موازنة ارتباط اتصالات القمر الصناعي Satellite Link Budget

موازنة ارتباط الأقمار الصناعية أو ببساطة ربط الميزانية في الاتصالات الساتلية ليست سوى حساب عوامل مختلفة للحصول على تقدير للطاقة، والتي تنتقل من المحطة الأرضية إلى القمر الصناعي ومن القمر الصناعي إلى المحطة الأرضية من أجل الحصول على قدر معقول من استقبال الطاقة في النهايات كما يُشار إلى هذا الحساب لتصميم ارتباط مناسب بميزانية طاقة الارتباط .

موازنة ارتباط اتصالات القمر الصناعي Satellite Link Budget:

يرتبط حساب موازنة القدرة للوصلة الساتلية أساساً بكميتين، هما قدرة الإرسال وقدرة الاستقبال، كما أنّ “الارتباط” يتوافق مع شيء يربط طرفين مختلفين، كما يرتبط مصطلح ارتباط القمر الصناعي بالوصلة الراديوية التي تربط المحطة الأرضية بالقمر الصناعي، أي الوصلة الصاعدة، وأمّا الساتل بالمحطة الأرضية أي الوصلة الهابطة، في حين أنّ ميزانية الارتباط هي مجموعة من العمليات الحسابية التي تمثل تحليلًا موجزاً ​​لأداء وجدوى ارتباط اتصال معين.

أمّا بالنسبة لإرسال الإشارات واستقبالها، يرتبط حساب القدرة بحساب القدرة المرسلة والقدرة المستقبلة، كما يُعرف هذا التحديد للقدرة بالنسبة للإرسال والاستقبال باسم حساب موازنة الوصلة، أمّا المعلمة الرئيسية لحساب موازنة الوصلة هي القدرة المشعة المتناحرة المكافئة أي “EIRP”، وكما أنّه بينما تتحرك الأقمار الصناعية للأجسام في الفضاء، يتم حساب ميزانية الارتباط بالقمر الصناعي للمنطقة الكاملة التي يتم تحديد الاستقبال منها.

ما هي الحاجة إلى موازنة ارتباط اتصالات القمر الصناعي؟

بشكل أساسي، أثناء الاتصال عبر نظام القمر الصناعي توجد خسائر ومكاسب مختلفة بسبب تأثر أداء نظام القمر الصناعي، وللحصول على فكرة الأداء الفعلي للنظام بأكمله يلزم إجراء دراسة مجمعة للخسائر والمكاسب، حيث تساعد هذه الدراسة في تنظيم أداء النظام في الظروف المعاكسة.

وبالتالي، فإنّ تقدير ميزانية الارتباط هو جانب حاسم في نظام الاتصالات الساتلية، حيث يتم تحسين النظام وفقاً لاعتبارات الخسائر والمكاسب المختلفة، وعادةً يتم حساب ميزانية الارتباط بواسطة كميات ديسيبل و”decilog”.

العوامل المؤثرة في تصميم ارتباط اتصالات الأقمار الصناعية:

اشتقاق صيغة تصميم الرابط:

إذا كانت “P t” تشير إلى القدرة المرسلة، وتُعرَّف كثافة القدرة بأنّها مقدار القدرة التي يستقبلها الهوائي في منطقة الوحدة، وبالتالي إذا اعتبرنا المنطقة كروية، فسيتم إعطاء كثافة القدرة على النحو التالي:

Power Density = P t / 4 π r ²

حيث أنّ “4πr ²” هي مساحة الكرة بنصف قطر “r”.

ومع ذلك، فإنّ التعبير المذكور أعلاه هو لنوع متناح من هوائي الإرسال الذي يشع بشكل موحد في جميع الاتجاهات، ولكن إذا كان هوائي الإرسال اتجاهياً بطبيعته مع كسب “G t”، فسيتم إعطاء كثافة القدرة على النحو التالي:

Power Density = P t G t / 4 π r ²

حيث تمثل “P t G t” القدرة المشعة الخواص الفعالة على طول اتجاه إشعاع الهوائي الاتجاهي وبالنسبة لـ “P t” بالواط، تتم كتابة “EIRP” على النحو التالي:

[EIRP] = [P t] + [G] dB W

إذا كان للهوائي فتحة فعالة “A e” عند طرف المستقبل، فسيتم إعطاء القدرة الإجمالية المستقبلة على النحو التالي:

P r = P t G t A e/ 4 π r ² watt

كما أنّ “A e = ηA”، حيث يمثل “A e” كفاءة الفتحة، ويُظهر A المنطقة الفيزيائية لفم الهوائي، ومع ذلك فإنّ:

G r = 4 π A e / λ²

حيث “G r” هو كسب المستقبل و هو الطول الموجي، وبالتالي يمكن كتابة “A e” على النحو التالي:

A e = G r λ² / 4 π

عند استبدال قيمة “A e” في المعادلة الموضحة أعلاه لـ “P r”، سنحصل على:

 P r = P t G t G r / ((4 π r / λ)²)

وهي معادلة الارتباط وتستخدم لحساب ميزانية الطاقة، وعند تمثيل معادلة الارتباط في شكل ديسيبل:

 10log P r = 10 log P t + 10 log G t + 10 log Gr – 10 log (4 π r / λ)²

وعند التبسيط، يمكننا أن نحصل على:

 10log P r = 10 log P t + 10 log G t + 10 log Gr – 20 log (4 π r / λ)

ومن ثم باستخدام هذه المعادلة، يمكن حساب قدرة الإرسال ومكاسب هوائي الإرسال والاستقبال وقدرة الاستقبال والمسافة وطول موجة التشغيل.

ربط حساب الميزانية:

خسائر النقل:

تعمل “EIRP” كقوة إدخال لخط النقل المطلوب إرسالها في الطرف الآخر، ومع ذلك لا يتم إرسال إجمالي “EIRP” إلى الطرف المستقبل بسبب الخسائر المتضمنة بينهما، ويمكن أن تكون هذه الخسائر التي تغير القدرة المستلمة في الطرف الآخر ثابتة أو متغيرة، كما يتم تحديد الخسائر المستمرة من خلال البيانات الإحصائية، بينما يعتمد بعضها على الظروف الجوية وخاصة هطول الأمطار، وهناك العديد من العوامل التي تعتمد عليها هذه الخسائر، وبالتالي فإن الشروط هي كما يلي:

1- انتقال في الفضاء الحر:

سيتم إعطاء الطاقة المستلمة في الطرف الآخر على النحو التالي:

[P r ] = [EIRP] + [G R] – 10 log (4 π r / λ)²

حيث أنّ “G R” تمثل كسب هوائي الاستقبال و”r” هي المسافة بين المرسل والمستقبل

 10log (4 π r / λ)² = Free Space Loss

كما أنّ خسارة المساحة الحرة هي دالة لمربع المسافة والتردد.

2- خسائر المغذية:

هذه هي الخسائر في نهاية المستقبل بسبب وجود المقرنات والمرشحات والموجهات الموجية التي تُعرف باسم خسائر وحدة التغذية بالمستقبل، وتضيف إلى خسارة المساحة الحرة، ويتم ملاحظة هذه الخسائر نفسها في نهاية المرسل أيضاً، وهذه ليست شاملة في “EIRP”.

• “EIRP” هي اختصار لـ “Equivalent isotropic radiated power”.

3- خسائر محاذاة الهوائي:

يجب أن توفر محاذاة المحطة الأرضية وهوائي الوصلة الساتلية أقصى قيمة للكسب، لذلك عندما يكون هناك نوع من عدم التطابق في المحاذاة بين الاثنين، فإنّ هذه الخسائر تعتبر خسائر محاذاة الهوائي.

يمثل الشكل التالي المحاذاة بين المحطة الأرضية والساتل لتحقيق أقصى قدر من الكسب:

ومع ذلك، عندما يكون هناك اختلال في المحاذاة بين المحطة الأرضية والساتل، ستكون هناك خسارة خارج المحور، ويشار إلى هذه الخسارة خارج المحور في المحطة الأرضية بخسارة توجيه الهوائي، كما تتراوح قيمته بين “0.2 ديسبل” إلى “0.9 ديسيبل”.

إلى جانب خسارة الإشارة، يمكن أن تكون خسارة المحاذاة الخاطئة ناتجة عن عدم المحاذاة في اتجاه الاستقطاب، وهذه الخسائر صغيرة جداً، وبالتالي فإنّ خسارة محاذاة الهوائي تشمل خسارة التسديد وخسارة الاستقطاب، كما يتم تحديد هذه الخسائر من خلال البيانات الإحصائية التي تؤخذ في الاعتبار وفقاً للأخطاء من مختلف المحطات الأرضية، بينما يشمل التقدير الكامل الخسائر المرتبطة بالوصلة الصاعدة والهابطة.

4- خسائر الغلاف الجوي والغلاف الأيوني:

تؤدي الغازات المختلفة الموجودة في الغلاف الجوي إلى حدوث خسائر بسبب امتصاص الإشارة المرسلة وهي عموماً جزء من الديسيبل، ويشار إلى هذه باسم [AA]، وعند الوصول إلى خسائر الغلاف الأيوني فإنّ هذه الخسائر في الأساس عبارة عن خسائر إزالة الاستقطاب تسمى أحياناً فقدان عدم تطابق الاستقطاب، وبالتالي يشار إليها باسم [PL].

معادلة موازنة ارتباط الطاقة:

“EIRP”: هي طاقة الإدخال لوصلة النقل، كما أنّها الخسائر المتضمنة أثناء نقل الإشارة من طرف إلى آخر، وبالتالي سيتم إعطاء الطاقة المستلمة من خلال:

[EIRP] –  [LOSSES] + [G R]

حيث أنّ “FSL ،” هي فقدان الفضاء الحر يعتبر المصدر الرئيسي للخسارة في الوصلة الأرضية الساتلية كما أنّ الخسائر المختلفة التي تتوافق مع فقدان المساحة الحرة، وبالتالي يمكن كتابة الخسائر بالمعادلة الواردة أدناه:

[LOSSES] = [FSL] + [RFL] + [AML] + [AA] + [PL]

وبالتالي، سيتم إعطاء معادلة قوة ديسيبل المستلمة على النحو التالي:

[P R] = [EIRP] + [G R] – [LOSSES]

حيث أنّ [P R ] هي الطاقة المستلمة، و[EIRP] هي القدرة المشعة الخواص الفعالة، وتشير [FSL] إلى خسارة انتشار المساحة الحرة، ويشير [RFL] إلى فقد وحدة التغذية بالمستقبل، و[AA] هو امتصاص الغلاف الجوي، و[PL] هو فقدان عدم تطابق الاستقطاب و[AML] هو فقدان محاذاة الهوائي.

ضوضاء النظام:

إنّ القوة المتلقاة في الطرف الآخر صغيرة جداً، ومع ذلك من خلال تضخيم الإشارة إلى المستوى المطلوب يمكن رفع قوة الإشارة المستقبلة، لكن هناك شكلاً من أشكال الضوضاء موجود عند الإدخال، ويجب أن تتمتع الإشارة الأصلية بالضرورة بقوة أكبر من مكون الضوضاء، حيث عندها فقط سيتم تبرير التضخيم، حيث يضخم مكبر الصوت الإشارة وكذلك الضوضاء بنفس المدى.

تحدث الضوضاء الكهربائية في الجهاز عموماً نتيجة الحركة الحرارية العشوائية للإلكترونات داخل الأجهزة النشطة والمقاومة في جهاز الاستقبال، كما يختار الهوائي الضوضاء الحرارية كإشعاع، ويتم التعبير عن قوة الضوضاء الناتجة عن مصدر الضوضاء الحرارية على النحو التالي:

P N = k T N B N

حيث أنّ “T N” هي درجة حرارة الضوضاء المكافئة، و”B N” هو عرض النطاق الترددي المكافئ للضوضاء ويمثل “k” ثابت “Boltzmann” الذي تبلغ قيمته “1.38 * 10 ^-23 J / K”، وعرض النطاق الترددي هنا بالهرتز ودرجة الحرارة بالكلفن، أمّا في حالة الضوضاء الحرارية يكون طيف تردد مسطح، وبالتالي فإنّ قدرة الضوضاء لكل وحدة عرض نطاق ثابت، ويُعرف هذا باسم الكثافة الطيفية لقدرة الضوضاء ويُشار إليه بالرمز “N 0″، ويُعطى بالتعبير:

N 0 = P N / B N = k T N Joules

كما أنّه يمكن إضافة درجة حرارة الضوضاء من مصادر مختلفة للحصول على قيمة الضوضاء الإجمالية.