通信衛(wèi)星和地球站設備課件

1、1第2章 通信衛(wèi)星和地球站設備22.1 通信衛(wèi)星的種類2.2 衛(wèi)星軌道2.3 通信衛(wèi)星的覆蓋2.4 通信衛(wèi)星的組成2.5 靜止軌道通信衛(wèi)星發(fā)射2.6 衛(wèi)星通信地球站第2章 通信衛(wèi)星和地球站設備32.1 通信衛(wèi)星的種類按衛(wèi)星運動狀態(tài)分，有靜止衛(wèi)星和運動衛(wèi)星4按衛(wèi)星形狀分，有球形衛(wèi)星、箱形衛(wèi)星、圓柱體(套筒式)衛(wèi)星、錐頂圓柱體衛(wèi)星、多棱柱形衛(wèi)星、風扇行衛(wèi)星等多種5按衛(wèi)星業(yè)務種類分，有商用衛(wèi)星、軍用衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、科研衛(wèi)星、廣播衛(wèi)星等。按姿態(tài)穩(wěn)定方式分，有自旋穩(wěn)定衛(wèi)星和三軸穩(wěn)定衛(wèi)星。6按衛(wèi)星重量分：種類重量（kg）巨衛(wèi)星3500大衛(wèi)星1000中型衛(wèi)星5001000小衛(wèi)星100500微小衛(wèi)星10100

2、納衛(wèi)星110皮衛(wèi)星0.11飛衛(wèi)星0.17SNAP-1 Nano-Satellite清華大學的“納星”一號8Picosat皮衛(wèi)星92.2 衛(wèi)星軌道2.2.1 衛(wèi)星運動的基本規(guī)律衛(wèi)星繞地球運行，它的運動軌跡叫衛(wèi)星軌道。衛(wèi)星視使用目的和發(fā)射條件不同，可能有不同高度和不同形狀的軌道，但它們有一個共同點，就是它們的軌道位置都在通過地球垂心的一個平面內。衛(wèi)星運動所在的平面叫軌道面。衛(wèi)星軌道可以是圓形或橢圓形。但不論軌道形狀如何，衛(wèi)星的運動總是服從萬有引力定律的，由此導出衛(wèi)星運動的三個定律。10 假設地球是質量均勻分布的圓球體，忽略太陽、月球和其它行星的引力作用，衛(wèi)星運動服從開普勒三大定律。 開普勒第一定律

3、(橢圓定律)：衛(wèi)星以地心為一個焦點做橢圓運動。其軌道平面的極坐標為：(2-3)式中，P是二次曲線的參數，e是偏心率，是中心角。P、e的值均由衛(wèi)星入軌時的初始狀態(tài)所決定11衛(wèi)星橢圓軌道的示意圖近地點遠地點半長軸半短軸1213開普勒第二定律(面積定律) ：衛(wèi)星與地心的連線在相同時間內掃過的面積相等。DCBA14由第二定律可導出衛(wèi)星在軌道上任意位置的瞬時速度為：v為衛(wèi)星在軌道上的瞬時速度。其中a為橢圓軌道的半長軸，r為衛(wèi)星到地心的距離。為開普勒常數，值為3.986105 km3/s2。若軌道為圓時，a=r,則(2-11)定律的意義當軌道為橢圓時，衛(wèi)星在軌道上的各點飛行速度不同：在遠地點的速度最??；在

4、近地點的最大。當軌道為圓形時，則衛(wèi)星為勻速圓周運動，這時衛(wèi)星運行的周期、切線速度與衛(wèi)星的質量無關，只與離地面的高度有關。1516開普勒第三定律（調和定律）： 衛(wèi)星運轉周期的平方與軌道半長軸的3次方成正比。(2-12)T為衛(wèi)星運轉周期，單位為秒。17近地點遠地點半長軸半短軸例1 我國第一顆人造地球衛(wèi)星的遠地點高度hA=439km，近地點高度hB=2348km。試求其軌道方程。公轉周期、遠地點和近地點的瞬時速度v(rmax)和v(rmin)。已知地球半徑R=6378km。18解：軌道方程19公轉周期遠地點瞬時速度近地點瞬時速度20例2 已知地球半徑R=6378km，靜止衛(wèi)星的周期T=24恒星時=2

5、3h56min4.09s(平均太陽時),求衛(wèi)星離地面高度h和勻速圓周運動速度v。解：由于靜止衛(wèi)星作勻速圓周運動，r=a，由式(2-12)21由式(2-11)可得：由此，衛(wèi)星離地面高度為222.2.2 衛(wèi)星軌道的分類1、按衛(wèi)星軌道的形狀可分為圓形軌道和橢圓形軌道。2、按衛(wèi)星軌道平面傾角分類衛(wèi)星軌道平面與赤道平面的夾角，稱為衛(wèi)星軌道平面的傾角，記為i。赤道軌道。i=0，軌道面與赤道面重合；靜止通信衛(wèi)星就位于此軌道平面內。極地軌道。i=90，軌道面穿過地球南北極。傾斜軌道。0i90，軌道面傾斜于赤道。233、按衛(wèi)星軌道高度分類根據衛(wèi)星運行軌道距離地面的高度h，可分為地球低軌道衛(wèi)星(LEO)：h150

6、0km中軌道衛(wèi)星(MEO)：8000kmh20000km24254、按衛(wèi)星的運轉周期及衛(wèi)星同地球相對運動關系分類。同步軌道（T=24恒星時）靜止軌道：運行方向與地球自轉方向一致，赤道上空離地面約35786公里的同步軌道。只有一條，傾角i=0 。非靜止同步軌道：不滿足靜止軌道條件的同步軌道，即傾角i0的同步軌道。非同步軌道（T24恒星時）262.2.3 衛(wèi)星的攝動由于一些因素的影響，衛(wèi)星運動的實際軌道不斷發(fā)生不同程度地偏離開普勒定律所確定的理想軌道的現象，稱為攝動。1、太陽、月亮引力的影響2、地球引力場不均勻的影響3、地球大氣層阻力的影響4、太陽輻射壓力的影響272.2.4 衛(wèi)星的位置保持和姿態(tài)

7、控制1、位置保持實現位置控制主要是靠星體上的軸向噴嘴與橫向噴嘴來完成的。2、姿態(tài)控制自旋穩(wěn)定法，早期靜止衛(wèi)星常用的姿態(tài)控制方法三軸穩(wěn)定法，是指衛(wèi)星的姿態(tài)是由穩(wěn)定穿過衛(wèi)星重心的三個軸來保證的。這三個軸分別在衛(wèi)星軌道的切線、法線和軌道平面的垂線等三個方向上，分別對應叫做滾動軸、俯仰軸和偏航軸，28三軸穩(wěn)定法示意圖29自旋穩(wěn)定衛(wèi)星三軸穩(wěn)定衛(wèi)星302.3 通信衛(wèi)星的覆蓋 利用衛(wèi)星構成通信系統，首先要知道它的覆蓋范圍。當衛(wèi)星上天線波束形狀不同及波束中心指向不同時，它們照射地球表面所形成的覆蓋范圍和區(qū)域也就不同。 天線波束的類型利用高度約35 786km軌道上的靜止衛(wèi)星基本上可覆蓋地球表面的1/3以上的區(qū)

8、域，不能覆蓋的區(qū)域是高于南北緯75以上的地區(qū)。2.3.1 通信衛(wèi)星的覆蓋圖通常用衛(wèi)星的有效全向輻射功率EIRP等值線圖來表示通信衛(wèi)星的發(fā)射覆蓋區(qū)域。EIRP表示衛(wèi)星輻射能力的物理量，單位dBW。下圖給出了“中星6B”衛(wèi)星(115.5E)的EIRP等值線圖，單位dBW。313233幾種常見波束覆蓋區(qū)域示意圖 1.全球波束當衛(wèi)星在同步軌道上時，它對地球邊緣的張角為17.34，我們將半功率角為17.34的波束稱為全球波束或覆蓋波束，如圖2.4（a）所示。常用的全球波束天線是喇叭拋物面天線或圓錐喇叭天線。2.半球波束半球波束天線的波束寬度在東西方向上約為全球波束的一半，一般覆蓋一個洲，而不包含海洋，如

9、圖2.4（b）、（c）、（d）所示34353.區(qū)域波束區(qū)域波束寬度小于半球波束，只覆蓋地面上一個大的通信區(qū)域，如一個國家或地區(qū)。這種天線往往按地域的形狀把波束賦形，故又稱賦形波束。它是通過控制饋源的排列來獲得各種不同形狀的。4.點波束點波束照射在很小的范圍內，波束截面為圓形，在地球上的覆蓋區(qū)也近似圓形，見圖2.4中（b）、（c）、（d）。一般都用對稱反射面天線來產生點波束。天線直徑小，覆蓋地球面積大；天線直徑大，則覆蓋地球面積小。如果一個反射面配用多個饋源，則形成多個點波束。36372.3.2 靜止衛(wèi)星覆蓋范圍的確定星下點：衛(wèi)星與地心連線和地球表面的交點位于衛(wèi)星的垂直下方赤道上空的衛(wèi)星其星下點

10、在赤道上用星下點來表示GEO在軌道上的位置（用經度來表示）382.3.3 方位角、仰角和站星距的計算方位角：以正北方向為標準，將衛(wèi)星天線的指向偏東或偏西調整一個角度，該角度即是所謂的方位角。39仰角：天線軸線與水平面之間的夾角。40站星距離：地球站與衛(wèi)星之間的距離。(2-21)地球站的經度和緯度分別為1和1靜止衛(wèi)星星下點的經度和緯度分別為2和0經度差= 2-1緯度差為1 -0= 141靜止衛(wèi)星觀察參數圖解42432.3.4 衛(wèi)星“共視區(qū)”當星下點通過圖中畫斜線的公共區(qū)域時，A、B兩地球站都能“看到”這個衛(wèi)星，這個公共區(qū)域叫共視區(qū)。442.4 通信衛(wèi)星的組成通信衛(wèi)星由空間平臺和有效載荷兩部分組成

11、。452.4.1 空間平臺空間平臺又稱衛(wèi)星公用艙，用來維持通信轉發(fā)器和通信天線在空中正常工作的保障系統。46自旋穩(wěn)定結構衛(wèi)星三軸穩(wěn)定結構衛(wèi)星1、結構分系統衛(wèi)星的主體，使衛(wèi)星具有一定的外形和容積，并能承受星上各種載荷和防護空間環(huán)境的影響。一般由輕合金材料或復合材料組成，外部涂有保護層。472、溫控分系統溫控分系統的作用就是控制衛(wèi)星各部分的溫度，保證星上各種儀器設備正常工作。通常可分為消極溫度控制和積極溫度控制兩種形式。483、跟蹤、遙測、指令分系統（TT&C）跟蹤部分用來為地球站跟蹤衛(wèi)星發(fā)送信標。遙測部分用來在星上測定并給地面的TT&C (Tracking Telemetry &Command)

12、站發(fā)送有關衛(wèi)星姿態(tài)及衛(wèi)星各部件工作狀態(tài)的數據。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執(zhí)行。494、控制分系統用來對衛(wèi)星姿態(tài)、軌道位置、各分系統工作狀態(tài)等進行必要的調節(jié)與控制。505、電源分系統為衛(wèi)星提供電能。星上電源分系統由一次能源(太陽能)，二次能源(蓄電池)，以及供配電設備組成。516、遠地點發(fā)動機對于靜止軌道衛(wèi)星，通常是用運載火箭將衛(wèi)星射入橢圓形“轉移軌道”，再由衛(wèi)星所裝的遠地點發(fā)動機，把衛(wèi)星推入近似圓形同步軌道。522.4.2 通信衛(wèi)星的有效載荷人造地球衛(wèi)星的有效載荷是指不同用途的衛(wèi)星，為了完成技術任務而配備的特有系統。不同用途的衛(wèi)星有不同的有效載荷。例如，資源衛(wèi)星的

13、有效載荷就是各種遙感器，它包括可見光照相機、多光譜相機、多光譜掃描儀、紅外相機、微波輻射計和微波掃描儀和合成孔徑雷達等；氣象衛(wèi)星的有效載荷包括掃描輻射計、紅外分光計、垂直大氣探測器和大氣溫度探測器等；通信衛(wèi)星的有效載荷主要是通信轉發(fā)器及通信天線；天文衛(wèi)星的有效載荷是各種類型的天文望遠鏡，它包括紅外天文望遠鏡、可見光天文望遠鏡和紫外天文望遠鏡等。 531、天線分系統發(fā)送和接收通信及測控信號。用于遙控、遙測和信標信號的全向天線，接收地面的指令及向地面發(fā)送遙測數據。用于通信的微波定向天線?？煞譃槿虿ㄊ炀€、點波束天線和區(qū)域波束天線三類。54全球波束天線波束寬度約等于17.4 ，覆蓋衛(wèi)星對地球的整個

14、視區(qū)一般由圓錐喇叭天線加上45的反射板組成點波束天線覆蓋面積小，一般為圓形，波束寬度為幾度天線通常為前饋拋物面天線，饋源為喇叭賦形波束天線可通過修改反射器形狀來實現也可利用多個饋源從不同方向經反射器反射產生多波束的組合555657衛(wèi)星天線系統示意圖582、通信轉發(fā)器又叫通信分系統或中繼器，實質上是一部寬頻帶的收、發(fā)信機。其作用為接收、處理并重發(fā)信號。對轉發(fā)器的基本要求是：以最小的附加噪聲和失真，并以足夠的工作頻帶和輸出功率來為各地球站有效而可靠地轉發(fā)無線電信號。轉發(fā)器通常分為：透明轉發(fā)器：收到地面發(fā)來的信號后，除進行低噪聲放大、變頻、功率放大外，不作任何加工處理，只是單純地完成轉發(fā)任務。處理轉

15、發(fā)器：除進行信號轉發(fā)外，還具有信號處理功能。59透明轉發(fā)器60處理轉發(fā)器對數字信號進行解調再生，避免噪聲積累對不同的衛(wèi)星天線波束之間進行信號交換其他更高級的信號變換和處理61轉發(fā)器的數量越多，衛(wèi)星的通信能力就越大。小容量通信衛(wèi)星：星載轉發(fā)器少于12個，功率小于1000瓦的通信衛(wèi)星中容量通信衛(wèi)星：有24個轉發(fā)器，功率在10003000瓦之間大容量通信衛(wèi)星：有48個轉發(fā)器，功率在30007000瓦之間超大容量通信衛(wèi)星：轉發(fā)器多于48個，功率在7000瓦以上62通信衛(wèi)星的組成632.4.3 通信衛(wèi)星舉例鑫諾三號鑫諾衛(wèi)星通信有限公司的“鑫諾3號”衛(wèi)星是一顆專門為我國滿足中央、各省會城市、各直轄市衛(wèi)星廠

16、播電視傳輸需要的廠播電視傳送衛(wèi)星 。目前我國首顆直播通信衛(wèi)星。64鑫諾三號衛(wèi)星性能參數：設計制造 中國空間技術研究院衛(wèi)星平臺 東方紅三號發(fā)射時間 2007年6月1日設計壽命 8年軌道位置 125E 穩(wěn)定方式 三軸穩(wěn)定有效載荷 1036MHz C頻段轉發(fā)器覆蓋范圍中國全境及周邊國家和地區(qū)衛(wèi)星EIRP 中國國土40dBW東南亞等周邊國家和地區(qū)36dBW 工作頻率上行：5.925-6.425GHz 下行：3.700-4.200GHz 鑫諾三號衛(wèi)星性能參數65鑫諾三號衛(wèi)星EIRP等值線圖 662.5 靜止軌道通信衛(wèi)星發(fā)射67第一宇宙速度（環(huán)繞速度）：是指物體緊貼地球表面作圓周運動的速度(也是人造地球衛(wèi)

17、星的最小發(fā)射速度)。大小為7.9km/s。 第二宇宙速度（脫離速度）：是指物體完全擺脫地球引力束縛，飛離地球的所需要的最小初始速度。大小為11.2km/s 。第三宇宙速度（又稱逃逸速度）：是指在地球上發(fā)射的物體擺脫太陽引力束縛，飛出太陽系所需的最小初始速度。其大小為16.7千米/秒。68第一宇宙速度也是人造衛(wèi)星在地面附近繞地球做“勻速圓周運動”所必須具有的速度。但是隨著高度的增加，地球引力下降，環(huán)繞地球飛行所需要的飛行速度也降低，所有航天器都是在距地面很高的大氣層外飛行，所以它們的飛行速度都比第一宇宙速度低。因此，第一宇宙速度是在地面發(fā)射衛(wèi)星的最小速度，也是衛(wèi)星繞地球飛行的最大速度。環(huán)繞速度和

18、脫離速度隨衛(wèi)星高度的不同而不同，衛(wèi)星軌道越高，地球對衛(wèi)星的引力越小，其環(huán)繞速度和脫離速度越小。69高度/km環(huán)繞速度/(km/s)脫離速度/(km)07.91211.1895007.61910。77610007.35610.40350005.9248.378靜止軌道357863.075表2-2 衛(wèi)星高度與速度的關系70衛(wèi)星發(fā)射的運載工具 多級火箭71中國自1956年開始展開現代火箭的研制工作1970年4月24日“長征1號”運載火箭誕生，首次發(fā)射“東方紅1號”衛(wèi)星成功三級火箭主要用于發(fā)射近地軌道小型有效載荷能把300千克重的衛(wèi)星送入440公里高的近地軌道“長征1號”運載火箭72“長征2號”運載火

19、箭是中國的航天運載器的基礎型號1975年11月26日，“長征2號”火箭完成了中國第一顆返回式衛(wèi)星的發(fā)射任務。兩級火箭能把1.8噸的衛(wèi)星送入距地面數百公里的橢圓形軌道73“長征3號”運載火箭是在“長征2號”火箭基礎上于1984年研制成功的三級火箭增加的第三級采用低溫高能液氫液氧發(fā)動機首次將有效載荷送入地球同步轉移軌道。同步轉移軌道運載能力為1.6噸。74“長征4號”是三級常規(guī)運載火箭，作為發(fā)射地球同步轉移軌道衛(wèi)星運載火箭的另一方案，1988年9月7日首次發(fā)射，成功地將我國第一顆氣象衛(wèi)星風云一號送入太陽同步軌道。其后改型為“長征4號A”，用于發(fā)射同步軌道衛(wèi)星?！伴L征4號B”是在“長征4號A”基礎上

20、發(fā)展的一種運載能力更大的運載火箭，主要用于發(fā)射太陽同步軌道的對地觀察應用衛(wèi)星。75例：發(fā)射靜止軌道自旋衛(wèi)星，用三級火箭和星載遠地點發(fā)動機。步驟1：用一二級火箭和三級火箭的第一次點火，將衛(wèi)星送入300km400km的傾斜圓軌道，即初始軌道（或暫停軌道）。步驟2：第三級火箭第一次點火關機后，衛(wèi)星滑行一段，第三級火箭第二次點火加速，火箭關機脫離，衛(wèi)星進入橢圓轉移軌道，此時近地點高度不變，遠地點高度為36000km同步軌道高度。步驟3：在遠地點處啟動遠地點發(fā)動機，進入近似的圓形同步軌道。步驟4：點燃衛(wèi)星自帶的反向小火箭產生反向推力，使衛(wèi)星停止在預定的靜止軌道位置。76772.6 衛(wèi)星通信地球站2.6.

21、1 地球站的種類地球站是衛(wèi)星通信的重要組成部分，其作用是向衛(wèi)星發(fā)送和接收來自衛(wèi)星的信號。目前國際上通常根據地球站天線口徑尺寸及G/T值大小將地球站分為A、B、C、D、E、F、G、Z等各種類型。A、B、C三種是大型站，稱為標準站，用于國際通信，適合各種業(yè)務類型。78D1，D2主要是用于VSAT(甚小口徑終端)的小型站。 E和F分別工作在Ku波段和C波段，又分為E1、E2、E3和F1、F2、F3等類型。E1，F1，稱為小型站，它們的業(yè)務容量較小，一般用于商用系統（IBS）。E2，E3和F2，F3又稱為中型站，是為大城市和大企業(yè)之間提供通信業(yè)務的。G是國際租賃專線。Z是國內電路，租賃專線。79一般來

22、說，對地球站應有以下幾方面的要求 發(fā)送的信號應是寬頻帶、穩(wěn)定、大功率的信號，能接收由衛(wèi)星轉發(fā)器轉發(fā)來的微弱信號。 可以傳輸多路電話、電報、傳真，以及高速數據、電視等多種業(yè)務的信號。 性能穩(wěn)定、可靠，維護、使用方便。 建設成本和維護費用不應太高。對地球站的技術要求80(1) 地球站的性能指標品質因數（G/T）G/T是地球站接收天線的增益G與地球站接收系統的等效噪聲溫度T的比值，它表征了地球站對微弱信號的接收能力，稱為地球站的品質因數。(2) 有效輻射功率及其穩(wěn)定度為了保證所傳送信號的質量，要求地球站的發(fā)射機能夠發(fā)射較大的功率，一般為幾百瓦十幾千瓦，而且要求所發(fā)射的射頻信號功率非常穩(wěn)定。若功率偏小

23、則信號差，若功率偏大則會帶來額外的干擾。81(3) 射頻頻率的穩(wěn)定度地球站所發(fā)射的射頻信號的頻率必須很精確，如果有較大漂移，不但要影響衛(wèi)星轉發(fā)器頻帶的有效利用，還會在衛(wèi)星轉發(fā)器中產生交調噪聲，有的還會影響鄰近載頻的正常傳送。(4) 射頻能量的擴散為減小交調干擾，必須對地球站在負載輕（即通話數少）的時候所發(fā)射的射頻頻譜能量密度加以限制。822.6.2 地球站的組成一個典型的國際衛(wèi)星通信的雙工式A型標準地球站，一般包括天線分系統、發(fā)射機分系統、接收機分系統、信道終端設備分系統、伺服跟蹤設備分系統、監(jiān)控分系統(通信控制分系統)、用戶接口分系統和電源分系統等。83地球站設備的一般組成框圖841、天饋分

24、系統天線饋線系統簡稱天饋系統。除包括天線、饋線外，還包括用以分離跟蹤信號的部件等。衛(wèi)星天線通常采用拋物面天線，利用無線電波信號跟光相似的特點來反射聚集電磁波，接收天線結構主要由反射面、饋源和支架幾部分組成。按照天線反射面與饋源所處的相對位置不同，我們可以把拋物面天線分為正饋天線和偏饋天線兩種。 85正饋天線中心聚集電波的衛(wèi)星天線被稱為正饋天線，其天線反射面呈正圓狀，饋源位于天線拋物面焦點處。正饋天線根據結構不同還可再分為前饋式天線及后饋式天線（即卡塞格倫天線）。前饋式天線具有結構簡單、成本較低等優(yōu)點。優(yōu)點。但由于饋源正好位于天線拋物面焦點處，帶來諸多問題，比如輻射器對反射電波有個遮擋作用，而且

25、饋線較長，損耗噪聲較大。868788目前地球站應用最多的天線是卡塞格倫天線。它屬于后饋式天線，由饋源喇叭(一次輻射源)、主反射器(拋物面)和副反射器(雙曲面)組成。899091卡塞格倫天線的優(yōu)點：饋源安放在拋物面頂點附近，因此可直接和主反射面背后的低噪聲放大器連接，降低了因饋電波導過長而引起的損耗噪聲；主副反射面調整方便，效率高；拋物面焦距很短，降低了整個天線的長度;降低了大地反射噪聲。缺點：結構復雜，價格昂貴，制造、安裝、調試、維護的技術要求也都比較高，適合大中型地球站，不適于家庭和小范圍使用。副反射器及其支架的阻擋，造成效率下降92 天線系統與機房的連接93偏饋天線 偏饋天線特別適合接收K

26、U波段信號，一般來說口徑較小，通常在一米以下，反射面呈現橢圓。由于饋源安裝的位置不在天線反射面的中心線上，所以被稱為偏饋天線。因為其饋源不在天線反射面與衛(wèi)星之間，得以避免了饋源對衛(wèi)星電波信號的遮擋，所以這種天線的接收效率比較高。由于偏饋天線具有易于安裝、節(jié)省空間、方向圖好，效率較高等優(yōu)點，目前在家庭和小用戶中廣泛采用。9495962、大功率發(fā)射機分系統地球站大功率發(fā)射系統通常由高功率放大器、激勵器、發(fā)射波合成器、上變頻器及自動功率控制電路等組成。高功率放大器（HPA）是地球站上行系統的關鍵部件之一，其任務是將基帶調制信號放大到足夠的功率電平，經饋線由天線向衛(wèi)星發(fā)射。目前常用的有三種行波管(TWTA)速調管(KPA)坤化鎵場效應管(GaAsFET)大中型地球站小型地球