Επίδοση δορυφορικών δικτύων χαμηλής τροχιάς για μετάδοση δεδομένων παρατήρησης της γης (earth observation data)

Abstract

Τα δορυφορικά δίκτυα επικοινωνιών αποτελούν ένα σημαντικό τμήμα των σύγχρονων τηλεπικοινωνιακών συστημάτων. Η χρησιμοποίηση δορυφόρων έχει αναπτυχθεί ταχύτατα τις δύο τελευταίες δεκαετίες. Οι δορυφόροι παρέχουν τη δυνατότητα κάλυψης μεγάλων γεωγραφικών περιοχών. Η δυνατότητα αυτή είναι καθοριστικής σημασίας σε εφαρμογές όπως τα συστήματα πλοήγησης, η διασύνδεση μεγάλων τηλεπικοινωνιακών κόμβων, οι κινητές επικοινωνίες, οι τηλεοπτικές ζεύξεις ευρυεκπομπής (broadcasting) κτλ. Η τεχνολογία των δορυφορικών συστημάτων συνεχώς εξελίσσεται και οι δορυφορικές τηλεπικοινωνίες αναμένεται να έχουν σημαντικότατο ρόλο στα σύγχρονα τηλεπικοινωνιακά συστήματα. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, αρχικά παρουσιάζονται όλες οι παράμετροι της τροχιάς ενός δορυφόρου και γίνεται ανάλυση των διαφόρων τύπων τροχιάς και των χαρακτηριστικών τους. Στη συνέχεια αναλύονται όλες οι παράμετροι που αφορούν τη γεωμετρία του δορυφόρου με τη Γη και τους επίγειους σταθμούς. Ακολουθεί η ανάλυση ενός γενικού μοντέλου πρόβλεψης της συνάρτησης πυκνότητας πιθανότητας των γωνιών ανύψωσης με βάση τη γεωμετρία της Γης. Γίνεται σύγκριση του μοντέλου με ένα εμπειρικό μοντέλο καθώς και με αποτελέσματα προσομοίωσης από το πρόγραμμα STK, ενώ με βάση αυτό, εξάγονται και συγκρίνονται οι PDF των γωνιών ανύψωσης για τους δορυφορικούς αστερισμούς Sentinel, Iridium και Globalstar και επίγειους σταθμούς σε διάφορα γεωγραφικά πλάτη. Στη συνέχεια γίνεται αναφορά στα χαρακτηριστικά διάδοσης ενός LMS καναλιού καθώς και στα είδη διαλείψεων που αυτό υφίσταται, ενώ παρουσιάζονται αναλυτικά και συγκρίνονται τα στατιστικά μοντέλα για LMS κανάλι του Loo, των Corazza - Vatalaro καθώς και του Abdi et al. Τέλος συνδυάζοντας την PDF των γωνιών ανύψωσης του παραπάνω αναλυτικού μοντέλου με το στατιστικό μοντέλο του Abdi et al, εξάγεται η πιθανότητα υπέρβασης της στιγμιαίας ισχύος του σήματος από καθορισμένο κατώφλι. Ενδιαφέροντα συμπεράσματα εξάγονται από την προτεινόμενη αναλυτική προσέγγιση.

The satellite communication networks constitute an important part of modern telecommunication systems. The use of satellites has grown rapidly over the last two decades. The satellites are capable of covering large geographic areas. This capability is crucial in applications such as navigation systems, the interconnection of large telecommunication nodes, mobile communications, video and broadcasting links, etc. The technology of satellite systems is constantly evolving and satellite communications is expected to have a major role in modern telecommunication systems. In this thesis, firstly, all the parameters of the orbit of a satellite are presented and an analysis of various orbit types and their characteristics are presented. Then, all the parameters concerning the geometry of the satellites regarding the trajectories of the Earth and the Earth Stations are analyzed. Moreover, the analysis of a general analytical model, predicting the probability density function of elevation angles of LEO satellite link is presented, based on Earth’s geometry. A comparison of this model with the empirical model for the Iridium and Globalstar is made, as well as with simulation results from Satellite ToolKit, is given. Based on the analytical model, a comparison of the PDF of the elevations angles is made, between Sentinel, Iridium and Globalstar satellite constellations for Earth Stations located at various latitudes. In addition, the propagation characteristics of LMS channels as well as to the fading types are analytically presented. The statistical models for LMS channels of Loo, Corazza - Vatalaro, and Abdi et al are presented and compared. Finally, combining the PDF of elevation angles of Li and Wang, with the statistical model of Abdi et al, the probability of the instantaneous power to exceed a specified threshold (availability) is extracted. Significant conclusions are drawn.