Hampau Tranulea Zabava 443A-sat-.doc

Embed Size (px)

DESCRIPTION

fim

Citation preview

Sateliti de comunicatieHampau Bogdan 443ATranulea Cristian 443A

Zabava Dragos 443ASumar

1. Introducere *2. Sisteme de comunicatii mobile prin sateliti in functiune **INMARSAT, QUALCOMM, NASDA, IRIDIUM, GLOBALSTAR, SKYBRIDGE

3. Tipuri de comunicatii ***4. Dinamica sistemelor de satelitior***5. Orbitele satelitilor .Tipuri de orbite. Arii de vizibilitate *5.1 Orbita geostationara *5.2 Orbite non-geostationare *5.2.1 Orbite de joasa altitudine 5.2.2 Orbite de medie altitudine

5.2.2Orbite eliptice foarte alungite6. Analiza sistemelor de sateliti globali de tip LEO, MEO, si GEO in prezenta interferentelor **7. Masuratori de performanta geometrica **8. Dimensiunile zonelor de deservire *9. Conectivitate. Comparatie intre tehnologiile de telecomunicatii***9.2 Conectivitate punct cu punct

9.3 Conectivitate punct cu multipunct

9.4 Conectivitate multipunct cu punct

9.5Conectivitate multipunct cu multipunct 10. Modelarea antenelor multipunct ** 11. Concluzii ***

Principalele avantaje

12. BibliografieImpartirea pe membrii echipei:*-Tranulea Cristian

**-Zabava Dragos

***-Hampau BogdanIntroducerePrimul satelit artificial a fost Sputnik 1, lansat de Uniunea Sovietica in 1957. De atunci au mai fost pusi pe orbita mii de sateliti. Operationali sunt doar cateva sute de sateliti acestia au scopuri in comunicare, observare, navigare si meteorologie. Telstar a fost primul satelit de comunicatie apartinand companiei AT&Tsi lansat de NASA in 1962. [1]Satelitii de comunicatii se utilizeaza pentru a transmite date si voce la mare distanta , precum si pentru a difuza semnale de televiziune. Pentru telecomunicatiile la mare distanta, o concurenta serioasa o reprezinta cablurile cu fibre optice. Un cablu cu fibre optice poate asigura transmisiuni de date si de voce mult mai ieftin, de mult mai buna calitate si mai fiabil decat o pot face canalele prin satelit. Totusi, pentru telecomunicatiile mobile, ca si pentru cele in zone izolate, sistemele fara fir, in special cele realizate cu ajutorul satelitilor, isi mentin intact interesul.Orice satelit activ are urmatoarele componente de baza[2]:

Panouri solare, care capteaza energia solara pentru a fi transformata in energie electrica (care ajunge cel mult la ordinul miilor de watti).

Baterii, pentru situatiile in care Pamantul se afla intre satelit si Soare, provocand o eclipsa.

Sistem de propulsie.

Sistemul de receptie-emisie, format din:

receptor si antena de receptie (de regula, parabolica)

convertoare, amplificatori, filtre, procesoare

emitator si antena de emitere (de regula, parabolica)

Sisteme de comunicatii mobile in functiune

Diverse tari au siteme proprii de sateliti de telecomnunicatii. Pentru importanta lor, ne vom referi in principal la retelele internationale de sateliti de telecomunicatii.

In 1964, a fost stabilita organizatia internationala INTELSAT( International Telecommunications Satellite Organization) in scopul de a furniza servicii fixe intre natiuni cu ajutorul satelitiilor. Primul sateltit INTELSAT a fost pus in serviciul comercial in 1965. Prima generatie de retele de comunicatii mobile cu ajutorul satelitiilor incepe in 1982 cu INMARSAT ( de la International MARitime Telecomunications SATellite organization). Aceasta este un sistem de sateliti GEO ce utilizeaza banda L (1,5 +1,6 GHz) pentru a furniza mai ales diverse servicii nave;lor aflate in croaziera pe mari si oceane.

Alte sisteme din prima generatie de comunicatii mobile prin satelit sunt : QUALCOMM, inaugurat in 1989 si care deserveste America de Nord, ALCATEL QUALCOMM care a inceput sa functioneze in 1991 pentru Europa si sistemul japonez NASDA, operational in 1987.

Generatia a doua a aparut in 1995, avand ca obiectiv reducerea gabaritului si a greutatii terminalelor mobile. Toate aceste sisteme sunt GEO.

Pentru a se ajunge la terminalele mobile mici si usoare, compatibile cu cele utilizate in sistemele terestre celulare, trebuie utilizati satelitii pe orbite joase (LEO). Aceste sisteme sunt de doua categorii: mici si mari.

Sistemele zise Little-LEO (adica, LEO mici)utilizeaza sateliti de gabarit redus si de mica greutate pentru aplicatii de joasa viteza sub 1kbit/s.

Sistemele zise Big-LEO (adica , LEO mari) include servicii de voce, date, facsimil. Spectrele de frecvente alocate sunt 1610+1626,5 MHz pentru legaturile spre sateliti si de 2483,5+2500 MHz pentru legaturile de la sateliti.

Un astfel de sistem este IRIDIUM, conceput si realizat de Motorola, compus din 66 de sateliti plasati la 785 Km pe sase plane orbitale polare. Ei utilizeaza accesul multiplu cu diviziune in timp (TDMA). Initial, se intentiona ca IRIDIUM sa aiba 77 de sateliti dispusi in sapte plane, sistemul inspirandu-se din atomul de iridiu care are 77 de electroni ce se rotesc in jurul nucleului. IRIDIUM a fost totusi realizat cu numai 66 de sateliti plasati in sase plane, cu 11 sateliti pe un plan. Cei 11 sateliti din fiecare plan se afla pe o orbita polara, fiind egal distantati la 360/11=32,7. Cele sae plane se intersecteaza in cei doi poli ai Pamantului si sunt separate prin aprozimativ 180/6= 30, distanta nefiind uniforma. Privite de sus la Polul Nord, cele sase plane seamana cu 12 spite ale unei roti. La o altitudine de 785 Km, perioada orbitei este de cica doua ore.

Geometria sistemului este astfel gandita incat fiecare punct de pe suprafata Pamantului vede intotdeauna cel putin un satelit pe cer la peste 10 deasupra orizontului. Atunci cand un satelit apune, un altul rasare un nou satelit se iveste pe cer la aprozimativ fiecare zece minute.

Fiecare satelit lasa pe Pamant o amprenta circulara avand diametrul ceva mai mare de 3226 km. Fiecare amprenta este partitionata in 37 de celule, fiecare celula avand un diametru ceva mai mare de 645 km.

IRIDIUM utilizeaza banda 1, in gama 390 MHz= 1,55 GHz, pentru comunicatiile de suprafata. Se aplica modulatia digitala cu patru faze QPSK cu mai multe frecvente purtatoare. Fiecare frecventa purtatoare este impartita in 150 de canale multiplexate in timp pe celula.La viteza de transmisiune de 2400 biti/s si utilizand compresia vocii, fiecare canal asigura comunicatii vocale de calitate acceptabila. Fiecare satelit poate comunica atat cu telefoane cat si cu alti satelti vecini. Pentru comunicatiile intre sateliti , IRIDIUM utilizeaza banda K, in gama 33-36 GHz . Fiecare sateltit se interconecteaza cu mazimum doua statii de sol si cu sase sateliti invecinati cei din fata si din spate de pe acelasi plan si cei doi din fiecare plan adiacent .

Din cate stim, sistemul de sateliti de telecomunicatii IRIDIUM a fost vandut de Motorola Armatei SUA.

Un alt sistem este GLOBALSTAR, realizat de Loral Quakcomm Satellite Services.Acesta utilizeaza accesul multiplu cu diviziune in cod (CDMA).

Alte sisteme ce pot fi mentionate sunt ODYSSEY promovat de TRW. SKYBRIDGE al lui Alcatel si TELEDESICS al unui consortiu incluzand Microsoft si Motorola. Acesta din urma a fost conceput ca un Internet pe cer, realizat sub forma unei constelatii cu sute de sateliti LEO.

O alternativa interesanta la utilizarea satelitilor de telecomunicatii este inlocuirea acestora cu asa zisele platforme de inalta altitudine , care nu sunt altceva decat baloane speciale ancorate . Avantajele unei astfel de solutii tehnice sunt evidente: se elimina pretul lansarii satelitilor, semnalul parcurge un traseu mult mai scurt, ceea ce reduce atenuarea si intarzierea de propagare, interventiile in caz de defectare sunt considerabil mai simplu de operat.

Tipuri de comunicatii Comunicatiile mobile cu sateliti se pot imparti in doua categorii dupa cum sunt necesare cu statii fixe de sol sau fara .

In sistemele din prima categorie, satelitii au legatura cu statii de sol fixe; statiile mobile sunt in legatura cu statiile fixe de sol exact ca in sitemele celulare. Satelitul serveste drept releu de transmisie.

In sistemele din a doua categorie, terminalul mobil poate comunica direct cu satelitul din reteaua de sateliti care acopera zona in care se afla mobilul. Terminalul mobil, la tehnologia actuala, este relativ voluminos, fiind construit in forma unei valize mici. Antena trebuie indreptata spre satelit cu ajutorul unei busole.Comunicatiile spatiale au inceput cu sateliti activi (SCORE, 1958), incluzand untransponder alimentat de la baterii chimice. Putin mai tarziu s-au incercat si comunicatii cusateliti pasivi, simpli reflectori de UEM (ECHO I 1960, ECHO II 1964), constand din baloanemetalizate; procedeul nu a dat rezultate bune (puteri mari la emisie, semnale receptionateslabe, deformari ale sferei, corodarea metalizarii, ...). Ca urmare, in prezent se folosesc numai sateliti activi cu echipamentele alimentate de la baterii solare.

Din alt punct de vedere, satelitii pentru radiocomunicatii pot fi cu transmisie in timp real sau cu memorie.

Satelitii cu lucru in timp real functioneaza cat timp sunt in vizibilitatea ambelor statii de sol, ceea ceintroduce restrictii privind altitudinea de amplasare fig. 1.6. Statiile de sol fiind cu pozitii determinate (SS-1, SS-2), numai satelitii de pe orbita O3 pot functionain timp real, fiind observabili simultan de ambele statiiin timpul deplasarii pe arcul FG. Pentru continuitatealegaturii, pe orbita trebuie sa se afle mai multi sateliti,astfel ca la iesirea din vizibilitate a unuia (S1 in G),urmatorul sa intre in zona vizibila (S2 in F).Satelitii amplasati pe orbite ca O1, trebuie salucreze cu memorie cat timp sunt vizibili din SS-1primesc si memoreaza datele (pana in D) iar cand intrain zona vizibila din SS-2 (din E), le emit.

Satelitii cu memorie sunt foarte rar folositi in prezent.In concluzie, in prezent, sistemele de RR folosesc statii intermediare active, cu foarte rare exceptii in RR; sistemele de CS utilizeaza numai sateliti activi, cu lucru in timp real.

Dinamica sistemelor de satelitiScopul spre care tinde dezvoltarea telecomunicatiilor este realizarea unor retele integrate globale, care sa-i permita oricui, oriunde s-ar afla el sau ea, sa poata lua contact si sa comunice, simplu si ieftin, cu oricine de pesuprafata pamantului (ba chiar si intr-un avion in zbor, ca sa nu ne gandim inca la un vehicul cosmic!) In realizarea unei astfel de retele, satelitii de telecomunicatii joaca un rol important. Sute si mii de sateliti artificiali serotesc in jurul globului terestru, fiind exploatati in cadrul unor activitati diverse, importante in plan strategic, -,stiintific, economic si cultural. Sunt state ale lumii care poseda constelatii de zeci de sateliti de comunicatii(lndonezia, Norvegia, etc.) Romania are atribuite de UIT cateva pozitii orbita]e, care stint insa inca neocupate. Ceea ce nu inseamna ca operatorii de telecomunicatii si fumizorii de te]eviziune prill cablu nu utilizeaza intenscapacitali ale unor sateliti straini sau intemationali. Vom vedea incontinuare care Stint bazele acestei tehnologii.Un sateit artificial al pamantului trebuie sa se supuna acelorasi legi de rotatii ca si luna, care este satelitul natural a] pamantului. Aceleasi legi Ierespecta si planetele care graviteaza in jurul soarelui.Trei legi importante pentlll miscarea planetelor au fost descoperitede astronomul Johannes Kepler (1571-1630) ~i au fost deduse teoretic deIsaac Newton, in anu1 1665, pe baza legilor mecanicii care ii poarta numcle~i a teoriei gravitatiei.Satelitul se rote~te in jurul pamantului pe 0 elipsa, pamantul fiinduntil din focarele elipsei. Ne amintim de la geometria analitica definitia elipsei. Aceasta este locul geometric al punctelor pentru care suma distantelor la doua puncte fixe, nurnite focare, este constanta. Daca focarele sunt situate pe abscisa simetric rata de originea axelor de coordonate,ecuatia elipsei se scrie:Sistemele de comunicatii spatiale, prin sateliti, (CS) sunt de asemnea sisteme de radio comunicatii dirijate, lucrand in domeniile UIF si EIF, formate din statii finale si o singurastatie intermediara amplasata pe satelit fig. 1.1.b. Statiile finale sunt amplasate pe Pamant si se numesc statii de sol, reprezentand segmentul de sol; satelitul reprezinta segmentul spatial.

Intervalul dintre o statie de sol si satelit se numestetraiect (link) exista un traiect ascendent (uplink) pentru transmisii de la sol la satelit si untraiect descendent (downlink) pentru transmisiile de la satelit la sol.

Statiile terminale din sistemele RR si statiile de sol din sistemele CS realizeaza patrufunctii principale: 1) primirea, prelucrarea semnalelor utile si suprapunerea lor pe un semnalde RF purtator; 2) emisia semnalului de RF sub forma de UEM; 3) receptia UEM de RF;4) extragerea semnalelor utile din semnalul RF si trimiterea lor spre utilizatori.

Semnalele utile sunt variate: telefonice (vocale), de radiodifuziune, de televiziune,digitale etc., cu variate surse si destinatii. Semnalul cel mai vehiculat in sistemele RR si CSeste (inca) cel telefonic, cu banda limitata la aproximativ 4kHz (rotunjit); pentru fiecaresemnal telefonic se aloca un interval de frecvente numit canal, cu largimea de cca. 4kHz.Cand trebuie vehiculate semnale cu spectru mai larg (date, TV), se aloca mai multe canale. Caurmare, capacitatea de transmisie a unui sistem se exprima in numar de canale.

La emisie, semnalele cu banda ingusta (telefonic, telegrafic, de radiodifuziune, unelesemnale de date) sunt multiplexate in frecventa sau in timp, formand semnalul in banda debaza; semnalul TV cu componenta de sunet formeaza singur semnalul in banda de baza.

Semnalul in banda de baza moduleaza un semnal de frecventa intermediara FI, (tipic70MHz, mai rar 100MHz sau 140MHz) care apoi este translat in RF, amplificat si emis cu oantena directiva. La receptia finala, semnalul RF este translat la frecventa intermediara (deregula se folosesc doua FI) si dupa demodulare se obtine semnalul in banda de baza; din acestsemnal se separa semnalele utile prin demultiplexare (daca este cazul).

Astfel, schema bloc principiala, foarte simplificata, a subsistemului de radiocomunicatiidintr-o statie terminala a unui sistem de RR sau dintr-o statie de sol a unui sistem de CS arata ca in fig. 1.2; pe langa acest subsistem, statiile includ si multe alte ansambluri (dealimentare, de urmarire, de control, ...).Intr-un sistem de CS, subsistemul de radiocomunicatii de pe satelit are rolul unei statiiintermediare, care asigura numai receptia semnalelor de RF de la mai multe statii de sol,translarea pe o alta frecventa purtatoare si retransmisia semnalului de RF spre mai multe statiide sol. Acest subsistem utilizeaza una sau mai multe antene care receptioneaza una sau maimulte UEM purtatoare, cu frecvente intr-o banda destul de larga in jurul unei frecvente mediisi emit UEM cu frecvente purtatoare in alta banda, in jurul altei frecvente medii, intotdeaunamai mica decat frecventa de receptie. Pentru fiecare frecventa purtatoare exista o unitate (unsistem) de receptie si emisie numit transponder fig. 1.4. Un transponder este format din:1) filtrul de banda de intrare (FTBin) pentru separarea purtatoarei; 2) amplificatorul cu zgomotredus (LNA Low Noise Amplifier); 3) schimbatorul de frecventa (SF) cu oscilator local(OL) si filtru de banda (FTBo); 4) lantul de amplificatoare de RF (ARF); 5) amplificatorul deputere (ARFP) final. Pe satelit se pot afla mai multe transpondere (pana la 24).Se mentioneaza ca unele sisteme realizeaza translarea cu o singura schimbare de frecventa(ca in fig. 1.4) dar altele, care lucreaza la peste 10GHz, utilizeaza doua schimbari defrecventa.

Toti satelitii sunt echipati cu inca un sistem de radiocomunicatii, cu antena (antene)separata pentru urmarire, telemetrie si comanda (TT&C - Traking, Telemetry & Command);in prezent, de regula, aceste operatii se realizeaza cu statii de sol anume destinate.

Discutiile de mai sus releva multe asemanari, mai ales de ordin calitativ, intre sistemelede RR si de CS; deosebirile sunt insa importante si vor apare mai clar in continuare.

Orbitele satelitilor

Tipuri de orbite. Arii de vizibilitate

De orice forma ar fi, planul orbitei unui satelit trece prin centrul Pamantului. Orbitele(fig. 1.7) se caracterizeaza prin multi parametri, printre care:- inclinarea, adica unghiul dintre planul orbitei si planulecuatorial - exista sateliti cu orbite ecuatoriale,inclinate si polare (inclinate la 90);- forma orbitei, care poate fi circulara (aproximativ),eliptica sau elipsa alungita cu centrul Pamantului intrunuldin focare;- altitudinea orbitei, adica distanta fata de sol dinacest punct de vedere exista sateliti de joasa, medie siinalta altitudine..O categorie aparte o reprezinta satelitii geostationari.Considerand cu aproximatie Pamantul sfericsi orbitele de asemenea sferice fig. 1.8, miscareaunui satelit cu masa ms se face cu o viteza unghiulara s determinata de echilibrul fortelor deatractie gravitationala (Gs) si centrifuga (Fc):

Daca se impune ca viteza unghiulara a satelitului sa fie egala cu a Pamantului (Ts = 1zi siderala medie = 86164sec), considerand raza Pamantului la ecuator Req, din (1.2) rezultaca aceasta se realizeaza pentru o raza a orbitei R + h = 42164km, laaltitudinea h = 35786km.Satelitii cu perioada de rotatie egala cu a Pamantului, aflatipe orbite circulare la h = 35786km, se numesc (geo)sincroni iarorbita geosincrona.In functie de altitudine, orbitele si satelitii pot fi:- de joasa altitudine (LEO1), h = 500 5000km (Ts = 1 4ore);- de medie altitudine (MEO1), h = 5000 20000km (Ts = 4 12ore);- de inalta altitudine, h = 20000 35786km (Ts = 12 24ore);- geosincroni, h = 35786km (Ts = 24ore).Satelitii cu perioada de rotatie submultiplu al perioadei de sincronismse numesc subsincroni.

Pamantul este inconjurat de doua centuri (Van Allen, 1.2.4) cu concentratie foartemare de particule cu sarcina, cu mare energie: una la 1900 - 4500km altitudine si a doua la13400 - 19800km. Deoarece echipamentele electronice sunt puternic afectate de bombardamentulcu particule incarcate, aceste zone sunt evitate cu mare grija.Satelitii care raman la verticala locului de plasare se numesc geostationari, iar orbitaeste geostationara (GEO2) Orice satelit geostationar este si sincron; reciproca nu este adevarata.Un satelit este geostationar daca: 1) este sincron (Ts = 1 zi siderala); 2) are orbita in planecuatorial; 3) se roteste pe orbita in acelasi sens cu care se roteste Pamantul in jurul axei.

Altitudinea determina zona de pe Pamant din care satelitul poate fi observat, numita arie devizibilitate fig. 1.9. Aceasta arie se poate determina considerand situatia schematizata in fig. 1.10.S fiind satelitul si statia de sol amplasata inA, unghiul dintre tangenta in A si dreapta AS(orizontala in A) se numeste elevatie. Punctul S0 laintersectia verticalei satelitului OS cu suprafataPamantului (ideal sferica) se numeste subsatelit(cand satelitul este nestationar, S0 descrie o curbape suprafata pamantului). Ducand OB perpendicularape SA, in triunghiul drepunghic SOB, cu R =OS0 raza Pamantului si h altitudinea satelitului, rezulta:

Semiunghiul sectorului sferic de vizibilitate (in cazul satelitului geostationar aflat inplan ecuatorial, este latitudinea) este:

Pentru o altitudine h data, unghiurile si sau si , sunt in relatiile (1.3) respectiv (1.4). Evident,locul geometric al punctelor cu aceeasi elevatie (h dat)este un cerc intersectia conului cu vatful in S si unghiul din varf 2 cu Pamantul).Ideal, elevatia minima este min = 0 (satelitul vizibil pana la linia orizontului), aria devizibilitate este maxima, corespunzatoare unghiurilor max = arccos[R/(R+h)] si max =arcsin[R/(R+h)].

Pentru un satelit geostationar, cu h = 35786km, R = 6378km, se obtin valorile max =8050 si 2max = 1820.Din motive de protectie la perturbatii, statiile de sol sunt amplasate in depresiuni, intredealuri si munti. Ca urmare, elevatia minima realizabila nu este zero: min = 5 ... 10.Orbita geostationaraIntr-un articol din 1945, celebrul autor britanic de literatura stiitifico-fantastica AthurC. Clark a demonstrat existenta orbitei geostationare si posibilitatea ca, folosind 3 sateliti de comunicatii plasati pe GEO, alimentati cu baterii solare, sa se acopere practic intreaga suprafatalocuita a globului terestru. Primele realizari practice au fost in 1963 (Syncom I si II,Hughes Aircraft Corporation) iar primul serviciu comercial a fost asigurat de INTELSAT I(Early Bird, Hughes, 38kg, putere 46W, 240 canale telefonice sau 1 canal TV, ) lansat inaprilie 1965 deasupra oceanului Atlantic. Proiectat pentru 1,5 ani, INTELSAT I a functionatperfect 6 ani, dupa care a fost scos din serviciu. In prezent sunt in serviciu aproape 300 desateliti pe GEO si numarul lor creste in fiecare an.

Considerand elevatia minima realizabila pentru un satelit pe GEO min = 5 ... 10, seobtin (fig. 1.10): max = 7621 ... 7127 si 2max = 1719 ... 1707 iar lungimea arculuiAS0 este Lg(arc AS0)max = R[rad] = R[]/180 = 8500 ... 7950km. Aceasta inseamna ca cu3 sateliti geostationari amplasati la 120 in plan ecuatorial (deasupra oceanelor Atlantic,Pacific si Indian) se acopera practic intreaga suprafata dens populata a Pamantului. Lungimeaecuatorului fiind 40000km, la elevatii de 5 ... 10, suprafetele de vizibilitate in regiunileecuatoriale se suprapun partial: 32(8500 ... 7950) = 51000 ... 47700 > 40000km. Zoneleneacoperite sunt in regiunile polare ( este latitudinea), la latitudini peste 71, cu necesitatireduse de radiocomunicatii.

O statie de sol dintr-o zona de suprapunere poate lucra simultan cu 2 sateliti si caurmare poate servi pentru legatura intre 2 statii acoperite de sateliti diferiti procedeul senumeste dublu salt. Mai clar (fig. 1.11) legatura dintre statiile SS-A si SS-B se poate face prinSS-C, cu 2 salturi: SS-A S1 SS-C si apoi SS-C S2 SS-B.Trebuie remarcat ca in procedeul descris mai sus, statiile aflate la limita de vizibilitate(cu elevatie mica) receptioneaza semnale sensibil mai slabe decat cele din regiunea subsatelit,in primul rand din cauza distantei mari la satelit. In adevar dupa fig. 1.10, distanta statie satelit(AS) este:AS = (R + h)sin( + ) Rsin

Trebuie remarcat ca in procedeul descris mai sus, statiile aflate la limita de vizibilitate(cu elevatie mica) receptioneaza semnale sensibil mai slabe decat cele din regiunea subsatelit,in primul rand din cauza distantei mari la satelit. In adevar dupa fig. 1.10, distanta statie satelit(AS) este:AS = (R + h)sin( + ) Rsin (1.5)O SB A S0Fig. 1.10. Calculul ariei de vizibilitateR h8Pentru min = 5 - 10, si max = 7621 -7127, rezulta AS = 41128 - 40588km,sensibil mai mare ca S0S = h = 35800km.Acesta este dezavantajul geografic.

Pe langa aceasta, UEM de la satelitipe GEO parcurg distante mari prin ionosferasi troposfera, zone in care apar pierderi sensibilede putere, prin variate fenomene (absorbtii,reflexii si refractii, depolarizari etc.),reducand si mai mult puterea la receptor.

Pentru asigurarea acoperirii intregilorzone, satelitii geostationari trebuie saaiba antene cu deschiderea 17, destul demare. Evident, este posibila utilizarea unorantene mai directive (cu deschidere catevagrade), care acopera zone mai mici darasigura putere mai mare la receptoarele dela sol. Chiar in acest caz, unitatile de la soltrebuie sa aiba antene directive, cu castigmare, cu dimeniuni mari Din cauza distantelormari, statiile de sol trebuie sa emita cu puterimari, cu antene directive mari (diametre x10cm).

Experienta arata ca plasarea unui satelitpe GEO este o operatie delicata, care necesitamult combustibil si costa foarte mult. Satelituleste plasat mai intai pe o orbita de parcare, joasa,de pe care este propulsat pe o orbita de transferpana la atitudinea GEO fig. 1.12. In final seexecuta operatii de ajustare si stabilizare pe GEO;asemenea operatii se executa periodic, pentrucompensarea efectelor precesiei Pamantului, avantului solar si a altor fenomene perturbatoare.

Asadar, dezavantajele utilizarii GEO sunt:necesita putere mare la emitatorele de la sol,asigura putere redusa la receptorii de la sol,calitatea comunicatiilor este influentata de factori atmosferici si ionosferici, nu se asiguraacoperirea zonelor polare, costul lansarii este ridicat. Toate acestea au stimulat, mai ales dupa1990, utilizarea orbitelor non-GEO, de regula LEO, mai ales pentru comunicatii mobile.Orbite non-geostationare

Avantajele esentiale, necontestabile, ale satelitilor geostationari au determinat lansareaunui numar impresionant de asemenea sateliti pentru telecomunicatii (circa 300 in prezent).Totusi, utilizarea GEO are si dezavantajele mentionate in finalul 1.1.4.2. Ca urmare, a foststimulat efortul de utilizare si a altor orbite, printre care orbitele circulare joase si medii,inclinate si polare si a celor tip elipsa alungita. Cateva dintre orbitele non-GEO, folosite sauprevazute a se folosi sunt prezentate mai jos.Orbitele non-GEO inalte, cu h > 20000km, nu sunt folosite, neavand nici un avantaj.

a. Orbite de joasa altitudine (LEO)Orbitele de joasa altitudine trebuie sa fie deasupra ionosferei dar sub prima centuraVan Allen; obisnuit, altitudinea acestor orbite este hLEO = 750 1500km.

Orbitele de joasa altitudine au avantaje importante, printre care: putere mica necesarape satelit pentru emisie, antene cu dimensiuni mai mici, timpi de propagare a semnalelor mici,posibilitatea utilizarii efectului Doppler pentru determinarea pozitiei satelitului, costuri redusepentru lansare si pentru statiile de sol. Primii si urmatorii sateliti lansati in scopuri stiintifice similitare (din 1957 si in prezent), utilizeaza LEO. Utilizarea LEO pentru comunicatii civile ainceput mult mai tarziu - primele proiecte au aparut prin 1990.

Pentru asigurarea continuitatii legaturii, in cazul utilizarii LEO sunt necesari mai multisateliti pe orbita iar pentru acoperirea unor suprafete intinse, trebuie folosite mai multe orbite.Ansamblul satelitilor pe mai multe LEO, cu mai multi sateliti pe fiecare LEO, formeaza oconstelatie.

In prezent exista in functie trei constelatii (inca incomplete) de sateliti pe LEO:ORBCOMM, GLOBALSTAR si IRIDIUM; alte sisteme sunt in stadiu de proiect.

ORBCOM (cu prima lansare in 1995) a prevazut folosirea a 20 ... 24 sateliti pe orbitecirculare la 970km altitudine. Constelatia include: 3 orbite inclinate la 40 cu cate 6sateliti/orbita si 2 orbite polare (inclinate la 90) cu cate 1 satelit/orbita. In prezent se prevedeca sistemul sa includa 36 de sateliti pentru acoperirea practic a intregii suprafete locuite.

GLOBALSTAR, cu 48 de sateliti in 8 orbite cu 6 sateliti/orbita (orbite la 1400km,inclinate la 52) este destinat in principal comunicatiilor mobile, urmand sa acopere Pamantulpana la 69 latitudine nord si sud.

IRIDIUM1, constelatie realizata de Motorola incepand din 1996, unul dintre cele mai ambitioase proiecte de sisteme spatiale pentru comunicatiimobile, va include 66 de sateliti pe 11 orbite polare la 750km, cu 6 sateliti/orbita,acoperind intregul Pamant. Satelitii pot comunica si unii cu altii, permitand conectarea aoricaror puncte de pe glob.

b. Orbite de medie altitudine (MEO)Orbitele de medie altitudine circulare sunt situate intre centurile Van Allen; obisnuit,altitudinea acestor orbite este hMEO = 10000 20000km.Exista mai multe proiecte de sisteme cu sateliti pe MEO.

In prezent, este activ sistemul GPS(Global Positioning System), dezvoltat de DepartamentulApararii al SUA pentru localizareanavelor, in general a oricaror unitati de soldotate cu echipament adecvat. Sistemul folosestesateliti pe orbite circulare la h = 20182km,inclinate la 55. Satelitii au perioada de rotatiede 12 ore si ca urmare traiectoria pe sol (curbadescrisa pe sol de subsatelit) este curba inchisafara intersectii fig. 1.13. In final, constelatiava avea 21 de sateliti operationali plus 3 rezerve,repartizati cate 4 pe 6 orbite. Receptia simultanaa semnalelor de zgomot pseudo-aleator de la 4 sateliti permite determinarea pozitiei receptorului in spatiul tridimensional. Pentruaplicatii militare rezolutia este mai buna de 10m iar pentru utilizari civile se asigura orezolutie de 100 300m. Pe fiecare satelit exista ceasuri cu rubidiu si cesiu care asigura bazede timp si frecvente de referinta de foarte mare precizie si stabilitate.Un sistem similar este dezvoltat de Rusia (GLONASS), cu 24 de sateliti pe 3 orbite.Pentru comunicatii mobile se afla in stadiu de proiect sistemul ODYSSEY cu 12sateliti la 10355km altitudine.

c. Orbite eliptice foarte alungiteOrbite eliptice foarte alungite (HEO Highly Elliptical Orbit) se folosesc cand se doreste ca satelitul sa fie vizibil mult timp numai dintr-o anumitazona. Pe asemenea orbite viteza liniara a satelitului variaza: estemaxima la perigeu si minima la apogeu (perigeu punctul cel maiapropiat de centrul Pamantului, apogeu - punctul cel mai departatde centru).De interes deosebit este orbita tip Molnia, utilizata primadata de satelitii pentru comunicatii lansati de URSS prin 1975.Orbita Molnia are apogeul la 39360km, perigeul la 1000km si oinclinare de 63,4; aceasta inclinare asigura o pozitie fixa pentru axamare a elipsei (la alte inclinari, axa mare se roteste rotatieapsidala). In prezent exista mai multe sisteme care utilizeaza orbite Molnia si similare. In timpul de fata sint utilizate citiva tipuri de orbite cu excentrcitate mare:

-Orbita tip Borealis cu perioda de revolutie T=3 ore

-Orbita tip Arhimedes cu perioda de revolutie T=8 ore

-Orbita tip cu perioda de revolutie T=12 ore

-Orbita tip cu perioda de revolutie T=14,4 ore

-Orbita tip cu perioda de revolutie T=24 oreDatorita apogeului inalt a orbitei eliptice satelitul se afla in zona de vizibilitate directa a statiei de sol mai mult timp, asigurind legatura timp mai indelungat. Exemplu satelitul de pe obita (apogeul 40000km perigeul 460km) asigura sesiunile de comunicare cu durata de 8-10 ore, iar sistemul din trei satelit asigura legatura globala 24ore di 24.

Orbitele cu apogeul mai jos asa ca Borealis (apogeul 7840km perigeul 520km) sau Arhimedes (apogeul de 26737km perigeul 1000km) sint destinate pentru comunicatii regionale.

Sistemile cu apogeul mai jos cistiga de le cele cu excentricitate inalta, in caracteristicile energetice, cedind in durata timpului sesiunei de comunicatie.

Pentru asigurarea legaturei permanente cu folosirea orbitei sincrone solare de tip Borealis trebuie nu mai putin de 8 sateliti, ce permit deservirea a traficului maximal la unghiul de viziblilitate nu mai putin de 25o.

Alegerea planului de inclinare a orbitei eliptice prevede citiva restrictii. Ele sint cauzate de influenta neomogenitatii cimpului magnetic a pamintului, care duce la aparitia momentului de rotatie a in jurul axei mari a orbitei eliptice, ce duce la fluctuatia latitudinei satelitului in apogeu. Obita ramine constanta pentru dou marimistbile al ungiului de inclinare 69,4o si 116,6o.Tipul orbiteiGEOMEOLEO

Altitudinea orbitei,km3600010355700-1500

Numarul de sateliti in grupul orbital38-1248-66

Suprfata de acoperire a unui satelit, in unitati relative, %3425-283-7

Durata prezentei satelitului in zona de vizibilitatea Continuu1,5-2 ore10-15 min

Intirzierea semnalului 500ms250-400ms170-300ms

Deplasarea maximala a frecventei 10-86*10-6(1,8-2,4)10-5

Unghiul de vizibilitate la frontiera zonei de deservire525-3010-15

Analiza sistemelor de sateliti globali de tip LEO, MEO, si GEO in prezenta interferentelor [3]Orbitele circulare de altitudine joasa (LEO) si orbitele de altitudine medie (GEO) sunt luate , in special, in cosiderare. O analiza preliminara este purtata doar pe baza consideratiilor geometrice, conducand catre evaluarea: procentajului de acoperire a suprafetei Pamantului de catre constelatiile de sateliti, a statisticilor asupra frecventelor de legatura intre sateliti si a perioadelor de absenta a legaturilor intre sateliti.

Scenariul de interferente intr-un sistem de sateliti mobili este diferit fata de cel terestru datorita prezentei antenei integrate, care actioneaza precum un filtru spatial. Interferenta de canal este o consecinta a prezentei lobilor laterali din diagrama de raze a antenei. Acest lucru implica selectivitatea unghiulara neideala a undelor. Pentru a realiza o comparatie corecta a constelatiilor ce opereaza la diferite altitudini orbitale si cu unghiuri diferite de elevatie , a fost dezvoltat un model empiric pentru a sintetiza castigul undei in functie de parametrii mentionati mai sus si unghiul de incidenta cu suprafata Pamantului.

Dandu-se diagrama razelor a unei antene multispot, se introduce un model general pentru evaluarea raportului carrier-to-interference power C/I, ce poate fi aplicat pentru toate tehnicile de acces. Modelul este , apoi, aplicat tehnicii de acces multiplu prin divizare in frecventa (FDMA). Este realizata o alocare statica a frecventelor canalelor , astfel pot fi identificate a priori punctele de suprapunere a acestora. Totusi, datorita dinamicii constelatiilor , pozitia relativa a punctelor de suprapunere a canalelor se schimba cu timpul, astfel C/I va fi mereu considerat o cantitate statistica.In unele ocazii speciale (mai ales cand planele satelitilor din orbite apropiate se intersecteaza ), punctele de suprapunere a canalelor se intersecteaza la sol : in aceste conditii, nivelul de interferente este intotdeauna inacceptabil, daca nu cumva au fost luate contramasuri. Pentru evitarea sau minimizarea producerii acestor situatii se folosesc urmatoarele tehnici : oprirea undei (spot turnoff), diviziunea frecventelor in interiorul planului orbital si diviziunea frecventelor intre planele orbitale.

Din moment ce canalele de comunicatii mobile sufera tot timplul din cauza conditiilor de propagara neideala, analiza interferentelor trebuie realizata si tinand cont de prezenta fading-ului. Totusi, este dificil de realizat o analiza precisa de fading, tinand cont ca userii care interfereaza mutual sunt , in mod normal , localizati in medii complet diferite .Masuratori de performanta geometrica

Acoperirea instantanee realizata de o constelatie, C(t;) poate fi definita ca zona fractionala ponderata a suprafetei Terrei S, acoperit cu un unghi de elevatie mai mare decat

unde P este un punct deasupra lui S; =1 daca P este acoperit la timpul t cel putin cu unghiul , =0 altfel; functia pondere , 0 1, este adaptata la zona de serviciu a sistemului , si posibil, catre cerinta de trafic asteptata. In toate analizele ulterioare, vom presupune =0 peste +70 lat. si sub 70 lat., si =1 altfel.

Evaluand C(t;) pentru valori diferite ale unghiului de elevatie si a timpului de schimb, functia de distributie cumulativa poate fi obtinuta. Aceasta analiza poate fi folosita pentru a verifica daca constelatia selectata poate atinge acoperire globala si de asemenea pentru a identifica ce proncent din Terra este acoperita cu unghi de elevatie mai mare decat un anumit prag.

Dimensiunile zonelor de deservire

Cu cit mai inalta orbita, cu atit mai putini sateliti trebue pentru acoperire globala a suprafetii pamintului. Legatura intre numarul de sateliti inaltimea orbitei si unghiul este dat in relatia de jos

unde numarul de planuri

orbitale numarul de sateliti in planul orbital.

Pentru acoperirea suprafetii cu sistemul de sateliti cu inaltimea 700-1500km este necesar un minim de la 40-70 sateliti.

Acoperirea dubla se socoate atunci cind in zona de vizibilitate a statiei de sol se afla cel putin 2 sateliti in timp de 90-95% din timpul zilei.

Zona echivalenta (suprafata echivalenta) pentru un satelit, este zona limitata de suprafata vizibilitatii directe a satelitului si statiei de sol, care se calculeaza dupa formula de jos S=2Rp(1-)

In practica are interes valoarea relativa a suprafetii de acoperire a unui satelit

; Sp- suprafata totala a pamintului In figur de jos este prezintata dependenta suprafetii relative acoperite de un satelit in dependenta de inaltimea satelitului.

1.3.3. Caracteristicile de probabilitate si timp

In sisteme cu sateliti negeostationari in care satelitii se misca in timp si in spatiu in mod neprevazut, aliator parametrii de baza care caracterizeaza calitatea deservirii sint:

-durata medie a sesiunii de comunicatie

-timpul mediu de asteptare

Timpul de prezenta a satelitului in zona de vizibilitate a statiei de sol depinde de unghiul si parametrii orbitei. Cu cit orbita este mai inalta, cu atit este mai lung timpul de prezenta a satelitului in zona de vizibilitate a statiei de sol.

Expresiile analitice sint dificil de obtinut pentru toate tipurile de orbite incluzind toti factori de influenta. Deaceea ele sint date numai pentru cazurile aparte. Astfel timpul mediu de prezenta a satelitului in zona de vizibilitate a statiei de sol, pentru orbita ecuatoriala se calculeaza din urmatoarele conditii

Pentru un satelit cu orbita ecuatoriala joasa cu perioada de revolutie T=90-127min, ca rezultat sesiunea de comunicatie este 9-31min cu schimbarea inaltimii 570-2000.

In cazul orbitelor polare timpul maxim al sesiunei la latitudini 50-60 grade este de 8-15min cu schimbarea inaltimii 800-1500km.

Latitudinea 45 50 55 60 65

Timpul sumar al sesiunei (%) 79,4 69 50,4 27,2 9

Timpul mediu al unei sesiuni (min) 10,8 9,4 7,9 5,9 3,1

Timpul sumar de intreruperi (%) 20,6 31 49,6 72,8 91

Durata medie a unei intreruperi (min) 2,8 4,2 7,8 15,9 81,9

Din tabelul de sus se vede cu cresterea latitudinei a statiei de sol, se schimba durata sesiunii de comunicatie si durata intreruperilor. Cu crestrea latitudinii creste timpul intreruperilor in sesiune, cele mai mari intreruperi sint la latitudinea de 65o (81,9). Acest lucru se explica astfel: statia de sol nu intra in zona de acoperire a satelitului cu orbita inclinata la 45o.Conectivitate. Comparatie intre tehnologiile de telecomunicatiiIn prezent, practic toata lumea vrea si trebuie sa comunice cu toata lumea. Ca urmare,sistemele de telecomunicatii, cu rare exceptii, indiferent de tip, sunt structurate in retele.Modul in care un sistem, o retea de telecomunicatii, asigura legaturile intre diversi utilizatorise numeste conectivitate. Formele primare de conectivitate sunt: 1) punct cu punct; 2) punctcu multipunct; 3) multipunct cu punct; 4) multipunct cu multipunct. Evident, legaturile trebuiesa fie bidirectionale. Pentru detaliere se va considera sistemul de comunicatii spatiale.

1. Conectivitatea punct cu punct, asigura legatura intredoua puncte fixe fig. 1.16; a fost primul sistem utilizat in CSsi in prezent nu se mai foloseste.

2. Conectivitatea punct cu multipunct, tip radiodifuziunepermite transmisii unidirectionale, dintr-o singura statie lanumeroase altele care pot numai sa receptioneze fig. 1.17.Sistemele de televiziune prin satelit sunt un exemplu tipic.

3. Conectivitatea multipunct cu punct permite conectareabidirectionala din mai multe statii la o singura statieprincipala fig. 1.18. De la satelit se transmite catre numerosiutilizatori in sistem de radiodifuziune; de la statii se transmitespre satelit printr-o tehnica de acces multiplu Deobicei procedeul asigura conectarea multor statii decapacitate mica la o statie de mare capacitate.

4. Conectivitatea multipunct cu multipunct este realizata atunci cand mai multe statii folosescin comun resursele satelitului, atat pentru transmisiicat si pentru receptii (aceasta tehnica se numesteacces multiplu.....).

In prezent se folosesc pe scara larga maimulte tehnologii pentru retele de telecomunicatii:1) prin perechi de cable torsadate (telefonie); 2)prin cablu coaxial si fibra optica; 3) prin reteleradio locale; 4) prin radiorelee; 5) prin sateliti.Aceste tehnologii sunt mai mult complementaredecat concurente, fiecare satisfacand, cu avantajemai mari, necesitati specifice.

Primele patru tehnologii sunt avantajoasepentru comunicatii locale si regionale, cu conectivitatepunct cu punct (se pot realiza si conectivitati multipunct cu multipunct dar numai prininterconectarea punctelor, prin comutare). Sistemele de CS prin insasi natura lor, acoperaarii imense si asigura orice tip de conectivitate fara comutare din acest punct de vedere,avantajul este formidabil. In schimb, sistemele cu cablu coaxial si fibra optica pot asiguraviteze de transmisie mult mai mari iar sistemele cu cabluri torsadate exista deja. Sistemele deRR sunt ieftine si de asemena, de multa vreme in functie. Retelele radio locale sunt ieftine simai usor adaptabile necesitatilor locale.

Intr-un fel, sistemele RR si CS sunt asemanatoare, folosind aceleasi principii detransmisie, cam aceleasi benzi de frecventa si in consecinta echipamente construite pe aceleasiprincipii. Deosebirile majore provin din modul de lucru (punct cu punct in RR, multipunct cumultipunct in CS) si distantele parcurse de unde intre statii.

Modelarea antenelor multipunct

NS, indica numarul satelitilor din constelatie, iar NC reprezinta numarul celulelor per satelit. O celula specifica din zona de service este identificata cu ajutorul perechii (j;k), j=1,....,NC , k =1,...., NS. Fiecare celula este acoperita de lobul principal al undei al carei castig , Gj(), este asociat cu modelul de raze normalizat al campului indepartat, Fj() : Gj()=GMj F2j(), unde GMj este castigul maxim al celui de-al spot. Undele pot avea modele de raze diferite pentru a compensa pentru unghiurile de incidenta diferitele si pierderile spatiilor libere. Modelele de raze au fost modelate prin masti potrivite invaluind maxima diafragmei conice a antenei

^

Fj()=F ( uj )= * unde:

uj= daj sin / ; Jp (u) este functia Bessel de speta I si ordin p ; T este marginea deschiderii de forma conica; daj este deschiderea efectiva a diametrului celui de-al j-lea spot; este lungimea de unda. Ca exemplu, F(u) si masca corespunzatoare sunt sunt desenate in figura 3. pentru T=20 dB si p=2.

Concluzii Importanta comunicatiilor prin satelit in dezvoltarea domeniului de telecomunicatii se determina, in primul rand, de posibilitatea de acoperire a mari si intinse teritorii, fiind necesara doar crearea unor statii terestri. Aceasta este un avantaj ce permite utilizarea acestor sisteme in transmiterea circulara a informatiei la distante mari de la centru, cat si in organizarea comunicatiilor cu teritoriile si ariile indepartate sau obiectele mobile (vapoare, avioane, etc).Un alt avantaj major al comunicatiilor prin satelit il constituie posibilitatea de redistribuire a fluxurilor de informatii. Ceea ce permite utilizarea eficienta a canalelor de transmisiune fara prezenta unei supraincarcari a anumitor canale si pentru celelalte canale nu. Redistribuirea canalelor este, de asemenea, necesara pentru restabilirea conexiunilor in cazul incidentelor pe traseele terestre.Cel de-al treilea avantaj al comunicatiilor prin satelit consta in faptul, ca costul canalelor acestei tehnologii nu depinde de distanta dintre terminalele terestre ale sistemei de comunicatii. Comunicatiile prin satelit sunt cu atit mai economice (in comparatie cu statiile terestre), cu cat mai departe unul de altul sunt amplasati cei doi corespondenti, cu cat este mai dens distribuita reteaua statiilor terestre, cu cat este mai inalt coeficientul de transfer al satelitului.

Bibliografie

1. [1] David S. F. Portree; Joseph P. Loftus, Jr (1999)."Orbital Debris: A Chronology"2. [2] http://en.wikipedia.org/wiki/Communications_satellite3. Santos, V., Neves, J., "Link quality assessment in mobile satellite communication systems", Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, 2003. PIMRC 2003. 14th IEEE Proceedings on, On page(s): 405 - 409 Vol.1, Volume: 1 Issue: , 7-10 Sept. 20034. Smida, B., Efthymoglou, G.P., Ghassemzadeh, S.S., Tarokh, V., "On Effects of Antenna Pointing Accuracy for On-the-Move Satellite Networks",Vehicular Technology, IEEE Transactions on,On page(s): 1677 - 1686, Volume: 60 Issue: 4, May 2011

5. [3] Zhipeng Wang, Mathiopoulos, P.T., Schober, R., "Performance Analysis and Improvement Methods for Channel Resource Management Strategies of LEOMSS With Multiparty Traffic",Vehicular Technology, IEEE Transactions on,On page(s): 3832 - 3842, Volume: 57 Issue: 6, Nov. 2008

6. De Gaudenzi, R., Giannetti, F., "DS-CDMA satellite diversity reception for personal satellite communication: satellite-to-mobile link performance analysis",Vehicular Technology, IEEE Transactions on,On page(s): 658 - 672, Volume: 47 Issue: 2, May 19987. De Gaudenzi, R., Giannetti, F., Luise, M., "Capacity of a multibeam, multisatellite CDMA mobile radio network with interference-mitigating receivers",Selected Areas in Communications, IEEE Journal on,On page(s): 204 - 213, Volume: 17 Issue: 2, Feb 19998. Hongyi Fu, Guoan Bi, Arichandran, K., "Performance of multi-beam CDMA-based LEO satellite systems in a Rice-lognormal channel",Communications Letters, IEEE,On page(s): 88 - 90, Volume: 3 Issue: 4, Apr 1999

9. Satellite Communications - David Hart AUG 199710. Satellite communications systems and technology--Europe, Japan, Russia / Burton I. Edelson [et al.], Park Ridge, N.J., U.S.A. : Noyes Data Corp., c1995

11. Satellite Communications Tutorial - J P Silver http://www.odyseus.nildram.co.uk/Systems_And_Devices_Files/Sat_Comms.pdf EMBED Word.Picture.8

Suprafaa relativ,%

1

1.000

nalimea orbitei,km

10.000

100.000

500

10

100

150

50

100

Fig.5 Dependena suprafeii relative acoperite de un satelit n dependen de nlimea satelitului.

_1387624766.unknown

_1387624768.unknown

_1387624769.unknown

_1387624767.unknown

_1387624765.unknown

_1387624764.doc