ЗОНЫ ВИДИМОСТИ, ПОКРЫТИЯ, ОБСЛУЖИВАНИЯ

Выше использовалось понятие зоны видимости ИСЗ, под которым следует понимать часть поверхности Земли, с которой ИСЗ веден под углом места больше некоторой минимально допустимой величины (например 5°) в течении в заданной длительности сеанса связи; под мгновенной зоной видимости понимается зона видимости в определенный момент, т.е. при нулевой длительности сеанса связи. При движении ИСЗ мгновенная зона перемещается, и поэтому зона видимости в течении некоторого времени всегда меньше мгновенной, так как представляет собой внутреннюю огибающую мгновенных зон.

Важнейший характеристикой системы спутниковой связи является зона покрытия – часть зоны видимости, в которой обеспечивается необходимые энергетических параметров земной станции. Эта характеристика имеет важное значение при проэктировании систем спутниковой связи и анализе взаимодействия между ними, и потому рассмотрим ее подробнее.

Если диаграммы направленности бортовых антенн ИСЗ на прием и передачу достаточно широки, чтобы охватить всю видимую с ИСЗ часть Земли при малой неравномерности усиления, то зона покрытия совпадает с зоной видимости – это так называемая глобальная зона покрытия. Такие зоны имели все первые связные ИСЗ, да и сейчас такие зоны создаются на многих ИСЗ – «Интелсат», «Горизонт», «Молния» и др. – с целью улучшения достижения максимального охвата земной поверхности. Однако с целью улучшения энергетики линий связи все чаще создаются зоны покрытия малого размера, максимально приближенные к границам обслуживаемой территории – региона, государства или даже его части.

Часто (например, [5]) зона покрытия определяется как территория, в каждой точке которой угол места при направлении антенны ЗС на спутник не менее минимально допустимого и плотность потока мощности, создаваемого передатчиком ИСЗ, не ниже требуемого значения. Это определение не отличается от данного выше, если пренебречь энергетическими соотношениями на участке линии связи Земля – спутник, т.е. не учитывать возможность влияния диаграммы направленности приемной антенны ИСЗ. На практике часто энергетический баланс на участке Земля – спутник не является определяющим, и в любом случае соответствующим увеличением мощности передатчика ЗС можно достичь необходимого уровня сигнала на входе приемного ИСЗ. В этой ситуации последнее определение зоны обслуживания вполне справедливо. Однако в ССС с разветвленной сетью земных станций передатчика ЗС оказывается одной из самых дорогостоящих частей системы, и не считаться с энергетикой на линии «вверх» нельзя. Поэтому данное нами выше определение является наиболее общим. Таким образом, построение зоны покрытия на карте распадается на четыре этапа.

1.Определение зоны видимости. Для этого решается чисто геометрическая задача определения угла места для ЗС в некоторой точке земной поверхности – угла между направлением от этой точки на ИСЗ и поверхностью Земли.

Целесообразно построить на карте линии равных углов места, соответствующие малым значениям этого угла, например 10, 5°и т.д. Линии равных углов места для ИСЗ на геостационарной орбите приведены на рис. 1.9 [5]. Они представляют собой зависимость географической широты ? точки на земной поверхности от ??=¦ ?-? ¦- разности между долготой этой точки и долготой стационарного ИСЗ при некотором фиксированном значении угла места ?.

2. Определение зоны, в которой ИСЗ создает необходимую плотность потока мощности. Для этого производится энергетический расчет линии спутник – Земля по направлениям, соединяющим ИСЗ с различными точками земной поверхности. Упрощенно этот расчет можно представить себе так. Если на оси ДН передающий антенны ИСЗ необходимая плотность потока у поверхности Земли достигается с некоторым превышением ? дБ, то для построения зоны необходимо по ДН определить угол ? отклоненная луча от оси, при котором уменьшение усиления антенны составит ? дБ, и найти пересечение конуса с вершиной в точке стояния ИСЗ и углом при вершине 2? с поверхностного земного шара.

Очевидно, что при перемещении «точки прицеливания» оси ДН к краю видимого с ИСЗ диска Земли луч становится все более наклонным к земной поверхности и площадь зоны обслуживания несколько возрастает

3. Определенные зоны, которая отвечает условию приема космической станией с необходимым качеством сигналов от находящейся в пределах зоны земной станции с нормированной в данной системе излучаемой мощностью. Эта задача подобна той, что решалась в п. 2, но с тем отличием, что при энергетическом расчете линии Земля – спутник используются параметры приемного комплекса ИСЗ и передающего комплекса ЗС.

4. Определение зоны покрытия. На карту наносятся все три зоны и строится их внутренняя огибающая, т.е. зоной покрытия является территория, принадлежащая каждой из трех построенных зон, на которой выполняются условия радиовидимости и условия необходимого качества связи на линиях спутник – Земля и Земля – спутник. В некоторых системах (чаще в системах спутникового вещания) создаются различные зоны покрытия для направлений сверху вниз и снизу вверх. Так, программа вещания может подаваться на ИСЗ из столицы государства и направляться от ИСЗ для обслуживания другой части территории. Тогда следует ввести раздельные понятия зон покрытия для линий вниз и вверх. Зона покрытия для линии вниз определяется как объединение зон, определенных в соответствии с выше приведенными пунктами 1 и 2, а зона покрытия на линии вверх – с пушками 1 и 3.

После изложения основной идеи построения зоны покрытия следует указать, что описаны в п. 2 упрощенный, чисто геометрический способ построения зоны с необходимой плотностью потока неточен. В результате расчета по этому способу получается лишь так называемая заявочная характеристика антенны, приводимая страной-заявителем на первом этапе регистрации создаваемой новой системы спутниковой связи в Международном союзе электросвязи. Заявочную характеристику антенны можно определить [6, 3, 1.2] как изображенный на географической карте набор контуров, соответствующих постоянному усилению передающей антенны бортового ретранслятора (точнее, постоянному уменьшению усиления антенны на ? 2? ?4 дБ и т.д. относительно максимума диаграммы направленности).

При реальном проэктировании системы необходимо определить зону покрытия с учетом целого ряда дополнительных обстоятельств.

Так, расстояния от ИСЗ до различных точек на поверхности Земли – наклонная дальность – различны, а следовательно, несколько различно и затухание радиосигналов; наименьшее расстояние – до подспутниковой точки (т.е. точки, лежащей на прямой между ИСЗ и центром Земли).

Более важным и сложным для учета является то обстоятельство, что в атмосфере Земли возникает дополнительное затухание, в основном обусловленное частицами влаги, которое зависитот угла прихода луча (угла места антеннЗС) и при малых улах заметно возрастает. Это в противовесе изложенным ранее геометрическим соображениям делает невыгодной работу при малых углах места, особенно на частотах выше 10 ГГц, и сокращает зону обслуживания по сравнению с построенной чисто геометрически заявочной характеристикой.

Существенное влияние, даже при современной высокой точности вывода и удержания ИСЗ на орбите, оказывают нестабильность положения ИСЗ на орбите и нестабильность ориентации его антенн, В связи с этим для точного расчета зона покрытия приходится определять ту часть поверхности Земли, где заданное качество связи обеспечивается при любых, даже самых неблагоприятных сочетания параметров, характеризующих нестабильность ИСЗ. Иными словами, приходится отыскивать внутреннюю огибающую зон покрытия, определенных для различных сочетаний величин, определяющих положение ИСЗ и направление его антенн. Такой расче можно выполнить только с помощью ЭВМ, как обычно и поступают [ 3, 5].

Чтобы подчеркнуть влияние нестабильности луча передающей антенны ИСЗ, в [1.5] введено понятие зоны гарантированного уровня сигнала; это понятие близко к изложенному выше определению зоны покрытия, учитывает как ограничения, обусловленные радиовидимостью, так и создаваемую (с учетом нестабильности) плотность потока мощности у поверхности Земли, и отличается лишь тем, что не принимает во внимание энергетических соотношений на участке снизу вверх (п. 3 определения зоны покрытия).

Более того, поскольку качественные показатели канала связи обычно задаются статистические, т.е. определенное значение показателя должно выполняться в определенную долю времени, то и расчет зоны покрытия следовало бы вести вероятностно с учетом времени существования тех или иных сочетаний параметров нестабильности ИСЗ. К сожалению, соответствующие методы расчета не разработаны и, более того, отсутствуют данные по необходимым для расчета вероятности характеристикам показателей нестабильности ИСЗ. Вследствие этого гарантированная зона покрытия, рассчитанная в строгом соответствие с изложенными выше принципами, нередко оказывается меньше той зоны покрытия, которая фактически обеспечивается при эксплуатации системы связи.

Наконец, следует ввести понятие зоны обслуживания – той части поверхности Земли, на которой расположены или могут располагаться ЗС данной сети, т.е. зоны, в которой действительно необходимо обеспечить нормальную работу земных станций [6, 1]. На этой территории необходимо обеспечить не только выполнение всех условий, определяющих зону покрытия, но и соблюдение необходимых защитных отношений по отношению к помехам от других радиосистем, в том числе других спутниковых систем связи. Все расчеты взаимных помех, осуществляемые при координации СС в процессе регистрации в Международном комитете по радиочастотам, должны приводиться для любой точки зоны обслуживания. Очевидно, что зона покрытия всегда охватывает зону обслуживания и превышает ее по величине. Регламент радиосвязи в интересах экономики спектра частот рекомендует, чтобы зона покрытия была как можно ближе к зоне обслуживания.

Для приближенного построения зоны покрытия и даже для ориентировочного решения обратной задачи – выбора необходимых характеристик диаграммы направленности бортовых антенн геостационарного ИСЗ – можно воспользоваться представлением поверхности Земли так как она видна с геостационарного ИСЗ [5]. Для этого следует ввести сферическую систему координат, начало которой совмещено с тоской S расположение ИСЗ ( рис. 1.12) ; P – северный полюс Земли; O – центр Земли. Положение некоторой точки N на земной поверхности в этой системе координат определяется только значениями углов ? и ? (см. рис. 1.12), где ? – угол между плоскостями SOP и SAN (или, что то же самое, между прямыми SO и SA , лежащими в плоскости экватора); ? – угол между направление от ИСЗ на точку N и плоскостью экватора (т.е. угол между прямыми SN и SA ); NA – перпендикуляр к плоскости экватора из точки N .

Углы ? и ? могут быть определены по следующим формулам [5]:

? = arc tg R sin ? /?;

a = arc sin (R cos ? sin ??/?),

где ? = v r? + R? cos ? cos ??; ? – широта точки N; ?? – разница долготы точки N и ИСЗ ( проэкции ИСЗ на наземную поверхность ); R = радиус Земли ; r – радиус геостационарной орбиты (SO); ? – длина линии SA.

По формулам все меридианы (В на рис. 1.13 [5]) параллели могут быть представлены в координатах ?, ?. На ту же координатную сетку (линии Г и Д для углов ? и ?) можно нанести линии А (окружности) равных дальностей d и равных углов места ?.

На рис. изображена в такой системе координат территория России, видимая с геостационарного ИСЗ, находящегося на долготе 100° в. д. По такому чертежу легко выбрать примерную ориентацию луча антенны ИСЗ и ширину этого луча по ? и ?, необходимою для обслуживания заданной территорию. Напомним еще раз, что карта, изображенная на рисунке 1.14, пригодная только для определения зон покрытия, создаваемых ИСЗ из точки 100° в.д., для любого другого положения ИСЗ придется строить другую проекцию. Напомним также, что при определении необходимой ширины ДН луча антенны ИСЗ следует учитывать нестабильность ориентации этой антенны