Настройка спутниковой антенны на основе физико-математических знаний

БОУ СПО «Саргатский индустриально-педагогический колледж»

Поисково-исследовательская работа

«Настройка спутниковой антенны»

выполнил:

студент 12 группы

Степанов Андрей

руководитель:

преподаватель математики и физики

Беликова Елена Владимировна

Саргатское - 2014

Содержание

Введение…………………………………………………………………………..3

• Теоретическая часть

1.Аннотация…………………………………………………………………….4

2. История спутникового телевидения………………………………………..5   3. Определение географических координат……………………………………10

4. Выбор места установки спутниковой антенны…………………………..13

• Расчеты для установки спутниковой антенны………………………….14

• Практическая  часть………………………………………………...15

Вывод …………………………………………………………………………...19

Список литературы……………………………………………………………20

Введение

 В каждом знании столько истины, сколько математики.

И Кант.

     В наше время мы уже не можем представить свою жизнь без того, чтобы нам не приходилось принимать решения или что-то выбирать. Вся наша жизнь полна решений,  и, зачастую, даже её течение напрямую зависит от принятого нами решения. Поэтому каждый человек  должен уметь принимать решения и понимать их возможные последствия, потому что рано или поздно каждый из нас может оказаться перед серьёзным выбором, от которого, возможно, будет очень многое зависеть. Да и в повседневной жизни умение выбирать - правильно выбирать - обязательно пригодится. И моя работа направлена именно на то, чтобы доказать важность умения рационально выбирать. Следует сказать, что иногда возможность выбора беспроигрышного варианта просто отпадает. Но и здесь умение выбирать принесёт большую пользу – оно поможет свести потери к минимуму. Однако разве можно научиться принимать решения? Оказывается можно! Этой проблемой занимается наука, которая носит название «теория принятия решений». Скорее это даже комплекс наук, в основе которого лежит математика. Кроме того, здесь и методы исследования операций, и систематика, и вычислительная техника, и психология, и социология. Однако всегда стоит помнить о том, что при принятии сложного решения более приемлема его комплексная оценка. Кроме того, до сих пор среди учёных существует несколько точек зрения  по поводу того, как принимать решения. Одни ставят во главу угла математические методы, а другие выдвигают на первый план психологические или организационные проблемы. Одним словом,  всегда важно отыскать золотую середину, которая уравновесит  все существующие взгляды и точки зрения.         

             I. Теоретическая часть 

• Аннотация

В работе произведены расчеты (с учетом возможных препятствий прохождения сигналов) угла места и азимута для размещения спутниковой антенны по конкретному адресу в рабочем поселке Саргатское, Омской области, чтобы достичь устойчивого приёма телеканала.

Цель работы

Целью данной исследовательской работы является выяснить каким образом разместить спутниковую антенну  по конкретному адресу в рабочем поселке Саргатское, чтобы достичь устойчивого приёма телеканалов.

Основными задачами данной поисково-исследовательской работы являются:

• Изучить и проанализировать научно-методическую литературу с целью углубления знаний по данной проблеме.

• Определить географические координаты объекта.

• Рассчитать угол места и азимут, для того чтобы более точно определиться с местом установки.

• Проверить, есть ли какие-либо препятствия (чаще всего дома или деревья) на линии, соединяющей антенну и спутник.

• История спутникового телевидения

Впервые применять спутники для передачи телесигналов начали после первых запусков спутников связи. Перспективность его практического применения сразу показалось очевидной.

Космическая связь прочно заняла свое место в системах связи всего мира. Растет число спутников связи, работающих на различных космических орбитах, осваиваются новые диапазоны частот. Системы спутниковой связи дают возможность пропустить огромный объем информации. С помощью только одного ретранслятора на ИЗС можно обеспечить передачу информации на расстоянии до 15000 км, а с помощью трех ИЗС возможна организация почти, что глобальной системы связи. Оптимальным местом для размещения ретранслятора является геостационарная орбита, удаленная от поверхности Земли на 36000 км, так как ИЗС при этом "зависают" и практически не меняют своего местоположения относительно неподвижной точки на Земле. Одним из преимуществ такой орбиты является отсутствие у антенны ЗС системы слежения за спутником.

Для обслуживания полярных и приполярных районов применяются эллиптические орбиты, низко и среднерасположенные круговые орбиты. Антенны ЗС для таких систем связи имеют систему слежения за спутником, что в значительной степени увеличивает стоимостные показатели антенны ЗС, делает ее более сложной в обслуживании и монтаже, а также снижает надежность всей системы связи.

В 1977 году был принят Международный план спутникового ТВ вещания. В нем были указаны позиции спутников на геостационарной орбите, частотные каналы, зоны обслуживания, уровни сигналов и прочие характеристики. План был рассчитан на то, что с помощью спутникового телевидения будут передаваться пять национальных программ в каждой стране, а о международном вещании не шло речи. Во время принятия этого плана технических средств для его реализации не было. Когда они появились, в большинстве развитых стран была создана наземная передающая сеть, обеспечивающая прием двух-четырех национальных программ. Потребности в дальнейшем развитии этой сети не было, поэтому не было смысла в плане для исключительно национального вещания.

Примерно в это же время начал расти интерес к программам с узкой целевой аудиторией, например детей, домохозяек, любителей животных, музыки или спорта, рассчитанным на аудиторию нескольких стран. Наиболее подходящими для этого оказались именно спутниковые каналы в сочетании с многоканальными наземными кабелями распределительных сетей.

   Сначала пытались следить за несанкционированным перехватом информации, и это удавалось. Но постепенно ситуация изменилась из-за развития техники. Пришлось для предотвращения перехвата кодировать сигнал, что также использовали для платных каналов.

    Начали использовать многолучевые антенны для быстрого перенацеливания на телеспутники. В фокусе антенны помещались несколько входных блоков, благодаря чему была достигнута многолучевость. Такая модификация ухудшила прочие свойства антенны, вследствие чего подобные антенны используются для спутников, видных под небольшим углом.

В 1979 г. была введена в эксплуатацию новая распределительная спутниковая система "Москва" в диапазонах 6/4 ГГц. Подача ТВ программ на сеть земных приемных станций ведется через ИСЗ "Горизонт", которые планируется располагать на геостационарных орбитах в точках 53, 90 и 140° в.д. Повышенная до 40 Вт мощность бортового передатчика в сочетании с узконаправленной бортовой передающей антенной обеспечивает максимально допустимое значение эквивалентной изотропно-излучаемой мощности ЭИИМ. Особенностью системы "Москва" является то, что для электромагнитной совместимости ее с существующими наземными и спутниковыми средствами было использовано искусственное рассеяние мощности путем дисперсии несущей. Несущая дополнительно отклоняется с частого" 2,5 Гц и девиацией ±4 МГц. Это позволило соблюсти установленные МККР нормы на допустимую спектральную мощность потока (-152 дБВт/м2 в полосе 4 кГц) при высокой интегральной плотности потока мощности у поверхности Земли -120 дБВт/м2. В зону, обслуживаемую одним ИСЗ, входит 2...3 часовых пояса, т. е. ее размер, выбран с учетом принятых принципов организации многозонового ТВ и звукового вещания в СССР.
Приемная антенна земной станции имеет небольшой диаметр зеркала (2,5 м) и массу не более 400 кг; ширина диаграммы направленности ± 1°. В качестве входного устройства стало возможным применить неохлаждаемый параметрический усилитель с температурой шума 100 К. Все остальное радиотехническое оборудование размещается в небольшой стойке. Таким образом, создана распределительная ТВ система с приемом на сравнительно простые станции в диапазоне 4 ГГц, не требующие постоянного квалификационного обслуживания. Сигнал дисперсии в приемнике эффективно выводится с помощью устройства узкополосной обратной связи по частоте ОСЧ. Выбранное значение частоты дисперсии позволяет отделить его от ТВ сигнала и замкнуть цепь обратной связи только по сигналу дисперсии. При этом девиация частоты за счет сигнала дисперсии в значительной степени уменьшается, и полосу приемника рассчитывают на пропускание ЧМ сигнала, модулированного только полезным сообщением (около 40 МГц). Остаточный сигнал дисперсии удаляется путем применения схем восстановления постоянной составляющей сигнала. Общая пиковая девиация частоты в системе "Москва" составляет ±15 МГц (±13 МГц для ТВ сигнала и ±1 МГц для сигналов звукового сопровождения и радиовещания, передаваемых методом ЧМ на поднесущих частотах 7 и 7,5 МГц с девиацией ±150 кГц). На поднесущей частоте 8,2 МГц можно организовать передачу изображения газетных полос. В комплект приемной станции входит ТВ ретранслятор мощностью 1, 10 или 100 Вт или устройство для работы на кабельную сеть. Использование станции в комплексе с передатчиком мощностью 100 Вт эффективно практически для любого населенного пункта страны. Разработан также перевозимый вариант приемной станции "Москва"; все оборудование перевозимой станции размещается в кузове от грузового автомобиля. В настоящее время новая система прямого распределения ТВ программ "Москва" интенсивно развивается.

Приемная сеть "ЭКРАН"  Перспективой ТВ вещания с помощью ИСЗ является непосредственное ТВ вещание НТВ. Промежуточный этап на пути к НТВ - вещание на коллективные приемные устройства, которые будут, очевидно, совмещаться с ТВ узлами систем кабельного ТВ. Такие устройства относительно более сложные и поэтому не требуют повышенной мощности ретранслятора спутника связи. Первые практические шаги в этом направлении сделаны - на геостационарные орбиты запущены ИСЗ "Экран" (точка стояния 99±1°в.д.)работающие в системе связи с параметрами: fпер = 620±12 МГц; fпер = 714±12 МГц (52...54 ТВ каналы); передача сигналов звукового сопровождения на поднесущей 6,5 МГц с девиацией ±50 кГц; частотная модуляция несущей с пиковой девиацией DfS = Dfиз+Dfзв=±9±2=±11 МГц; стандартные линейные предыскажения сигнала; мощность ретранслятора 200 Вт (мощность солнечных батарей не менее 2 кВт); коэффициент усиления бортовой антенны 34 дБ; напряженность поля на краю зоны обслуживания 29 мкВ/м. В системе "Экран" используются приемные устройства двух типов - упрощенные (II класса) и более сложные (I класса). Установки I класса комплектуются антеннами "волновой канал", содержащими 32 полотна. В качестве высокочастотного блока используется недорогой малошумящий двухкаскадный усилитель на серийных транзисторах ГТ362Б. Приемная установка обеспечивает модуляцию и разделение сигналов изображения и звукового сопровождения. Выходной ТВ сигнал с высоким качеством подается на мощные ТВ станции, обслуживающие достаточно большие населенные пункты. В комплект установки II класса входят антенна из четырех полотен и малогабаритное приемное устройство, в котором спектр сигнала с принятой частоты 714±12 МГц переносится в спектр одного из каналов метрового диапазона и сигнал ЧМ преобразуется в АМ. Установки предназначены для подачи ТВ сигнала на маломощные ТВ ретрансляторы или в кабельную сеть. Модифицированные установки II класса объединены с передающим устройством мощностью 1 или 10 Вт. Приемные установки системы "Экран" работают в диапазоне 0,7 ГГц. Они имеют низкую стоимость, поэтому система является весьма эффективным средством организации ТВ вещания в районах Сибири и Крайнего Севера СССР. Зона обслуживания системы охватывает около 40% всей территории страны (9 млн. кв. км). В настоящее время в стране установлено более 1500 установок этой системы, и сеть станций продолжает расширяться. Однако в других районах страны использовать систему "Экран" невозможно из за больших помех наземным средствам на территориях сопредельных государств

• Определение географических координат

Географическая координата – это некоторая угловая величина, которая определяет положение точки на поверхности земли или на карте. Точкой может считаться лишь небольшой по размерам географический объект: гора, холм, поселение, город, здание. Реку, озеро, море, страну или материк нельзя изобразить на карте в виде точки, потому что каждый из этих объектов занимает достаточно много места. Они, как правило, обозначаются в виде территории, ограниченной кривой линией. А вот у данной территории уже можно найти, к примеру, самую восточную или самую западную точку, и для нее определить нужные координаты. Принцип, по которому строятся все координаты, называется сферическим, исходя из того, что наша земля круглая, как и сфера. Аналогично вычисляются координаты и для других небесных тел в Астрономии. Географических координат три, но мы рассмотрим только две из них – широту (Ш) и долготу (Д). Точка на карте или поверхности земли образуется на их пересечении, как и в координатной плоскости. Также для нахождения точек нам понадобится географическая (картографическая) сетка, которая образуется на карте за счет пересечения параллелей и меридианов.

Параллель – это линия, параллельная экватору земли.

Меридиан – это линия, перпендикулярная экватору земли. А теперь соотнесём все изученные термины в целостную картину. Широта это есть параллель, долгота это есть меридиан. Так как координата – это угловая величина. Поэтому мы будем иметь дело с углами и градусами. Если представить себе земной шар в виде сферы, то можно распределить значения широты и долготы рассмотрев картографическую сетку земного шара.

Схема 1. Широта

Распределение широты по поверхности земного шара демонстрирует схема 1. Градусы принято отсчитывать от экваторы вверх и вниз, причем отсчет ведется, заново от нуля. Максимальное значение, которое может иметь широта – это 90 градусов. Такая отметка присуща северному и южному полюсам. Соответственно, при определении широты мы должны указать – северная она или южная. Все точки параллели имеют одинаковую широту, но разную долготу.

Схема 2. Долгота

Долгота, которая также измеряется и обозначается в градусах представлена на схеме 2. Максимальное значение – 180 градусов. Точкой отсчета принято считать Гринвичский меридиан, который еще называют нулевым. Он проходит прямо через Лондон и равен нулю градусов. Долготы делят на два вида – западные, которые отсчитываются от нулевого меридиана на Запад, и восточные – те, которые отсчитываются от нулевого меридиана на Восток. Каждый меридиан пересекается со всеми остальными в двух точках – южном и северном полюсах. А также все точки одного меридиана имеют одинаковую долготу, несмотря на то, что они могут находиться в разных широтах.

• Выбор места установки спутниковой антенны

Для выбора места установки антенны необходимо руководствоваться определенными правилами. Все спутники расположены на геостационарной орбите в направлении с юго-востока по юго-запад. Соответственно Ваши окна должны выходить на юг или юго-запад, в противном случае  установка производится на крыше здания. После решения этой задачи, Вам нужно будет проверить, есть ли какие-либо препятствия из окон или с крыши, в зависимости от того, где Вы решили установить антенну. Для того, чтобы более точно определиться с местом установки нужно рассчитать угол места и азимут (рис.1).

Рис.1 Определение азимута и угла места.

• Расчеты для установки спутниковой антенны

Для того чтобы более точно определиться с местом установки, нужно рассчитать угол места и азимут.

а) Расчет угла места

Угол, на который отклоняется от горизонтали линия прямой видимости на спутник вычисляется по формуле:

g1 - долгота спутника,

g2 - долгота места приема,

v - широта места приема.

б) Расчет азимута

Направление, указывающее на спутник в зависимости от расположения места приема рассчитывается по формуле:

g1 - долгота спутника,

g2 - долгота места приема,

v - широта места приема.

II. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Для достижения поставленной в работе цели мы определили план:

• Определить по физической карте Омской области географические координаты местонахождения р.п. Саргатское;

• Произвести расчет угла места;

• Произвести расчет азимута;

• Рассмотреть возможные препятствия;

• Сделать соответствующие выводы;

• Самостоятельно с помощью сделанных расчетов установить спутниковую антенну.

Следуя определенному плану по физической карте Омской области (рис.2) мы определили, что рабочий посёлок Саргатское находится на 55°60’ северной широты и 73°60^’ восточной долготы.

Рис. 2 Нахождение р.п. Саргатское на физической карте Омской области.

По описанным выше формулам выполнили расчет угла места и азимута для р.п. Саргатское.

Спутник находится на 46° восточной долготы.

а) расчет угла места:

б) расчет азимута:

Ответ:

• угол места(F) равен 24°48’;

• азимут(A) равен 212°42’.

Далее выяснили, что по направлению антенны есть препятствие – двухэтажный дом (рис.3). Необходимо убедиться в том, что антенна будет направлена выше этого препятствия, в противном случае это может значительно ухудшить прием сигнала.

Расстояние до препятствия можно найти по карте, используя масштаб.

Рис.3 Направление антенны.

Схема 3. Направления антенны.

В данном случае расстояние до препятствия 80 метров, а высота препятствия 9 метров

Угол места рассчитан и равен 24°48^’

X – максимальная высота препятствия, которая не помешает прохождению сигнала при установке антенны на земле.

Решение:

Примем гипотенузу прямоугольного треугольника (направление на спутник) за Y (схема 3).

Так как косинус острого угла прямоугольного треугольника есть отношение прилежащего катета к гипотенузе, то:

X можно найти, используя теорему Пифагора

Максимальная высота препятствия намного больше высоты существующего препятствия, а это значит, что существующее препятствие не помешает прохождению сигнала при установке антенны на земле, не может вызвать помех для приема сигнала, и антенну можно устанавливать на любой удобной высоте.

Вывод

     Во-первых, мне хотелось наглядно продемонстрировать то, насколько это важно – уметь правильно принимать решения. То, что этому можно научиться, мне кажется, уже ни у кого не вызывает сомнений. Во-вторых, я хотел показать, в каких жизненных ситуациях  и как стоит принимать решения: с чего начинать, какими соображениями руководствоваться при этом, какие выводы сделать, исходя из полученных результатов. В-третьих, я надеялся получить максимально правильные и объективные ответы к своим задачам, при имеющихся у меня возможностях оценки критериев. 

     Должен сказать, что своей цели я достиг. Я научился сам устанавливать спутниковую антенну, благодаря расчету угла места и расчету азимута. В работе поставленные мной задачи решены.

Так как максимальная высота препятствия, которая не помешает прохождению сигнала при установке антенны на земле намного больше высоты существующего препятствия, то оно не может вызвать помех для приема сигнала, и антенну можно устанавливать на любой удобной высоте. Если препятствие мешает приему сигнала, то антенну необходимо поднять выше или выбрать другое место для её установки.

Список используемой литературы

1. Алгебра и начала анализа: Учебник 10-11 класс / А. Н. Колмогоров, А. М. Абрамов, Ю. П. Дудницын и др., под ред. А.Н. Колмогорова – М.: Просвещение, 2004 

2. Алгебра и начала анализа: учеб. для 10 кл. общеобразовательных учреждений / [С. М. Никольский, М. К. Потапов, Н. Н. Решетников А. В. Шевкин]. – 5-е изд., доп. – М.: Просвещение, 2006.

3. Интернет-сайт http://www.al-soft.com/saa/satinfo-ru.shtml SAT – Расчет угла поворота спутниковой антенны.SAT info.

4. Интернет-сайт http://www.spektr-tv.ru/articles.php Спектр TV установка спутниковых антенн Москва, как самостоятельно установить и настроить спутниковую антенну

5.Интернет-сайт http://www.technosat.ru/topic_406c3839ac5f5/art_4066de07a88b8 Установка и настройка спутниковой антенны

6. Четырёхзначные математические таблицы. В.М. Брадис – М.: Просвещение,1972г, 94с.