Οπτικές τηλεπικοινωνίες μεταξύ δορυφορικών συστημάτων και αεροσκαφών

Abstract

Ολοένα και αυξανόμενο είναι το ενδιαφέρον για τη μελέτη και υλοποίηση Πλατφόρμων Μεγάλου Υψομέτρου, HAPs (High Altitude Platforms), λόγω των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών από τα οποία διακρίνονται, εξασφαλίζοντας σε αυτό το νεό τηλεπικοινωνιακό σύστημα πρωταγωνιστικό ρόλο στο χώρο των τηλεπικοινωνιών. Οι πλατφόρμες συνδυάζουν όλα τα σημαντικά πλεονεκτήματα ενός δορυφορικού αναμεταδότη, υπερπηδώντας όμως παράλληλα τα περιοριστικά μειονεκτήματά του. Πιό συγκεκριμένα οι οπτικές τηλεπικοινωνίες των συστημάτων αυτών παρέχουν τη δυνατότητα αξιόπιστων και ελεύθερων από παρεμβολές τηλεπικοινωνιών υψηλής ταχύτητας διάδοσης σε πολύ μεγάλες αποστάσεις, ενώ ταυτόχρονα έχουν πολύ μικρότερο κόστος υποδομής και συντήρησης από εκείνο των δορυφορικών συστημάτων, γρήγορη και ευέλικτη ανάπτυξη, μία ιδιάιτερα ευέλικτη αρχιτεκτονική συστήματος και μικρότερη καθυστέρηση λόγω απόστασης. Στόχος της παρούσας διπλωματικής είναι η μελέτη των οπτικών χαρακτηριστικών της δέσμης του laser, η συμπεριφορά της οποίας εξαρτάται από το περιβάλλον του προστατευτικού κελύφους της κεραίας, το οποίο θα είναι στο πρώτο μέρος της εργασίας ένα πεπλατυσμένο ελλειψοειδές και στο δεύτερο μία σφαίρα. Το περιβάλλον της κεραίας περιγράφεται από την πυκνότητα της ροής του ρευστού γύρω από αυτή. Η πυκνότητα της ροής διαμορφώνεται ανάλογα με το υψόμετρο, την ταχύτητα της σφαίρας/ελλειψοειδούς, τη σύνθεση του παρεμβαλλόμενου μεταξύ πομπού και δέκτη ρευστού και τη θέρμανση ή ψύξη της γήινης επιφάνειας που με τον πρόσθετο παράγοντα του ανέμου μετατρέπουν την ατμόσφαιρα σε ταραχώδη. Συγκεκριμένα για την περίπτωση του πεπλατυσμένου ελλειψοειδούς εφαρμόζουμε προσεγγιστικά τη θεωρία της σφαίρας και απεικονίζουμε με τη βοήθεια του Matlab οπτικά μεγέθη (όπως το μήκος οπτικού μονοπατιού, το σφάλμα κλίσης, τον Strehl ratio και τα πολυώνυμα Zernike) τα οποία είναι απαραίτητα για την μελέτη της οπτικής ζεύξης. Για το δεύτερο μέρος όπου ασχολούμαστε με τη σφαίρα έχουμε τα δεδομένα για την πυκνότητα της ροής από το πρόγραμμα προσομοίωσης ροής ρευστών Tecplot για συγκεκριμένες τιμές ταχυτήτων της σφαίρας και για δύο περιπτώσεις συνθηκών, οι οποίες είναι συνθήκες STP και πραγματικές συνθήκες σε υψόμετρο 20 km. Τα δεδομένα αυτά τα επεξεργαζόμαστε στο Matlab και συγκρίνουμε τα χαρακτηριστικά της ζευξης σε κάθε μία από τις περιπτώσεις που έχουμε από το Tecplot.

Increasing is the interest in the study and implementation of High Altitude Platforms, HAPs, due to their inique characteristics of which they differ, ensuring in that new telecommunication system a leading role in the telecommunications. The platforms combine all the important advantages of a satellite transponder, overcoming at the same time it’s restrictive disadvantages. In particular, the optical telecommunications systems provide reliable and free from interference telecommunications of high-speed propagation in very long distances, while having much lower infrastructure and maintenance cost than the satellite systems, fast and flexible development, a highly flexible architecture system and less delay due to distance. The aim of this diploma is the study of the optical characteristics of the laser beam, the behavior of which depends on the environment of the antenna’s protective shell, which is in the first part of the paper a flattened ellipsoid and in the second part a sphere. The antenna’s environment is described by the density of the fluid flow around the sphere. The density of the flow is formed depending on the altitude, the speed of the sphere / ellipsoid, the composition of the fluid between transmitter and receiver and the heating or cooling of the earth's surface which with the additional factor of the wind turns the atmosphere into a turbulent one. Specifically in the case of flattened ellipsoid we apply approximately the sphere’s theory and display, with Matlab’s help, visual parameters (such as the optical path difference, the tilt error, the Strehl ratio and the Zernike polynomials) which are necessary for the study of the optical link . For the second part where we deal with the sphere, we have the data on flow’s density from the fluid flow simulator, Tecplot, for specific speed values of the sphere and at two types of conditions,at STP conditions and at actual conditions for 20 km altitude. These data are being processed in Matlab and finaly we compare the characteristics of the link for each case that we have from the Tecplot.