衛(wèi)星通信教案

《衛(wèi)星通信》教案第一章概論基本概念的介紹衛(wèi)星通信的基本概念衛(wèi)星通信的定義衛(wèi)星通信實際上就是利用通信衛(wèi)星作為中繼站的一種特殊的微波中繼通信方式信的術(shù)語和定義：地球站與宇宙站的通信宇宙站之間的通信通過宇宙站的轉(zhuǎn)發(fā)或反射進行的地球站之間的通信什么是星間連路？什么是星際連路？——銥系統(tǒng)靜止衛(wèi)星通信什么是靜止衛(wèi)星？并不是真的靜止不動，而是與地球同步運行一一同步衛(wèi)星全球通信：只要用三顆等間隔配置的靜止衛(wèi)星就可以實現(xiàn)全球通信衛(wèi)星通信系統(tǒng)的分類按覆蓋范圍分：國際衛(wèi)星通信系統(tǒng)，國內(nèi)衛(wèi)星通信系統(tǒng)和區(qū)域衛(wèi)星通信系統(tǒng)按用戶的性質(zhì)分：公用衛(wèi)星通信系統(tǒng)，專用衛(wèi)星通信系統(tǒng)，和軍用衛(wèi)星通信系統(tǒng)按衛(wèi)星的制式分：靜止和非靜止衛(wèi)星通信系統(tǒng)按衛(wèi)星高度分：低軌道，中軌道，靜止軌道，和高橢圓軌道靜止衛(wèi)星的特點：.優(yōu)點：.不足：保密性時延一一回波干擾和話音重疊.星蝕.日凌中斷衛(wèi)星通信系統(tǒng)和衛(wèi)星通信線路的組成衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成衛(wèi)星測控系統(tǒng)地球站和監(jiān)測管理系統(tǒng)衛(wèi)星通信線路的組成發(fā)端地球站上行線傳播路徑衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器和下行線路傳播路徑和收端地球站（一個完整通信過程需要經(jīng)歷什么？）衛(wèi)星通信工作頻段及電波傳播特點：工作頻段：UHF波段：400/200MHZL波段：1.6/1.5GHZC波段：6.0/4.0GHZX波段：8.0/7.0GHZKu波段： 14.0/12.0GHZ14.0/11.0GHZKa波段： 30/20GHZ

考慮天氣噪聲，大氣吸收損耗，通信衛(wèi)星工作頻段選擇在考慮天氣噪聲，大氣吸收損耗，通信衛(wèi)星工作頻段選擇在1?10GHz范圍最適宜1.4.2電波傳播特點：.自由空間損耗：LP=92.44+20Lgd+20lgfdBLP=32.44+20lgd+20lgfdB2.大氣損耗：降雨余量動衛(wèi)星通信電波傳播的衰落現(xiàn)象多徑衰落多普勒頻移普勒頻移當衛(wèi)星和用戶終端之間，衛(wèi)星與基站之間存在相對運動時，接收到的發(fā)射段載頻發(fā)生頻移第2章通信衛(wèi)星和地球站設備第2章通信衛(wèi)星和地球站設備第2章通信衛(wèi)星和地球站設備通信衛(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。按衛(wèi)星重量分：巨星大星中小星微型星…衛(wèi)星軌道衛(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(nèi)。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。假設地球是質(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（橢圓定律）：衛(wèi)星以地心為一個焦點做橢圓運動。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。（求在軌道上任意位置的瞬時速度）P18：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(zhuǎn)周期、遠地點和近地點的瞬時速度v（rmax^Dv（rmin）0E知地球半徑R=6378km。P19：例2已知地球半徑R=6378km，靜止衛(wèi)星的周期T=24恒星時=23h56min4.09s件均太陽時），求衛(wèi)星離地面高度h和勻速圓周運動速度V。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(nèi)。極地軌道。i=90，軌道面穿過地球南北極。傾斜軌道。0<i<90，軌道面傾斜于赤道。3、按衛(wèi)星軌道高度分類根據(jù)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)：h<1500km中軌道衛(wèi)星(MEO)：8000km<h<12000km靜止衛(wèi)星(GEO)：h=35786km。高橢圓軌道衛(wèi)星(HEO)：h>20000km4、按衛(wèi)星的運轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(T〈24恒星時)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(xiàn)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衛(wèi)星的位置保持和姿態(tài)控制1、位置保持實現(xiàn)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，通信衛(wèi)星的覆蓋利用衛(wèi)星構(gòu)成通信系統(tǒng)，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35786km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)域，不能覆蓋的區(qū)域是高于南北緯75°以上的地區(qū)。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)星其星下點在赤道上。用星下點來表示GEO在軌道上的位置（用經(jīng)度來表示）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(diào)整一個角度，該角度即是所謂的方位角。仰角：天線軸線與水平面之間的夾角。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)。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?？臻g平臺空間平臺又稱衛(wèi)星公用艙，用來維持通信轉(zhuǎn)發(fā)器和通信天線在空中正常工作的保障系統(tǒng)。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(shù)任務而配備的特有系統(tǒng)。不同用途的衛(wèi)星有不同的有效載荷。例如，資源衛(wèi)星的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(zhuǎn)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。1、天線分系統(tǒng)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(shù)據(jù)。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。2、通信轉(zhuǎn)發(fā)器又叫通信分系統(tǒng)或中繼器，實質(zhì)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(zhuǎn)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(zhuǎn)發(fā)無線電信號。轉(zhuǎn)發(fā)器通常分為：透明轉(zhuǎn)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(zhuǎn)發(fā)任務。處理轉(zhuǎn)發(fā)器：除進行信號轉(zhuǎn)發(fā)外，還具有信號處理功能。透明轉(zhuǎn)發(fā)器處理轉(zhuǎn)發(fā)器對數(shù)字信號進行解調(diào)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轉(zhuǎn)發(fā)器的數(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)發(fā)器，功率在1000?3000瓦之間大容量通信衛(wèi)星：有48個轉(zhuǎn)發(fā)器，功率在3000~7000瓦之間超大容量通信衛(wèi)星：轉(zhuǎn)發(fā)器多于48個，功率在7000瓦以上通信衛(wèi)星舉例一一鑫諾三號鑫諾衛(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)星廠播電視傳輸需要的廠播電視傳送衛(wèi)星。靜止軌道通信衛(wèi)星發(fā)射第一宇宙速度（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)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。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?qū)πl(wèi)星的引力越小，其環(huán)繞速度和脫離速度越小。衛(wèi)星發(fā)射的運載工具——多級火箭中國自1956年開始展開現(xiàn)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2號”運載火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(shù)百公里的橢圓形軌道“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(zhuǎn)移軌道。同步轉(zhuǎn)移軌道運載能力為1.6噸?！伴L征4號”是三級常規(guī)運載火箭，作為發(fā)射地球同步轉(zhuǎn)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。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300km?400km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(zhuǎn)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(chǎn)生反向推力，使衛(wèi)星停止在預定的靜止軌道位置。衛(wèi)星通信地球站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(jù)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。D1，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，F(xiàn)1，稱為小型站，它們的業(yè)務容量較小，一般用于商用系統(tǒng)（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(nèi)電路，租賃專線。對地球站的技術(shù)要求一般來說，對地球站應有以下幾方面的要求①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(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)來的微弱信號。②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)務的信號。③性能穩(wěn)定、可靠，維護、使用方便。④建設成本和維護費用不應太高。(1)地球站的性能指標一一品質(zhì)因數(shù)(G/T)G/T是地球站接收天線的增益G與地球站接收系統(tǒng)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(zhì)因數(shù)。(2)有效輻射功率及其穩(wěn)定度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。若功率偏小則信號差，若功率偏大則會帶來額外的干擾。(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(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，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(diào)干擾，必須對地球站在負載輕(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。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(tǒng)、發(fā)射機分系統(tǒng)、接收機分系統(tǒng)、信道終端設備分系統(tǒng)、伺服踉蹤設備分系統(tǒng)、監(jiān)控分系統(tǒng)(通信控制分系統(tǒng))、用戶接口分系統(tǒng)和電源分系統(tǒng)等。地球站設備的一般組成框圖1、天饋分系統(tǒng)天線饋線系統(tǒng)簡稱天饋系統(tǒng)。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(jié)構(gòu)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。①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(jù)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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，而且饋線較長，損耗噪聲較大。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。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(diào)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(jié)構(gòu)復雜，價格昂貴，制造、安裝、調(diào)試、維護的技術(shù)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②偏饋天線偏饋天線特別適合接收KU波段信號，一般來說口徑較小，通常在一米以下，反射面呈現(xiàn)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。2、大功率發(fā)射機分系統(tǒng)地球站大功率發(fā)射系統(tǒng)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(tǒng)的關鍵部件之一，其任務是將基帶調(diào)制信號放大到足夠的功率電平，經(jīng)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(diào)管（KPA）坤化綠場效應管（GaAsFET）對高功率放大器的要求大功率寬頻帶長壽命、高可靠性線性度高功率穩(wěn)定度高由于大型地球站的大功率微波輻射會造成有害于人體健康的環(huán)境，因此大型地球站通常不設置在人群稠密的地方，或進行必要的屏蔽。上變頻器，將較低的頻率（中頻信號）變換到較