第1章 衛(wèi)星通信概述

1、衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信課程要求課程要求n考勤：考勤： 請假需要遞交假條，并由輔導(dǎo)員簽字。無故曠課四次及以上者，不允許參加期末考試。二次遲到折合一次曠課。n作業(yè)：作業(yè)： 按時獨立完成，逾期不予批改。n考核：考核： 期末考試成績占總成績的80%，其它為作業(yè)和考勤成績。教材與參考書教材與參考書n教材教材n夏克文. 衛(wèi)星通信. 西安電子科技大學(xué)出版社，2008 n參考書參考書nTimothy Pratt. 衛(wèi)星通信（英文版）. 電子工業(yè)出版社，2003.n朱立東, 吳延勇, 卓永寧. 衛(wèi)星通信系統(tǒng)（第3版）. 電子工業(yè)出版社，2011 課程介紹課程介紹n第1章 衛(wèi)星通信概述n第2章 衛(wèi)星通信基本技術(shù)n第3章

2、 衛(wèi)星通信鏈路設(shè)計n第4章 衛(wèi)星通信網(wǎng)n第5章 移動衛(wèi)星通信系統(tǒng) 第第1章章 衛(wèi)星通信概述衛(wèi)星通信概述n1.1 衛(wèi)星通信的基本概念和特點n1.2 衛(wèi)星通信地球站n1.3 通信衛(wèi)星n1.4 衛(wèi)星通信工作頻段的選擇及電波傳播的特點n1.5 衛(wèi)星通信的發(fā)展動態(tài)1.1 衛(wèi)星通信的基本概念和特點衛(wèi)星通信的基本概念和特點n1 衛(wèi)星通信的基本概念n2 衛(wèi)星通信的特點n3 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成與分類1 衛(wèi)星通信的基本概念衛(wèi)星通信的基本概念n衛(wèi)星：衛(wèi)星：n指在圍繞行星的軌道上運行的天然天體天然天體或人造天體人造天體。n通信：通信：n指帶有信息的信號從一點傳送到另一點的過程，廣義地說，是指任何兩地之間、使用任何方法

3、、通過任何媒質(zhì)相互傳送信息達(dá)到聯(lián)系的過程聯(lián)系的過程。n現(xiàn)代通信現(xiàn)代通信n指在任何時間、任何空間、任何地點、任何對象之間以任何方式進(jìn)行信息交換信息交換的過程。1 衛(wèi)星通信的基本概念衛(wèi)星通信的基本概念n通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)：n是指傳遞信息所需的一切技術(shù)設(shè)備的總和，它包括信源、發(fā)送設(shè)備、傳輸媒介、接收設(shè)備和信宿等部分。n衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信：n指利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)無線電波中繼站轉(zhuǎn)發(fā)無線電波，在兩個或多個地球站地球站之間進(jìn)行的通信。n無線電波頻率使用微波微波頻段。1 衛(wèi)星通信的基本概念衛(wèi)星通信的基本概念n微波通信：微波通信：n微波是指頻率為300MHz300GHz 電磁波。n用微波頻率作載波攜帶信

4、息，通過無線電波空間進(jìn)行中繼（接力）通信的方式。n衛(wèi)星通信可以理解為某種特殊的微波中繼通信衛(wèi)星通信可以理解為某種特殊的微波中繼通信。1 衛(wèi)星通信的基本概念衛(wèi)星通信的基本概念n衛(wèi)星通信系統(tǒng)：衛(wèi)星通信系統(tǒng)：n利用人造地球衛(wèi)星在地球站之間進(jìn)行通信的通信系統(tǒng)，稱為衛(wèi)星通信系統(tǒng)。n通信衛(wèi)星：通信衛(wèi)星：n把用于實現(xiàn)通信目的的人造衛(wèi)星稱為通信衛(wèi)星。n相當(dāng)于離地面很高的中繼站。n衛(wèi)星通信是地面微波中繼通信的繼承和發(fā)展，是微波接力向太空的延伸。衛(wèi)星通信的過程衛(wèi)星通信的過程圖1-1 衛(wèi)星通信過程示意圖空間通信空間通信n空間通信的概念：空間通信的概念： 以空間飛行器或通信轉(zhuǎn)發(fā)體空間飛行器或通信轉(zhuǎn)發(fā)體為對象的無線電通

5、信稱為空間通信，它包括三種形式：n（1）地球站與空間站之間的通信；n（2）各空間站之間的通信；n（3）通過空間站轉(zhuǎn)發(fā)或反射轉(zhuǎn)發(fā)或反射進(jìn)行的各地球站之間的通信。n上述第三種形式的空間通信稱為衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信。衛(wèi)星通信的鏈路衛(wèi)星通信的鏈路n上行鏈路：上行鏈路： 從地球站發(fā)射信號到通信衛(wèi)星所經(jīng)過的通信路徑。n下行鏈路：下行鏈路： 通信衛(wèi)星將信號轉(zhuǎn)發(fā)到其它地球站的通信路徑。衛(wèi)星運行軌道較高時衛(wèi)星運行軌道較高時n衛(wèi)星運行軌道較高時的通信方式：衛(wèi)星運行軌道較高時的通信方式：n相距較遠(yuǎn)的兩個地球站可同時看看到衛(wèi)星。n立即轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星通信系統(tǒng)：立即轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星通信系統(tǒng)：n只用一顆衛(wèi)星通過立即轉(zhuǎn)發(fā)的方式實現(xiàn)的通信，

6、這種系統(tǒng)稱為立即轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星通信系統(tǒng)立即轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星通信系統(tǒng)。n通信鏈路由發(fā)端地球站、上行鏈路、通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器、下行鏈路和收端地球站所組成。衛(wèi)星通信的鏈路衛(wèi)星通信的鏈路圖1-2 單顆衛(wèi)星通信鏈路的組成衛(wèi)星通信的鏈路衛(wèi)星通信的鏈路n當(dāng)衛(wèi)星運行軌道較低時的通信方式當(dāng)衛(wèi)星運行軌道較低時的通信方式:n相距較遠(yuǎn)的兩個地球站不能同時看看到同一顆通信衛(wèi)星。n低軌道移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)低軌道移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)n通過多顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)距離實時通信。n星間鏈路星間鏈路（ISL）：同軌道衛(wèi)星間的鏈路n星際鏈路星際鏈路（IOL） ：不同軌道通信衛(wèi)星的鏈路。n延遲式衛(wèi)星通信系統(tǒng)：延遲式衛(wèi)星通信系統(tǒng)：n采用延遲轉(zhuǎn)發(fā)方式進(jìn)行通

7、信。靜止衛(wèi)星（同步衛(wèi)星）靜止衛(wèi)星（同步衛(wèi)星）n當(dāng)衛(wèi)星運行軌道在赤道平面內(nèi)；當(dāng)衛(wèi)星運行軌道在赤道平面內(nèi)；n高度約為高度約為35786 km；n衛(wèi)星運行方向與地球相同；衛(wèi)星運行方向與地球相同；n圍繞地球公轉(zhuǎn)周期與地球自轉(zhuǎn)周期圍繞地球公轉(zhuǎn)周期與地球自轉(zhuǎn)周期(24 h)相等；相等；n夾角為17.34，兩切線間弧線距離為18100 km。n若以120的等間隔在靜止衛(wèi)星軌道上配置三顆衛(wèi)星，則地球表面除南、北兩極是盲區(qū)外，其它區(qū)域均在衛(wèi)星覆蓋范圍之內(nèi)，而且部分區(qū)域為兩顆衛(wèi)星波束的重疊地區(qū)，因此借助于在重疊區(qū)內(nèi)地球站的中繼(稱之為雙跳)，可以實現(xiàn)在不同衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內(nèi)的地球站之間的通信。圖1-3 靜止衛(wèi)星與地球

8、相對位置示意圖2 衛(wèi)星通信的特點衛(wèi)星通信的特點(優(yōu)點優(yōu)點)n（1）通信距離遠(yuǎn)，且費用與通信距離無關(guān)。n（2）覆蓋面積大，可進(jìn)行多址通信。n（3）通信頻帶寬，傳輸容量大。n（4）機動靈活。n（5）通信鏈路穩(wěn)定可靠，傳輸質(zhì)量高。 由于衛(wèi)星通信具有上述突出的優(yōu)點，因而獲得了迅速的發(fā)展，成為一種強有力的現(xiàn)代化通信手段。2 衛(wèi)星通信的特點衛(wèi)星通信的特點(局限性局限性)n(1) 通信衛(wèi)星使用壽命較短。n(2) 存在日凌中斷和星蝕現(xiàn)象。n(3) 電波的傳播時延較大且存在回波干擾。n(4) 衛(wèi)星通信系統(tǒng)技術(shù)復(fù)雜。n(5) 靜止衛(wèi)星通信在地球高緯度地區(qū)通信效果不好，并且兩極地區(qū)為通信盲區(qū)。圖1-4 靜止衛(wèi)星的日

9、凌中斷和星蝕現(xiàn)象3 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成與分類衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成與分類衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成：衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成：n通信衛(wèi)星n通信地球站分系統(tǒng)n跟蹤遙測及指令分系統(tǒng)n監(jiān)控管理分系統(tǒng)圖1-5 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成3 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成與分類衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成與分類（1）通信衛(wèi)星）通信衛(wèi)星n由一顆或多顆通信衛(wèi)星組成，在空中對發(fā)來的信號起中繼放大和轉(zhuǎn)發(fā)作用。n每顆通信衛(wèi)星均包括收發(fā)天線、通信轉(zhuǎn)發(fā)器、跟蹤遙測指令、控制和電源等分系統(tǒng)。通信衛(wèi)星的分類通信衛(wèi)星的分類n按照衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)，可分為有源衛(wèi)星和無源衛(wèi)星。n按照衛(wèi)星的運動方式，可分為靜止衛(wèi)星（同步衛(wèi)星）和運動衛(wèi)星（非同步衛(wèi)星），包括相位衛(wèi)星和隨機衛(wèi)星等類型。n

10、按照衛(wèi)星的重量，可分為巨衛(wèi)星(大于3500 kg)、大衛(wèi)星(10003500 kg)、中衛(wèi)星(5001000 kg)、小衛(wèi)星(100500 kg)、微小衛(wèi)星(10100 kg)、納衛(wèi)星(110 kg)、皮衛(wèi)星(0.11 kg)和飛衛(wèi)星(0.1 kg)。n按照衛(wèi)星離地面的高度(h)，通信衛(wèi)星可分為低軌道(h5000 km)衛(wèi)星、中軌道(5000h20000 km)衛(wèi)星和地球同步軌道(h=35786 km)衛(wèi)星。3 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成與分類衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成與分類（2）通信地球站分系統(tǒng)：）通信地球站分系統(tǒng)： 包括地球站和通信業(yè)務(wù)控制中心，其中有天饋設(shè)備、發(fā)射機、接收機、信道終端、跟蹤與伺服系統(tǒng)等。

11、（3）跟蹤遙測及指令分系統(tǒng)：）跟蹤遙測及指令分系統(tǒng)： 對衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤測量，控制衛(wèi)星準(zhǔn)確地進(jìn)入靜止軌道上的指定位置，并對衛(wèi)星的軌道、位置、姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和校正。（4）監(jiān)控管理分系統(tǒng)：）監(jiān)控管理分系統(tǒng)： 對在軌道上的衛(wèi)星的通信性能及參數(shù)進(jìn)行業(yè)務(wù)開通前的監(jiān)測和業(yè)務(wù)開通后的例行監(jiān)測與控制，其中包括轉(zhuǎn)發(fā)器功率、天線增益、地球發(fā)射功率、射頻頻率和帶寬等，以保證通信衛(wèi)星正常運行和工作。3 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成與分類衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成與分類（2）通信地球站分系統(tǒng)：）通信地球站分系統(tǒng)： 包括地球站和通信業(yè)務(wù)控制中心，其中有天饋設(shè)備、發(fā)射機、接收機、信道終端、跟蹤與伺服系統(tǒng)等。（3）跟蹤遙測及指令分系統(tǒng)：）跟蹤遙測及

12、指令分系統(tǒng)： 對衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤測量，控制衛(wèi)星準(zhǔn)確地進(jìn)入靜止軌道上的指定位置，并對衛(wèi)星的軌道、位置、姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和校正。（4）監(jiān)控管理分系統(tǒng)：）監(jiān)控管理分系統(tǒng)： 對在軌道上的衛(wèi)星的通信性能及參數(shù)進(jìn)行業(yè)務(wù)開通前的監(jiān)測和業(yè)務(wù)開通后的例行監(jiān)測與控制，其中包括轉(zhuǎn)發(fā)器功率、天線增益、地球發(fā)射功率、射頻頻率和帶寬等，以保證通信衛(wèi)星正常運行和工作。3 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成與分類衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成與分類n空間段：空間段：包括通信系統(tǒng)中所有的處在地球外層空間的衛(wèi)星，其作用是在空中對地面或其它衛(wèi)星發(fā)來的信號起中繼放大和轉(zhuǎn)發(fā)作用。n地面段：地面段：主要由多個承擔(dān)不同業(yè)務(wù)的地球站組成。n控制段：控制段：由所有地面控制和管理

13、設(shè)施組成，它既包括用于監(jiān)測和控制(跟蹤遙測及指令系統(tǒng))這些衛(wèi)星的地球站，又包括用于業(yè)務(wù)與星上資源管理的地球站。 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成還可以分為空間段、地面段和控衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成還可以分為空間段、地面段和控制段三部分。制段三部分。衛(wèi)星通信系統(tǒng)的分類衛(wèi)星通信系統(tǒng)的分類n按照衛(wèi)星制式，按照衛(wèi)星制式，可分為隨機、相位和靜止衛(wèi)星通信系統(tǒng)；n按通信覆蓋區(qū)的范圍，按通信覆蓋區(qū)的范圍，可分為國際、國內(nèi)和區(qū)域靜止衛(wèi)星通信系統(tǒng)；n按用戶性質(zhì)按用戶性質(zhì)，分為公用(商用)、專用和軍用3類衛(wèi)星通信系統(tǒng)n按業(yè)務(wù)按業(yè)務(wù)，可分為固定業(yè)務(wù)(FSS)、移動業(yè)務(wù)(MSS)、廣播業(yè)務(wù)(BSS)、科學(xué)實驗及其它業(yè)務(wù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)；n按多

14、址方式按多址方式，分為頻分多址、時分多址、碼分多址、空分多址和混合多址5類衛(wèi)星通信系統(tǒng)；n按基帶信號體制按基帶信號體制，分為數(shù)字式和模擬式兩類衛(wèi)星通信系統(tǒng)；n按所用頻段按所用頻段，分為特高頻(UHF)、超高頻(SHF)、極高頻(EHF)和激光4類衛(wèi)星通信系統(tǒng)。；1.2 衛(wèi)星通信地球站衛(wèi)星通信地球站n1 地球站的分類n2 地球站的組成n3 衛(wèi)星通信的基本原理1 地球站的分類地球站的分類n按安裝方法及設(shè)備規(guī)模安裝方法及設(shè)備規(guī)模，地球站可分為固定站、移動站和可搬動站。n按天線反射面口徑大小天線反射面口徑大小，地球站可分為20 m、15 m、10 m、7 m、5 m、3 m和1 m等類型n按傳輸信號的

15、特征傳輸信號的特征，地球站可分為模擬站和數(shù)字站。n按用途用途，地球站可分為民用、軍用、廣播、航空、航海、氣象以及實驗等地球站。n按業(yè)務(wù)性質(zhì)業(yè)務(wù)性質(zhì)，地球站可分為遙控、遙測跟蹤站，通信參數(shù)測量站和通信業(yè)務(wù)站。n根據(jù)地球站天線口徑尺寸及地球站性能因數(shù)地球站天線口徑尺寸及地球站性能因數(shù)G/T(即地球站接收天線增益G與接收系統(tǒng)的等效噪聲溫度T之比)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三種稱為標(biāo)準(zhǔn)站，用于國際通信。表表1-1 各類地球站的天線尺寸、性能指標(biāo)及業(yè)務(wù)類型各類地球站的天線尺寸、性能指標(biāo)及業(yè)務(wù)類型2 地球站的組成地球站的組成圖圖1-6 衛(wèi)星通信地球站的組成方框圖

16、衛(wèi)星通信地球站的組成方框圖天饋設(shè)備天饋設(shè)備n作用：是將發(fā)射機送來的射頻信號經(jīng)天線向衛(wèi)星方向輻射，同時它又接收衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的信號送往接收機。n收、發(fā)信機共用一副天線。n為了使收、發(fā)信號隔離，保證接收和發(fā)射都能同時正常工作，其中還需接入一只雙工器。n地球站原則上可以采用拋物面天線、喇叭天線和喇叭拋物面天線等多種形式。一般大、中型天線用卡塞格倫天線，小口徑天線用偏饋(焦)拋物面天線。圖圖1-7 卡塞格倫天線結(jié)構(gòu)圖卡塞格倫天線結(jié)構(gòu)圖發(fā)射機發(fā)射機n由上變頻器和功率放大器組成，其主要作用是將已調(diào)制的中頻信號，經(jīng)上變頻器變換為射頻信號，并放大到一定的電平，經(jīng)饋線送至天線向衛(wèi)星發(fā)射。n目前，大、中型地球站一般采用

17、行波管和調(diào)速管，小型地球站一般采用固態(tài)砷化鎵場效應(yīng)管(FET)。n上變頻器主要有一次變頻和二次變頻兩種方式。n一次變頻：從中頻(如70 MHz)直接變到微波射頻(如6 GHz)，其優(yōu)點是設(shè)備簡單，組合頻率干擾少，缺點是中頻帶寬有限，不利于寬帶系統(tǒng)的實現(xiàn)，n二次變頻，即從中頻(如70 MHz)先變到較高的中頻(如9501450 MHz)，然后再由此高中頻變到微波射頻(如6 GHz)。它的優(yōu)點是調(diào)整方便，易于實現(xiàn)帶寬要求，其缺點則是電路較為復(fù)雜。接收機接收機n接收機主要由下變頻器和低噪聲放大器組成。n其主要作用是從噪聲中接收來自衛(wèi)星的有用信號，經(jīng)下變頻器變換為中頻信號，送至解調(diào)器。n下變頻器可以采

18、用一次變頻，也可以采用二次變頻。 信道終端設(shè)備信道終端設(shè)備n信道終端設(shè)備組成：n主要由基帶處理與調(diào)制解調(diào)器、中頻濾波及放大器組成。n主要作用n將用戶終端送來的信息加以處理，成為基帶信號，對中頻進(jìn)行調(diào)制；n對接收的中頻已調(diào)信號進(jìn)行解調(diào)以及進(jìn)行與發(fā)端相反的處理，輸出基帶信號送往用戶終端。天線跟蹤設(shè)備天線跟蹤設(shè)備n手動跟蹤手動跟蹤：根據(jù)預(yù)知的衛(wèi)星軌道位置數(shù)據(jù)隨時間變化的規(guī)律，通過人工按時調(diào)整天線的指向，使接收衛(wèi)星信號最強。n程序跟蹤：程序跟蹤：根據(jù)衛(wèi)星預(yù)報的數(shù)據(jù)和從天線角度檢測器收集來的天線位置值，通過計算機處理，計算出角度誤差值，然后輸入伺服回路，驅(qū)動天線，消除誤差角。n自動跟蹤則：自動跟蹤則：根

19、據(jù)衛(wèi)星所發(fā)的信標(biāo)信號，檢測出誤差信號，驅(qū)動跟蹤系統(tǒng)，使天線自動地對準(zhǔn)衛(wèi)星。 天線跟蹤設(shè)備主要用來校正地球站天線的方位和仰天線跟蹤設(shè)備主要用來校正地球站天線的方位和仰角，以便使天線對準(zhǔn)衛(wèi)星，通常有手動跟蹤、程序跟蹤角，以便使天線對準(zhǔn)衛(wèi)星，通常有手動跟蹤、程序跟蹤和自動跟蹤三種，根據(jù)使用場合和要求確定使用哪一種。和自動跟蹤三種，根據(jù)使用場合和要求確定使用哪一種。電源設(shè)備電源設(shè)備地球站電源設(shè)備要供應(yīng)站內(nèi)全部設(shè)備所需的電能，因此電源設(shè)備的性能優(yōu)劣會影響衛(wèi)星通信的質(zhì)量及設(shè)備的可靠性。為了滿足地球站的供電需要，一般設(shè)有兩種電源設(shè)備，即交流不間斷電源設(shè)備和應(yīng)急電源設(shè)備。3 衛(wèi)星通信的基本原理衛(wèi)星通信的基本原

20、理圖1-8 多路電話信號的傳輸1.3 通信衛(wèi)星通信衛(wèi)星n1 衛(wèi)星與軌道n2 衛(wèi)星覆蓋與星座設(shè)計n3 通信衛(wèi)星的組成n4 通信衛(wèi)星舉例1 1 衛(wèi)星與軌道衛(wèi)星與軌道n衛(wèi)星運行的基本規(guī)律n衛(wèi)星軌道的分類n衛(wèi)星軌道的攝動n衛(wèi)星位置保持與姿態(tài)控制衛(wèi)星運動的基本定律衛(wèi)星運動的基本定律n衛(wèi)星軌道：衛(wèi)星軌道：n衛(wèi)星圍繞地球運行的軌跡，可以是圓形或橢圓形。n軌道面：軌道面：n軌道位置都在通過地球中心地球中心的一個平面內(nèi)。n衛(wèi)星運動所在的平面叫做軌道面。n基本規(guī)律：基本規(guī)律：n假設(shè)地球是質(zhì)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（軌道定律）開普勒第一定律

21、（軌道定律）衛(wèi)星以地心為一個焦點做橢圓運動。衛(wèi)星以地心為一個焦點做橢圓運動。在極坐標(biāo)中，衛(wèi)星運動方程可以表示為：22,1b/a,(1)1cosPrePaee其中：圖1-9地球衛(wèi)星軌道 （a）橢圓軌道 （b）圓軌開普勒第一定律（軌道定律）開普勒第一定律（軌道定律）n如果 ，則軌道為圓形 ；n如果 ，則軌道為一個橢圓線；n如果 ，則軌道為一個拋物線；n如果 ，則軌道為一個雙曲線。0,evr1,2evr1,2evr1,2evr開普勒第二定律（面積定律）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(nèi)掃過的面積相等。衛(wèi)星與地心的連線在相同時間內(nèi)掃過的面積相等。橢圓軌道上衛(wèi)星運行的瞬時速度為：53

22、221( )(km/s)3.986013 10 km /sv rra式中： 為開普勒常數(shù)，取值為開普勒第二定律示意圖開普勒第三定律（周期定律）開普勒第三定律（周期定律）衛(wèi)星運轉(zhuǎn)周期的平方與軌道半長軸的衛(wèi)星運轉(zhuǎn)周期的平方與軌道半長軸的3次方成正比。次方成正比。衛(wèi)星圍繞地球飛行的周期為：衛(wèi)星圍繞地球飛行的周期為：32aT 【例題】已知對地靜止衛(wèi)星的周期T=24恒星時，即23時56分4.09054秒，地球的半徑為6378公里，求衛(wèi)星離地面的高度和瞬時速度 。作業(yè)：作業(yè)：n某采用橢圓軌道的衛(wèi)星，近地點高度（近地點到地球表明的距離）為1000km，遠(yuǎn)地點高度為4000km。在地球平均半徑為6378.13

23、7km的情況下，求該衛(wèi)星的軌道周期，以及近地點和遠(yuǎn)地點的速度。地心赤道坐標(biāo)系地心赤道坐標(biāo)系n天文學(xué)的幾個術(shù)語：n升節(jié)點：衛(wèi)星從地球的南半球向北半球飛行的時候經(jīng)過地球赤道平面的點。n春分點：假定地球不動，則太陽繞地球運行，當(dāng)太陽從地球的南半球向北半球運行時，穿過地球赤道平面的那個點稱為春分點。n地心赤道坐標(biāo)系：n坐標(biāo)系以地心O為原點，X軸與Y軸確定的平面與赤道平面重合，X指向春分點；z軸與地球自轉(zhuǎn)軸重合。指向北極；X、Y、Z軸構(gòu)成一個右手坐標(biāo)系。圖1-10 地心赤道坐標(biāo)系衛(wèi)星軌道參數(shù)衛(wèi)星軌道參數(shù)n軌道平面的傾角i，即衛(wèi)星軌道平面與赤道平面的夾角n軌道的半長軸an軌道的偏心率en升節(jié)點位置，指從春

24、分點到地心的連線與從升節(jié)點到地心的連線之間的夾角n近地點幅角w，指從升節(jié)點到地心的連線與從衛(wèi)星近地點到地心的連線之間的夾角。從升節(jié)點順軌道運行方向度量，0w90n衛(wèi)星初始時刻的位置wv，是衛(wèi)星在初始時刻到地心的連線與升節(jié)點到地心的連線之間的張角。其中v是初始時刻衛(wèi)星在軌道內(nèi)的幅角，從升節(jié)點位置開始計算星下點軌跡星下點軌跡n星下點：衛(wèi)星和地心的連線在地面上的交點。n星下點軌跡：衛(wèi)星與地心的連線切割地面形成的軌跡。n星下點的軌跡方程為（假定0時刻衛(wèi)星經(jīng)過其升節(jié)點）：000000s0000( )arcsin(sin sin )180 ( 18090 )( )arctan(costan )0(9090

25、 )180(90180 )setitit 0/ssett其中：、 分別為星下點的地心緯度和經(jīng)度(單位是度)；是升節(jié)點的地心經(jīng)度； 是飛行時間(單位是秒)；是 時刻衛(wèi)星與升節(jié)點之間的角距(從升節(jié)點開始度量，順行方向取正，逆行方向取負(fù))；是地球自轉(zhuǎn)速度(單位是度 秒)；號分別表示順行軌道和逆行軌道。衛(wèi)星星下點軌跡舉例衛(wèi)星星下點軌跡舉例 一顆軌道高度為13892km，軌道傾角60，初始位置（0E，0N）的衛(wèi)星24小時的星下點軌跡如下圖所示。衛(wèi)星軌道的分類衛(wèi)星軌道的分類n衛(wèi)星軌道按其與赤道平面的夾角按其與赤道平面的夾角(即衛(wèi)星軌道的傾角i)分為：赤道軌道(i0)、傾斜軌道(順行傾斜軌道0i90，逆行傾

26、斜軌道90i180)和極地軌道(i90)。n衛(wèi)星軌道按偏心率按偏心率(e)可以分為：圓軌道(e0或接近于零)、橢圓軌道(0e1，包括大橢圓軌道(0.2e1)。n衛(wèi)星軌道按衛(wèi)星離地面按衛(wèi)星離地面的高度(h)分為：低軌道(LEO，7001500 km)、中軌道(MEO，h10000 km)、高橢圓軌道(HEO，最近點為100021000 km，最遠(yuǎn)點為3950050600 km)和地球同步軌道(GEO，h35786 km)。衛(wèi)星軌道分類衛(wèi)星軌道分類圖1-11 衛(wèi)星軌道傾角示意圖(a)赤道軌道；(b)順行傾斜軌道；(c)極地軌道；(d)逆行傾斜軌道衛(wèi)星軌道高度的劃分衛(wèi)星軌道高度的劃分圖1-12 衛(wèi)星

27、軌道高度的劃分 衛(wèi)星軌道的攝動衛(wèi)星軌道的攝動n攝動攝動n因一些次要因素的影響，衛(wèi)星的實際軌道不斷發(fā)生不同程度地偏離開普勒軌道而產(chǎn)生一定的漂移，這種現(xiàn)象稱為攝動。n引起衛(wèi)星軌道攝動的原因：引起衛(wèi)星軌道攝動的原因：n太陽、月亮引力的影響n地球引力場不均勻的影響n太陽輻射壓力的影響n地球大氣阻力的影響衛(wèi)星的位置保持衛(wèi)星的位置保持n位置保持n就是使衛(wèi)星在運行軌道平面上的位置保持不變。n位置控制主要靠星體上的軸向噴嘴和橫向噴嘴來完成。圖1-13 位置控制示意圖衛(wèi)星的姿態(tài)控制衛(wèi)星的姿態(tài)控制n姿態(tài)控制n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，對采用太陽能電池帆板的衛(wèi)星，還

28、應(yīng)使帆板始終朝向太陽。n姿態(tài)控制的一般步驟：n先測定衛(wèi)星姿態(tài)測定衛(wèi)星姿態(tài)；然后將測定結(jié)果與所需值進(jìn)行比較，計算出修正量計算出修正量；最后操作相應(yīng)的發(fā)動機單元，引入修正量進(jìn)行姿態(tài)修正進(jìn)行姿態(tài)修正。n衛(wèi)星的姿態(tài)控制方法n有自旋穩(wěn)定、三軸穩(wěn)定自旋穩(wěn)定、三軸穩(wěn)定、磁力穩(wěn)定和重力梯度穩(wěn)定等方法。自旋穩(wěn)定法自旋穩(wěn)定法n原理：n根據(jù)陀螺旋轉(zhuǎn)原理，將衛(wèi)星做成軸對稱的形狀，并使衛(wèi)星以對稱軸(自旋軸)為中心不斷旋轉(zhuǎn)，利用旋利用旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的慣性轉(zhuǎn)矩使衛(wèi)星姿態(tài)保持穩(wěn)定轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的慣性轉(zhuǎn)矩使衛(wèi)星姿態(tài)保持穩(wěn)定。n缺點：n天線和衛(wèi)星一起旋轉(zhuǎn)時，天線的波束將繞衛(wèi)星的對稱軸做環(huán)形掃描，功率浪費很大。n解決方案n采用雙自旋穩(wěn)定方式

29、，即在衛(wèi)星上安裝消旋天線，以保證天線波束的指向始終不變。消旋天線可以是機械的，也可以是電子的。三軸穩(wěn)定法三軸穩(wěn)定法圖1-14 三軸穩(wěn)定方式2 衛(wèi)星覆蓋與星座設(shè)計衛(wèi)星覆蓋與星座設(shè)計n單顆衛(wèi)星覆蓋范圍的確定n方位角、仰角和站星距的計算n星座設(shè)計單顆衛(wèi)星覆蓋范圍的確定單顆衛(wèi)星覆蓋范圍的確定n單顆衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域：單顆衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域：在空間軌道上的某一位置某一位置對地面的覆蓋。n衛(wèi)星的地面覆蓋帶：衛(wèi)星的地面覆蓋帶：沿空間軌道運行對地面的覆蓋情況。圖1-15 全球波束覆蓋區(qū)的幾何關(guān)系示意圖hRR/arcsin221hRRAOBarccos221)(hRRhRdhRRRRRRRHS12)cos(222衛(wèi)星的

30、全球波束寬度：覆蓋區(qū)邊緣所對的最大地心角：衛(wèi)星到覆蓋區(qū)邊緣的距離：覆蓋區(qū)的絕對面積S與相對面積S/S0分別為：hRRSS1210方位角、仰角和站星距的計算方位角、仰角和站星距的計算圖1-16 靜止衛(wèi)星觀察參數(shù)圖解方位角、仰角和站星距的計算方位角、仰角和站星距的計算211coscos10.151coscosarctan仰角e1sintanarctan方位角a)(180)(18000衛(wèi)星位于地球站西側(cè)衛(wèi)星位于地球站東側(cè)，方位角當(dāng)?shù)厍蛘疚挥诒卑肭驎raa)(360)(0衛(wèi)星位于地球站西側(cè)衛(wèi)星位于地球站東側(cè)，方位角當(dāng)?shù)厍蛘疚挥谀习肭驎raacoscos30200231422381.d正南方向為基準(zhǔn)正南方向

31、為基準(zhǔn)：正北方向為基準(zhǔn)：正北方向為基準(zhǔn)：星站距：星站距：星座設(shè)計：覆蓋方式星座設(shè)計：覆蓋方式n衛(wèi)星星座衛(wèi)星星座：由多顆衛(wèi)星按照一定的規(guī)律組成的衛(wèi)星群。n衛(wèi)星環(huán)的覆蓋帶衛(wèi)星環(huán)的覆蓋帶：由多顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星環(huán)沿空間軌道運行對地面的覆蓋。n星座種類：星座種類：星狀星座（“銥”系統(tǒng)）和網(wǎng)狀星座，即Walker星座（“全球星” 系統(tǒng)）。n衛(wèi)星覆蓋地區(qū)以及覆蓋的持續(xù)時間，主要取決于星座內(nèi)的衛(wèi)星數(shù)量、高度和軌道傾斜度衛(wèi)星數(shù)量、高度和軌道傾斜度。圖1-17 星座示意圖(a)星狀星座；(b)網(wǎng)狀星座星座設(shè)計：覆蓋方式星座設(shè)計：覆蓋方式n持續(xù)性全球覆蓋持續(xù)性全球覆蓋(Continuous Global Cover

32、age)：對全球的不間斷連續(xù)覆蓋；n持續(xù)性地帶覆蓋持續(xù)性地帶覆蓋(Continuous Zonal Coverage)：對特定的緯度范圍之間的地帶進(jìn)行不間斷的連續(xù)覆蓋；n持續(xù)性區(qū)域覆蓋持續(xù)性區(qū)域覆蓋(Continuous Regional Coverage) ：對某些區(qū)域（如一個國家的版圖）進(jìn)行連續(xù)的覆蓋；n部分覆蓋部分覆蓋(Partial or Revisit Coverage)：是指覆蓋區(qū)域為局部區(qū)域，而覆蓋的時間是間斷的。圖1-18 星座覆蓋的四種方式(a)持續(xù)性全球覆蓋；(b)持續(xù)性地帶覆蓋；(c)持續(xù)性區(qū)域覆蓋；(d)部分覆蓋星座設(shè)計星座設(shè)計n最佳星座設(shè)計原則：最佳星座設(shè)計原則：n通

33、過選取最佳的軌道傾角軌道傾角和升節(jié)點的位置升節(jié)點的位置，從而在高度高度盡可能低盡可能低的軌道上，采用數(shù)量盡可能少的衛(wèi)星數(shù)量盡可能少的衛(wèi)星，使最小最小仰角盡可能大仰角盡可能大，并對指定區(qū)域進(jìn)行全天候的持續(xù)性覆蓋全天候的持續(xù)性覆蓋。n覆蓋的定義（通常采用第一種定義）：覆蓋的定義（通常采用第一種定義）：n通過標(biāo)定具有最小仰角的地面點的軌跡確定覆蓋的具體范圍；n地面上處于衛(wèi)星天線波束半功率角范圍內(nèi)的區(qū)域為覆蓋區(qū)域。n在衛(wèi)星星座的設(shè)計中，一般使用覆蓋的第一種定義方法。星座類型星座類型n按照是否對星座中衛(wèi)星的相互位置關(guān)系進(jìn)行控制按照是否對星座中衛(wèi)星的相互位置關(guān)系進(jìn)行控制，衛(wèi)星星座可分為相位(Phasing

34、)星座和隨機(Random)星座兩種。n相位星座由時間上具有相對固定位置的衛(wèi)星組成。相位星座由時間上具有相對固定位置的衛(wèi)星組成。優(yōu)點是可以用較少的衛(wèi)星達(dá)到要求的性能；缺點是由于需要燃料和推進(jìn)器，因此衛(wèi)星較大，另外系統(tǒng)還需要一個衛(wèi)星軌道控制網(wǎng)絡(luò)。n隨機星座由軌道高度和傾角均不同的衛(wèi)星組成。隨機星座由軌道高度和傾角均不同的衛(wèi)星組成。其優(yōu)點是沒有軌道控制，衛(wèi)星發(fā)射入軌后不用采取任何措施，節(jié)約了發(fā)射后在衛(wèi)星有效期內(nèi)軌道糾正和軌道控制的成本，但需要較多的衛(wèi)星來達(dá)到相同的性能。星座的表示及主要參數(shù)星座的表示及主要參數(shù)n描述星座參數(shù)：描述星座參數(shù)：軌道面數(shù)、每個軌道面內(nèi)的衛(wèi)星數(shù)軌道面數(shù)、每個軌道面內(nèi)的衛(wèi)星數(shù)

35、、軌道平面的傾角、軌道面的升節(jié)點位置、初始相位角、半長軸、偏心率和近地點幅角w等參數(shù)；若采用圓軌道，若采用圓軌道，則去掉了偏心率和近地點幅角這兩個參數(shù)則去掉了偏心率和近地點幅角這兩個參數(shù)。n對于采用傾斜圓軌道的衛(wèi)星星座，通常采用對于采用傾斜圓軌道的衛(wèi)星星座，通常采用Walker代碼代碼(T/P/F)來表示其星座結(jié)構(gòu)。來表示其星座結(jié)構(gòu)。其中，T為系統(tǒng)中的總衛(wèi)星數(shù)，P為軌道面數(shù)，F(xiàn)為相鄰軌道面鄰近衛(wèi)星之間的相位因子(Phasing Factor)。n任何衛(wèi)星星座要連續(xù)覆蓋整個地球任何衛(wèi)星星座要連續(xù)覆蓋整個地球(含兩極含兩極)，至少需要，至少需要5顆衛(wèi)星顆衛(wèi)星(單星覆蓋單星覆蓋)；如果任何時候都要求

36、能同時看到；如果任何時候都要求能同時看到2顆顆衛(wèi)星，則至少需要衛(wèi)星，則至少需要7顆衛(wèi)星。顆衛(wèi)星。星座中參數(shù)的優(yōu)化星座中參數(shù)的優(yōu)化n衛(wèi)星星座的優(yōu)化設(shè)計需要考慮因素： 系統(tǒng)需要的總衛(wèi)星數(shù)、衛(wèi)星的復(fù)雜度和成本、衛(wèi)星壽系統(tǒng)需要的總衛(wèi)星數(shù)、衛(wèi)星的復(fù)雜度和成本、衛(wèi)星壽命、要求的最低通信仰角、范倫帶輻射的影響、衛(wèi)星命、要求的最低通信仰角、范倫帶輻射的影響、衛(wèi)星發(fā)射的靈活性、傳播時延和系統(tǒng)可靠性等。發(fā)射的靈活性、傳播時延和系統(tǒng)可靠性等。n軌道高度n軌道偏心率與傾角n軌道面數(shù)與每面衛(wèi)星數(shù)的選擇n多星/單星覆蓋要求。3 通信衛(wèi)星的組成通信衛(wèi)星的組成n空間平臺空間平臺 維持通信轉(zhuǎn)發(fā)器通信轉(zhuǎn)發(fā)器和通信天線天線在空中正

37、常工作的保障系統(tǒng)，主要包括結(jié)構(gòu)，溫控，電源，控制，跟蹤、遙測和指令(TT&C)等分系統(tǒng)，對靜止軌道衛(wèi)星還包括遠(yuǎn)地點發(fā)動機等。n有效載荷有效載荷 通信衛(wèi)星的有效載荷包括天線分系統(tǒng)和通信轉(zhuǎn)發(fā)器。空間平臺空間平臺n結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)：結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)：由輕合金材料組成，外層涂有保護(hù)層。常用的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)有自旋穩(wěn)定式的軸對稱(陀螺)形狀和三軸穩(wěn)定式的立方體(箱體)形狀。n溫控分系統(tǒng)：溫控分系統(tǒng)：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。通常采用消極溫度控制和積極溫度控制兩種方式。n控制分系統(tǒng)：控制分系統(tǒng)：控制分系統(tǒng)由各種可控的調(diào)整裝置組成。它是一個執(zhí)行機構(gòu)，即執(zhí)行遙測和指令分系統(tǒng)的指令的機構(gòu)。空間平臺空間平臺

38、n跟蹤、遙測和指令分系統(tǒng)：跟蹤、遙測和指令分系統(tǒng)：跟蹤部分用來為地球站跟蹤衛(wèi)星發(fā)送信標(biāo)，而遙測、指令分系統(tǒng)的主要任務(wù)是把衛(wèi)星上的設(shè)備工作情況原原本本地告訴地面上的衛(wèi)星測控站，同時忠實地接收地面測控站發(fā)來的指令信號。n電源分系統(tǒng)：電源分系統(tǒng)：星上電源有太陽能電池和化學(xué)能電池兩種。通常，要求電源系統(tǒng)體積小、重量輕、效率高、壽命長。n遠(yuǎn)地點發(fā)動機：遠(yuǎn)地點發(fā)動機：把衛(wèi)星推入圓形軌道，消除原軌道平面的傾斜。有效載荷有效載荷天線分系統(tǒng)天線分系統(tǒng)n天線分系統(tǒng)包括通信天線通信天線和遙測指令天線遙測指令天線，其作用是定向發(fā)射與接收無線電信號。n通信天線一般采用定向的微波天線，按其波束覆蓋區(qū)域的大小，可分為全球波

39、束天線、區(qū)域波束天線和點波束天線。n遙測、遙控和信標(biāo)采用的是高頻或甚高頻天線，這些天線一般是全向天線，以便可靠地接收來自地面控制站的指令和向地面發(fā)射遙測數(shù)據(jù)。通信轉(zhuǎn)發(fā)器通信轉(zhuǎn)發(fā)器n衛(wèi)星上的通信系統(tǒng)又叫轉(zhuǎn)發(fā)器或中繼器，是一部高靈敏度的寬帶收、發(fā)信機，其性能直接影響到衛(wèi)星通信系統(tǒng)的工作質(zhì)量。n衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器通常分為透明轉(zhuǎn)發(fā)器和處理轉(zhuǎn)發(fā)器兩大類。n透明轉(zhuǎn)發(fā)器：接收地面站發(fā)來的信號后，在衛(wèi)星上不做任何處理，只是進(jìn)行低噪聲放大、變頻和功率放大，并發(fā)向各地球站。按其在衛(wèi)星上變頻的次數(shù)，透明轉(zhuǎn)發(fā)器可分為單變頻轉(zhuǎn)發(fā)器和雙變頻轉(zhuǎn)發(fā)器n處理轉(zhuǎn)發(fā)器。處理轉(zhuǎn)發(fā)器除了能轉(zhuǎn)發(fā)信號外，主要還具有信號處理的功能。圖1-19 透明

40、轉(zhuǎn)發(fā)器的組成框圖(a)單變頻轉(zhuǎn)發(fā)器；(b)雙變頻轉(zhuǎn)發(fā)器圖1-20 處理轉(zhuǎn)發(fā)器的組成框圖圖1-21 通信衛(wèi)星的一般組成框圖4 通信衛(wèi)星舉例通信衛(wèi)星舉例nIS系列衛(wèi)星的主要參數(shù)（表1-2和表1-3 ）n提供的服務(wù)主要有國際電話服務(wù)、國際電視服務(wù)、國內(nèi)通信服務(wù)、國際通信衛(wèi)星組織商業(yè)服務(wù)和國際互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)等。nIS-衛(wèi)星的主要特點（表1-4和表1-5）n功率更強，容量更大，覆蓋增快、技術(shù)先進(jìn)。1.4 工作頻段的選擇及電波傳播特點工作頻段的選擇及電波傳播特點n1 工作頻段的選擇n2 電波的傳播特點n3 移動衛(wèi)星通信電波傳播的衰落現(xiàn)象n4 多普勒頻移1 工作頻段的選擇工作頻段的選擇原則原則n工作頻段的電波應(yīng)能穿透電離層；n電波傳輸損耗及其它損耗要小；n天線系統(tǒng)接收的外界噪聲要?。籲設(shè)備重量要輕，耗電要??；n可用頻帶要寬，以滿足通信容量的需要；n與其它地面無線系統(tǒng)(如微波中繼通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)等)之間的相互干擾要盡量?。籲能充分利用現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備，并便于與現(xiàn)有通信設(shè)備配合使用。可供選擇的頻段可供選擇的頻段微波頻段的劃分微波頻段的劃分衛(wèi)星通信系統(tǒng)的工作頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)的工作頻段nUHF頻段：400/200 MHz；nL頻段：1.6/1.5 GHz；nC頻段：頻段：6/4 GHz；nX頻段：8/7 GHz；nKu頻段：頻段：14/