EMBED Equation.3 - приращение шумовой температуры на пути вверх, дБ;
EMBED Equation.3 - максимальная плотность мощности в полосе 1 Гц, подводимая к антенне передатчика станции мешающей, усредненная в наихудшей полосе, шириной 4 кГц, дБ;
EMBED Equation.3 - усиление антенны, работающей на передачу земной станции ЗС1, в направлении спутника С2, дБ;
EMBED Equation.3 - усиление приемной антенны спутника С2 в направлении ЗС1, дБ;
k - постоянная Больцмана;
Lu - затухание при распространении волны вверх, дБ.
EMBED Equation.3 , (3.2)
где EMBED Equation.3 - приращение шумовой температуры на пути вниз, дБ;
EMBED Equation.3 - максимальная плотность потока мощности в полосе 1 Гц, подводимая к антенне спутника С1, усредненная в наихудшей полосе шириной 4 кГц, дБ;
EMBED Equation.3 - усиление передающей антенны спутника С1 в направлении земной станции ЗС2;
EMBED Equation.3 - усиление антенны приемной станции ЗС2 в направлении спутника С1, дБ;
Ld - затухание при распространении волны вниз.
EMBED Equation.3 , (3.3)
где EMBED Equation.3 - кажущееся увеличение эквивалентной шумовой температуры всей спутниковой линии, К;
EMBED Equation.3 - коэффициент передачи конкретной спутниковой линии.
На рисунке 3.1 приведены все расстояния и углы, определенные в расчете. Система А1, связанная со спутником С1 и земной станции ЗС1 является мешающей для системы А2, состоящей из спутника С2 и земной станции ЗС2.

Определим неизвестные величины для формул (3.2) и (3.3):
Расстояние от станции до спутников по формуле (2.1):
а) Алматы:
EMBED Equation.3 ;
EMBED Equation.3 ;
б) Москва:
EMBED Equation.3 ;
EMBED Equation.3 .
Далее определим расстояние между земными станциями:
EMBED Equation.3 , (3.4)
где EMBED Equation.3 ;
EMBED Equation.3 ;
EMBED Equation.3 ;
EMBED Equation.3 ;
EMBED Equation.3 ;
EMBED Equation.3 ,
где R - радиус Земли (R = 6370 м);
EMBED Equation.3 - широта Алматинской станции;
EMBED Equation.3 - долгота Алматинской станции;
EMBED Equation.3 - широта Московской станции;
EMBED Equation.3 - долгота Московской станции.
EMBED Equation.3
Определим топоцентрические углы EMBED Equation.3 и EMBED Equation.3 /7/:
EMBED Equation.3 ; (3.5)
где EMBED Equation.3 - расстояние от земной станции до первого спутника, км;
EMBED Equation.3 - расстояние от земной станции до второго спутника, км;
EMBED Equation.3 - геоцентрический угловой радиус, грд.
EMBED Equation.3 ;
EMBED Equation.3 .
Далее определим экзоцентрические углы ? и ?:
EMBED Equation.3 ; (3.6)
EMBED Equation.3 ;
EMBED Equation.3 .
Рассчитаем усиление антенн по направлению на мешающую систему. Так как на этих спутниках используются узконаправленные лучи, то усиление антенн по направлению, расходящемуся с главным, лепестком на угол EMBED Equation.3 можно определить, по формуле:
EMBED Equation.3 . (3.7)
Таким образом, вычисляем:
EMBED Equation.3 ;
EMBED Equation.3 ;
EMBED Equation.3 ;
EMBED Equation.3 .
Необходимо вычислить потери при распространении сигнала на трассе вверх и вниз по формуле:
EMBED Equation.3 , (3.8)
где f - частота, МГц;
d - расстояние, км.
EMBED Equation.3 ;
EMBED Equation.3 .
Оценим мешающее влияние Алматинской станции на Московскую. Подставив данные, полученные выше, в формулы (3.1), (3.2) получим:
EMBED Equation.3 ;
EMBED Equation.3 ;
Отсюда
EMBED Equation.3 ;
EMBED Equation.3 ,
тогда
EMBED Equation.3 .
Таким образом,
EMBED Equation.3 .
Процентное увеличение эквивалентной шумовой температуры составляет 5,98%, что меньше порогового уровня - 6%, следовательно, координация не требуется и работа системы не вносит помех работе Московской системы.
Оценим влияние Московской системы на Алматинскую. Как и в предыдущем примере рассчитаем:
EMBED Equation.3 ;
EMBED Equation.3 ;
Отсюда
EMBED Equation.3 ;
EMBED Equation.3 ,
тогда
EMBED Equation.3 .
Таким образом,
EMBED Equation.3 .
Значение меньше порогового уровня 6%. Из результатов вычислений можно сказать, что системы не мешают друг другу в работе, хотя оба спутника используют глобальный луч и практически нет разницы в уровнях между полезным и мешающим сигналом, которая могла бы иметь место за счет диаграммы направленности антенны на спутнике. То есть можно сделать вывод о совместимости систем.