第4章1衛(wèi)星通信系統(tǒng)

第4章1衛(wèi)星通信系統(tǒng)第一頁，共69頁。按頻段分類0.1-0.3（GHz），VHF，移動、導航業(yè)務(wù)；0.3-1.0，UHF，移動、導航業(yè)務(wù)；1.0-2.0，L，移動業(yè)務(wù)、指令傳輸；2.0-4.0，S，移動業(yè)務(wù)、指令傳輸；4.0-8.0(4/6)，C，固定業(yè)務(wù)；8..0-12.0，X；12.0-18.0(12/14)，Ku，固定業(yè)務(wù)；18.0-24.0，K；24.0-30.0，Ka；33.0-50.0，Q；50.0-75.0，V。第二頁，共69頁。按重量分類大型衛(wèi)星，Large，>1000kg，>1億美元；小衛(wèi)星，Small，500-1000kg，0.5-1億美元；微小衛(wèi)星，Mini，100-500kg，500-2000萬美元；微衛(wèi)星，Micro，10-100kg，200-300萬美元；納衛(wèi)星，Nano，<10kg，<100萬美元；皮衛(wèi)星，Pico，<1kg。第三頁，共69頁。

下圖是靜止衛(wèi)星與地球相對位置的示意圖。由此可見，只需三顆等間隔配置靜止衛(wèi)星就可以實現(xiàn)全球通信。第四頁，共69頁。衛(wèi)星系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)第五頁，共69頁。衛(wèi)星的主要設(shè)備包括下列

七大系統(tǒng)位置與姿態(tài)控制系統(tǒng)；天線系統(tǒng)；轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)；遙測指令系統(tǒng)；電源系統(tǒng)；溫控系統(tǒng)；入軌和推進系統(tǒng)。第六頁，共69頁。推進系統(tǒng)的自旋控制第七頁，共69頁。鏈路傳輸工程概述星地鏈路傳播特性衛(wèi)星通信全鏈路質(zhì)量8第八頁，共69頁。概述星際鏈路：只考慮自由空間傳播損耗。星-地鏈路：由自由空間傳播損耗和近地大氣層的各種影響所確定；衛(wèi)星通信的電波要經(jīng)過對流層（含云層和雨層）、平流層、電離層和外層空間，跨越距離大，影響電波傳播的因素很多。9第九頁，共69頁。熱層（電離層）80-500km中間層50-80km

平流層

16-50km對流層

7-16km外逸層500-64,374km10第十頁，共69頁。衛(wèi)星通信系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)11第十一頁，共69頁。(1)天線增益G衛(wèi)星通信中所使用的喇叭天線、拋物面天線等面天線的增益可按下式計算：其中，A為天線口面面積，為波長，為天線效率，現(xiàn)代卡塞格倫天線的可達0.75(f=4GHz)或0.65(f=6GHz)左右。A?也稱為天線的有效接收面積Ae。12第十二頁，共69頁。(2)等效全向輻射功率（EIRP）定義：地球站或衛(wèi)星的天線發(fā)射的功率P與該天線增益G的乘積。表明了定向天線在最大輻射方向?qū)嶋H所輻射的功率?？杀硎緸?/p>

EIRP=P·G

或[EIRP](dBW)=[P](dBW)+[G](dB)上行鏈路功率輻射能力通常用等效全向輻射功率（EIRP）來衡量。EquivalentIsotropicRadiatedPower13第十三頁，共69頁。(3)饋線損耗(L)實際的發(fā)射裝置中，發(fā)射機和天線之間有一段饋線，饋線損耗定義為其輸入端功率Pin與輸出端功率Pout的比值。

L=Pin/Pout通常用dB為單位，表示為

[L](dB)=[Pin](dBW)-[Pout](dBW)14第十四頁，共69頁。(4)傳輸損耗(L)衛(wèi)星通信中，電波在上行或下行鏈路中傳輸時，會受到各種因素的影響而產(chǎn)生損耗。最主要的是自由空間傳播損耗，此外，還應(yīng)考慮大氣損耗、天線跟蹤誤差、極化方向誤差等所產(chǎn)生的損耗。通常用dB為單位。15第十五頁，共69頁。(5)等效噪聲溫度（Te）和噪聲系數(shù)(NF)噪聲溫度是通信接收機中的一個重要概念，利用它可以衡量接收系統(tǒng)中產(chǎn)生的熱噪聲大小。噪聲功率為其中，k為波耳茲曼常數(shù)，1.38×10-23J/K；T為噪聲源的噪聲溫度，單位為K。B為系統(tǒng)帶寬為B，單位Hz。16第十六頁，共69頁。在實際衛(wèi)星通信中，其內(nèi)部總是會產(chǎn)生熱噪聲或其他噪聲。為了鏈路分析和設(shè)計的方便，把這些噪聲統(tǒng)統(tǒng)等效成熱噪聲來處理，因而引入等效噪聲溫度Te的概念。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部產(chǎn)生噪聲為N，如果一個輸入匹配電阻在溫度Te時產(chǎn)生的噪聲功率剛好等于N，則Te即為該網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲溫度。Te是一個等效溫度，不等于環(huán)境的物理溫度。17第十七頁，共69頁。除等效噪聲溫度外，通常噪聲系數(shù)也被用來表示系統(tǒng)的噪聲性能。噪聲系數(shù)定義為：室溫(290K)條件下，網(wǎng)絡(luò)的輸入信噪比和輸出信噪比的比值噪聲溫度(Te)與噪聲系數(shù)(NF)的關(guān)系為

[NF]=10lg(1+Te/290)dB18第十八頁，共69頁。(6)品質(zhì)因數(shù)（G/T

）下行接收系統(tǒng)的性能主要通過品質(zhì)因數(shù)G/T來體現(xiàn)。定義：接收天線增益與接收系統(tǒng)總的等效噪聲溫度的比值。

[G/T]=[G](dB)-10lgT

(dB/K)19第十九頁，共69頁。星-地鏈路傳播特性衛(wèi)星通信的電波在傳播中要受到損耗，其中最主要的是自由空間傳播損耗，它占總損耗的大部分。其它損耗還有大氣、雨、云、雪、霧等造成的吸收和散射損耗等。衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)還會因為受到某種陰影遮蔽(例如樹木、建筑物的遮擋等)而增加額外的損耗，固定業(yè)務(wù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)則可通過適當選址避免這一額外的損耗。20第二十頁，共69頁。1自由空間傳播損耗自由空間傳播，是指天線周圍為無限大真空時的電波傳播，它是理想傳播條件。電波在自由空間傳播時，其能量既不會被障礙物所吸收，也不會產(chǎn)生反射或散射。自由空間電波傳播是無線電波最基本、最簡單的傳播方式。自由空間是一個理想化的概念，為人們研究電波傳播提供了一個簡化的計算環(huán)境。21第二十一頁，共69頁。雖然電波在自由空間里傳播不受阻擋，不產(chǎn)生反射、折射、繞射、散射和吸收，但是，當電波經(jīng)過一段路徑傳播之后，能量仍會受到衰減，這是由輻射能量的擴散而引起的。電波在傳播過程中，能量將隨傳輸距離的增大而擴散，由此引起的傳播損耗稱為鏈路的自由空間傳播損耗。22第二十二頁，共69頁。經(jīng)電磁場理論推導，自由空間傳播損耗Lf為其中，d為傳播距離，單位為km f為工作頻率，單位為GHz傳播距離d越遠，自由空間路徑損耗Lf越大，當傳播距離d加大一倍時，自由空間路徑損耗Lf就增加6dB。電波頻率f越高，自由空間路徑損耗Lf就越大，當電波頻率f提高一倍時，自由空間傳播損耗Lf就增加6dB。23第二十三頁，共69頁。于是，若接收機與輻射源（發(fā)射機）相隔的距離為d，接收天線的有效面積為A，則所接收的信號載波功率pr為（假定輻射源是定向輻射，其天線增益為Gt）自由空間傳播損耗計算第二十四頁，共69頁。自由空間傳播損耗在不考慮發(fā)射與接收天線增益的情況下（即Gt、Gr都為1）發(fā)射功率與接收功率之比定義為自由空間傳播損耗，記作Lf。于是有（二）自由空間傳播損耗第二十五頁，共69頁。（二）自由空間傳播損耗式中，f為電波頻率；c為電波傳播速度，約為3×108m/s。第二十六頁，共69頁。（二）自由空間傳播損耗用分貝表示自由空間電波傳播損耗時，Lf為第二十七頁，共69頁。自由空間損耗與傳播路徑長度的關(guān)系28第二十八頁，共69頁。例：衛(wèi)星和地面站之間的距離為40,000km。計算6GHz時的自由空間損耗。解：29第二十九頁，共69頁。2鏈路附加損耗和噪聲衛(wèi)星通信系統(tǒng)涉及空間段和地面段，存在各種各樣的噪聲和干擾。信號傳播過程中除自由空間傳播損耗外，還有其它一些附加損耗。1、大氣吸收損耗在大氣各種氣體中，水蒸汽、氧氣對電波的吸收衰減起主要作用，稱為大氣吸收損耗。30第三十頁，共69頁。大氣吸收附加損耗與頻率的關(guān)系H2OO231第三十一頁，共69頁。如圖，總體上看，大氣吸收損耗隨頻率的增加而加大。由于在22GHz和60GHz處有較大的損耗峰存在，這些頻率不宜用于星-地鏈路，但可用于星間鏈路。在0.3-l0GHz的頻段，大氣損耗小，適合于電波傳播，這一頻段是當前應(yīng)用最多的頻段。30GHz附近也有一個低損耗區(qū)，正式Ka頻段的“無線電窗口”。32第三十二頁，共69頁。2、雨衰和云霧雪的影響由降雨引起的電波傳播損耗的增加則稱為雨衰。雨衰是雨滴對微波能量的吸收和散射產(chǎn)生的，并隨著頻率的增高而加大。通常在Ku波段及其以上波段，雨衰的影響不容忽視。雨衰的大小與雨量大小，以及電波穿過雨區(qū)的有效傳輸距離有關(guān)。為保證可靠通信，在進行鏈路設(shè)計時，通常先以晴天為基礎(chǔ)進行計算，然后留有一定余量，以保證降雨、下雪等情況仍然滿足通信質(zhì)量要求，這個余量叫降雨余量。33第三十三頁，共69頁。降雨衰減系數(shù)的頻率特性34第三十四頁，共69頁。3、大氣折射的影響在大氣層中，離地球表面越高，空氣密度越低，對電波的折射率也隨之減小，使電磁波在大氣層中的傳播路徑出現(xiàn)彎曲。由于折射的影響，這就使得電磁波到達衛(wèi)星站(或地球站)時偏離了原來的位置。因此，地球站對準衛(wèi)星的仰角，衛(wèi)星的可視性都與在自由空間時不同且還產(chǎn)生附加損耗等。相比自由空間傳播，波束上翹一個角度增量。大氣折射在低仰角通信時比較嚴重。35第三十五頁，共69頁。36第三十六頁，共69頁。微波信號通過大氣層時產(chǎn)生折射37第三十七頁，共69頁。4、電離層、對流層閃爍的影響閃爍的概念：地球站與衛(wèi)星間的無線電波通過電離層和對流層時，由于該層媒質(zhì)小范圍折射率不規(guī)則的起伏變化，使地面接收到的信號振幅與相位發(fā)生快速的起伏現(xiàn)象，這種起伏變化稱為閃爍。38第三十八頁，共69頁。電離層閃爍形成多徑傳播39第三十九頁，共69頁。電離層閃爍：由電離層內(nèi)電子密度的隨機不均勻性，可使信號產(chǎn)生折射。主要對較低頻段(1GHz以下)的電波產(chǎn)生明顯的散射和折射，引起信號衰落。對流層閃爍：由于對流層的溫度、濕度的逆變或湍流運動，引起折射指數(shù)的不均勻性，對電波產(chǎn)生散射。主要影響低仰角和10GHz以上頻率，強度隨電波頻率的升高而增大。對閃爍深度大的地區(qū)，用編碼、交織、重發(fā)等技術(shù)來克服衰落，減少閃爍的影響；其它地區(qū)可用適當增加儲備余量的方法克服閃爍的影響。40第四十頁，共69頁。5、多徑傳播電波在移動環(huán)境中傳輸時，會受到地形、地物的影響而產(chǎn)生反射、繞射、散射等，從而使電波沿著各種不同的路徑傳播，到達接收天線時，已經(jīng)成為通過各個路徑到達的合成波，這稱為多徑傳播。各傳播路徑分量的幅度和相位各不相同，接收端多徑信號可能同相疊加，信號增強，也可能反相抵消，合成信號被減弱，由此形成的合成信號起伏不定，稱為多徑衰落。41第四十一頁，共69頁。地面反射形成的多徑傳播42第四十二頁，共69頁。6、系統(tǒng)熱噪聲熱噪聲，又稱白噪聲。只要傳導媒質(zhì)不處于絕對零度（-273C），其中的帶電粒子就存在隨機運動，產(chǎn)生對信號形成干擾的噪聲，稱為熱噪聲。熱噪聲是由導體中電子的熱震動引起的，它是溫度變化的結(jié)果，但不受頻率變化的影響。熱噪聲是在所有頻譜中以相同的形態(tài)分布，它是不能夠消除的。43第四十三頁，共69頁。熱噪聲功率k為波耳茲曼常數(shù)，1.38×10-23J/K；T為噪聲源的噪聲溫度，單位為K；B為系統(tǒng)帶寬，單位Hz。44第四十四頁，共69頁。7、宇宙噪聲宇宙噪聲來自于外層空間星體的熱氣體在星際空間的輻射，包括銀河系輻射噪聲、太陽輻射噪聲和月球、行星等射電源輻射噪聲，其中最主要的噪聲干擾源來自太陽。在太陽處于寂靜期時，只要接收機的天線不對準太陽，太陽噪聲對系統(tǒng)的影響不大。但在每年的春分和秋分前后若干天，每天會有幾分鐘時間日凌中斷，造成嚴重干擾。干擾發(fā)生的具體時間與地球站位置有關(guān)。45第四十五頁，共69頁。8、大氣和降雨噪聲電波穿過電離層、對流層時，水蒸氣和氧分子的諧振會吸收電波能量而帶來附加損耗，同時產(chǎn)生電磁輻射形成噪聲，即大氣噪聲。降雨除了衰減信號以外還引起噪聲溫度的增加和去極化的發(fā)生，降雨引起的衰減對信號影響較明顯，因此，一般情況下都要考慮雨衰的影響，在進行較精確的計算時也還要考慮降雨噪聲和去極化等因素。工程上，降雨噪聲和雨衰往往一并考慮，用留有足夠系統(tǒng)余量的方法來解決。46第四十六頁，共69頁。9、其它噪聲干擾衛(wèi)星通信系統(tǒng)內(nèi)的其他噪聲干擾主要包括系統(tǒng)間干擾、共道干擾、互調(diào)干擾、交叉極化干擾等。系統(tǒng)間干擾：如衛(wèi)星通信系統(tǒng)與地面微波通信系統(tǒng)之間的干擾。共道干擾：為了充分利用頻率資源，常采用空間頻率復用技術(shù)，相同頻道可能分配在指向不同地區(qū)的兩個波束覆蓋區(qū)，但波束間的隔離往往并不十分理想，從而產(chǎn)生共信道干擾。47第四十七頁，共69頁。交叉極化干擾：為了充分利用頻率資源，衛(wèi)星通信系統(tǒng)常采用極化隔離頻率復用技術(shù)，即兩個波束的指向區(qū)域可能是重疊的并且使用相同的頻率，通過使用不同的極化方式來實現(xiàn)信號間的隔離。由于極化的不完全正交可能造成干擾，即能量從一種極化狀態(tài)耦合到另一種極化狀態(tài)引起的干擾。這也是一種共道干擾。在微波和波長更短的波段，去極化主要產(chǎn)生于雨、冰晶。48第四十八頁，共69頁?；フ{(diào)干擾：衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中采用了高功率放大器(HPA,HighPowerAmplifier)，當轉(zhuǎn)發(fā)器用于轉(zhuǎn)發(fā)多載波信號時，HPA可以同時放大多個載波信號(幾個、十幾個甚至幾百個載波)。目前衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的功放級大都采用行波管放大器(TWTA)，作為功放級的TWTA，是一個非線性放大器，它的幅度特性是非線性的，交調(diào)干擾主要是由放大器的非線性特性引起的。49第四十九頁，共69頁。傳播問題物理原因主要影響衰減和天空噪聲增加大氣氣體、云、雨大約10GHz以上頻率信號去極化雨、冰結(jié)晶體C和Ku頻段的雙極化系統(tǒng)（取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)）折射和大氣多徑大氣氣體低仰角跟蹤和通信信號閃爍對流層和電離層折射擾動對流層：低仰角和10GHz以上頻率電離層：10GHz以下頻率反射多徑和阻塞地球表面及表面上物體衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)傳播延遲、變化對流層和電離層精確的定時、定位、TDMA系統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的傳播問題50第五十頁，共69頁。3.3衛(wèi)星通信全鏈路質(zhì)量鏈路預(yù)算分析51第五十一頁，共69頁。PT：發(fā)射功率Pr：電波經(jīng)自由空間傳播后的接收信號功率Lt：發(fā)射機到發(fā)射天線的波導傳播損耗（饋線）Lr：接收天線到接收機的波導傳播損耗Lf：自由空間傳播損耗由此獲得功率平衡方程若功率單位為dBW，損耗單位為dB，則功率平衡方程可寫為52第五十二頁，共69頁。傳輸損耗(L)實際衛(wèi)星通信中，除自由空間傳播損耗，此外，還應(yīng)考慮大氣損耗、天線跟蹤誤差、極化方向誤差等所產(chǎn)生的損耗。總的傳輸損耗是各種損耗之和。定義發(fā)射機的等效全向輻射功率EIRP為：

[EIRP]=[Pt]-[Lt]+[Gt]由此，功率平衡方程可寫為53第五十三頁，共69頁。根據(jù)前面對熱噪聲的分析，接收機的輸入噪聲功率為k為波耳茲曼常數(shù)，1.38×10-23J/K；B為系統(tǒng)的帶寬；T為接收系統(tǒng)的等效噪聲溫度，它包括天線、饋線和接收機在內(nèi)的所有噪聲的等效噪聲溫度。以接收機輸入端為參考點，將天線、饋線的噪聲溫度折算到接收機輸入端，并與接收機內(nèi)部噪聲折算的等效噪聲溫度相加。54第五十四頁，共69頁。（地球站）天線噪聲主要包括了由天線主瓣進入天線的宇宙噪聲、大氣噪聲，和由天線旁瓣進入的地面噪聲、大氣噪聲和太陽噪聲。同時，下雨時還有雨的吸收噪聲。一般來說，晴天條件下天線噪聲溫度大約在30-50K的范圍，然而它與下列因素有關(guān)：仰角（仰角越大，噪聲越小）；天線直徑（直徑越大，噪聲越?。?；天氣條件（雨天噪聲劇增，特別是10GHz以上的頻段）。55第五十五頁，共69頁。衛(wèi)星通信中，通常用載噪比來衡量整個鏈路性能。用C表示接收信號載波功率(相當于前面的Pr)，G表示接收天線增益(相當于前面的Gr)，N表示接收端的噪聲功率于是，接收信號的載噪比（載波功率與噪聲功率之比）C/N為56第五十六頁，共69頁。EIRP=PtGtL=LfLtLr

為系統(tǒng)總的傳輸損耗，G/T為接收系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)，于是，C/N化簡為以dB為單位57第五十七頁，共69頁。在進行鏈路預(yù)算分析時，為了避免涉及接收機的帶寬，也常用載波功率與等效噪聲溫度之比C/T反映系統(tǒng)的性能式中，L=LfLtLr

為總的傳輸損耗，G/T為接收系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)，它是評價接收機性能好壞的重要參數(shù)，G/T越大，接收性能越好。58第五十八頁，共69頁。不同類型的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，對G/T的要求有較大差異。例如國際衛(wèi)星七號（IS-Ⅶ）的工作于全球波束的空間站G/T值為-11.5dB/K，天線仰角大于5度的A型標準地球站，在晴天的G/T值應(yīng)滿足：G/T≥40.7+20lg(f/4)。歐洲通信衛(wèi)星（EUTELSAT）是區(qū)域性波束覆蓋，空間站G/T值為-5.3dB/K，而對地球站G/T的要求為37.7dB/K+20lgf/4。衛(wèi)星移動通信的地面移動終端天線增益通常只有1~2dB，G/T在-22~-23dB/K左右。59第五十九頁，共69頁。例：假設(shè)衛(wèi)星鏈路的傳播損耗為200dB，余量和其它損耗總計為3dB，接收機的[G/T]值為11dB/K，EIRP值為45dBW。計算系統(tǒng)接收到的[C/N]值。（假設(shè)帶寬為36MHz）解：60第六十頁，共69頁。例：載波頻率12GHz，自由空間損耗206dB，天線指向損耗1dB，大氣損耗2dB，接收機的G/T值為19.5dB/K，接收機饋線損耗1dB。EIRP為48dBW。計算載噪比。（假設(shè)帶寬為10MHz）解：61第六十一頁，共69頁。例：已知IS-IV號衛(wèi)星工作在C波段，衛(wèi)星和地球站相距d=40000km，作點波束1872路運用時，其有效全向輻射功率[EIRPS]=34.2dBW，接收天線增益GRS=16.7dB。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LF=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。62第六十二頁，共69頁。解：距離d=40000km，

C波段上行鏈路工作頻率為6GHz，下行鏈路工作頻率為4GHz，則上行鏈路自由空間傳播損耗為下行鏈路自由空間傳播損耗為63第六十三頁，共69