衛(wèi)星通訊 第1章 第2講

地球站都有那幾部分組成？簡(jiǎn)單描述衛(wèi)星信號(hào)收發(fā)的一般過(guò)程。復(fù)問(wèn)1.3.1衛(wèi)星與軌道通信衛(wèi)星是衛(wèi)星通信系統(tǒng)中最關(guān)鍵的設(shè)備。本質(zhì)：通信衛(wèi)星是一個(gè)設(shè)在空中的微波中繼站，功能；將上行信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大、混頻，混頻后的信號(hào)再進(jìn)行功率放大后轉(zhuǎn)換為下行信號(hào)。※上行信號(hào)和下行信號(hào)載波頻率是不同的，這是為了避免在衛(wèi)星通信天線中產(chǎn)生同頻率信號(hào)干擾。1.3通信衛(wèi)星1.3通信衛(wèi)星通信衛(wèi)星間諜衛(wèi)星1.3通信衛(wèi)星1.3通信衛(wèi)星亞洲七號(hào)衛(wèi)星亞洲七號(hào)衛(wèi)星簡(jiǎn)介發(fā)射時(shí)間：2011年11月26日發(fā)射地點(diǎn)：哈薩克斯坦的拜科努爾發(fā)射基地發(fā)射商：中國(guó)中信集團(tuán)的亞洲衛(wèi)星公司制造商：美國(guó)勞拉空間系統(tǒng)公司運(yùn)載火箭：俄羅斯質(zhì)子M火箭位置：105.5E1.3通信衛(wèi)星相關(guān)參數(shù)波段：28個(gè)C波段及17個(gè)Ku波段轉(zhuǎn)發(fā)器，并配備一個(gè)Ka波段波束，覆蓋范圍：C波段覆蓋范圍包括亞洲、大洋洲全境以及非洲和歐洲的部分地區(qū)；此外，還擁有功率強(qiáng)大的Ku波段覆蓋，置有東亞、南亞及一個(gè)調(diào)轉(zhuǎn)式波束，并可為亞洲四號(hào)衛(wèi)星及亞洲五號(hào)衛(wèi)星提供全面的備用支持。1.3通信衛(wèi)星1.3通信衛(wèi)星亞洲七號(hào)衛(wèi)星覆蓋范圍開(kāi)普勒三定理1.3通信衛(wèi)星?第一定理（1602年）小物體（衛(wèi)星）在圍繞大物體（地球）運(yùn)動(dòng)時(shí)的軌道是一個(gè)橢圓，并以大物體的質(zhì)心作為一個(gè)焦點(diǎn)?第二定理（1605年）小物體（衛(wèi)星）在軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，在相同的時(shí)間內(nèi)掃過(guò)的面積相同?第三定理（1618年）小物體（衛(wèi)星）的運(yùn)動(dòng)周期的平方與橢圓軌道半長(zhǎng)軸的立方成正比關(guān)系1.3通信衛(wèi)星開(kāi)普勒定理的圖形描述衛(wèi)星軌道形狀參數(shù)

?偏心率e：決定了橢圓軌道的扁平程度 ?軌道半長(zhǎng)軸a

：遠(yuǎn)地點(diǎn)與橢圓軌道中心C的距離 ?軌道半短軸b：近地點(diǎn)與橢圓軌道中心C的距離 ?e、a和b滿足關(guān)系:當(dāng)e=0時(shí)，橢圓軌道退化為圓軌道1.3通信衛(wèi)星衛(wèi)星軌道形狀參數(shù)

?半焦距：地心與橢圓軌道中心的距離 ?r：衛(wèi)星到地心的瞬時(shí)距離，對(duì)橢圓軌道是個(gè)時(shí)變量，對(duì)圓軌道可看作常數(shù) ?遠(yuǎn)地點(diǎn)(apogee)：地心與橢圓軌道中心的距離 ?近地點(diǎn)(perigee)：地心與橢圓軌道中心的距離

1.3通信衛(wèi)星開(kāi)普勒三定理的數(shù)學(xué)表達(dá)

第一定律(軌道定律)：衛(wèi)星以地心為一個(gè)焦點(diǎn)做橢圓運(yùn)動(dòng)。

在極坐標(biāo)中，衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)方程可寫(xiě)成：

式中：θ是瞬時(shí)衛(wèi)星-地心連線與地心-近地點(diǎn)連線的夾角，是衛(wèi)星在軌道面內(nèi)相對(duì)于近地點(diǎn)的相位偏移量；p=a(1-e2)為橢圓半焦弦。1.3通信衛(wèi)星

第二定律(面積定律)：衛(wèi)星與地心的連線在相同時(shí)間內(nèi)掃過(guò)的面積相等。

根據(jù)機(jī)械能守恒原理可以推出：

?

橢圓軌道上衛(wèi)星的瞬時(shí)速度：

?

圓軌道上衛(wèi)星的瞬時(shí)速度：1.3通信衛(wèi)星第三定律(軌道周期定律)：衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)周期的平方與軌道半長(zhǎng)軸的3次方成正比。

?

橢圓軌道：

?

圓軌道：1.3通信衛(wèi)星例：某采用橢圓軌道的衛(wèi)星，近地點(diǎn)高度（近地點(diǎn)到地球表面的距離）為1000km，遠(yuǎn)地點(diǎn)高度為4000Km。在地球平均半徑為6378.137km的情況下，求該衛(wèi)星的軌道周期T。 解：長(zhǎng)軸為遠(yuǎn)地點(diǎn)和近地點(diǎn)之間的直線距離，在半長(zhǎng)軸為a，地球半徑為Re，近地點(diǎn)高度為hp和遠(yuǎn)地點(diǎn)高度為ha時(shí)，有： 所以，半長(zhǎng)軸a=8878.137km，由此可計(jì)算軌道周期：1.3通信衛(wèi)星地心坐標(biāo)系?地心O為原點(diǎn)?X軸指向春分點(diǎn)方向?Z軸與地球的自轉(zhuǎn)軸重合，指向北極點(diǎn)?X軸和Y軸確定的平面與赤道平面重合?X、Y、Z軸構(gòu)成一個(gè)右手坐標(biāo)系1.3通信衛(wèi)星軌道參數(shù)

?在地心坐標(biāo)系中，為完整地描述任意時(shí)刻衛(wèi)星在空間中的位置，通常使用2組6個(gè)軌道參數(shù)

?第一組參數(shù)定義了軌道的方位，用于確定衛(wèi)星相對(duì)于地球的位置

?第二組參數(shù)定義了軌道的幾何形狀和衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)特性，用于確定衛(wèi)星在軌道面內(nèi)的位置1.3通信衛(wèi)星確定軌道平面方位的三個(gè)參數(shù)為：

?右旋升交點(diǎn)赤道經(jīng)度Ω：赤道平面內(nèi)從春分點(diǎn)方向到軌道面交點(diǎn)線間的角度，按地球自轉(zhuǎn)方向度量

?軌道傾角i：軌道平面與赤道平面間的夾角

?近地點(diǎn)幅角ω：軌道平面內(nèi)，升交點(diǎn)與近地點(diǎn)間的夾角，從升交點(diǎn)按衛(wèi)星運(yùn)行方向度量1.3通信衛(wèi)星確定軌道平面幾何形狀和衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)特性的三個(gè)參數(shù)為：

?軌道偏心率e：反映了軌道面的扁平程度，取值范圍[0,1)；

?軌道半長(zhǎng)軸a：橢圓軌道中心到遠(yuǎn)地點(diǎn)的距離；

?平均近點(diǎn)角M或過(guò)近地點(diǎn)時(shí)間tp

：通過(guò)平均近點(diǎn)角M或過(guò)近地點(diǎn)時(shí)間tp可以計(jì)算衛(wèi)星的真近點(diǎn)角ν。M和tp滿足如下關(guān)系式（式中Ts為衛(wèi)星軌道周期）。1.3通信衛(wèi)星圓軌道參數(shù) 對(duì)圓軌道，通常認(rèn)為軌道偏心率恒為0，近地點(diǎn)和升交點(diǎn)重合，只需4個(gè)參數(shù)就可以完整描述衛(wèi)星在空間的位置：

?右旋升交點(diǎn)赤道經(jīng)度Ω

?軌道傾角i

?軌道高度h

?初始時(shí)刻的真近點(diǎn)角ν（即初始幅角）1.3通信衛(wèi)星衛(wèi)星在圓軌道平面內(nèi)的定位

?對(duì)圓軌道，以升交點(diǎn)代替近地點(diǎn)作為面內(nèi)相位參考點(diǎn)

?衛(wèi)星以近似恒定的速度Vs飛行，因此瞬時(shí)衛(wèi)星與升交點(diǎn)間的夾角θ

1.3通信衛(wèi)星衛(wèi)星在橢圓軌道平面內(nèi)的定位?通常采用右側(cè)所示幾何方法來(lái)間接計(jì)算衛(wèi)星的瞬時(shí)真近點(diǎn)角?圖中，E稱為偏心近點(diǎn)角，θ是真近點(diǎn)角?根據(jù)開(kāi)普勒第二定理，可以推導(dǎo)偏心近點(diǎn)角E與平均近點(diǎn)角M之間滿足關(guān)系：1.3通信衛(wèi)星衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡

?衛(wèi)星的星下點(diǎn)指衛(wèi)星－地心連線與地球表面的交點(diǎn)

?星下點(diǎn)隨時(shí)間在地球表面上的變化路徑稱為星下點(diǎn)軌跡

?星下點(diǎn)軌跡是最直接地描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律的方法假定0時(shí)刻，衛(wèi)星經(jīng)過(guò)其右升交點(diǎn)，則衛(wèi)星在任意時(shí)刻t（>0）的星下點(diǎn)經(jīng)度（用λs表示）和緯度（用φs表示）由以下方程組確定：1.3通信衛(wèi)星一顆軌道高度為13892km，軌道傾角60o，初始位置（0oE，0oN）的衛(wèi)星24小時(shí)的星下點(diǎn)軌跡如下圖所示：1.3通信衛(wèi)星2.衛(wèi)星軌道的分類(lèi)1）按形狀：橢圓軌道和圓軌道2）按傾角：赤道軌道、極軌道和傾斜軌道1.3通信衛(wèi)星3）按高度：低地球軌道（LEO）、中地球軌道（MEO）、靜止/同步軌道（GEO/GSO）和高橢圓軌道（HEO）

1.3通信衛(wèi)星軌道類(lèi)型可用高度（km）LEO700～2000MEO8000～20000GEO/GSO35786HEO遠(yuǎn)地點(diǎn)可達(dá)400003.衛(wèi)星軌道的攝動(dòng)定義：衛(wèi)星的實(shí)際軌道不斷發(fā)生不同程度地偏離開(kāi)普勒軌道的情況，產(chǎn)生一定的漂移，這種現(xiàn)象稱為攝動(dòng)。原因：(1)、太陽(yáng)、月亮引力的影響。(2)、地球引力場(chǎng)不均勻的影響。(3)、太陽(yáng)輻射壓力的影響。(4)、地球大氣阻力的影響。1.3通信衛(wèi)星（1）位置保持定義：使衛(wèi)星在運(yùn)行軌道平面上的位置保持不變。方法：軸向噴嘴+橫向噴嘴※靜止衛(wèi)星必須采取位置保持技術(shù)，其定點(diǎn)精度約為±0.1°，換算成位置精度約為±40km。1.3通信衛(wèi)星4.衛(wèi)星的位置保持與姿態(tài)控制（2）姿態(tài)控制控制衛(wèi)星保持一定的姿態(tài)，以便使衛(wèi)星的天線波束始終指向地球表面的服務(wù)區(qū)，同時(shí)，對(duì)采用太陽(yáng)能電池帆板的衛(wèi)星，還應(yīng)使帆板始終朝向太陽(yáng)。姿態(tài)控制的一般步驟：1.3通信衛(wèi)星測(cè)定衛(wèi)星姿態(tài)將測(cè)定結(jié)果與所需值進(jìn)行比較，計(jì)算出修正量操作相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)單元，引入修正量進(jìn)行姿態(tài)修正方法：自旋穩(wěn)定三軸穩(wěn)定重力梯度穩(wěn)定磁力穩(wěn)定1.3通信衛(wèi)星一顆橢圓軌道的衛(wèi)星，近地點(diǎn)高度（近地點(diǎn)到地球表面的距離）為2000km，遠(yuǎn)地點(diǎn)高度為6000Km。在地球平均半徑為6400km的情況下，求該衛(wèi)星的軌道周期T。

作業(yè)亞洲七號(hào)通信衛(wèi)星的位置在哪里？簡(jiǎn)單描述開(kāi)普勒三大定律。復(fù)問(wèn)1.3.2衛(wèi)星覆蓋與星座設(shè)計(jì)1、單顆衛(wèi)星覆蓋特性計(jì)算 單顆衛(wèi)星對(duì)地覆蓋的幾何關(guān)系如下圖所示：1.3通信衛(wèi)星一般來(lái)說(shuō)，星下點(diǎn)P′處于星上天線全球波束的立軸上。不難得出以下結(jié)論：

(1)衛(wèi)星的全球波束寬度：

，式中q1/2為波束的半功率寬度，即衛(wèi)星對(duì)地球的最大視角；R為地球半徑；h為衛(wèi)星離地面的高度。對(duì)于靜止衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，q1/2≈17.34°。

(2)覆蓋區(qū)邊緣所對(duì)的最大地心角：

對(duì)于靜止衛(wèi)星，a=81.3°。

(3)衛(wèi)星到覆蓋區(qū)邊緣的距離：

對(duì)于靜止衛(wèi)星，d=41700km。1.3通信衛(wèi)星(4)覆蓋區(qū)的絕對(duì)面積S與相對(duì)面積S/S0分別為：對(duì)于靜止衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，理論值：S/S0＝42.4％，地球站天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的仰角接近0°INTELSAT規(guī)定地球站天線的工作仰角≥5°，靜止衛(wèi)星的可通信區(qū)實(shí)際值：S/S0=38％。1.3通信衛(wèi)星2.方位角、仰角和站星距的計(jì)算

站星距：AP地球站A（

f1、q1)星下點(diǎn)P′（f2、0

)經(jīng)度差：f=f2－f1緯度差：q1－0=q11.3通信衛(wèi)星1.3通信衛(wèi)星1.3通信衛(wèi)星1.3通信衛(wèi)星主要參數(shù)：Freq：1.449GHzSpan：500kRB10kVB100LEVEL-40SWEEP1sCALCNormal1.3通信衛(wèi)星3.星座設(shè)計(jì)衛(wèi)星星座的定義： 具有相似的類(lèi)型和功能的多顆衛(wèi)星，分布在相似的或互補(bǔ)的軌道上，在共享控制下協(xié)同完成一定的任務(wù)1.3通信衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)時(shí)的基本考慮：仰角傳輸延時(shí)有效載荷的能量消耗鏈路干擾多重覆蓋1.3通信衛(wèi)星GPS1.3通信衛(wèi)星北斗星座的覆蓋方式星座種類(lèi)：1.3通信衛(wèi)星(a)星狀星座；(b)網(wǎng)狀星座星座覆蓋的四種方式：1.3通信衛(wèi)星持續(xù)性全球覆蓋

持續(xù)性地帶覆蓋

持續(xù)性區(qū)域覆蓋

部分覆蓋設(shè)計(jì)最佳星座：標(biāo)準(zhǔn)：軌道高度盡可能低（路徑損耗），衛(wèi)星數(shù)量盡可能少（費(fèi)用最?。?，最小仰角盡可能大（通信路徑的各種衰減較?。?，指定區(qū)域進(jìn)行全天候的持續(xù)性覆蓋（24小時(shí)不間斷的連續(xù)覆蓋）。調(diào)整參數(shù)：軌道傾角升節(jié)點(diǎn)1.3通信衛(wèi)星衛(wèi)星覆蓋帶

?覆蓋帶是基于同一軌道面內(nèi)多顆衛(wèi)星的相鄰重疊覆蓋特性，在地面上形成的一個(gè)連續(xù)覆蓋區(qū)域

?覆蓋帶半（地心角）寬度c

α為單顆衛(wèi)星覆蓋的半地心角寬度，S為每個(gè)軌道面內(nèi)的衛(wèi)星數(shù)量π/S為衛(wèi)星之間的半地心角寬度1.3通信衛(wèi)星星座的類(lèi)型1.3通信衛(wèi)星相位(Phasing)星座時(shí)間上具有相對(duì)固定位置的衛(wèi)星組成要求對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行軌道控制隨機(jī)(Random)星座由軌道高度和傾角均不同的衛(wèi)星組成沒(méi)有軌道控制星座的表示及主要參數(shù)：軌道面數(shù)每個(gè)軌道面內(nèi)的衛(wèi)星數(shù)軌道平面的傾角軌道面的升節(jié)點(diǎn)位置初始相位角半長(zhǎng)軸偏心率近地點(diǎn)幅角w1.3通信衛(wèi)星1.3.3通信衛(wèi)星的組成

1.3通信衛(wèi)星空間平臺(tái)結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)溫控分系統(tǒng)控制分系統(tǒng)跟蹤、遙測(cè)和指令分系統(tǒng)電源分系統(tǒng)遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)有效載荷天線分系統(tǒng)通信轉(zhuǎn)發(fā)器透明轉(zhuǎn)發(fā)器處理轉(zhuǎn)發(fā)器通信衛(wèi)星的組成天線分系統(tǒng)通信分系統(tǒng)電源分系統(tǒng)跟蹤遙測(cè)與指令分系統(tǒng)控制分系統(tǒng)溫控分系統(tǒng)1.3通信衛(wèi)星54通信衛(wèi)星的組成該系統(tǒng)在地面測(cè)控站的指令控制下完成對(duì)衛(wèi)星的姿態(tài)、軌道位置、工作狀態(tài)、主備用部件切換等各項(xiàng)功能的調(diào)整。天線分系統(tǒng)的主要任務(wù)是定向發(fā)射和接收無(wú)線電信號(hào)。在通信衛(wèi)星中直接起中繼站作用，完成接收、處理、發(fā)射信號(hào)作用。主要包括遙測(cè)與指令兩大部分。衛(wèi)星上各種電子設(shè)備所需能量的源泉。天線（天線分系統(tǒng)）衛(wèi)星天線有兩種類(lèi)型：

①全