طراحی زیرسیستم مخابراتی ماهواره

برای دانلود pdf مقاله کلیک کنید

زیرسیستم مخابراتی

یکی از اصلی ترین زیر مجموعه های ماهواره هست که وظیفه برقراری ارتباطات با زمین، انتقال اطلاعات ماموریتی را دارد.

زیرمجموعه های زیرسیستم مخابراتی

معماری مخابرات
آنتن
مدولاسیون
فرستنده و گیرنده
ترانسپوندر
نویز

طراحی زیرسیستم مخابراتی

برای طراحی زیرسیستم مخابراتی ابتدا با توجه به مأموریت، باند کاری و نوع آنتن را مشخص کرده

و با استفاده از آن توان آنتن، تلفات و مقادیر مورد نیاز طراحی را مشخص می کنیم

و در پایان با استفاده از اطلاعات آماری جرم و توان این زیرسیستم را تعیین می کنیم

در این مقاله اطلاعات زیرسیستم مخابراتی یک ماهواره در مدار ژئو محاسبه می شود.

الگوریتم طراحی زیرسیستم مخابراتی

شکل ۱ الگوریتم طراحی این زیرسیستم را نشان می دهد.

انتخاب آنتن

ماهواره دو لینک ارسال دیتا و تله متری یا فرمان دارد؛

که ما برای ماهواره مخابراتی GEO برای جلوگیری از پیچیدگی از همان باندی که برای محموله ماهواره استفاده کردیم،

برای لینک تله متری هم استفاده می کنیم. با توجه به استانداردهای ITU برای ماهواره GEO باند ku با فرکانس حدودا ۱۲ گیگا هرتز را انتخاب می کنیم.

با توجه به باند کاری و ماموریت و از لحاظ هزینه، اندازه و در دسترس بودن، آنتن انعکاسی که به شکل سهموی است، بهینه تر می باشد.

محاسبه توان آنتن

با توجه به اطلاعات آماری میزان حجم اطلاعات را از رابطه ۱ محاسبه می کنیم.

در ماهواره مخابراتی چون همیشه در دید ایستگاه زمینی است حجم اطلاعات Mpbs 129245.42 است.

پس برای ارسال داده از باند ku استفاده می کنیم.

محاسبه توان ورودی به آنتن

توان برای ماهواره مخابراتی در ارتفاع GEO در محدوده ۲۰۰تا ۵۰۰ وات (dbw23.01 تا dbw26.98) قرار دارد.

برای این ماهوارهdbw ۲۳٫۰۱ را در نظر می گیریم. ارسال خط موجبری تلفات برابراست با:

توان ورودی به آنتن باند ku ماهواره از رابطه ۲ محاسبه می شود.

محاسبه EIRP خروجی آنتن های ماهواره

برای مقایسه مناسب ماهواره ها از نظر توانی که در فضا در جهت آنتن خود منتشر می کنند،

پارامتر توان تشعشعشی ایزوتروپیک موثر یا EIRP تعریف می شود.

این پارامتر مستقل از اینکه بدانیم ماهواره چه آنتنی دارد، نشان می دهد که در سمت آنتن خود چه توانی منتشر می شود.

بهره آنتن انتخاب شده باند ku دارای مقدار زیر است.

EIRP خروجی آنتن ماهواره از رابطه ۳ محاسبه می شود.

محاسبه فاصله بین ماهواره وایستگاه زمینی

با توجه به اطلاعات مدار، H ارتفاع ماهواره از سطح دریا برابر با m 35786000 است

و h فاصله ی آنتن ایستگاه زمینی از سطح دریا برای تهران برابر با m 1524است.

زاویه آزیموت زاویه ای است که سبب می شود آنتن زمینی با ماهواره ارتباط برقرار کند

چون ایستگاه زمینی ما تهران است ما زاویه آزیموت را تقریبا ۹۰ درجه در نظر گرفتیم.

ازرابطه ۴ فاصله بین ماهواره و ایستگاه زمینی را محاسبه می کنیم.

محاسبه تلفات

در این بخش تلفات فضای آزاد، تلفات اتمسفر، تلفات خطای زاویه ای و تلفات پلاریزاسیون را محاسبه می کنیم.

محاسبه تلفات انتشار

امواج منتشر شده از آنتن در محیط آزاد واگرا می شود.

نتیجه اینکه انرژی واصله به واحد سطح در نقاط دور آنتن به مراتب کمتر از انرژی دریافتی در نقاط نزدیک به آنتن می شود.

فرکانس آنتن ku را ۱۲۰۰۰ مگاهرتز در نظر می گیریم. با توجه به رابطه ۵ طول موج این باند را محاسبه می کنیم

و از رابطه ۶ تلفات انتشار را محاسبه می کنیم.

محاسبه میزان تلفات ناشی از اکسیژن موجود در اتمسفر

h_Ao2ارتفاع اکسیژن موجود در اتمسفر برابر با km 5.3 است.

میزان تضعیف ناشی ازاکسیژن موجود در هوا درشکل ۲ برای باندku تقریبا برابر با dB/km است.

در نهایت تلفات ناشی از اکسیژن موجود در اتمسفر از رابطه ۷ محاسبه می شود.

محاسبه تلفات ناشی از بخار آب موجود در اتمسفر

h_AH2Oارتفاع بخار آب موجود در اتمسفر برابر با km 2.1 است.

میزان تضعیف ناشی از بخار آب موجود در اتمسفر در شکل ۲ برای باند ku تقریبا برابر باdB/km است.

در نهایت تلفات ناشی از بخار آب موجود در اتمسفر از رابطه ۸ محاسبه می شود.

محاسبه تلفات ناشی از باران

h _R ارتفاع باران برابر با km6 است.L_R^` میزان تضعیف ناشی از باران از شکل ۳ با توجه به زاویه آزیموت

و فرکانس برابر با dB/km 0.5 در نظر گرفته شده است.

احتمال بارش را چون ایستگاه کنترل و دریافت ماهواره تهران است، ۱ درصد در نظر می گیریم.

در محاسبه تلفات باران به شرطی میتوان از رابطه ۹ استفاده کرد

که مسیر انتشار امواج از ماهواره تا ایستگاه زمینی پس از ورود به ارتفاع h _R در منطقه بارانی قرار گیرد،

یعنی (𝐿_AREA≥𝑠𝑖𝑛𝛽(h_R−h باشد. که 𝐿_AREA شعاع منطقه بارانی روی زمین است.

در غیر این صورت تلفات واقعی پایین تر از تلفات محاسبه شده است .فرض بر این است 𝐿_AREA =100𝑘𝑚 می باشد.

محاسبه تلفات ناشی ازمه

فاصله ای که چشم غیر مسلح انسان می تواند اشیا را در مه ببیند با s_F نمایش داده می شود و اندازه متعارف آن برابر است با:

چگالی مه از رابطه ۱۰ که به طور تجربی به دست آمده، محاسبه می شود.

با استفاده از چگالی مه و رابطه ۱۱ می توان تلفات ناشی از مه به ازای هر کیلومتر از عمق آن را محاسبه کرد.

ارتفاع مه از آنتن زمینی برابر با km 0.5 است. بنابراین تلفات ناشی از مه از رابطه ۱۲ محاسبه می شود.

محاسبه تلفات ناشی از خطای زاویه

برای محاسبه تلفات ناشی از خطای زاویه ابتدا زاویای شکست در یونسفر و تروپوسفر،

مجموع خطای زاویه ای و زاویه نصف توان پترن آنتن زمینی را به دست می آوریم.

d₁زاویه شکست در یونسفر در بهترین شرایط۰ درجه و در بدترین شرایط ۰۰۳.۰=۱۰ درجه می باشد.

d₂زاویه شکست در تروپوسفر در بهترین شرایط ۰۱۷.۰درجه یا ۱ رادیان و در بدترین شرایط ۰۸.۰ درجه یا ۵ رادیان است.

مجموع زوایای شکست در یونسفر و تروپوسفر برابراست با:

_TRCخطای زاویه ای ردیابی در بهترین شرایط ۰۰۳.۰=۱۰ درجه و دربدترین شرایط ۰۱۷.۰درجه یا ۱ رادیان می باشد.

خطای زاویه ناشی از باد که باعث لرزش آنتن می شود برابر است با:

مجموع خطای زاویه ای برابر است با:

برای باند ku به علت قوی بودن ماهواره از آنتن هایی با قطر کوچک تر استفاده می شود.

با توجه به آمار قطر۰٫۶۵ متر تخمین زده شده است.

زاویه نصف توان پترن آنتن زمینی از رابطه ۱۳ محاسبه می شود.

با داشتن مجموع خطای زاویه ای و زاویه نصف توان پترن آنتن زمینی و با استفاده ازجدول زیر می توان ازرابطه ۱۴ تلفات ناشی از خطای زاویه ای را محاسبه کرد.


۰٫۰	۰
۰٫۲	۰٫۱
۰٫۳	۰٫۲
۰٫۴	۰٫۳
۰٫۶	۰٫۴
۱٫۰	۰٫۵
۱٫۲	۰٫۶
۱٫۵	۰٫۷
۱٫۸	۰٫۸
۲٫۵	۰٫۹
۳٫۰	۱
۴٫۲	۱٫۱
۴٫۹	۱٫۲
۶٫۱	۱٫۳
۷٫۷	۱٫۴
۱۰٫۰	۱٫۵

محاسبه تلفات پلاریزاسیون

در انتشار امواج الکترومغناطیسی نحوه نوسان میدان الکتریکی معرف نوع پلاریزاسیون است.

به طور کلی دو نوع خطی و غیر خطی وجود دارد. در صورت خطی بودن ممکن است پلاریزاسیون افقی یا عمودی باشد .

پلاریزاسیون بیضوی ودایروی از جمله انواع پلاریزاسیون غیرخطی می باشد.

ما پلاریزاسیون رو خطی در نظر می گیریم. با استفاده از رابطه ۱۵ تلفات پلاریزاسیون رو محاسبه می کنیم.

محاسبه مجموع تلفات

مجموع تلفات اضافی محیط که از ماهواره تا ایستگاه زمینی ایجاد می شود برابر است با:

محاسبه مجموع تلفات از آنتن ماهواره تا آنتن مرکزی

تلفات فضای آزاد برابر است:

مجموع تلفات از آنتن ماهواره تا آنتن زمینی

محاسبه EIRPدر ورودی آنتن زمینی

با داشتن EIRP آنتن ماهواره و با استفاده ازرابطه ۱۶ می توان EIRP آنتن زمینی را محاسبه کرد.

محاسبه گین آنتن زمینی

برای آنتن باند ku از یک دیشی با قطر ۶۵.۰ متر استفاده می کنیم.

ضریب کیفیت آنتن زمینی برابر است با:

راندمان آنتن زمینی برابر است با:

گین آنتن زمینی را از رابطه ۱۷ محاسبه می کنیم

محاسبه توان سیگنال در ورودی LNA

تلفات سیستم موجبری در ایستگاه زمینی برابر است با:

توان سیگنال در ورودی LNA باند ku از رابطه ۱۸ محاسبه می شود.

محاسبه توان سیگنال در ورودی دیکودرخروجی (LNA در ایستگاه زمینی)

توان سیگنال خروجی LNA از رابطه ۱۹ محاسبه می شود که در آن G_LNA بهره LNA است که تقریبا برای ۴۰ می باشد.

محاسبه درجه حرارت معادل نویز

با توجه به شکل ۴، فرکانس و زاویه فراز، درجه حرارت معادل نویز اتمسفر برابر است با:

درجه حرارت معادل نویز کهکشانی با توجه به شکل ۴ برابر است با:

درجه حرارت معادل نویز زمین که بخشی از آن از طریق لوبهای فرعی آنتن زمینی و سیستم وارد می شود به طور ثابت برابر است با:

ضریب مربوط به گین لوبهای فرعی آنتن زمینی (تعیین کننده بخشی از توان نویز زمین که از طریق لوبهای فرعی وارد میشوند). به طور ثابت برابر است با:

درجه حرارت معادل نویز آنتن، با توجه به اینکه آنتن از مواد مناسبی ساخته می شود این مقدار را تقریبا برابر صفر در نظر می گیریم.

در نهایت درجه حرارت معادل نویز از رابطه ۲۰ برای باند ku به دست می آید.

محاسبه دمای معادل نویز در گیرنده

دمای معادل نویز موجبر با توجه به اینکه این مقدار تقریبا برابر با درجه حرارت محیط است، برابر است با:

راندمان موجبر هم مقدار ثابتی است:

محاسبه دمای نویز و پهنای باند فرکانسی و توان نویز در ورودی LNA برحسب dB

خطای مورد نیاز برای باند ku حدودا در نظر می گیریم. با توجه به آمار برای باند ku مدولاسیون D-QPSK استفاده می کنیم

و با توجه به شکل ۵ میزان سیگنال به نویز را به دست می آوریم.

Pnاز رابطه ۲۲ محاسبه می کنیم.

با توجه به رابطه ۲۳ پهنای باند برابر است با:

جرم وتوان زیرسیستم مخابراتی

با توجه به به مرجع MEMS based Sun Sensor on a Chip).)

وزن و توان پارامتر های زیرسیستم مخابراتی به صورت درصدی از مقادیر این مرجع تعیین شده است.

توان فرستنده را ۷٫۱۰۶۵ وات و وزن فرستنده ۷٫۲ درصد جرم خشک ماهواره، ۷٫۵۹ کیلوگرم

و وزن گیرنده ۷٫۵۹ کیلوگرم و توان آن را ۲۱۳٫۷۵٫۲۱۳ وات و جرم آنتن را با توجه به این که قطر ۲۵٫۰ متر است ۱٫۵کیلوگرم.

و تجهیزات رزو هم ۱۶ کیلوگرم در نظر می گیریم. در مجموع جرم زیرسیستم مخابراتی ۹٫۱۳۶ کیلوگرم و توان آن ۴۵٫۱۲۷۹ وات است

جرم و توان زیرسیستم TT&C

جرم و توان ای زیرسیستم را در بخش طراحی آماری بدست آوردیم، که وزن آن ۳۱٫۸۸ کیلوگرم و توان آن ۳۳٫۱۳۳۰ وات است.

درخت کارکرد و محصول زیرسیستم مخابرات

شکل ۶ درخت کارکرد و شکل ۷ درخت محصول زیرسیستم مخابراتی را نشان می دهد.

#شرکت_ آشیانه_ ققنوس _ایرانیان #فونیکس_رویاهات_باش #فونیکس #هوش _هوافضا #علیرضا _نوروزی #پهپاد