COMUNICATII PRIN SATELIT

Anul 1965 - pct. crucial ptr sist. de com. prin satelit

- se urmareste transmiterea unui nr mare de canale de telefonie, telegrafie si televiziune.

Clasificarea sist. de radiocom. cu sateliti

Un sist. de Rdcom. care foloseste satelitii artificiali ai pamantului poate fi reprezentat ca in fig.1 in care S este satelitul, ER₁ si ER₂ sunt 2 statii de emisie-receptie de sol, cu antenele A₁ si A₂, iar Ars si Aes reprezinta antenele de receptie respectiv emisie ale satelitului.

In realitate nr statiilor de sol este mult mai mare ca 2 ptr a asigura economicitatea sistemului.

Fig.1

Modul in care se face folosirea simultana a satelitului de catre mai multe statii constituie problema importanta a accesului multiplu. Ptr simplificarea analizei, se va accepta schema cu 2 statii din fig2.1. Din aceleasi considerente nu ne intereseaza ptr. moment tipul de mesaj (fonie, imagini fixe sau mobile) care intervine. Mai pp ca sist asigura transmiterea intr-un sens unic, a unui singur canal tf.

Intr-o oarecare masura satelitul implineste fctiile statiei intermediare dintr-o linie Rd-Rl (radio-releu) terestra in sensul ca el preia semnalul la frecv f1, de la o statie de sol, il amplifica si il transmite, pe frecv f2≠f1, catre cealalta statie.

Din schema facuta in Fig.1 problemele ce se vor studiate sunt legate de:

- pozitia satelitului fata de statiile de sol (orbita satelitului);

- calculul global al sist pe baza caruia se asigura la pctul de receptie de pe sol raportul S/N necesar;

- propagarea undelor radio intre Pamant si satelit;

- antene;

- aparatura continuta de satelit si statia de sol;

- organizarea si exploatarea sistemului.

Criterii de clasificare a sist de Rdcom prin sateliti

-Caracterul: -activ: satelitul contine aparatura electronica de prelucrare a semn de telecom, de masurare

a parametrilor functionarii subansamblurilor (temp satelitului, starea de incarcare a bateriilor, etc), de orientare in spatiu (sesizori ai Pamantului, soarelui, stelelor 'fixe'), de executare a telecomenzilor primite de la sol;

-pasiv: satelitul nu contine aparatura, el este un simplu reflectant (Luna, o sfera metalizata,

strat de ace de Cu) al undelor EM (electromagnetice) transmise de la sol.

-Transmiterea: -in timp real sau cu intarziere(cu memorie).

Fig.2

Pp. ca planul orbitei coincide cu planul OAB.

=AT1 si BT2 sunt tg la sfera in pct A si B (statiile de sol);

=1,2,3 - orbite pp ale satelitului S;

=orbita 2 trece prin intersectia tangentelor;

a) Din Fig.2 este evident ca sat de pe 1 nu poate fi vazut simultan din statiile A si B => ptr a putea realiza legatura intre A si B trebuie sa se memoreze mesajul lui A inainte de a ajunge in pctul D si apoi sa il transmita lui B dupa ce a depasit pctul E.

b) Pe orbita 3 satelitul S este vizilbil simultan din A si B, daca el este plasat pe arcul FG; de pe acest arc se poate face o transmitere in timp real. Durata legaturii in timp real creste odata cu altitudinea satelitului. Durata poate fi marita daca se plaseaza un al doilea satelit S1 care sa ajunga in pctul F in momentul in care S a ajuns in pctul G. Astfel statia de sol trebuie sa posede 2 antene: una care urmareste pe S si alta care asteapta sa 'ia in primire' satelitul urmator.

Analiza sist cu 'sateliti aleatori' a aratat ca cca 55 de sateliti ar putea acoperi aproape continuu traficul tf intercontinental. Datorita dezavantajelor economice, sist cu sateliti aleatori nu se folosesc, iar cele cu memorie sunt utilizate in cazuri speciale (cercetari geografice, meteorologice, prospectarea resurselor Pamantului).

-Orbita satelitului: - unghiul dintre planul orbitei si planul ecuatorial al pamantului reprezinta inclinatia

'i' a orbitei astfel:

- i=0 => orbita ecuatoriala;

- i=90 => orbita polara.

Orbitele satelitilor, sunt cu o buna aproximatie, elipsoidale si Pamantul se gaseste in unul din cele 2 focare ale elipsei. Pp ca elipsa orbitala este de fapt un cerc, se poate determina perioada de rotatie a satelitului folosind Fig.3, unde Fg=forta de atractie exercitata de P asupra lui s iar Fc=forta centrifuga.

Fig.3

; m = masa S;

Ωs = viteza unghiulara a S;

R = raza P;

H = altitudinea S:

M = masa Pamantului.

-Legea atractiei Universale

Cand S este asezat pe P, are greutatea:

=>

si din cond de echilibru: Fc=Fg

=>

Ptr T=24 ore => h= 35800km.

Astfel un sat la altitudinea h = 35800km, cu orbita circulara, ecuatoriala si care se roteste in acelasi sens cu P, apare ca imobil pe bolta cereasca => este GEOSTATIONAR.

Din relatia => ca T este independenta de masa satelitului si depinde doar de altitudine.

-de joasa altitudine (1000-5000km) => T~2-4 ore;

-de medie altitudine (5000-20000km) => T~4-12 ore;

-de inalta altitudine (peste 20000km).

Marirea altitudinii peste 35800km nu prezinta nici un avantaj. Satelitii cu T=24 ore se numesc SINCRONI. Satelitii cu T un nr submultiplu de 24 ore (6,8,12 ore) se numesc SUBSINCRONI.

Calculul ariei de vizibilitate

Cand se modifica altitudinea satelitului se schimba, in consecinta, domeniul de pe suprafata P din care s poate fi observat. Acest domeniu se numeste ARIE DE VIZIBILITATE a satelitului (fig.4).

Fig.4

O=centrul p; S=sat aflat in planul ecuatorial; A=statia de sol;

Unghiul format de tg in pctul A cu directia statie-satelit(AS) se numeste ELEVATIE. Unghiul format de directia OS (distanta satelit-centrul pamantului) si OA (statie-centruP) se numeste Latitudinea Statiei.

In SOB => =>

(2.3)

(2.4)

Ptr un h dat, conform (2.3) si (2.4) exista o legatura biunivoca intre ε si δ, sau intre ε si Ф.

Daca se precizeaza valoarea elevatiei ε la care se observa satelitul, locul tuturor pctelor din care satelitul se vede la aceeasi elevatie este un cerc obtinut prin intersectia sferei cu conul de deschidere 2δ care are varful in satelit.

Cand << => Ф creste catre

Pp. ε₀=0 => =>

Ptr a reduce posibilitatile de perturbare reciproca intre statia de sol si liniile de RdRl terestre se plaseaza statia de sol in depresiuni inconjurate de dealuri sau munti si de aceea sat nu poate fi urmarit pana la linia orizontului (ε=ε₀=0) ci numai pana la o elevatie minima: ε₀=5-10 .

Ptr ε₀=5 => Ω₀=76 25',

=>

ð       Distanta maxima dintre pctele periferice ale ariei de vizibilitate este de 2AS₀=17000km; ptr asigurarea acestei arii este suficient ca antenele satelitului sa aiba deschideri de 15º10'.

Ptr pctele de la periferia ariei de vizibilitate apare o atenuare sporita pe traiectul de propagare (dezavantaj geografic). Antene statiei de sol lucreaza cu unghiuri mici de elevatie => nivel sporit al zgomotului;satelitul receptioneaza si emite in cele mai proaste conditii la granita ariei de vizibilitate.

O statie de sol din domeniul de supraveghere a ariilor de vizibilitate a 2 sateliti poate lucra cu ambii si de aceea poate fi folosita ca statie intermediara ptr realizarea legaturii intre pcte situate in oricare dintre cele 2 arii invecinate. Asta duce la sistemul de lucru in dublu salt => timp de propagare dublu.

Sisteme de referinta ptr spatiu si timp

Ptr o statie de sol A este importanta miscarea relativa a satelitului fata de pctul in care este amplasata statia. Astfel se foloseste sist de coordonate cu unghi de elevatie ε, unghi de azimut α si distanta r.

Fig.5

Planul tg la geoid (P) formeaza planul orizontal local;

AN - tg in pctul A la meridianul statiei - da directia Nordului;

AV - verticala pe planul tg geoidului (P);

Ptr P -sferic, dreapta AV intersecteaza centrul pamantului;

Daca rotim planul vertical dupa AV incepand din momentul in care el contine directia nordului (AN) pana cand planul contine satelitul S. Unghiul de rotatie astfel obtinut se numeste azimutul satelitului.

(intersectia)

Elevatia (ε) este data de unghiul pe care directia statie-satelit il face cu planul orizontal local.

R=este distanta dintre statie si satelit.

Daca se considera satelitul drept corp ceresc avem nevoie sa recurgem la sisteme de referinta astronomice.

Fig.6

O=observatorul;

PN=polul nord ceresc - intepatura de pe bolta a axei de rotatie a pamantului;

OZ=verticala indicata de firul cu plumb;

Z=Zenitul observatorului = intersectia verticalei observatorului cu sfera cereasca;

Intersectia dintre planul orizontal si bolta = orizontul;

N=nordul din planul de observatie = intersectia dintre cercul mare (cu centrul in O si care trece prin zenit si PN) si orizont;

α = azimutul;

ε = elevatia.

Urma lasata de Soare (S) pe bolta cereasca este denumita ecliptica.

Ecuatorul ceresc = intersectia dintre sfera cereasca si planul ecuatorial terestru. Deoarece axa de rotatie a P este inclinata cu 23,5 fata de planul orbitei => intre ecliptica si planul ecuatorial ceresc se formeaza un unghi de 23,5.

Fig.7

Intersectiile dintre ecliptica si ecuatorsunt denumite noduri.

N₁=ascendent (soarele trece din emisfera S in cea N);

N₂=descendent;

N₁, N₂ - linia nodurilor;

PE - polul eclipticei - data de normala dusa din centrul eclipticei;

Daca luam ca baza planul ecuatorial ceresc sau planul eclipticei, axa de referinta directia echinoctiului de primavara (linia nodurilor) avem sistemele de coordonate urmatoare:

Fig.8

Planul ecuatorului => α₀=ascensiune dreapta'

β₀=declinatie.

Planul eclipticii => α₀=longitudine;

β₀=latitudine.

Ptr masurarea timpului se folosesc procese periodice de lunga durata si f stabile. Timpul si ziua siderala sunt determinate in raport cu echinoctiul de primavara; din cauza miscarii echinoctiului de-a lungul eclipticei, ziua siderala este cu 1/120 dintr-o secunda mai scurta decat ziua determinata fata de stelele fixe".

Timpul si ziua solara: deoarece Pamantul se roteste cu 360 in jurul Soarelui, in cca 365 de zile => valoarea medie a unghiului format de directiile Soare-Pamant la interval de o zi solara este de cca 1.

(Pamantul se roteste cu 360 in 24h)

Astfel durata zilei siderale este, cu cca 4' mai mica decat durata zilei solare.

Date asupra fizicii sist. Solar

Sist. de Rdcom. Cu sateliti ai P fctioneaza in conditii de mediu ambiant f diferite. Ptr aparatura de sol este importanta mai ales actiunea atmosferei si a radiatiei P; datorita marimii distantei dintre statia de sol si planetele sist solar nu este cazul sa se ia in considerare influienta acestora, iar actiiunea Soarelui si a radiatiei cosmice de provenienta galactica sau intergalactica trebuie apreciata numai cu luarea in considerare a efectului protector exercitat de atmosfera terestra. Miscarea satelitilor este influientata de planetele sist solar, de Soare si Luna, de campul gravitational sau magnetic al acestora. Starea aparaturii satelitului nu este dependenta de atmosfera, in schimb radiatia solara si cea cosmica actioneaza direct asupra aparaturii. In spatiul cosmic este mult inrautatita disiparea caldurii, deoarece in mediul de inalt vid, racirea prin convectie, este eliminata, disiparea caldurii facandu-se numai prin radiatie.

Pamantul- forma idealizata este cea sferica; mai reala este forma de elipsoid de rotatie in jurul polilor geografici. Gradul de asfericitate este dat de: ; unde a si b sunt semiaxele mare si mica ale elipsei prin rotatia careia se obtine forma de geoid.

Daca pp ca Pamantul si satelitul au mase concentrate, pctiforme, M si m, atractia exercitata de P asupra satelitului se deduce din legea atractiei universale: ; unde r= distanta satelit-P;

k=constanta => k²=6.67*10^-8 cand [m]=g si [r]=cm.

=> k²=2.86*10^-4 cand [m]=masa Soarelui si [r]=UA

UA=unitate astronomica=dist medie Soare-Pamant

Atmosfera P are o grosime de cateva sute de Km. Incepand de la cca 80Km altitudine, in conditiile unei temperaturi inalte, sub actiunea radiatiei UV a S si in urma ciocnirii particulelor de aer cu particule din vantul solar se produce ionizarea gazelor. Ionizarea duce la schimbarea indicelui de refractie al atmosferei.

Ptr altitudini care depasesc 5000Km, presiunea este f scazuta, astfel satelitii cu orbite mijlocii sau inalte lucreaza intr-un vid inaintat, intr-un mediu f rarefiat in care sunt prezenti hidrogenul si heliul ejectati de Soare.

Soarele si planetele sist solar

Soarele contine aproximativ 99.25 din masa sist solar, este sursa principala de energie termica, lumina, radiatii corpusculare si EM. Planetele se rotesc in jurul axelor proprii si in jurulS pe orbite eliptice, cu elipticitati mici si cu inclinari ale planului orbitei fata de planul aclipticei de ordinul gradelor. Campul gravitational solar exercita o actiune esupra sist Pamant-satelit, care nu poate fi complet neglijata atunci cand se studiaza miscarea satelitului.

Fluxuri de particule in sist solar

Mediul interplanetar, atmosfera sunt strabatute de particule macro sau microscopice. Este putin probabil ca satelitul sa fie lovit de meteoriti de dimensiuni mari, insa fluxurile dese de micrometeoriti, caracterizati de viteze mari de deplasare, deterioreaza invelisul satelitului.

Soarele produce in mod continuu un flux de protoni amestecat cu un mic procent de particule α . Protonii au energii de cca 1-10KeV, iar vitezele de deplasare sunt de 300-1000Km/s. soarele mai emite si nuclee grele cu energii de cativa MeV, ce formeaza radiatia cosmica solara. Aceasta radiatie are caracter imprevizibil si se suprapune cu radiatia cosmica care are un caracter aproape uniform cu energii de cca 4GeV. Protonii si electronii care ajung in vecinatatea Pamantului sunt capturati de campul magnetic terestru, formand centurile VAN ALLEN.

Radiatii -radiatia termica, luminoasa sau cea din domeniul frecventelor in care lucreaza sist de Rdcom influienteaza fctionarea acestuia.

Densitatea spectrala a puterii radiate; ptr corpul negru;

H=3*10⁸js; K=1.38*10^-23J/K; c=3*10⁸m/s; f=frecv(Hz); W₀=puterea radiata de unitatea de suprafata a corputlui negru [W/m²]

Puterea totala radiata de unitatea de suprafata:

; Legea Stefan-boltzman (σ₀=5.67*10^-8W/m²K⁴)

Deoarece

formula Rayleigh-Jeans

Radiatia corpurilor reale nu poate fi identica, nici macar in domeniul termic, cu radiatia corpului negru. Corpul absolut negruprivit ca receptor de energie absoarbe intreaga energie incidenta asupra sa; corpul real absoarbe numai o parte din energia incidenta si de aceia acestuia i se asociaza un coeficientde absorbtie a(f,t) egal cu raportul dintre puterea absorbita de corpul real si cea absorbita de corpul negru la temperatura T si frecventa f date. Puterea neabsorbita de corpul real este reflectata.

ρ=coef. de reflexie.

Un corp are proprietati de radiatie cu atat mai putin pronuntate cu cat proprietatile sale de absorbtie sunt mai reduse => densitatea spectrala W a radiatiei corpului real se deduce din densitatea spectrala W₀ a corpului negru.

, unde ε₀=coef. subunitar;

Densitatea radiatiei in spatiu

Daca pp ca radiatia este de natura termica (cand T este mare => incandescenta => radiatia este si in domeniul undelor luminoase) si ca sursa este omogena si sferica se poate accepta ca radiatia se face prin unde sferice; putem echivala sursa sferica printr-o sursa pctiforma asezata in centrul sferei. Ptr surse nesferice, neomogene sau care au suprafete neuniform incalzite radiatia sursei este dependenta de directie. Daca sursa de radiatie este plasata in fata unui reflector cu o forma convenabila se poate concentra radiatia intr-un fascicul ingust realizand o caracteristica directiva de radiatie.

Intensitatea radiatiei = sursei pctiforme reprezinta puterea radiata in unitatea de unghi solid. Daca radiatia este la fel in toate directiile care pleaca din punct =>

; P=puterea radiata; 4 =unghiul solid.

Pentru o distributie spatiala oarecare: I=ΔP/ΔΩ, unde ΔP=puterea radiata la interiorul unghiului solid; ΔΩ=unghiul solid cu varful in punctul radiant si axul asternut pe directia respectiva.

,

Stralucirea = unui punct al suprafetei radiante, intro directie data, se obtine considerand o suprafata mica ΔS in jurul punctului, calculand intensitatea ΔI a radiatiei acestei suprafete in directia respectiva, apoi raportand intensitatea la suprafata ΔS*cosα, unde cosα este unghiul dintre directia de masura si normala la elementul ΔS:

Intr-un sistem de doua corpuri in vid, unul radiant - de exemplu Soarele - si altul radiat - un satelit de telecomunicatii - uniformitatea iluminarii corpului radiat depinde de caracteristicile corpurilor, adica de forma si culoare, de distributia de temperatura de pe suprafata corpului radiat.

Puterea radiata = scade invers proportional cu patratul distantei.

Puterea radiata de Soare, incidenta pe Pamant este data de: P_i=S₀A_ef; unde S₀≈1400W/m²='const. solara;

A_ef=aria efectiva a pamantului in directia Soarelui.

Puterea incidenta asupra unui satelit: P_IS=S₀/d²A_ef; unde: d=distanta satelit-Soare exprimata in UA.

Actiunea mediului asupra aparaturii unui satelit artificial al Pamantului

Aparatura continuta de satelit si satelitul insusi lucreaza in conditii de presiune f coborata. Aparatura este supusa actiunii unui flux de particule micrometeorice sau atomice purtate de vantul solar sau vehiculate in centurile Van Allen. Radiatiile modifica proprietatile materialelor si regimurile de fctionare ale circuitelor electronice.

Temperatura satelitului este determinata de bilantul si echilibrul dintre caldura primita pe de o parte si caldura radiata de satelit pe de alta parte.

In vidul inaintat interplanetar se produce o sublimatie (trecere directa din starea solida in stare de vapori) accentuata a straturilor superficiale ale materialelor => pierderi de masa, schimbarea proprietatilor de absorbtie si de radiatie ale satelitului. Din cauza densitatii f reduse a mediului, cedarea caldurii spre exteriorul satelitului este ingreunata.

Eliminarea in vid a gazelor continute de materiale sau a apei poate duce la modificarea proprietatilor cum ar fi conductivitatea electrica sau termica. Solicitarile mecanice ale invelisului satelitului din partea micometeoritilor sunt importante deoarece vitezele particulelor meteorice sunt f mari, producand mici cratere cu diametru de cca 10. Aceste microcratere inrautatesc calitatea suprafetelor, fapt de o deosebita importanta, mai ales cand acescte suprafete trebuiesc sa aibe bune proprietati de reflexie a radiatiei.

Apararea impotriva radiatiilor consta in folosirea straturilor de protectie (Al, cuart, etc.); grosimea satratului se alege astfel incat, tinand seama de intensitatea radiatiilor de pe traiectoria satelitului, sa se asigure in interiorul incintei protejate radiatii sub pragurile componentelor si materialelor din incinta.

Miscarea neperturbata a satelitului

Vom considera ca satelitul se gaseste exclusiv in campul gravitational terestru, ca nu mai exista alte corpuri carte sa influienteze miscarea sa. Pp ca pamantul estew sferic si poseda masa distribuita simetric fata de centrul sau, adica P si satelitul sau au mase concentrate, pctiforme.

Fig.9

M=pamantul, m=satelitul, =raza vectoare ce caracterizeaza pozitia lui m fata de M, θ=unghi masurat fata de o directie aleasa arbitrar, r=distanta dintre cele 2 corpuri.

Ecuatia miscarii corpului m:

F=forta de atractie exercitata asupra satelitului de catre pamant

Deoarece pamantul are indepartari variabile fata de pamant viteza de deplasare pe orbita creste atunci cand satelitul se apropie de pamant (scade raza r).

Legea a II-a Kepler: raza vectoare descrie arii egale in intervale de timp egale.

Pe orbitele finale miscarea satelituli trebuie sa fie eliptica sau circulara; in caz contrar satelitul ar parasi pamantul. Se poate enunta ca orbita satelitului este plana, eliptica, avand Pamantul intr-unul din focarele elipsei.

Perigeul=dist minima de focar;

Apogeul=dist maxima de focar.

<θ-θ₀ (dintre raza vectoare si directia perigeului) - anomalie adevarata.

; Ec elipsei in coord rectangulare; a₀,b₀= semiaxele elipsei

abscisa focarului; Coordonatele polare a orbitei.

p=ordonata la focar, e=excentricitatea elipsei.

Ccoordonatele unghiulare ale unui satelit geostationar

Este important sa se cunoasca coordonatele unghiulare, adica azimutul si elevatia, sub care se vede satelitul geostationar, intrucat acestea sunt totodata coordonatele unghiulare ale axului antenei statiei de sol care utilizeaza satelitul. Satelitul S fiind geostationar are coordonate geografice "constante". Pp ca statia terestra din pctul A are coordonatele geografice φ,λ. Longtudinea λ este determinate in raport cu subsatelitul S₀. in planul OAS avem:

Fig.10

R=raza sferei terestre; h=altitudinea satelitului. =>

=>

din triunghiul sferic ABS₀ =>

Astfel cunoscand coord geografice φ,λ se deduce Φ apoi elevatia ε. Azimutul este obtinut din unghiul S₀AB:

Durata vizibilitatii satelitului

In cazul unui satelit geostationar statiile din care se vede satelitul sunt plasate pe aria de vizibilitate a satelitului.

Fig.11

Daca satelitul nu este geostationar, dar este sincron, el apare de pe suprafata P ca descriind pe cer o figura in forma de 8. Astfel aria de vizibilitate a satelitului se deplaseaza pe suprafata P si se pot determina pe o harta domeniile care sunt acoperite in mod cert de catre satelitul sincron.

Ne intereseaza modul in care dintr-un pct dat (statie de sol) este vizibil satelitul. Un satelit geostationar este vizibil numai dupa ce elevatia sa a depasit o anumita valoare si pana in momentul in care elevatia a scazut sub acea valoare ε₀; asadar din statie satelitul este vizibil numai cand se gaseste la interiorul unui con cu sectiunea circulara, cu varful in statie si cu deschiderea spre cer, avand inaltimea dirijata dupa verticala statiei.

Fig.12

Cand satelitul se gaseste oriunde in interiorul conului, subsatelitul, adica intersectia dintre sfera terestra si linia care uneste satelitul cu centrul P, se afla la interiorul ariei BDEC determinata de intersectia dintre sfera si con. Aceasta arie corespunde cercului de vizibilitate.

Pp ca orbita este circulara:

In ΔAOB' : r=raza cercului de vizibilitate=Rsinθ

Avand trasate pe harta traiectoriile satelitului si apoi desenand cercul de vizibilitate al statiei se poate stabili momentul intrarii si iesirii satelitului din cercul de vizibilitate al statiei. Diferenta dintre cele 2 momente reprezinta durata vizibilitatii satelitului ptr fiecare rotatie a acestuia in jurul P.

Calculul puterii emitatorului de sol

Pp ca transmiterea mesajelor se face de la statia A catre statia B. portiunea cuprinsa intre OUT emitatorului statiei A si IN receptorului satelitului reprezinta traiectul ascendent, traiectul descendent este cuprins intre OUT emitatorului satelitului si IN receptorului staiei B.

Dpdv al puterii radiate si al receptiei acesteia situatia este asemanatoare pe cele doua traiecte. Daca antena E radiaza la fel in toate directiile (izotropa) se poate considera ca puterea radiata este repartizata uniform pe suprafata unei sfere cu centrul in antena si de raza d.

Densitatea de putere radiata: P_E=puterea totala radiata de antena izotropa (in caz ideal egala cu puterea de alimentare a antenei); P=densitatea superficiala de putere [W/m²].

Receptorul R coopteaza o mica parte din puterea radiata, aceasta parte depinde de aria pe care antena o interpune in calea undelor EM radiate de emitator.

Aria efectiva a antenei= raportul dintre puterea receptionata P_R si densitatea de putere p:

=>

Daca antena E este directiva (radiaza preferential in directia receptorului), atunci puterea receptionata este mai mare decat P_R din ultima relatie. Daca pp ca antena este alimentata cu P_E ca si antena izotropa avem:

unde G_E=castig al antenei reale in raport cu antena izotropa.

Deoarece pana acum s-a pp ca randamentul antenei izotrope si a celei reale este 100% => unde: η=randamentul antenei reale de E; P_E=puterea de alimentare a antenei de E.

Intre aria efectiva A_ef a unei antene oarecare si castigul G al acesteia avem : (antena izotropa are G=1 <raportata la ea insasi>) =>

Ptr antenna recaptoare:

Daca antenna receptoare este izotropa =>

= puterea efectiv radiata in directia receptorului;

atenuare introdusa de mediu intercalat intre emitator si receptor;

Factorul G_R ia in considerare faptul ca antenna R are o anumita directivitate (receptioneaza preferential din directia Emitatorului.

;din aceste 2 relatii => ; G=castigul unei antene si A_e=aria efectiva a celeilalte.

η≈100 % => daca logaritmam: =>

[P_R]=[P_E]+[G_E]+[G_R]-[a] , unde a=atenuarea de propagare:

Relatia de mai sus este nivelul semn receptionat ptr o putere data , =>

[P_E]=[P_R]-[G_E]-[GR]+[a]

La proiectarea liniei de rdcom spatiale este strict obligatoriu ca la calculul puterii emitatorului, sa se tina seama de existenta zgomotelor produse de echipamente sau datorate surselor externe fata de echipamente. Este necesar sa se asigure o putere a emitatorului care sa duca la obtinerea sau la depasirea raportului S/N considerat ca admisibil la pctul de receptie.

Daca echivalam zgomotul datorat traiectoriei de propagare si aparaturii de receptie cu o rezistenta de zgomot conectata la IN receptorului atunci aceasta produce o tensiune de zgomot data de relatia:

, unde: K=const.Boltzman; T=temp de zgomot; R=rezistenta echivalenta de zgomot; B=largimea benzii de frecventa.

Puterea pe care rezistenta de zg o cedeaza unei rezistente R₀ (ce nu produce ea insasi zg.) este:

, ptr R=R₀=> valoarea maxima a puterii de zg de la IN receptorului.

putere disponibila de zgomot;

Daca raportul S/N la IN receptorului este:

, puterea emitatorului, necesare ptr asigurarea raportului semnal/zgomot .

P_E din ultima relatie s-a obtinut pp ca intre E si R exista un spatiu vid. In realitate pe traiectul de propagare exista atmosfera constituita din domenii ce absorb undele EM. Astfel se introduce un coeficient supraunitar M numit "rezerva de ploaie".

, logaritmand rezulta:

, unde: P_EG_E=putere echivalenta radiate izotrop (p.e.r.i.)

Ptr a calcula densitatea de putere create de o antena la distanta d este sufficient sa se imparta p.e.r.i. la aria sferei de raza d; astfel se inlocuieste antena reala, directive cu o antena izotropa alimentata cu o putere egala cu produsul P_EG_E.

Aplicam relatiile obtinute ptr sistemul din figura 5.1.

Avem doua situatii: -satelit pasiv;

-satelit activ.

P_i=pA_eS; unde A_eS=aria efectiva a satelitului; p=densitatea de putere data de statia A.

, puterea primita de satelitul pasiv este partial reflectata spre sol.

, cu ρ=coef de reflexive.

Pp ca P_r este reflectata izotrop => densitatea de putere la suprafata antenei statiei B este:

unde d₂=distanta satelit-statie receptoare.

unde A_eR=aria efectiva a antenei receptoare.

Daca satelitul este activ =>

unde A_eRS=aria efectiva a antenei receptoare a satelitului.

Satelitul produce amplificarea A => P_ES=AP_RS

densitatea de putere create la antenna statiei B; G_ES=castigul antenei de emisie a satelitului.

,ptr statia B.

=>

Daca facem raportul P de emisie necesare ptr satelitul pasiv si satelitul active: si considerand: ρ=1 si A_eRS=A_eS =>

Probleme de propagare a undelor electromagnetice

Mediul prin care se propaga undele em, intre satelit si statiile de sol, este constituit din atmosfera terestra si din spatial interplanetary. Acest mediu de propagare (in special ionosfera) introduce atenuarea undelor em, provoaca fenomene de refractie, de modificare a polarizarii undelor, de variatie a frecventei semnalelor receptionate.

Atenuarea totala este data de atenuarea in vid (spatial liber) si de atenuarea produsa in atmosfera.

[a_t]=[a]+[a_s]; [a_s]=atenuarea datorata atmosferei;

(in vid), d=distanta satelit-statie de sol;

λ=lungimea de unda;

Atenuarea data de atmosfera este determinata aproximativ experimental datorita variabilitatii proprietatilor de material ale atmosferei. Atenuarea suplimentara data de atmodsfera se datoreazagazului atmospheric, aglomerarilor de vapori de apa (ceata, nori) sau apei (ploii) din atmosfera. Atenuarea produsa de gazul atmosferic creste odata cu micsorarea elevatiei datorita cresterii lungimii traiectului prin atmosfera.atenuarea datorata cetii sau ploii depinde de lungimea traiectului afectat de ceata sau ploaie si un factor denumit atenuarea pe o lungime de traiect egala cu 1Km[δ₀].

a_s2=lδ₀; atenuarea datorata cetii sau ploii;

a_s1=ma_s1(90º); atenuarea datorata gazului atmosferic; m=coef de corectie(depinde de elevatie);

O alta componenta a atenuarii atmosferice este data de pelicula de apa depusa pe antena sau pe acoperisul de protectie al antenei [a_s3].

Mediul ionizat puternic al atmosferei duce la aparitia efectelor Faraday si Doppler.

Efectul Faraday (rotirea directiei de polarizare)

In prezenta campului magnetic terestru mediul are proprietati de birefringenta: adica unda este separate de catre mediul de propagare in doua componente polarizate elliptic. Sensurile polarizarilor sunt opuse, astfel ca polarizarea rezultanta ramane liniara dar directia de polarizare a campului este variabila in spatiu; daca ne deplasam in sensul de propagare constatam ca directia de polarizare se roteste in spatiu. Astfel daca unda produsa intr-un pct de antena emitatorului este polarizate dupa o directie anumita, intr-un alt pct- in care putem pp instalata antena receptorului - directia de polarizare este rotita. Rotirea polarizarii liniare constituie efectul Faraday. Necorespondenta dintre polarizarea undei si a anteneio duce la pierderi de putere ale semnalului. Aceasta necorespondenta nu poate fi corectata complet prin modificarea pozitiei antenei receptoare deoarece caracteristicile mediului de propagare sunt f fluctuante in timp. Luind in calcul efectul Faraday se recomanda ca in sist spatiale sa se foloseasca polarizarea eliptica sau circulara. Rotatia Faraday nu poate fi neglijata in sist spatiale si unghiul de rotatie Faraday scade rapid cu frecventa.

Efectul Doppler

Cand distanta dintre o sursa de oscilatii si un receptor este variabila, frecventa oscilatiilor receptionate este variabila atunci cand frecventa oscilatiilor emise este constanta. Pe langa acest fenomen mai apare un efect Doppler suplimentar, datorat variatiei indicelui de refractie al mediului (pe altitudine) de propagare a oscilatiei. Astfel avem 2 componente ale efectului Doppler. Ptr sistemele cu sateliti negeostationari componenta de deriva a frecventei, datorata variatiei indicelui de refractie poate fi neglijata, fiind mica ca valoare in comparatie cu componenta data de ef Doppler clasic (miscarea receptorului fata de emitator). La sistemele cu sateliti geostationari trebuiesc luate in calcul ambele componente (satelitul geostationar este aproximativ fix pe bolta fata de statia de sol), fiind si ef Doppler clasic mic ca valoare.

Astfel datorita ef Doppler clasic, la receptie se constata o deplasare pe axa frecventei a purtatoarei si o "dilatare"/"contractie" a largimii de banda ocupata. Aceste fenomene determina aparitia de distorsiuni la iesirea receptorului. Mai corect efectul nu este o simpla translatare a spectrului unui mesaj, ci o dilatare neuniforma a spectrului acestuia, din ce in ce mai pronuntata cu cresterea frecventei.

Ptr compensarea partiala a perturbatiilor introduce de ef Doppler asupra dezacordului dintre receptor si purtatoarea semnalului se poate proceda la largirea caracteristicii de selectivitate a receptorului si se mai poate introduce un sistem de control automat al frecventei oscilatorului local al receptorului.

Un alt efect datorat atmosferei este eroarea de determinare a directiei satelitului datorat refractiilor. Propagarea undelor radio se face in linie dreapta numai cand mediul are proprietati constante in timp si spatiu. Tinand cont ca indicele de refractie al atmosferei variaza cu altitudinea, iar indicele ionosferei, este dependent de concentratia de ioni din ionosfera putem pp ca directia de propagare depinde de altitudine si concentratia de ioni a ionosferei. Stiind ca atmosfera are o structura stratificata este evident ca la suprafetele de separatie a doua straturi invecinate apare un fenomen de refractie dupa legea: n₁sinθ₁=n₂sinθ₂, astfel ptr straturile extreme (troposfera: statia de sol; spatial liber: satelitul) avem:

n₁sinθ₁=n_msinθ_m.

Eroarea de determinare a directiei reale a satelitului creste odata cu micsorarea elevatiei. Eroarea este de ordinul minutelor si trebuie luata in calcul in special in cazul sist de urmarire programata a satelitului.

Antenele sistemelelor de comunicatii cu sateliti

Ptr a realiza caracteristici de radiatie f directive se recurge la plasarea sursei de radiatie in focarul unui reflector parabolic care dirijeaza undele em in fascicul ingust, indreptat spre antena de receptie. Antenele de sol au reflectorul parabolic cu iluminatorul in focarul paraboloidului sau poseda un reflector auxiliar hiperbolic (cazul antenei Cassegrain).

Orientarea corecta (antenele de sol au gabarit mare si greutati mari) a antenelor satelitului spre Pamant si a antenelor statiei de sol in directia satelitului este esntiala ptr buna fctionare a sistemului. La antenele de sol greutatea lor pune probleme dificile ptr orientarea si urmarirea f precisa a satelitului. Ptr a putea orienta antena catre orice pct al boltii ceresti se folosesc sisteme de rotire multiaxiala.

Fig.13

Sistemul X-Z

Sistemul X-Y

Cel mai folosit sistem este cel azimut-elevatie (X-Z). fig 7.12

Radiatia antenei

Energia de RF produsa de etajul final din emitatorul de sol este transportata prin ghiduri de unda, pana la deschiderea iluminatorului antenei si apoi este radiata in spatiu. La iluminator apare si un fenomen de "revarsare" a energiei radiate in afara reflectorului parabolic.

Fig.14

Daca antena este folosita ca receptoare datorita efectului de revarsare exista posibilitatea receptionarii de catre antena a semnalelor ce nu provin din directia spre care este orientat reflectorul ci din directii opuse.

Caracteristicile antenei

Castigul antenei (G_E): p=densitatea de putere creata in antena intr-un punct.

densitatea de putere produsa de antena izotropa in acelasi punct. Ambele antene sunt alimentate cu puterea P_E.

Z₀=impedanta de unda a mediului pp vid;

O antena directiva in emisie, receptioneaza preferential dupa directia radiatiei maxime. Castigul antenei (atat la emisie si la receptie) si densitatea de putere, intr-un punct, sunt dependente de pozitia punctului fata de antena.

Caracteristica de radiatie a antenei:

;

P_M=densitatea de putere corespunzatoare directiei de radiatie maxima.

unde: E(θ;φ)=campul electric in directia (θ;φ).

E_M=campul maxim.

Campul electric E depinde si de distanta dintre punct si antena.

este independent de distanta.

P₁=proiectia punctului P pe planul orizontal.

Aria efectiva: ;

Eficienta antenei = factor subunitar dat de caracteristica de radiatie a iluminatorului, de forma

reflectorului auxiliar si de existenta suportilor reflectorului auxiliar ce se interpun in

calea undelor.

Geometria antenelor parabolice

Parabola=locul geometric al pctelor egal distantate fata de un pct (focarul F) si o dreapta (directoarea D

din figura). Varful parabolei se gaseste la mijlocul distantei dintre directoare si focar.

Fig.15

Daca se considera niste raze luminoase care pleaca in diferite directii dintr-o sursa punctiforma plasata in focar, acestea devin - dupa atingerea reflectorului - paralele cu axa de simetrie a parabolei. Rotind parabola in jurul axei se abtine reflectorul parabolic; acesta transforma o unda sferica radiata, de focar in unda plana.

Fig.16

Ecuatia parabolei: , unde:

Iluminatorul

Iluminarea este asigurata prin forma caracteristicii de radiatie a iluminatorului. Cu scopul reducerii revarsarii puterii pe langa bordurile reflectorului se prefera o reducere a radiatiei in directia bordurilor.

Fig.17

O parte din energia radiata de iluminator se reintoarce la intrarea iluminatorului dupa ce s-a reflectat. Aceasta reactie a reflectorului da nastere la unde reflectate in iluminator, asemanatoare celor ce apar la liniile sau ghidurile care sunt neadaptate la extremitatile de sarcina. Ptr a reduce reactia reflectorului se poate proceda la dezaxarea iluminatorului fata de reflector. O antena cu iluminatorul dezaxat prezinta si avantaje datorate lipsei sau micsorarii efectelor de blocare a propagarii (de umbra si de obturare), produse de iluminator si de suporturile acestuia. Dezavantajul principal este dat de asimetria constructiei ceia ce antreneaza asimetria caracteristiicii de radiatie.

Toate antenele cu un singur reflector parabolic pretind ghiduri lungi intre iluminator si intrarea receptorului sau iesirea emitatorului. Prin acestea se introduc atenuari si zgomote suplimentare fata de cele care intervin la antenele cu doi reflectori parabolici (Cassegrain).

Fig.18

La antena Cassegrain iluminatorul poate fi conectat direct la amplificatorul parametric al receptorului statiei de sol, prin ghiduri scurte. Montarea amplificatorului chiar la baza reflectorului principal creeaza dificultati de exploatare a aparaturii, mareste greutatea si dimensiunile partii mobile a antenei. Din aceste considerente amplificatoarele se amplaseaza pe sol, iar legatura intre IN receptorului de sol si reflectorul auxiliar al antenei se face prin intermediul unor oglinzi mobile, plane sau paraboloidale.

Problema dimensionarii optime a antenei Cassegrain consta in principal, in determinarea formei reflectorilor, a pozitiei acestora, a caracteristicii de radiatie a iluminatorului a.i. sa se obtina maximizarea performantelor antenei: castig sau eficienta maxima, deschidere minima a lobului principal, nivel cat mai redus al lobilor laterali. De cele mai multe ori dezideratele de mai sus sunt contradictorii ceia ce pp compromisuri.

Iluminatorul antenei (excitatorul) are cel putin trei functii principale. Prima ar fi trensformarea undei

plane care se propaga primn ghidul de unda de la iesirea emitatorului in unda sferica, de polarizare convenabila, ptr a asigura iluminarea corecta a aperturii antenei. O a doua ar fi in convertirea undei sferice, primita dinspre reflectorii antenei intr-o unda plana care ce propaga prin ghidul de la IN receptorului; a treia este reprezentata de evidentierea coordonatelor unghiulare ale satelitului urmarit; de transferare a erorilor catre circuitele de prelucrare si de actionare automata a pozitiei antenei. Primele doua le realizeaza iluminatorul de telecomunicatii, iar ultima de iluminatorul de urmarire.

Iluminatorul de telecomunicatii este un horn cu sectiunea circulara (sau patrata) care permite iluminarea

simetric circulara a reflectorilor daca distributia de camp din sectiunea hornului, (modul de propagare prin ghid si horn) este convenabil ales.

Iluminatorul de telecomunicatii contribuie la separarea caii de emisie fata de cea de receptie permitand utilizarea aceleiasi antene la emisie cat si la receptie. Separarea se face pe baza faptului ca unda emisa are polarizare diferita fata de cea receptionata. Polarizarile liniare sunt dezavantajoase datorita efectului Faraday; polarizarile circulare nu au acelasi dezavantaj, dar este nevoie sa fie convertite ptr ghidurile ce pretind polarizari liniare.

Ptr separarea cailor se folosesc si filtrele, luind in calcul ca intre cele doua cai exista un ecart de cca 2GHz.

Circuitele de modificare a caracteristicii polarizarii se bazeaza pe faptul ca unda polarizata circular este echivalenta cu 2 unde de amplitudini egale si cu polarizari liniare, decalate in spatiu cu 90º si defazate in timp cu 90º.

Fig.19

H=circuit hibrid (punte dublu T);

Dec, Def=circuite de decalare si defazare;

CMO=cuplorul (decuplorul) de moduri ortogonale.

Circuitul hibrid H divide semnalul polarizat liniar in 2 unde egale, una este decalata cu 90º, iar cea de a doua capata defazajul de 90, ptr ca dupa insumarea in CMO, sa rezulte unda polarizata circular. Conversia inversa este data de reciprocitatea circuitului.

Fig.20

Circuitul ce permite E si R simultana a undelor polarizate circular

F_R, F_E= filtre acordate pe frecventele receptorului si emitatorului.

O alta shema este cea cu polarizor:

Fig.21

Fig.22

Polarizorul consta dintr-un segment de ghid circular care de-a lungul a 2 generatoare opuse poseda o serie de irisuri dielectrice.

Urmarirea satelitului

Sistemele de urmarire ale satelitilor pot fi: automate (cu bucla inchisa) sau programate (cu bucla deschisa).

Fig.23

Datele orbitale ale satelitului sunt transmise calculatorului prin intermediul benzilor sau cartelelor perforate.

Fig.24

Receptorul de urmarire preia erorile unghiulare sesizate de iluminator, le prelucreaza si le amplifica pana la nivelul necesar functionarii servosistemelor

Sistemul automat este influientat de raportul S/N cand satelitul trece prin dreptul unei surse puternice de zgomot cosmic (Soarele), functionarea putand fi compromisa . sistemul programat, care foloseste orbite precalculate ale satelitului nu ia in consideratie particularitatile antenei de sol, jocurile angrenajelor acesteia, deformarile reflectorului principal cauzate de vant, temperatura sau gravitatie.

Statiile de sol din motive de fiabilitate, sunt inzestrate cu ambele sisteme.

Sisteme automate - cu functionare secventiala = cu comutare a lobilor;

= cu baleiaj conic'

- cu functionare continua = monopuls de amplitudine'

= monopuls de faza;

= vernier.

Sistemele cu comutare a lobilor = utilizeaza o antena cu caracteristici de radiatie cain figura, cu doi lobi principali 1 si 2.

Fig.25

Comutand receptorul de sol de pe un lob pe altul se obtin de la radiofarul satelitului, doua semnale E₀ si E₂ care sunt egale numai atunci cand directia satelitului coincide cu linia de mira (axul optic), al antenei. Dezavantajul sistemului este ca comutarea cere un interval de timp in cursul caruia satelitul isi poate schimba pozitia.

Sisteme cu expunere conica - locul antenei este rotit in jurul liniei de mira, in apropierea directiei satelitului, descriind un con. Daca satelitul se gaseste pe mira (pctul C) la iesirea antenei se obtine un semnal de RF (de la radiofarul satelitului) a carui amplitudine este invariabila in timp. Altfel semnalul de RF este variabil ca amplitudine si faza in timp. Dezavantajul este dat de relativa lui incetineala.

Fig.26

Sisteme monopuls - indica in mod continuu (instantaneu) coordonatele unghiulare, fiind suficient ptr pozitionare un singur impuls. Sistemul monopuls de amplitudine - utilizeaza iluminatoare ce contin o parte dedicata orientarii = iluminator cu urmarire. Acest iluminator creeaza in spatiu o caracteristica de radiatie cu patru lobi divergenti din focarul O al antenei, simetrici fata de linia de mira a antenei.

Fig.27

Punctele A,B,C,D formeaza un patrat intr-un plan perpendicular pe linia de mira a antenei. Eroarea de elevatie se extrage din oscilatia: u_d1=(e₁+e₂)-(e₃+e₄); eroarea de azimut din oscilatia: u_d2=(e₂+e₃)-(e₁+e₄), unde e₁,e₂,e₃,e₄ sunt semnalele provenite de la cei patru lobi. Cand satelitul este situat pe linia de mira, diferentele dintre semnalele provenite prin lobii din acelasi plan se anuleaza. Realizarea lobilor divergenti din focar poate fi abtinuta cu ajutorul a patru iluminatori deplasati fata de axa focala a reflectorului.

Fig.28

Oscilatia suma : e₁+e₂+e₃+e₄ este folosita ptr controlul automat al sensibilitatii receptoarelor RE si RA (elevatie, azimut). Acest control este util deoarece nivelele semnalelor e₁.e₄ depind de conditiile de propagare dintre satelit si statia de sol (sunt variabile in timp).

Sistemul monopuls de faza - utilizeaza o caracteristica de radiatia cu patru lobi ce au axele de simetrie paralele si nu divergente.

Tinand cont ca variatiile unghiulare ale axelor antenelor sunt limitate la valorile minime necesare, puterile motoarelor electrice nu pot fi supradimensionate exagerat, apar situatii critice in care nu este posibila urmarirea satelitului. Ca exemplu la o antena X-Z (azimut-elevatie: 0-360º respectiv 0-90) partea mobila a antenei are masa de zeci sau sute de tone => vitezele si acceleratiile maxime sunt limitate de puterile admisibile ale motoarelor. Astfel cand elevatia antenei atinge maximul de 90º iar satelitul se misca, crescandu-si elevatia, urmarirea este posibila doar daca antena executa o rotire azimutala, de 180 si scaderea elevatiei de la 90º catre 0 ceia ce inseamna un timp mort in care satelitul nu este urmarit.

Alegerea amplasamentului unei viitoare statii de sol trebuie facuta pe baza studiului f atent al terenului, al proprietatilor de tasare al acestuia.

Lansarea satelitului

Plasarea satelitului pe orbita pune cel putin doua probleme principale:

realizarea de motoare suficient de puternice care sa invinga fortele de atractie datorate gravitatiei Pamantului;

dirijarea autonoma sau prin sisteme de telemasura-telecomanda a navei purtatoare a satelitului a.i. cu consum cat mai mic de energie sa se asigure o cat mai apropiata orbita reala de cea dorita.

Fig.29

; unde v_r=viteza de expulzare a gazelor din motorul de racheta;

Ecuatia miscarii unei rachete lansata vertical de pe suprafata Pamantului este:

V=7.9 Km/s=prima viteza cosmica (viteza circulara de altitudine nula).

Daca satelitului i se imprima la suprafata solului o viteza de 7.9Km/s, dirijata dupa directia tg la suprafata terestra, el reuseste sa aibe o miscare proprie, pe orbita circulara, concentrica fata de pamant si cu raza egala cu raza Pamantului.

Ptr atingerea vitezelor necesare plasarii satelitului pe orbita circulara este nevoie de rachete cu 2,3 trepte.

Etapele de lansare ale unui satelit:

Fig.30

In I-a etapa- se lanseaza vertical racheta cu scopul de a reduce parcursul prin atmosfera densa. La sfarsitul primei etape traiectoria se curbeaza facand racordul la o orbita circulara de parcaj. Pe aceasta orbita se determina cu precizie parametrii orbitali ai satelituli - ptr estimarea si corectarea erorilor de lansare.

Etapa a II-a pp plasarea satelitului pe o orbita eliptica - de transfer - avand ca perigeu altitudinea orbitei de parcaj. Cand satelitul ajunge la apogeul orbitei de transfer se face manevra de plasare a satelitului pe orbita finala. Lansarea satelitului poate fi conforma celor de mai sus daca rampa de lansare este ecuatoriala. Daca rampa esta neecuatoriala sunt necesare manevre de trecere de la un plan orbital la altul (ultimul ecuatorial). Trecerea de pe orbita de transfer se face la apogeu => apogeul si perigeul orbitei de transfer trebuie sa fie in plan ecuatorial. Incepand din momentul trecerii de pe apogeul orbitei de transfer pe orbita geostationara, satelitul se pozitioneaza pe o pozitie "invariabila" in timp fata de pamant.

Astfel manevrele de plasare pe orbita ale satelitului geostationar s-ar putea desfasura astfel:

se lanseaza pe verticala racheta purtatoare a satelitului. Primele doua trepte ale rachetei reusesc sa plaseze sistemul pe orbita de parcaj ce are o inclinare fata de planul ecuatorial egala cu latitudinea rampei de lansare;

la o trecere a rechetei prin planul ecuatorial se aprinde cea de a treia treapta ptr a realiza impulsul si sporul de viteza necesara trecerii pe orbita eliptica de transfer. Satelitul cu ajutorul unui ultim motor reactiv si cu sistemul de jeturi reactive isi poate modifica pozitia in spatiu ptr orientarea corecta catre Pamant.

Cand satelitul se apropie de apogeul convenabil, se roteste corpul satelitului a.i. la aprinderea motorului de apogeu sa obtina trecerea de la orbita eliptica de transfer la orbita circulara, ecuatoriala, geostationara.

SATELITUL

Subsistemele satelitului:

-subsistemul de Rdcomunicatii;

-subsistemul de telemetrie;

-subsistemul de telecomanda;

-subsistemul de alimentare cu energie electrica;

-subsistemul de orientare si stabilizare a pozitiei;

-subsistemul de dirijare a antenelor spre sol;

-subsistemul de control termic;

-subsistemul de apogeu.

Subsistemul de Rdcomunicatii ptr satelitul Telstar1

Fig.31

Semnalul receptionat pe frecventa 6390MHz sufera conversia in convertorul C₁, la iesirea acestuia se obtine oscilatia de frecventa intermediara, 90MHz, in jurulcareia este plasat spectrul de frecventa al semnalului modulat. Amplificatorul de FI , A₁ realiza amplificarea de cca 10⁶ ori, controlata automat de CCA. A II-a conversie in C₂ ridica frecventa pana la valoarea oscilatiei emise (4170MHz) dupa care urma amplificarea A₂ cu un tub cu unda progresiva. In circuitul sumator Σ se insumeaza oscilatia purtatoare a mesajului (4170MHz) cu o oscilatie de frecventa 4090MHz, utilizata ca radiofar in vederea localizarii de la sol, a satelitului. Oscilatoarele cu cuart Q₁,Q₂ furnizau, dupa multiplicarile M₁,M₂,M₁^',M₂^' frecventele de 4080MHz si 2220MHz. La iesirea satelitului se extragea, cu ajutorul unui FTJ oscilatia de 4080MHz care era reintrodusa spre intrare in calitate de oscilatie de heterodinare la convertoarele C₂ si C₃. puterea de iesire era de 2.25W la frecventa de 4170MHz, si de 0.2W la frecventa de 4080MHz a radiofarului. Satelitul permitea realizarea legaturii intr-un singur sens. Multiplicatoarele au rolul sa creasca deviatiile de frecventa a semnalelor utile, modulate in frecventa. Ptr functionarea corecta a satelitilor la nivele variate ale semnalelor de la intrarea receptoarelor se folosesc etaje limitatoare, astfel satelitul poate lucra cu statii de sol cu puteri de emisie diferite.

Subsistemul de Rdcomunicatii a satelitului INTELSAT IV

Fig.32

Acest subsistem poate fi divizat in 5 parti: antenele; receptorii; multiplexorul de intrare; amplificatorul de putere mare; multiplexorul de iesire.

Fiecare dintre cele 2 antene de receptie este conectata printr-un ghid flexibil la un receptor; numai unul din receptoare este in stare de functionare, celalalt are rol de rezerva. Domeniul de frecventa al semnalelor receptionate este 5932-6418MHz (486MHz) iar a celor de emisie este 3707-4193MHz (486 MHz).comutarea semnalului de la un receptor la altul se face cu un comutator cu ferita. Receptorul amplifica semnalul printr-un amplificator cu dioda tunel si ii schimba frecventa de la cca 6GHz la cca 4MHz, prin conversia cu oscilatia locala de 2225MHz obtinuta de la un oscilator cu cuart. Urmeaza amplificarea in etaje realizate cu diode tunel si tuburi cu unda progresiva. Ptr fiabilitate ridicata fiecare receptor are 2 cai de amplificare identice si comutabile.

Multiplexorul de intrare imparte spectrul semnalului de la intrare, cu o largime de 486MHz, in 12 canale (transponderi) fiecare cu o banda utilizabila de 36MHz. Ecartul intre canale este de 4MHz, exceptie facand ecartul dintre canalele 6-7 care are 14 MHz utilizat ptr radiofar si telemetrie. Pe fiecare canal exista un corector de faza CP, un corector de amplitudine CA, un atenuator in trepte, comutatoare cu ferita, filtre si circulatoare, precum si tuburi cu unda progresiva; acestea din urma cate doua (una in functiune, cealalta in rezerva), fiind interschimbabile cu ajutorul comutatoarelor K.

Selectia antenelor este realizata de cei patru multiplexori de iesire; doi dintre ei au cate 4 canale legate l;a antenele cu acoperire locala A_EL si A_EL^', ceilalti doi preiau fiecare cate 6 canale dirijate catre antenele cu acoperire globala A_EG si A_EG^'.

Oscilatiile a doua radiofaruri pot fi introduse, prin comutare, in canalele 9, 10 si trimise spre antena de telemetrie.

Subsistemul de alimentare cu energie electrica a satelitului

Nevoile de alimentare ce energie electrica ale satelitilor sunt de ordinul zecilor sau sutelor de Watt; in cazul sondelor de explorare ale spatiului cosmic indepartat, ele pot ajunge la sute sau mii de Kwatt. Duratele de viata ale satelitilor de telecomunicatii sunt in jur de 7-10 ani.

Sursele primare utilizate in sateliti sunt cele chimice, solare si nucleare. In cazul bateriilor, raportul dintre greutatea lor si puterea debitata este neconvenabil ptr a fi surse de baza. Astfel se utilizeaza bateriile solare in timpul cat satelitul este expus luminii solare, acestea alimentand celelalte subsisteme ale satelitului si incarcand acumulatoarele, acestea din urma fiind utilizate pe durata cat satelitul este in conul de umbra al Pamantului.

Fig.33

Dispozitivul de distributie DD contine relee ce conecteaza alimentatorul AS sau bateria BA la utilizatori, asigurand incarcarea bateriei in perioada activa a alimentatorului solar; tot DD contine si convertizorul de tensiune ptr alimentarea cu tensiune inalta a tuburilor cu unda progresiva..

Tipuri de generatoare

-termoelectrice: daca un conductor este incalzit neuniform, de exemplu numai la unul din capete, se modifica energia medie a purtatorilor de sarcina (e^-) si acestia difuzeaza spre capatul mai rece, pana la obtinerea echilibrului termic. Fenomenul este pronuntat daca se folosesc conductori de tip n si de tip p. La acestia dezechilibrul termic duce la aparitia de e^- si "goluri".

Fig.34

Aceste tipuri de generatoare termice au randamente mici: 5-7%.

-fotoelectrice: bazate pe efectul fotovoltaic aparitia unei tensiuni electrice sub actiunea luminii, atunci cand iluminarea unui semiconductor este neuniforma, sau semiconductorul este neuniform dopat.

Fig.35

Cand materialul semiconductor este neomogen, concentratia de purtatori de sarcina este variabila spatial, astfel sub actiunea fotonului aparand perechi e^-gol. Tensiunea in gol (I=0) este de 0.4-0.6V fiind invers proportionala cu varitia temperaturii. Randamentul este f bun ptr cazul semiconductorului de Si si anume 22%. Curentul de scurt circuit este proportional cu iluminarea semiconductorului.

Statia de sol

Statiile de sol au evoluat in timp , insa schemele bloc au principii de baza f putin modificate.

Statia de sol prezinta urmatoarele subblocuri: antenele; receptorul de telecomunicatii; emitatorul de telecomunicatii; sisteme de urmarire ale satelitului; sisteme de telemasura si telecomanda; sistemul de alimentare cu energie electrica.

Vom utiliza ca model de prezentare sistemul de INTELSAT IV

Sistemul foloseste antene Cassegrain cu diametrul reflectorului de cca 30m. sarcinile de telemasura si telecomanda se fac de statii specializate: Fucino (IT), Paumalu (Hawai), Andover (SUA) si Caravon (Australia).

Generalitati: - datorita nivelului coborat al sgn util receptionat e nevoie de receptoare cu zgomot intern f

redus. Se folosesc amplificatoare parametrice racite si neracite ce asigura largimea de banda de 500MHz;

- ptr demodulare se utilizeaza circuite cu filtru de urmarire, cu reactie de frecventa, sau cu faza controlata;

- la emisie se folosesc tuburi cu unda progresiva racite ce furnizeaza inca puteri suficiente in toata banda de 500MHz. In cazul canalelor de TV se folosesc sisteme de conectare in paralel a tuburilor cu unda progresiva.

Vom analiza statia de sol de tip INTELSAT IV de la Fucino (Italia).

Fig.36

Ptr emisie, semnalele TV, telefonice si cele din canalele 'de serviciu', moduleaza purtatoarea de 70MHz. Semnalele rezultate intra intr-un amplificator corector ce are rolul de a compensa caracteristica de frecventa a cablului coaxial ce transfera oscilatia modulata spre convertor; acesta ridica frcventa pana la valoarea de cca 6GHz alocata statiei de sol (ptr cazul accesului multiplu cu repartizare in frecventa a statiilor), ptr accesul de tip SPADE frcventa este aleasa dintr-un set de frecvente pus la dispozitie in mod egal ptr toti utilizatorii. Dupa convertor, urmeaza excitatorul si etajul final care prin ghiduri si iluminator introduc puterea in antena. Se foloseste cablu coaxial deoarece antena trebuie uneori sa fie indepartata fata de cladirea statiei, la cca 150-300m. Ptr a reduce, pierderile si zgomotul, etajele de putere ale emitatorului si amplificatorul parametric al receptorului se instaleaza in apropierea antenei, chiar in edificiul acesteia.

Blocul receptor incepe cu amplificatorul parametric (de zgomot redus), apar convertorul care centreaza banda de 500MHz a semnalelor receptionate in jurul frecventei de 750MHz. Oricare dintre statiile de sol, poate sa receptioneze - fara acord variabil - purtatoarele tuturor celorlalte statii ale sistemului. Dupa convertor intervine un amplificator de linie apoi un corector al caracteristicii de frecventa a cablului si un convertor-distribuitor de canale. Convertorul plaseaza purtatoarele receptionate la frecventa de 70MHz asigurand mai departe cate o cale separata ptr prelucrarea fiecareia dintre purtatoare. Separarea unei purtatoare se face printr-un receptor superheterodina la care convertorul, oscilatorul (frecventa acestuia) si banda amplificatorului de frecventa intermediara sunt dimensionate convenabil in vederea extragerii purtatoarei dorite si translatarii acesteia la cea de a doua frecventa intermediara, de 70MHz. Demodulatorul (receptorului) este corespunzator tipului de modulatie a semnalului, MF (analogic) sau modulatie codificata cu impulsuri de faza (SPADE). La iesirea demodulatoarelor, se obtin toate benzile de baza ale statiilor corespondente.

Schema prezinta si partea care extrage erorile unghiulare de pozitie ale antenei : amplificator cu dioda tunel, convertor, amplificator. Pupitrul de control si comanda, furnizeaza semnalele necesare servosistemelor si masinilor electrice de actionare ptr urmarirea satelitului. Pozitiile axelor antenei sunt determinate cu ajutorul traductoarelor codoare de elevatie si azimut si apoi afisate la pupitrul de control si comanda. Urmarirea satelitului poate fi facuta automat, programat sau manual.

Emitatorul de sol

Multiplexorul = prin multiplexare se compun mai multe canale, in vederea obtinerii semnalului din banda de baza, folosit ptr modulatia purtatoarei. Operatia de multiplexare se face dupa procedeele folosite in sistemele telefonice cu curenti purtatori sau in liniile de radiorelee terestre, de fapt au loc translatii a spectrelor de frecventa ale canalelor a.i. acestea se succed pe axa frecventelor fara suprapuneri ale domeniilor invecinate. In cazul accesului multiplu SPADE nu este nevoie de multiplexare deoarece purtatoarea este modulata cu semnalul dintr-un singur canal. Translatia de frecventa se opune prin modularea in amplitudine a unei oscilatii subpurtatoare, de frecventa convenabil aleasa; si din motive de economie se extrage una singura din benzile laterale ale oscilatiei modulate. Dandu-se ptr frcventa f₀ a fiecarui canal valori diferite, apoi extragandu-se cate o banda laterala ptr fiecare oscilatie modulata si apoi acestea insumandu-se se obtine o banda de baza.

Fig.37

Un ansamblu de canale formeaza un grup.

Traficul pe distante mari sau foarte mari (cazul satelitilor) este relativ scazut comparativ cu traficul terestru. Un grup primar are 12 canale: 12*4=48KHz. Banda de baza ptr 60 de canale telefonice in sistemul de Rdcomunicatii cu satelitii este ca in figura.

Fig.38

Intre 4-12KHz - 2 canale telefonice de serviciu - utilizate de personalul tehnic ptr schimbul de informatii legate de functionarea statiilor.

Intre 0-4KHz - se introduce un semnal special, de dispersie a energiei purtatoarei.

Banda de baza este realizata la centrul international de telecomunicatii si este transferata, prin cablu sau prin linie de radioreleu, la statia de sol. Ea contine mesajele adresate corespondentilor din lumea intreaga. De multe ori aceste mesaje trebuie ramificate spre mai multe purtatoare diferite, emise de statia de sol in directiile satelitilor cu care este in legatura. De aceea la statia de sol trebuie sa se faca o demultiplexare in vederea separarii canalelor si apoi o remultiplexare ptr a realiza benzile de baza ptr fiecare purtatoare in parte. Purtatoarea de ajutor mutual este folosita cand la una din statii apare o defectiune, astfel statia defecta transfera banda de baza, prin radiorelee terestre, catre statia functionala.

Modulatorul - la intrare se aplica semnalul din banda de baza, amplificat de preamplificatorul PA. urmeaza un circuit de accentuare (Acc) care in cazul MF contribuie la ameloirarea raportului S/N. Datorita accentuarii, deviatia de frecventa produsa de modulator este dependenta de frecventa. Semnalul ce iese din modulatorul (Mod) intra intr-un limitator (Lim) ce elimina modulatia parazitara de amplitudine. Amplificatorul corector (AC) ce urmeaza este necesar datorita largimii mari a benzii de frecventa ocupata de semnalul modulator. Acest amplificator are castigul controlat automat (CAA).

Fig.39

Inaintea blocului modulator (Mod) exista generatorul de dispersie a energiei (GDE) ce este controlat de blocul de reglare automata (RA) a nivelului de iesire. Acest GDE este util in cazul in care semnalul modulator este absent (pauzele ce apar in timpul unei conversatii). In pauze nivelul purtatoarei nemodulate este f ridicat, intreaga energie fiind concentrata intr-o singura componenta spectrala. Cand exista semnal modulator spectrul contine multiple componente in care se disperseaza intreaga energie, inclusiv a purtatoarei. Prezenta unei purtatoare nemodulate si intense da produse de intermodulatie importante in apropierea celorlalte purtatoare din banda de 500MHz a sistemului. Eliminarea acestei probleme se face daca se introduce la intrarea modulatorului o oscilatie periodica sub limita de 12KHz a grupului A din banda de baza a.i. la receptie poate fi eliminata prin filtrare. Amplitudinea oscilatiei este variata in sens invers fata de modificarile suferite de semnalul modulator din banda de baza, astfel nivelul la intrarea modulatorului este mentinut constant evitand aparitia de purtatoare nemodulata.

Excitatorul etajului final

Fig.40

Schema bloc prezinta doua excitatoare in paralel din motive de fiabilitate, dar pot fi comutate cu ajutorul comutatoarelor K₁, K₂. K₂ lucreaza la cca 6GHz si este construit dintr-o piesa metalica cilindrica in care sunt frezate 2 segmente de ghiduri curbe.

Fig.41

Comutarea se face prin rotirea piesei.

Oscilatia primita de la modulator este amplificata si ridicata la 70MHz pana la valoarea alocata din banda5.925-6.425GHz (500MHz). Urmeaza amplificarea cu tuburi cu unda progresiva (ATUP). Excitatoarele au sisteme de masura a nivelului puterii de iesire. Ansamblul format din convertorul C^' si amplificatorul A^' preiau semnalele de la iesirea excitatorului de rezerva (neutilizat) si-l transmit pe un monitor. Cu ajutorul comutatorului K₃ se poate urmari pe monitor semnalul de proba de la etajul final.

Etajul final - este realizat cu un tub cu unda progresiva

Fig.42

Protectia tubului de unda progresiva se face cu 2 circulatoare. Semnalul de la excitator este reglat ptr asigurarea nivelului necesar puterii radiate cu ajutorul unui atenuator telecomandat (At). Iesirea este conectata la sistemele de insumare a purtatoarelor emise de statie.

Fig.43

Insumarea este necesara deoarece statia emite mai multe purtatoare simultan. Purtatoarele telefonice sunt amplificate de tuburi cu unda progresiva (puteri de sute de Watt in intreaga banda 5.925-6.425GHz), iar purtatoarele de TV sunt amplificate in etaje cu tuburi clistron (puteri de ordinul Kwatt-ului intr-o largime de banda de cca 36MHz).

De la sistemele de insumare semnalul este trimis in antena cu ajutorul iluminatorului.

Receptorul de sol

Amplificatorul parametric- primele etaje ale receptorului trebuie sa aiba un zgomot propriu foarte redus. Amplificatoarele parametrice au in esenta un singur element reactiv (o dioda varactor). Proprietatea de amplificare deriva din caracterul neliniar al diodei: daca acesteia i se aplica 2 oscilatii de pulsatii ω₁, ω₂ , la iesire se obtine un spectru al carui componente au frecventele mω₁+nω₂: m, n fiind numere intregi pozitive sau negative. Amplitudinile componentelor spectrale sunt dependente de amplitudinile oscilatiilor incidente ω₁, ω₂, iar amplificarea realizata este dependenta si de caracteristica elementului neliniar, de frecventa pompei, si de frecventa semnalului.

Fig.44

Fig.45

Dioda varactor este conectata intr-un circuit realizat cu ghiduri de unda si cavitati rezonatoare. Se folosesc 2 amplificatoare identice comutabile cu comutatoarele K₁, K₅. Fiecare amplificator contine etaje racite si etaje neracite sau etaje cu tranzistori. Racirea se face prin comprimarea/decomprimarea heliului gazos. Controlul caracteristicii de frecventa se face cu un vobuloscop, construit dintr-un oscilator OB a carui iesire este trecuta prin atenuatorul At₂, prin cuplajul C₁ si comutatoorul K₁ apoi la intrarea unuia dintre amplificatoarele parametrice. De la iesirea amplificatorului se culege semnalul prin cuplajul C₃, defazor, K₄, K₃ si apoi prin detector se ajunge la placile de deflexie verticala ale osciloscopului. K₃ conecteaza oricare din cele 2 sarcini racite (SR) prin atenuatorul At₁, la intrarea amplificatorului masurat, ptr a putea aprecia temperatura de zgomot la intrarea receptorului. Comutatorul K₅ leaga oricare din cele doua cai de amplificare parametrica de etajele de schimbare a frecventei.

Ca si performante putem enumera: - castigul: 14dB;

- banda: 530MHz;

- temperatura de zgomot: 15K;

- frecventa generatorului de pompaj:20GHz;

- putere de pompaj: 40mW;

Se pot obtine temperaturi de zgomot acceptabile in sistemele de comunicatii prin sateliti (40-50K) si cu amplificatoare parametrice neracite.

Schimbatoarele de frecventa si amplificatoarele de FI

Fig.46

O statie de sol poate receptiona purtatoarele tuturor celorlalte statii ale sistemului. Semnalul ce vine de la amplificatorul parametric trece printr-un FTB (3.7-4.2GHz) apoi printr-un circulator ajunge intr-un convertor care transpune banda 3.7-4.2GHz in domeniul 0.5-1GHz. Mai departe urmeaza un sistem de conversie si amplificare ptr fiecare purtatoare in parte; frecventele oscilatoarelor Q₁-Q_n sunt astfel alese incat toate purtatoarele sa aiba spectrele centrate in jurul frecventei intermediare de 70MHz, aceasta fiind frecventa pe care sunt acordate amplificatoarele A₁^'-A_n^'. dupa prima amplificare de FI facuta de amplificatorul A, urmeaza un amplificator-corector (AC) ce compenseaza caracteristica de frecventa a liniei coaxiale L ce leaga antena de 'sala aparatelor'. Mai departe iesirile amplificatoarelor A₁^'-A_n^' sunt conectate la demodulatoarele ce extrag benzile de baza ale purtatoarelor.

Demodulatoarele - in cazul sistemelor spatiale demodulatoarele lucreaza cu semnale f slabe, cu rapoarte S/N f scazute. Astfel se folosesc demodulatoarele cu extensie de prag (DEP), a caror principiu este ingustarea benzii de RF a circuitelor. Se folosesc DEP cu urmarire, fig 10.31 sau DEP cu reactie de frecventa, fig10.32.

Fig.47

In cazul DEP cu urmarire, avem un demodulator obisnuit D, urmat de FTJ ce permite trecerea exclusiva a benzii de baza demodulate.. inaintea D se afla filtrul FD care cu ajutorul dispozitivului CA (circuit de acord) se face acordul pe frecventa instantanee a semnaluluiMF. FD are o banda f ingusta. La iesire se obtine o oscilatie a carei frecventa instantanee este variabila conform cu modulatia semnalului receptionat. Demodulatorul D sesizeaza variatiile de frecventa, pe care le furnizeaza la iesirea sa.

Fig.48

La DEP cu reactie de frecventa, oscilatia demodulata este aplicata oscilatorului local O, al convertorului C, producand modulatia frecventei acestui oscilator. Prin combinarea oscilatiei locale cu semnalul MF receptionat se obtine la iesirea convertorului o oscilatie MF a carei deviatie de fecventa este modificata.

Dupa obtinerea benzilor de baza ale tuturor purtatoarelor statiilor din sistem este necesar sa se extraga grupurile de canalei nteresante, sa se rearanjeze aceste grupuri in vederea modularii purtatoarei din linia de radioreleu care transmite mesajele la centrul tf international.