第七章衛(wèi)星通信系統(tǒng)

1、 第七章第七章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng) 通信衛(wèi)星 空中移動站 手持機 陸上移動站 地球站 海上移動站 中央通信樞紐 跟蹤遙測站 圖 8-1 衛(wèi)星通信示意圖 衛(wèi)星衛(wèi)星接收接收系統(tǒng)示意圖系統(tǒng)示意圖InternetInternet 衛(wèi)衛(wèi) 星星路由器路由器防火墻防火墻傳輸中心傳輸中心發(fā)送天線發(fā)送天線局域網(wǎng)或局域網(wǎng)或CATVCATVModemModemModemModem單終端用單終端用戶戶點播服務(wù)器點播服務(wù)器功分器功分器ModemModem衛(wèi)星接收機衛(wèi)星接收機衛(wèi)星接收機衛(wèi)星接收機或或 衛(wèi)星接收機衛(wèi)星接收機多終端用戶多終端用戶各辦學(xué)單位傳送的節(jié)目各辦學(xué)單位傳送的節(jié)目1.衛(wèi)星通信原理衛(wèi)星通信原理 衛(wèi)星通

2、信是指利用人造地球衛(wèi)星作為中繼衛(wèi)星通信是指利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站，轉(zhuǎn)發(fā)或反射無線電波，在兩個或多個地球站，轉(zhuǎn)發(fā)或反射無線電波，在兩個或多個地球站之間進(jìn)行的通信。站之間進(jìn)行的通信。衛(wèi)星通信可以分為延遲式和同步式。衛(wèi)星通信可以分為延遲式和同步式。延遲式：接收延遲式：接收存儲存儲延遲轉(zhuǎn)發(fā)延遲轉(zhuǎn)發(fā)同步式：目前常用方式。同步式：目前常用方式。7.1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)基本概念衛(wèi)星通信系統(tǒng)基本概念參考書：孫學(xué)康參考書：孫學(xué)康 張政張政 微波與衛(wèi)星通信微波與衛(wèi)星通信 衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信指利用人造地球衛(wèi)星作為衛(wèi)星通信指利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)或反射無線電波中繼站轉(zhuǎn)發(fā)或反射無線電波, ,在兩個在兩個或多個地球

3、站之間進(jìn)行的通信?；蚨鄠€地球站之間進(jìn)行的通信。地球站是設(shè)在地球陸地、海洋、空中的固定或移動無線通信站點。地球站是設(shè)在地球陸地、海洋、空中的固定或移動無線通信站點。 衛(wèi)星通信又是宇宙無線電通信形式之一，而宇衛(wèi)星通信又是宇宙無線電通信形式之一，而宇宙通信是指以宇宙飛行體為對象的無線電通信，宙通信是指以宇宙飛行體為對象的無線電通信，它有三種形式：它有三種形式： 衛(wèi)星軌道LEO高度在5001500Km，MEO高度在100002000Km，HEO距地最近點為10002100Km，最遠(yuǎn)點為395050600Km，靜止軌道衛(wèi)星高度約為35785.5Km（通常近似為36000Km）， 如圖所示的是衛(wèi)星通如圖所

4、示的是衛(wèi)星通信的示意圖。信的示意圖。靜止衛(wèi)星的配置目前國際衛(wèi)星通信組織負(fù)責(zé)建立的國際衛(wèi)目前國際衛(wèi)星通信組織負(fù)責(zé)建立的國際衛(wèi)星通信系統(tǒng)（星通信系統(tǒng)（INTELSAT），簡稱），簡稱IS，就是利，就是利用靜止衛(wèi)星來實現(xiàn)全球通信的。用靜止衛(wèi)星來實現(xiàn)全球通信的。三顆同步衛(wèi)星分別位于太平洋、印度洋和三顆同步衛(wèi)星分別位于太平洋、印度洋和大西洋上空，它們構(gòu)成的全球通信網(wǎng)承擔(dān)著大大西洋上空，它們構(gòu)成的全球通信網(wǎng)承擔(dān)著大約約80%的國際通信業(yè)務(wù)和全部國際電視轉(zhuǎn)播業(yè)的國際通信業(yè)務(wù)和全部國際電視轉(zhuǎn)播業(yè)務(wù)。務(wù)。衛(wèi)星通信示意圖靜止衛(wèi)星的運行軌道與觀察參數(shù)(1) 靜止衛(wèi)星的發(fā)射 要使衛(wèi)星進(jìn)入運行軌道，必須依靠運載火要使衛(wèi)

5、星進(jìn)入運行軌道，必須依靠運載火箭。要想使衛(wèi)星繞地球運轉(zhuǎn)，還必須使衛(wèi)星的箭。要想使衛(wèi)星繞地球運轉(zhuǎn)，還必須使衛(wèi)星的初始速度大于初始速度大于8km/s。但單級火箭的速度只能。但單級火箭的速度只能達(dá)到達(dá)到2.5km/s，因此，發(fā)射靜止衛(wèi)星必須采用，因此，發(fā)射靜止衛(wèi)星必須采用帶有捆綁技術(shù)的三級火箭。捆綁技術(shù)就是把幾帶有捆綁技術(shù)的三級火箭。捆綁技術(shù)就是把幾支小火箭捆在大火箭的第一級上，用以提高發(fā)支小火箭捆在大火箭的第一級上，用以提高發(fā)射的飛行速度，衛(wèi)星裝在第三級火箭的前端射的飛行速度，衛(wèi)星裝在第三級火箭的前端.第一宇宙速度第一宇宙速度：7.9km/s 地球11.2km/sv7.9km/sV2=11.2km

6、/s第二宇宙速度第二宇宙速度：11.2km/sV3=16.7km/s第三宇宙速度第三宇宙速度：16.7km/s所謂宇宙速度就是從地球表面發(fā)射飛行器，飛行器環(huán)繞地球、脫離地球和飛出太陽系所需要的最小速度，分別稱為第一、第二、第三宇宙速度 要想使衛(wèi)星繞地球運轉(zhuǎn)，必須使衛(wèi)要想使衛(wèi)星繞地球運轉(zhuǎn)，必須使衛(wèi)星的初始速度大于星的初始速度大于8km/s。但單級。但單級火箭的速度只能達(dá)到火箭的速度只能達(dá)到2.5km/s，因，因此，發(fā)射靜止衛(wèi)星必須采用帶有捆此，發(fā)射靜止衛(wèi)星必須采用帶有捆綁技術(shù)的三級火箭。捆綁技術(shù)就是綁技術(shù)的三級火箭。捆綁技術(shù)就是把幾支小火箭捆在大火箭的第一級把幾支小火箭捆在大火箭的第一級上，用以

7、提高發(fā)射的飛行速度。上，用以提高發(fā)射的飛行速度。同步軌道衛(wèi)星發(fā)射發(fā)射過程進(jìn)入初始軌道進(jìn)入轉(zhuǎn)移軌道進(jìn)入漂移軌道進(jìn)入靜止軌道一顆自旋穩(wěn)定的靜一顆自旋穩(wěn)定的靜止衛(wèi)星的發(fā)射過程止衛(wèi)星的發(fā)射過程大體可分為如下幾大體可分為如下幾個階段個階段l開始發(fā)射后，依次點燃開始發(fā)射后，依次點燃三級火箭的一、二級火箭，三級火箭的一、二級火箭，把衛(wèi)星送到初始軌道。把衛(wèi)星送到初始軌道。l衛(wèi)星在初始軌道上只飛衛(wèi)星在初始軌道上只飛行一小段，當(dāng)衛(wèi)星快要到行一小段，當(dāng)衛(wèi)星快要到達(dá)初始軌道與赤道平面的達(dá)初始軌道與赤道平面的交點時，要點燃第三級火交點時，要點燃第三級火箭，以使衛(wèi)星脫離初始軌箭，以使衛(wèi)星脫離初始軌道而進(jìn)入轉(zhuǎn)移軌道道而進(jìn)入

8、轉(zhuǎn)移軌道l衛(wèi)星在轉(zhuǎn)移軌道上運行衛(wèi)星在轉(zhuǎn)移軌道上運行了幾圈，完成了上述各了幾圈，完成了上述各項準(zhǔn)備工作后，當(dāng)再次項準(zhǔn)備工作后，當(dāng)再次到達(dá)遠(yuǎn)地點時，就要啟到達(dá)遠(yuǎn)地點時，就要啟動遠(yuǎn)地點發(fā)動機，使衛(wèi)動遠(yuǎn)地點發(fā)動機，使衛(wèi)星進(jìn)入漂移軌道星進(jìn)入漂移軌道圖遠(yuǎn)地點的軌道變換圖遠(yuǎn)地點的軌道變換(2)通信衛(wèi)星的姿態(tài)控制通信衛(wèi)星的姿態(tài)控制衛(wèi)星上裝有通信用的定向天線，要求定向天線的波束應(yīng)指衛(wèi)星上裝有通信用的定向天線，要求定向天線的波束應(yīng)指向地球中心或某覆蓋區(qū)的中心。向地球中心或某覆蓋區(qū)的中心。（1 1）角度慣性控制）角度慣性控制 角度慣性控制也叫角度慣性控制也叫自旋穩(wěn)定法自旋穩(wěn)定法，是早期靜止衛(wèi)星常用的，是早期靜止衛(wèi)星

9、常用的姿態(tài)控制方法。姿態(tài)控制方法。 采用自旋穩(wěn)定法的衛(wèi)星，如采用自旋穩(wěn)定法的衛(wèi)星，如IS-IS-，IS-IS-等，衛(wèi)星的天等，衛(wèi)星的天線要安裝在一個平臺上。線要安裝在一個平臺上。 （2 2）三軸穩(wěn)定法）三軸穩(wěn)定法 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、法線和軌切線、法線和軌道平面的垂線道平面的垂線等三個方向上，分別對應(yīng)叫做等三個方向上，分別對應(yīng)叫做滾動軸滾動軸、俯仰軸俯仰軸和和偏航軸偏航軸，三軸可以采用噴氣、慣性飛輪或電機等來直接分，三軸可以采用噴氣、慣性

10、飛輪或電機等來直接分別控制每個軸保持穩(wěn)定。別控制每個軸保持穩(wěn)定。圖三軸穩(wěn)定法示意圖圖三軸穩(wěn)定法示意圖.靜止衛(wèi)星的觀察參數(shù)靜止衛(wèi)星的觀察參數(shù)若已知地球站若已知地球站A A的幾何關(guān)系的幾何關(guān)系. .其中地球站其中地球站A A的經(jīng)度和緯度的經(jīng)度和緯度分別為分別為 和和 , ,靜止衛(wèi)星靜止衛(wèi)星S S的星下點的經(jīng)度和緯度分別的星下點的經(jīng)度和緯度分別 和和 0 0 經(jīng)度差經(jīng)度差 : -: -緯度差緯度差: -0=: -0=地面站仰角地面站仰角: :地面站方位角地面站方位角: :站星距離：站星距離：11121211211)cos(cos1151. 0coscosarctge 在地球站的調(diào)測、開通和使用過程中

11、，都要知在地球站的調(diào)測、開通和使用過程中，都要知道地球站天線工作時的道地球站天線工作時的方位角方位角a和和仰角仰角e。 此外，為了計算自由空間的傳播損耗，還必須知道地此外，為了計算自由空間的傳播損耗，還必須知道地球站與衛(wèi)星之間的距離球站與衛(wèi)星之間的距離站星距站星距。1sintgarctgakmdcoscos302. 0023. 1422381 靜止衛(wèi)星觀察參數(shù)圖解衛(wèi)星位于地球站西側(cè)側(cè)衛(wèi)星位于地球站東側(cè)方位角aa180180靜止衛(wèi)星靜止衛(wèi)星S與地球站與地球站A的幾何關(guān)系的幾何關(guān)系若地球站位于北半球：若地球站位于北半球：若地球站位于南半球：若地球站位于南半球：衛(wèi)星位于地球站西側(cè)側(cè)衛(wèi)星位于地球站東側(cè)

12、方位角aa180180衛(wèi)星位于地球站西側(cè)側(cè)衛(wèi)星位于地球站東側(cè)方位角aa360【例1-1】“亞太一號”衛(wèi)星的星下點s的經(jīng)度為2=138.00E(東經(jīng))，北京地球站的參數(shù)為1=116.45E,1=39.92，求北京地球站的仰角、方位角和站星距。解 由已知條件得知：1=39.92，經(jīng)度差=21=138.00116.45=21.55代入公式得仰角又求得方位角a=arctg)92.39sin()55.21(tg=31.61由于衛(wèi)星位于地球站東側(cè)，故實際方位角為：180-a=180-31.61=148.39站星距d=42238)55.21cos()92.39cos(302. 0023. 1=37955km

13、Odyssey系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成：空間段、地面段和用戶：空間段、地面段和用戶單元單元3個部分個部分Odyssey系統(tǒng)的空間段系統(tǒng)的空間段星座采用星座采用12顆高度約為顆高度約為10000km的衛(wèi)的衛(wèi)星分布在傾斜星分布在傾斜55的的3個軌道平面上個軌道平面上構(gòu)成，使用構(gòu)成，使用L/ /S/ /Ka頻段頻段 中/低軌道衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)Odyssey系統(tǒng)地面段系統(tǒng)地面段包括衛(wèi)星管理中心、服務(wù)運作中心、包括衛(wèi)星管理中心、服務(wù)運作中心、地球站、關(guān)口站、地面網(wǎng)絡(luò)地球站、關(guān)口站、地面網(wǎng)絡(luò)Odyssey系統(tǒng)的用戶單元系統(tǒng)的用戶單元最主要的用戶單元是手機，它將采用最主要的用戶單元是手機，它將采用雙模式，可以同時在

14、雙模式，可以同時在Odyssey系統(tǒng)及系統(tǒng)及蜂窩網(wǎng)中使用，并可自動切換蜂窩網(wǎng)中使用，并可自動切換1. 中軌道衛(wèi)星系統(tǒng)簡介（Odyssey）系統(tǒng)組成：系統(tǒng)組成：衛(wèi)星星座、關(guān)口地球站、系統(tǒng)衛(wèi)星星座、關(guān)口地球站、系統(tǒng)控制中心、網(wǎng)絡(luò)控制中心和用戶單元等組控制中心、網(wǎng)絡(luò)控制中心和用戶單元等組成成 （1）銥（）銥（Iridium）系統(tǒng)簡介）系統(tǒng)簡介 銥系統(tǒng)衛(wèi)星星座的配置銥系統(tǒng)衛(wèi)星星座的配置 中/低軌道衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)2. 低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)簡介（Iridium）星座：星座：共有共有66顆衛(wèi)顆衛(wèi)星，另外還有星，另外還有7顆顆空中備用星。這些空中備用星。這些衛(wèi)星均勻分布在大衛(wèi)星均勻分布在大致南北方向的致南北方向的

15、6條條軌道上，每條軌道軌道上，每條軌道上均勻分布上均勻分布11顆衛(wèi)顆衛(wèi)星。所有衛(wèi)星均沿星。所有衛(wèi)星均沿同一方向飛行。同一方向飛行。 銥星系統(tǒng)的通信鏈路銥星系統(tǒng)的通信鏈路 2. 低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)簡介（Iridium） 銥星系統(tǒng)的關(guān)口站銥星系統(tǒng)的關(guān)口站 關(guān)口站是控制用戶終端接入并提供系統(tǒng)和公關(guān)口站是控制用戶終端接入并提供系統(tǒng)和公共交換電話網(wǎng)（共交換電話網(wǎng)（PSTN）間接口的地球站）間接口的地球站 銥星系統(tǒng)的用戶終端銥星系統(tǒng)的用戶終端 用戶終端（用戶終端（ISU：Iridium Subscriber Unit）以便）以便攜式話音單元為基礎(chǔ)，有手持機、車載終端和半攜式話音單元為基礎(chǔ)，有手持機、車載終端和

16、半固定終端固定終端3種不同產(chǎn)品種不同產(chǎn)品 2. 低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)簡介（Iridium） （2）全球星（）全球星（Globalstar）系統(tǒng)簡介）系統(tǒng)簡介設(shè)計思想：設(shè)計思想：利用利用LEO衛(wèi)星組成一個連續(xù)覆蓋全球衛(wèi)星組成一個連續(xù)覆蓋全球的移動通信衛(wèi)星系統(tǒng)，向世界各地提供話音、數(shù)的移動通信衛(wèi)星系統(tǒng)，向世界各地提供話音、數(shù)據(jù)或傳真、無線電定位業(yè)務(wù)據(jù)或傳真、無線電定位業(yè)務(wù)系統(tǒng)組成：系統(tǒng)組成：由空間段的衛(wèi)星、地面段的關(guān)口站、由空間段的衛(wèi)星、地面段的關(guān)口站、星座控制設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)中心（星座控制設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)中心（NCC）以及用戶終端）以及用戶終端組成組成2. 低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)簡介通常衛(wèi)星通信系統(tǒng)是由通常衛(wèi)星通信系統(tǒng)是

17、由地球站地球站、通信衛(wèi)星通信衛(wèi)星、跟跟蹤遙測及指令系統(tǒng)蹤遙測及指令系統(tǒng)和和監(jiān)控管理系統(tǒng)監(jiān)控管理系統(tǒng)4大部分組成的。大部分組成的。兩個地球站之間的衛(wèi)星通信線路是由發(fā)端地球兩個地球站之間的衛(wèi)星通信線路是由發(fā)端地球站，上、下行無線傳輸路徑和收端地球站組成的。站，上、下行無線傳輸路徑和收端地球站組成的。4. 衛(wèi)星通信種類衛(wèi)星通信種類按衛(wèi)星的制式分類：按衛(wèi)星的制式分類：按衛(wèi)星的覆蓋范圍分類：按衛(wèi)星的覆蓋范圍分類： 國際衛(wèi)星通信系統(tǒng)；國際衛(wèi)星通信系統(tǒng)； 國內(nèi)衛(wèi)星通信系統(tǒng)；國內(nèi)衛(wèi)星通信系統(tǒng)； 區(qū)域衛(wèi)星通信系統(tǒng)。區(qū)域衛(wèi)星通信系統(tǒng)。按用戶的性質(zhì)分類：按用戶的性質(zhì)分類： 公用衛(wèi)星通信系統(tǒng)；公用衛(wèi)星通信系統(tǒng)； 專用

18、衛(wèi)星通信系統(tǒng)；專用衛(wèi)星通信系統(tǒng)； 軍用衛(wèi)星通信系統(tǒng)。軍用衛(wèi)星通信系統(tǒng)。5. 5. 衛(wèi)星業(yè)務(wù)的頻率分配衛(wèi)星業(yè)務(wù)的頻率分配頻段頻率范圍(GHz)VHF0.10.3UHF0.31.0L1.02.0S2.04.0C4.08.0X8.012.0Ku12.018.0K18.027.0Ka27.040.0V40.075.0W75.0110.0mm110.0300.0mm300.03000.0ITU的頻段表示法：的頻段表示法：頻段頻段編號編號表示表示符號符號頻率范圍頻率范圍(不含下不含下限，包含上限限，包含上限)相應(yīng)的米相應(yīng)的米制劃分制劃分頻段的米制頻段的米制縮寫縮寫4VLF330kHz萬米波萬米波B.Mam

19、5LF30300kHz千米波千米波B.km6MF3003000kHz百米波百米波B.hm7HF330MHz十米波十米波B.dam8VHF30300MHz米波米波B.m9UHF3003000MHz分米波分米波B.dm10SHF330GHz厘米波厘米波B.cm11EHF30300GHz毫米波毫米波B.mm123003000GHz亞毫米波亞毫米波6. 6. 衛(wèi)星通信的發(fā)展現(xiàn)狀衛(wèi)星通信的發(fā)展現(xiàn)狀3) 3) 星上衛(wèi)星通信系統(tǒng)星上衛(wèi)星通信系統(tǒng)4) 4) 低軌移動低軌移動 5) 5) 移動衛(wèi)通移動衛(wèi)通 代表代表 APMTAPMT系統(tǒng)亞太衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)系統(tǒng)亞太衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)(2)衛(wèi)星通信的多址技術(shù)p FD

20、MA多址技術(shù) 單址載波 多址載波 單路單載波（SCPC）p TDMA多址技術(shù)p CDMA多址技術(shù)7.2 7.2 衛(wèi)星通信中的微波系統(tǒng)衛(wèi)星通信中的微波系統(tǒng) 衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信發(fā)射天線發(fā)射天線接收天線上行頻上行頻下行頻下行頻衛(wèi)星衛(wèi)星增益增益88dBf =6GHzf =4GHz接收信號電平接收信號電平-97.6dBW(6.5W)發(fā)射機有效全向輻射功率：發(fā)射機有效全向輻射功率：EIRP=Pt+Gt-Lr(20kW)-114.6dBW低噪放低噪放40dB中放中放44.6dB輸出信號電平輸出信號電平-30dBW(1mW)Lr發(fā)射機到天線之間的饋線損耗發(fā)射機到天線之間的饋線損耗衛(wèi)星通信線路載波功率的計算衛(wèi)星通

21、信線路載波功率的計算 1. 天線增益天線增益G 在衛(wèi)星通信中，一般使用定向天線，把電磁波能量聚集在某個方向上輻射。設(shè)天線開口面積為A，天線效率為, 波長為， 天線直徑為D，則天線增益為 224DAG(4.1) 2. 有效全向輻射功率有效全向輻射功率(EIRP) 通常把衛(wèi)星和地球站發(fā)射天線在波束中心軸向上輻射的功率稱為發(fā)送設(shè)備的有效全向輻射功率。它是天線發(fā)射功率PT與天線增益GT的乘積，即 EIRP = PTGT W 設(shè)發(fā)射機末級功放輸出功率為Po, 饋線損耗為LFT(LFT1), 則上式還可寫為 WEIRPFTToLGP或用分貝表示，即 EIRP=Po+GT-LFTdBW 式中，方括號表示取其

22、dB值。 3. 載波接收功率載波接收功率 衛(wèi)星或地球站接收機輸入端的載波功率一般稱為載波接收功率，記作C，C以dBW(以1W為零電平的分貝)為單位。 設(shè)發(fā)射機的有效全向輻射功率為EIRPdBW，接收天線增益為GRdB，接收饋線損耗為LFRdB，大氣損耗為LadB，自由空間損耗為LPdB, 其它損耗為Lr dB, 則接收機輸入端的載波接收功率CdBW可以表示為 C=EIRP+GR-La-LP-Lr-LFR =Po-LFT+GT+GR-La-LP -Lr-LFR (4.5) 【例 】已知IS-號衛(wèi)星作點波束 1872 路運用時， 其有效全向輻射功率EIRPS= 34.2 dBW, 接收天線增益GR

23、S=16.7 dB。又知某地球站有效全向輻射功率EIRPE=98.6dBW, 接收天線增益GRE=60.0dB, 接收饋線損耗LFRE=0.05dB。試計算衛(wèi)星接收機輸入端的載波接收功率CS和地球站接收機輸入端的載波接收功率CE。 解解 若上行線路工作頻率為 6 GHz，下行線路工作頻率為 4 GHz，距離d=40 000km, 則利用式可求得上行線路傳輸損耗LU為 LU = 200.04 dB下行線路傳輸損耗LD為 LD = 196.52 dB忽略La、Lr和LFRS)求得衛(wèi)星接收機輸入端的載波接收功率CS為 CSEIRPE+GRS-LU =-84.74 dBW 地球站接收機輸入端的載波接收

24、功率CE(忽略La和Lr)為 CE =EIRPS+GRE-LD-LFRE = -102.37dBW 通信衛(wèi)星各系統(tǒng)由通信衛(wèi)星各系統(tǒng)由 通信分系統(tǒng)通信分系統(tǒng) 控制分系統(tǒng)控制分系統(tǒng) 遙測與指令分系統(tǒng)遙測與指令分系統(tǒng) 電源分系統(tǒng)電源分系統(tǒng) 溫控分系統(tǒng)溫控分系統(tǒng) 5 5個部分組成。個部分組成。 通信衛(wèi)星的組成通信衛(wèi)星的組成圖圖 通信衛(wèi)星的組成通信衛(wèi)星的組成由各種可控的調(diào)由各種可控的調(diào)整裝置，如各種整裝置，如各種噴氣推進(jìn)器、各噴氣推進(jìn)器、各種驅(qū)動裝置和各種驅(qū)動裝置和各種轉(zhuǎn)換開關(guān)等組種轉(zhuǎn)換開關(guān)等組成成由光電器件組成由光電器件組成 硅硅衛(wèi)星上的電源除要衛(wèi)星上的電源除要求體積小、重量輕、求體積小、重量輕、效率

25、高和可靠性之效率高和可靠性之外，還要求電源能外，還要求電源能在長時間內(nèi)保持足在長時間內(nèi)保持足夠的輸出夠的輸出為了使通信衛(wèi)星為了使通信衛(wèi)星在星蝕期間也能在星蝕期間也能工作，一般常用工作，一般常用可以充、放電的可以充、放電的化學(xué)電池作為二化學(xué)電池作為二次電池與太陽能次電池與太陽能電池并用。電池并用。圖圖 通信衛(wèi)星的組成通信衛(wèi)星的組成行波管功率放大行波管功率放大器和電源系統(tǒng)等器和電源系統(tǒng)等部分產(chǎn)生熱而升部分產(chǎn)生熱而升溫溫地球上的控制站地球上的控制站經(jīng)常不斷地需要經(jīng)常不斷地需要了解衛(wèi)星內(nèi)部設(shè)了解衛(wèi)星內(nèi)部設(shè)備的工作情況，備的工作情況，有時要通過遙測有時要通過遙測指令信號控制衛(wèi)指令信號控制衛(wèi)星上設(shè)備產(chǎn)生一

26、星上設(shè)備產(chǎn)生一定的動作定的動作圖圖 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器組成的方框圖組成的方框圖(5) 衛(wèi)星上衛(wèi)星上通信分系統(tǒng)通信分系統(tǒng)又分為：又分為：轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)器和和星上天線星上天線兩部分兩部分單變頻轉(zhuǎn)發(fā)器單變頻轉(zhuǎn)發(fā)器雙變頻轉(zhuǎn)發(fā)器雙變頻轉(zhuǎn)發(fā)器星上處理轉(zhuǎn)發(fā)器星上處理轉(zhuǎn)發(fā)器（1 1）通信分系統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)器）通信分系統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)器 通信分系統(tǒng)分為轉(zhuǎn)發(fā)器和衛(wèi)星天線兩大部分通信分系統(tǒng)分為轉(zhuǎn)發(fā)器和衛(wèi)星天線兩大部分衛(wèi)星上的信號處理大體包括三種類型：衛(wèi)星上的信號處理大體包括三種類型：一種是對數(shù)字信號進(jìn)行判決和再生，使噪聲不積累；一種是對數(shù)字信號進(jìn)行判決和再生，使噪聲不積累；另一種是在多個衛(wèi)星天線波束之間進(jìn)行信號交換與處另一種是在多

27、個衛(wèi)星天線波束之間進(jìn)行信號交換與處理；理；第三種是對信號進(jìn)行更復(fù)雜的變換、交換和處理。第三種是對信號進(jìn)行更復(fù)雜的變換、交換和處理。衛(wèi)星天線有兩種類型衛(wèi)星天線有兩種類型: : 一種是用于遙控、遙測和信標(biāo)信號的全向天一種是用于遙控、遙測和信標(biāo)信號的全向天線，接收地面的指令及向地面發(fā)送遙測數(shù)據(jù)。線，接收地面的指令及向地面發(fā)送遙測數(shù)據(jù)。這種天線常用鞭狀、螺旋形、繞桿式或套筒這種天線常用鞭狀、螺旋形、繞桿式或套筒偶極子天線，屬于高頻或甚高頻天線。偶極子天線，屬于高頻或甚高頻天線。 另一種是用于通信的微波定向天線，根據(jù)波另一種是用于通信的微波定向天線，根據(jù)波束寬度不同，分為三類。束寬度不同，分為三類。 全

28、球波束天線：全球波束天線：波束寬度約為波束寬度約為17171818, , 增益增益151518dB , 18dB , 一般通信用途；一般通信用途； 點波束天線：點波束天線：其波束比全球波束窄得多，故增其波束比全球波束窄得多，故增益較高，但其輻射的區(qū)域比全球波束小得多。益較高，但其輻射的區(qū)域比全球波束小得多。 區(qū)域波束天線：區(qū)域波束天線：如果地面要求覆蓋的區(qū)域形狀如果地面要求覆蓋的區(qū)域形狀不規(guī)則，就要用區(qū)域波束天線，也稱賦形波束天不規(guī)則，就要用區(qū)域波束天線，也稱賦形波束天線。線。 其覆蓋區(qū)域可通過修改天線反射器的形狀其覆蓋區(qū)域可通過修改天線反射器的形狀或使用多個饋源從不同方向照射天線反射器，由或

29、使用多個饋源從不同方向照射天線反射器，由反射器產(chǎn)生多個波束的組合來實現(xiàn)。反射器產(chǎn)生多個波束的組合來實現(xiàn)。各種波束覆蓋示意圖衛(wèi)星天線系統(tǒng)示意圖衛(wèi)星天線系統(tǒng)示意圖 一般來說，對地球站應(yīng)有以下幾方面的要一般來說，對地球站應(yīng)有以下幾方面的要求。求。 發(fā)送的信號應(yīng)是寬頻帶、穩(wěn)定、大功率發(fā)送的信號應(yīng)是寬頻帶、穩(wěn)定、大功率的信號，能接收由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)來的微弱信的信號，能接收由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)來的微弱信號。號。 可以傳輸多路電話、電報、傳真，可以傳輸多路電話、電報、傳真， 以及高速數(shù)據(jù)、電視等多種業(yè)務(wù)的信號。以及高速數(shù)據(jù)、電視等多種業(yè)務(wù)的信號。 性能穩(wěn)定、可靠，維護(hù)、使用方便。性能穩(wěn)定、可靠，維護(hù)、使用方便。

30、 建設(shè)成本和維護(hù)費用不應(yīng)太高。建設(shè)成本和維護(hù)費用不應(yīng)太高。 為了保證所傳送信號的質(zhì)量，要求地球站為了保證所傳送信號的質(zhì)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，幾千瓦，而且要求所發(fā)射的射頻信號功率非常穩(wěn)定，否則會造成衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的功放內(nèi)交調(diào)分量增大，波否則會造成衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的功放內(nèi)交調(diào)分量增大，波動應(yīng)小于動應(yīng)小于0.5dB0.5dB。 G/TG/T是地球站接收天線的增益是地球站接收天線的增益G G與地球站接與地球站接收系統(tǒng)的等效噪聲溫度收系統(tǒng)的等效噪聲溫度T T的比值，它表征了地球站的比值，它表征

31、了地球站對微弱信號的接收能力，稱為地球站的品質(zhì)因數(shù)。對微弱信號的接收能力，稱為地球站的品質(zhì)因數(shù)。為減小交調(diào)干擾，必須對地球站在負(fù)載輕為減小交調(diào)干擾，必須對地球站在負(fù)載輕（即通話數(shù)少）的時候所發(fā)射的射頻頻譜能量密度（即通話數(shù)少）的時候所發(fā)射的射頻頻譜能量密度加以限制。加以限制。地球站所發(fā)射的射頻信號的頻率必須很精地球站所發(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(zhuǎn)發(fā)器頻帶確，如果有較大漂移，不但要影響衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器頻帶的有效利用，還會在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中產(chǎn)生交調(diào)噪聲。的有效利用，還會在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中產(chǎn)生交調(diào)噪聲。話音信號是在話音信號是在150KHz150KHz內(nèi)，圖像在內(nèi)，圖像在250K

32、Hz250KHz內(nèi)。內(nèi)。（5 5）干擾波輻射的限制）干擾波輻射的限制 為防止干擾波對衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器和其他微為防止干擾波對衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器和其他微波通信系統(tǒng)形成干擾，規(guī)定地球站因多載波引波通信系統(tǒng)形成干擾，規(guī)定地球站因多載波引起的交調(diào)干擾及帶外總的有效全向幅射功率應(yīng)起的交調(diào)干擾及帶外總的有效全向幅射功率應(yīng)小于限定值。小于限定值。 下圖所示的為地球站的天線饋線系統(tǒng)下圖所示的為地球站的天線饋線系統(tǒng)方框圖。它與視距微波通信天饋線系統(tǒng)相比，方框圖。它與視距微波通信天饋線系統(tǒng)相比，顯然多了一套天線跟蹤衛(wèi)星的系統(tǒng)，即地球站顯然多了一套天線跟蹤衛(wèi)星的系統(tǒng)，即地球站天線的軸要始終對準(zhǔn)衛(wèi)星方向。天線的軸要始終對準(zhǔn)衛(wèi)星方向。

33、地球站天線饋線系統(tǒng)的組成地球站天線饋線系統(tǒng)的組成 下行鏈路損耗一般下行鏈路損耗一般200dB200dB， 2-32-3級參量放大器，級參量放大器，后接晶體管放大器或場效應(yīng)管放大器，后接晶體管放大器或場效應(yīng)管放大器， 參量放參量放大器所用器件一般采用變?nèi)莨芑蛘弑迷?，甚至可大器所用器件一般采用變?nèi)莨芑蛘弑迷?，甚至可以采用制冷方法。有時需要兩次變頻，第一中頻以采用制冷方法。有時需要兩次變頻，第一中頻可以用可以用1GHz1GHz，1.4GHz1.4GHz或或1.7GHz1.7GHz。選取工作頻段時，考慮的主要因素有：選取工作頻段時，考慮的主要因素有：（1 1）天線系統(tǒng)接收的外界干擾噪聲要??；）天線系統(tǒng)

34、接收的外界干擾噪聲要??；（2 2）電波傳播損耗要??；）電波傳播損耗要小；（3 3）適用于該頻段的設(shè)備重量要輕，且體積??；）適用于該頻段的設(shè)備重量要輕，且體積?。唬? 4）可用頻帶寬，以便滿足傳輸信息的要求；）可用頻帶寬，以便滿足傳輸信息的要求；（5 5）與其他地面無線系統(tǒng)（雷達(dá)系統(tǒng)、地面微波中）與其他地面無線系統(tǒng)（雷達(dá)系統(tǒng)、地面微波中繼通信系統(tǒng)等）之間的相互干擾要盡量??；繼通信系統(tǒng)等）之間的相互干擾要盡量?。唬? 6）盡可能地利用現(xiàn)有的通信技術(shù)和設(shè)備。）盡可能地利用現(xiàn)有的通信技術(shù)和設(shè)備。 目前大多數(shù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)選擇了如下頻段：目前大多數(shù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)選擇了如下頻段：（1 1）UHFUHF（超高頻

35、）頻段（超高頻）頻段400/200MHz400/200MHz；（2 2）微波）微波L L頻段頻段1.6/1.5GHz;1.6/1.5GHz;（3 3）微波）微波C C頻段頻段6.0/4.0GHz;6.0/4.0GHz;（4 4）微波）微波X X頻段頻段8.0/7.0GHz;8.0/7.0GHz;（5 5）微波）微波KuKu頻段頻段14.0/12.0GHz14.0/12.0GHz和和14.0/11.0GHz;14.0/11.0GHz;（6 6）微波）微波KaKa頻段頻段30/20GHz30/20GHz。4. 4. 衛(wèi)星通信電波傳播的特點衛(wèi)星通信電波傳播的特點增益增益88dBf =6GHzf =4

36、GHz接收信號電平接收信號電平-97.6dBW(6.5W)發(fā)射機有效全向輻射功率：發(fā)射機有效全向輻射功率：EIRP=Pt+Gt-Lr(20kW)-114.6dBW低噪放低噪放40dB中放中放44.6dB輸出信號電平輸出信號電平-30dBW(1mW)Lr發(fā)射機到天線之間的饋線損耗發(fā)射機到天線之間的饋線損耗衛(wèi)星通信鏈路衛(wèi)星通信鏈路5. 5. 衛(wèi)星通信中的噪聲與干擾衛(wèi)星通信中的噪聲與干擾 衛(wèi)星通信系統(tǒng)是以大氣作為傳輸介質(zhì)來衛(wèi)星通信系統(tǒng)是以大氣作為傳輸介質(zhì)來完成地球站與衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器之間的信息交互的。由完成地球站與衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器之間的信息交互的。由于其傳輸路徑長，接收機所接收的信號功率非常于其傳輸路徑長，接收

37、機所接收的信號功率非常弱，因此對噪聲非常敏感。弱，因此對噪聲非常敏感。 系統(tǒng)中的任何器件和設(shè)備工作時，都會系統(tǒng)中的任何器件和設(shè)備工作時，都會給系統(tǒng)引入熱噪聲，其功率為給系統(tǒng)引入熱噪聲，其功率為N=KTBN=KTB，與數(shù)字微波，與數(shù)字微波中的噪聲功率的形式相同。中的噪聲功率的形式相同。K K：波爾茲曼常數(shù)：波爾茲曼常數(shù) 1.381.381010-23-23 ；T T：絕對溫度；：絕對溫度； B B： 帶寬帶寬 天線是完成射頻信號的發(fā)送與接收工作的設(shè)備。天線是完成射頻信號的發(fā)送與接收工作的設(shè)備。 根據(jù)噪聲源產(chǎn)生的原因，噪聲源大致可分為自然根據(jù)噪聲源產(chǎn)生的原因，噪聲源大致可分為自然噪聲源和人為噪聲源

38、兩大類。自然噪聲源包括宇宙噪噪聲源和人為噪聲源兩大類。自然噪聲源包括宇宙噪聲、太陽噪聲、地面噪聲、大氣層吸收和降雨損耗等聲、太陽噪聲、地面噪聲、大氣層吸收和降雨損耗等產(chǎn)生的噪聲。產(chǎn)生的噪聲。由于噪聲是通過接收機天線進(jìn)入系統(tǒng)的，為了衡量由于噪聲是通過接收機天線進(jìn)入系統(tǒng)的，為了衡量進(jìn)入接收系統(tǒng)的噪聲大小，因而我們提出了一個新進(jìn)入接收系統(tǒng)的噪聲大小，因而我們提出了一個新的物理量的物理量天線噪聲溫度。下圖給出了一個典型天線噪聲溫度。下圖給出了一個典型地面站受到大氣吸收（實線）和銀河系外噪聲（虛地面站受到大氣吸收（實線）和銀河系外噪聲（虛線）影響時的天線噪聲溫度示意圖。線）影響時的天線噪聲溫度示意圖。天線噪聲溫度與仰角天線噪聲溫度與仰角和頻率的關(guān)系和頻率的關(guān)系在衛(wèi)星接收系統(tǒng)，除接收天線會給系統(tǒng)引入在衛(wèi)星接收系統(tǒng)，除接收天線會給系統(tǒng)引入噪聲外，其他器件如低噪聲放大器、下變頻器以噪聲外，其他器件如低噪聲放大器、下變頻器以及天線與低噪聲放大器間的饋線都會是系統(tǒng)的重及天線與低噪聲放大器間的饋線都會是系統(tǒng)的重要噪聲來源。如果天線與低噪聲放大器間的饋線要噪聲來源。如果天線與低噪聲放大器間的饋線對信號具有對信號具有1/L1/L的衰減量，那么接收系統(tǒng)噪聲溫的衰減量，那么接收系統(tǒng)噪聲溫度度T