信息科學(xué)與電子工程專業(yè)英語Lecture7衛(wèi)星通信概論

1、1衛(wèi)星通信系統(tǒng)簡(jiǎn)單地說就是利用人造地衛(wèi)星通信系統(tǒng)簡(jiǎn)單地說就是利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站，溝通地面與地面之球衛(wèi)星作為中繼站，溝通地面與地面之間的各種通信，它利用其通信距離遠(yuǎn)、間的各種通信，它利用其通信距離遠(yuǎn)、覆蓋面積大的特點(diǎn)，完成大范圍通信任覆蓋面積大的特點(diǎn)，完成大范圍通信任務(wù)；并作為光纖通信的一種補(bǔ)充和備用務(wù)；并作為光纖通信的一種補(bǔ)充和備用手段。手段。23通信技術(shù)在人類歷史中的作用 通信：在兩個(gè)或多個(gè)位置實(shí)現(xiàn)信息的傳輸、接收和處理。 通信是人類社會(huì)的基本需求，每一次通信技術(shù)的變革都會(huì)對(duì)整個(gè)社會(huì)以及每一個(gè)人帶來極大的影響。 古代： 烽火臺(tái)、鼓、鳴“金”、書信等 近代： 電報(bào)、電話等 現(xiàn)代 有線通

2、信：光纖、電纜。 無線通信：短波/超短波通信、微波中繼通信、地面移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信。4通信技術(shù)的目標(biāo)及限制 終極目標(biāo)：任意時(shí)間、任意地點(diǎn)、任意多任意時(shí)間、任意地點(diǎn)、任意多的節(jié)點(diǎn)完成任意大數(shù)據(jù)的交換。的節(jié)點(diǎn)完成任意大數(shù)據(jù)的交換。 通信技術(shù)的發(fā)展總是向著這一理想目標(biāo)靠近，在實(shí)現(xiàn)過程中要進(jìn)行實(shí)時(shí)性、傳輸距離、傳輸帶寬等各方面的權(quán)衡。 無線通信是現(xiàn)代通信技術(shù)的一個(gè)代表，相對(duì)于有線通信網(wǎng)來說，具有使用地點(diǎn)靈活，架設(shè)簡(jiǎn)單，建設(shè)成本低等各方面的優(yōu)點(diǎn)。 無線通信最大的約束：地球是圓的。5A點(diǎn)與B點(diǎn)位置足夠遠(yuǎn)時(shí)，地球?qū)⒆钃鯚o線信號(hào)的直接傳輸。通過C點(diǎn)的信號(hào)中繼，A點(diǎn)與B點(diǎn)可以完成信號(hào)的間接傳輸。C點(diǎn)信號(hào)中繼的作

3、用范圍取決于C點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)器距離地面的高度。C點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)器的高度越高，覆蓋范圍越大。人類目前能實(shí)現(xiàn)的最高轉(zhuǎn)發(fā)器：衛(wèi)星678理論上，三顆同步軌道通信衛(wèi)星就能覆蓋全球。9衛(wèi)衛(wèi)星星通通信信原原理理示示意意圖圖10 12 他十分精確的預(yù)他十分精確的預(yù)言，在言，在1969年年6月前月前后，人類將完成登后，人類將完成登月之壯舉。他還預(yù)月之壯舉。他還預(yù)言了電視電話的誕言了電視電話的誕生。這些幻想和預(yù)生。這些幻想和預(yù)言，今天都一一實(shí)言，今天都一一實(shí)現(xiàn)了?，F(xiàn)了?！翱臻g通信之父空間通信之父”13 141516 短 波 通 信 示 意 圖1718微波中繼通信19 衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信20212223監(jiān)控管理監(jiān)控管理 分系統(tǒng)分系統(tǒng)

4、 遙測(cè)跟蹤指遙測(cè)跟蹤指令分系統(tǒng)令分系統(tǒng)地球站地球站通信地球站分系統(tǒng)通信地球站分系統(tǒng)通信測(cè)控控制管理分系統(tǒng)控制管理分系統(tǒng)衛(wèi)星分系統(tǒng)衛(wèi)星分系統(tǒng)2425 轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)位置與姿態(tài)位置與姿態(tài) 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 遙測(cè)指令遙測(cè)指令 系統(tǒng)系統(tǒng) 入軌和推進(jìn)入軌和推進(jìn) 系統(tǒng)系統(tǒng) 電源系統(tǒng)電源系統(tǒng) 溫控系統(tǒng)溫控系統(tǒng) 天線系統(tǒng)天線系統(tǒng) 通信衛(wèi)星的基本組成通信衛(wèi)星的基本組成26271、天線分系統(tǒng) 發(fā)送和接收通信及測(cè)控信號(hào)。 用于遙控、遙測(cè)和信標(biāo)信號(hào)的全向天線，接收地面的指令及向地面發(fā)送遙測(cè)數(shù)據(jù)。 用于通信的微波定向天線?？煞譃槿虿ㄊ炀€、點(diǎn)波束天線和區(qū)域波束天線三類。28衛(wèi)星天線系統(tǒng)示意圖293031跟蹤、遙

5、測(cè)、指令分系統(tǒng)（TT&C） 跟蹤部分用來為地球站跟蹤衛(wèi)星發(fā)送信標(biāo)。 遙測(cè)部分用來在星上測(cè)定并給地面的TT&C (Tracking Telemetry &Command)站發(fā)送有關(guān)衛(wèi)星姿態(tài)及衛(wèi)星各部件工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)。 指令部分用于接收來自地面的控制命令，處理后送給控制分系統(tǒng)執(zhí)行。323334電源分系統(tǒng)電源分系統(tǒng)v為衛(wèi)星提供電能。為衛(wèi)星提供電能。v星上電源分系統(tǒng)由一次能源星上電源分系統(tǒng)由一次能源(太陽能太陽能)，二次，二次能源能源(蓄電池蓄電池)，以及供配電設(shè)備組成。，以及供配電設(shè)備組成。電源系統(tǒng)重要作用 衛(wèi)星電源系統(tǒng)是衛(wèi)星的關(guān)鍵分系統(tǒng)之一，它擔(dān)負(fù)著為衛(wèi)星的其它分系統(tǒng)和有效

6、載荷供電的重要任務(wù)。電源分系統(tǒng)供電質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響衛(wèi)星整星的工作狀態(tài)。 通常衛(wèi)星的電源系統(tǒng)由太陽能電池、蓄電池以及供配電設(shè)備組成。光照區(qū)太陽能為蓄電池充電，陰影區(qū)由蓄電池供電。 若衛(wèi)星中只有蓄電池（出現(xiàn)在早期的試驗(yàn)衛(wèi)星以及一些短期航天任務(wù)中），則蓄電池耗盡就意味著衛(wèi)星壽命的結(jié)束，如“斯科爾號(hào)”。 若衛(wèi)星中只有太陽能電池，則整星必須在光射區(qū)才能保持工作。35電源系統(tǒng)的效率 太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率 太陽能電池帆板對(duì)太陽的跟蹤 太陽能電池的總功率與其面積相關(guān)，目前衛(wèi)星上一般采用展開式的太陽能電池帆板，以提高整星的能源供應(yīng)。但太陽能電池帆板對(duì)太陽光角度的跟蹤將直接影響太陽能電池的輸出功率。 太陽能電池

7、的光電轉(zhuǎn)換效率 太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率與太陽能電池的材料、工藝等相關(guān)。目前效率最高的是多結(jié)砷化鎵電池，效率在33%以上.普通的硅太陽能電池效率在8-16%之間.36電源系統(tǒng)的重量考慮 作為在軌衛(wèi)星的重要子系統(tǒng)，重量總是越小越好。要減小能源系統(tǒng)的重量主要通過以下幾方面入手：太陽能電池的選型：通過選擇輕質(zhì)的材料以降低太陽能電池的重量。對(duì)帆板的展開及跟蹤機(jī)構(gòu)采用輕量的設(shè)計(jì)。選用比能量更高的蓄電池，如鋰電池，以降低蓄電池組的重量。373839溫控分系統(tǒng)溫控分系統(tǒng)v溫控分系統(tǒng)的作用就是控制衛(wèi)星各部分的溫控分系統(tǒng)的作用就是控制衛(wèi)星各部分的溫度，保證星上各種儀器設(shè)備正常工作。溫度，保證星上各種儀器設(shè)備正常

8、工作。v通?？煞譃楸粍?dòng)溫度控制和主動(dòng)溫度控制通常可分為被動(dòng)溫度控制和主動(dòng)溫度控制兩種形式。兩種形式。40通信衛(wèi)星舉例鑫諾三號(hào) 鑫諾衛(wèi)星通信有限公司的“鑫諾3號(hào)”衛(wèi)星是一顆專門為我國(guó)滿足中央臺(tái)、各省會(huì)城市、各直轄市衛(wèi)星廣播電視傳輸需要的廣播電視傳送衛(wèi)星 。41v目前我國(guó)首目前我國(guó)首顆直播通信顆直播通信衛(wèi)星。衛(wèi)星。42鑫諾三號(hào)衛(wèi)星性能參數(shù)：鑫諾三號(hào)衛(wèi)星性能參數(shù)：設(shè)計(jì)制造設(shè)計(jì)制造 中國(guó)空間技術(shù)研究院中國(guó)空間技術(shù)研究院衛(wèi)星平臺(tái)衛(wèi)星平臺(tái) 東方紅三號(hào)東方紅三號(hào)發(fā)射時(shí)間發(fā)射時(shí)間 2007年年6月月1日日設(shè)計(jì)壽命設(shè)計(jì)壽命 8年年軌道位置軌道位置 125E 穩(wěn)定方式穩(wěn)定方式 三軸穩(wěn)定三軸穩(wěn)定有效載荷有效載荷 1

9、036MHz C頻段轉(zhuǎn)發(fā)器頻段轉(zhuǎn)發(fā)器覆蓋范圍覆蓋范圍中國(guó)全境及周邊國(guó)家和地區(qū)中國(guó)全境及周邊國(guó)家和地區(qū)衛(wèi)星衛(wèi)星EIRP 中國(guó)國(guó)土中國(guó)國(guó)土40dBW東南亞等周邊國(guó)家和地區(qū)東南亞等周邊國(guó)家和地區(qū)36dBW 工作頻率工作頻率上行：上行：5.925-6.425GHz 下行：下行：3.700-4.200GHz 鑫諾三號(hào)衛(wèi)星性能參數(shù)鑫諾三號(hào)衛(wèi)星性能參數(shù)43天線與人天線與人444546 用用 戶戶 長(zhǎng)途電話局長(zhǎng)途電話局 基帶設(shè)備基帶設(shè)備 調(diào)制解調(diào)調(diào)制解調(diào)變變 頻頻 功率放大功率放大天線天線47484950515253545556575859606162636465666768697071727374東方紅東方

10、紅1號(hào)號(hào)757677 1972年2月21日，尼克松一行抵達(dá)北京，對(duì)中國(guó)進(jìn)行為期七天的歷史性訪問。 歷史的瞬間歷史的瞬間78798081828384858687888990919293949596未來通信衛(wèi)星的發(fā)展趨勢(shì)未來通信衛(wèi)星的發(fā)展趨勢(shì)97寬帶業(yè)務(wù)的需求寬帶衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)將在未來幾年中得到快速發(fā)展。轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星有效載荷設(shè)計(jì)將以傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)器為基礎(chǔ)，星上交換和處理有效載荷設(shè)計(jì)將利用寬帶衛(wèi)星和頻率資源。衛(wèi)星可以有效彌補(bǔ)地面通信網(wǎng)之不足，但必須是提供通過太空傳輸所能提供的效果更好的服務(wù)。未來衛(wèi)星系統(tǒng)面臨的市場(chǎng)需求將與地面通信面臨的一樣，即帶寬更寬，功能更強(qiáng)，價(jià)格更低。通信容量最大和終端最簡(jiǎn)便的寬帶系統(tǒng)將有

11、市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。但是，寬帶衛(wèi)星業(yè)務(wù)的靈活性已具有自身的優(yōu)勢(shì)。用戶將把始終在線的高速數(shù)據(jù)連接作為日常生活的一部分。但是，地面寬帶鏈路的有效距離，無論有線還是無線，一般都小于它們將要替代的話音系統(tǒng)的有效距離。這就有可能在城市中產(chǎn)生許多寬帶“孤島”，在人煙稀少的地區(qū)情況會(huì)更加嚴(yán)重，而且沉重的系統(tǒng)費(fèi)用會(huì)使專用的地面系統(tǒng)非常不經(jīng)濟(jì)。在這些地區(qū)，衛(wèi)星自然成為應(yīng)該選擇的寬帶通信手段。98通信衛(wèi)星星上路由需求 目前的寬帶衛(wèi)星一般被看作是接入技術(shù)，也就是專門在用戶和Internet之間通過傳統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星或彎管式衛(wèi)星提供寬帶連接，與用調(diào)制解調(diào)器通過地面線路提供連接很相似。無論那種連接方式，每條線路每次都是接納一個(gè)用戶，而

12、且數(shù)據(jù)的傳送路由選擇都是在中央設(shè)備中進(jìn)行的。隨著寬帶業(yè)務(wù)的增加需要將通信路由功能從地面中央設(shè)備轉(zhuǎn)移到空間衛(wèi)星上，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以將來自許多猝發(fā)用戶的通信量在到達(dá)衛(wèi)星下行鏈路發(fā)射機(jī)之前進(jìn)行組合，從而大大提高了效率并圍，使系統(tǒng)每年產(chǎn)生更多的收益。99微小衛(wèi)星的發(fā)展需求 革命性的新技術(shù)將大幅度地增強(qiáng)衛(wèi)星的功能，并大大地降低衛(wèi)星的成本。這些年以來，衛(wèi)星體積越來越大，功率越來越高，通信容量越來越大。然而，在今后二十年中，低地球軌道（LEO）和中地球軌道（MEO）的衛(wèi)星卻可能會(huì)向另外一個(gè)方向發(fā)展，即小型化，從而使衛(wèi)星發(fā)展回歸到起點(diǎn)。每顆衛(wèi)星都擁有強(qiáng)大的計(jì)算能力，并與幾十顆、甚至幾百顆相似的衛(wèi)星互聯(lián)，對(duì)地球進(jìn)行不間斷的地毯式覆蓋。這些衛(wèi)星可以是通