神舟六号载人飞船“天地通信”系统剖析

神舟六号载人飞船“天地通信”系统剖析 1 神舟六号载人飞船“天地通信”系统剖析 神舟六号载人飞船 2005年 10月 17 日 4时 33分，神舟六号载人航天飞船的安全返回，预示着我国航天事业的又一次成功。神六载着两名宇航员正常在轨运行 117 个小时又32分钟，环绕地球运行 77周，为我国的航天事业揭开了新的篇章。神六的成功是我国航天事业实现第二步战略目标开始的标志。其成功发射无论是从经济、政治、技术还是军事方面讲都有伟大的意义，是我们每一个爱国的中华儿女不得不为之高兴的伟大事件。同时也为世界的和平和进步做出了伟大的贡献。 从技术方面讲，测控与天地 通信系统在其中起着关键性的作用。它作为神舟系统七大组成部分之一，在神舟六号载人飞船的发射、运行和返回过程中起着不可磨灭的作用。在我国的载人航天工程这一宏伟工程中，通信的地位空前重要起来，因为载人航天工程是一个由成千上万台成套设备构成的天地互联的庞大网络系统，必须构建一个陆海空天一体化的立体通信网，将测控通信系统成千上万台成套设备互联沟通成为一个真正可以实现测量、控制和通信能力的规模庞大的支持保障网络。测控网进行全球布站，使得通信网能保证全球互联，也就是说，载人航天工程的测控需要到哪里，通信就会跟到哪里。 与 普通卫星的测控通信相比，载人航天工程有着高实时、高可靠、高覆盖的显著特点。航天测控网在确保完成飞船升空和返回的前提下，还要保证地面测控站每个圈次都能够测控到飞船。 我国的载人航天系统在此次神舟六号的发射过程中采用四船九站搭建起的高效载人航天测控网来对飞船实施控制。我国在神六中的测控系统采取全球布站这一个基本的策略，因为飞船要经过地球的上空运行，光靠我们国内的测控站无法对整个飞船每圈都进行跟踪，要实现每圈都进行跟踪的话，必须进行全球布站。现在我们在三大洋布了四条船，国内有五个测控站，国外还有三个测控站。经过科 学的布站能保证飞船在轨运行期间每圈都有可见的测控弧段，每圈都能跟飞船沟通联络。布设在海上的 4条远望号远洋测量船和海外的 3个陆上测控站，解决了我国国土跨度不足的问题，使飞船测控的覆盖率得到提高，飞船回收时的测控神舟六号载人飞船“天地通信”系统剖析 2 能力也得到加强；布设在国内的东风站、渭南站、青岛站、厦门站和喀什站是固定测控站，和田站是活动测控站，在飞船上升段它们能够做到测控的无缝联接。此外还有一个移动地面站。 由这 13 个测控站构建起的我国新一代航天测控网除具备常规的跟踪、通信与控制功能外，还具有天地话音、电视图像和高速数据传输能力，既可支持载 人飞船、所有的中低轨道卫星测控，也可支持部分同步卫星的测控任务。可以实现载人航天工程测控通信高实时、高可靠、高覆盖的要求。 作为中国航天测控网的海基部分，四艘船（远望一号、远望二号、远望三号及远望四号分別位于太平洋、大西洋、印度洋等预定海域）在神舟六号飞船载人航太飞行任务中主要担负着飞船入轨段、运行段、返回段和轨道舱留轨初期的海上测控通信任务，其测控通信时间占整个测控通信系统覆盖率的近 50。 天地通信系统中，非常直观的两部分：话音通信和图像通信。是了解任务情况直接效果最好的手段，因而也最为观众关注。四船 九站搭建起的高效载人航天测控网是我国目前传输速度最高的通信网，形成了载人航天工程的“神经”网络，把天上地下联成一个有机整体。 天地通话不是通过普通的电话线来完成，而是采用了天地语音通信系统和专用宽带通信系统。需要飞船上的话音设备以及地面上的话音设备，以及天地之间的桥梁的无线之间构成的大道，必须有一个无线电的桥梁把天地联系在一起。在北京飞控大厅右侧的通信机房、数据传输机房等，与不远处办公大楼内的光纤网和分组交换设备联成一体，与设在北京郊外的卫星地面通信站，共同构成了通信枢纽 通过这一枢纽，地面便可与航天员实 现天地对话。 当然天地对话的实现，还需要强大的航天测控通信网来支持。而“天地通话”也并不仅仅是简单地用于通话和问候。整个通信系统要完成控制中心、测控站以及航天器之间的信息传输，通过有线和无线信道把航天控制中心与各测控站、航天发射场以及回收区联系起来形成航天测控通信网，同时在载人飞船飞行中还有另外特殊的作用 直接参与飞船整个运行的全过程，是载人航天工程不可分割的重要组成部分。同时由于测控网采用了透明传输的工作模式，使地面与飞船的沟通联系瞬间可连，犹如建起一条天地间的通信高速公路。 载人飞船升空后，必须依 靠完善的测控通信系统与指挥中心随时保持联系，实现从发射、运行到最终返回的全程跟踪与遥控。这其中包括短波、超短波、 测控系统的稳定性和覆盖能力要求极高。我国新型航天测控网采用的 制新、一网多用、规模大、经济效益高五大优势，为神舟飞船遨游太空提供了有神舟六号载人飞船“天地通信”系统剖析 3 力的技术支撑。 为保证话音和图像传输的高质量，采用了先进的压缩编码等技术，同时采用多种手段以确保话音通信与图像通信的传输不会有差错。当飞船飞经测控范围时，通过天地通信信道，飞船上摄像机可以 将宇航员的画面传回飞控中心。同时宇航员用 虽然，天地通信系统取得了伟大的进步，实现了话音和图像的传输。但是还有许多问题等待我们的进一步解决，以便使我们的神舟系统更加完善，使我们中国的航天事业更加勇往直前。 当前，神舟六号载人飞船天地通信系统中采用的四船九站搭建的高速载人航天测控和通信网虽然实现了上升段的完全覆盖，同时在返回段能保证关键点测控覆盖的设计要求并能完成载人航天工程的测控通信任务，但是对飞船在轨飞行的覆盖率不是很高，还有很大的局限性。神舟六号载人航天飞船测控和天 地通信系统突出表现的缺陷还有许多，有待我们的分析与解决。这些缺陷的解决对今后载人航天事业的进一步发展，尤其是对下一步准备发射的神舟七号和神舟八号都有巨大的推动作用。 以上内容将在本论文的第六章详细介绍，并勾勒出了四船九站测控网机理图。在该章中还将讲述我国的航天发展史及未来的发展战略目标等相关内容。 卫星通信基本技术概要 自从 20世纪 60年代中期卫星通信投入使用以来，已经历了 30 多年的发展。目前已有数百颗卫星、数千个转发器在轨运行。神舟号系列飞船就是卫星的一种，所以在介绍我国的载人航天事业以 前有必要比较详细地介绍有关卫星通信的基本内容。同时，搭建高效载人航天测控网的四船九站就相当于卫星通信中的地球站，所以地球站是怎样工作的？它有哪些功能？ 对我国的载人航天测控网中天地通信系统的理解有很大的帮助。 卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发或反射无线电信号，在两个或多个地球站之间进行的通信。地球站是指设在地球表面（包括地面，海洋和大气中）的无线电通信站。用于实现通信目的的人造卫星叫通信卫星。卫星通信实际就是利用通信卫星作为中继站的一种特殊的微波中继通信方式。在本论文的第二章将介绍卫星通信的基本 概念、组成、分类、应用及发展；通信卫星的种类、轨道、组成、新技术；同时还将进一步介绍卫星通信地球站 ,包括地球站的分类、地球站的组成及各组成部分的功能和组成等。 卫星通信工作频段的选择是一个十分重要的问题，它将影响到系统的传输容神舟六号载人飞船“天地通信”系统剖析 4 量、地球站及转发器的发射功率、天线尺寸和设备的复杂程度等。本论文将在第三章介绍卫星通信无线电波传播和工作频段的选择。无线电波工作频段的选择和利用、无线电波的传输损耗。将详细地介绍无委会对频段的划分及各个频段的特点，如 L 波段、 S 波段、 段等。我国载人航天系统主 要采用 S 波段同时还用短波、超短波等来保证通信的高可靠、高实时和高覆盖。在该章中将说明它们的特点及区别。 论文第四章将讲述卫星通信的组网技术。卫星通信组网技术主要包括：卫星发射与测控、网络建立与入网验证、网络监控与管理以及地面接口技术，论文还将简要介绍 卫星发射与测控发射中分别讲述运载火箭发射卫星的过程和航天飞机发射卫星的过程，并讲述两种运载工具的区别。卫星的运载工具有两种：运载火箭和航天飞机。前者只能一次性使用，而后者能反复多次使用。当前，美国、俄国、西欧、中国、和日本等国家和地区都 具有运载火箭发射卫星的能力，并且美国还用航天飞机发射卫星。航天飞机是一种新型的运载工具，是一种有人驾驶的空间飞行器。它兼有航天和航空两种本领，既能像火箭一样垂直起飞，像飞船一样沿轨道运行；又能像飞机一样水平着陆。它由轨道器、助推器和外燃料箱（又称外挂箱）三部分组成。同时本章还将详细介绍运载火箭的工作过程。 第五章卫星通信信号传输技术中将分别介绍模拟信号的传输、数字信号调制技术、语音信号传输方式、图像信号传输方式。将介绍语音压缩编码和图像压缩编码技术。同时还有许多的相关知识，如语音编码质量的评定规则，语音编码 方法，图像压缩编码的优点和作用等。 语音编码研究的基本问题之一就是在给定编码速率的条件下，如何或更高的重建语音质量，或者在给定重建语音质量条件下，如何降低编码速率。在这个意义上也称语音编码为语音压缩编码。降低语音编码速率的基本依据或途径是利用语音信号本身的冗余度和人耳的听觉特性。 语音的压缩编码方法归纳起来可以分为三大类：波形编码、参数编码和混合编码。 衡量语音压缩编码性能的主要指标是：语音编码质量、编码速率、编码算法复杂程度和编解码延时。不过这些指标可能互相矛盾，必须根据实际情况经行权衡。 图像信号的传输 方式中将简要介绍压缩编码的方法、图像压缩编码方法的分类等。 虽然 编码压缩方法有许多种，但不同的角度分类也不同。本章还将提到当神舟六号载人飞船“天地通信”系统剖析 5 前社会上比较先进的图像压缩编码方法，如 总之，论文的前五章将介绍与卫星通信有关的基本内容，与载人航天通信系统有关的频率分配及频段利用问题、测控网络的组网问题及语音编码和图像编码问题等。对于第六章神舟六号天地通信系统的理解都是必不可少的重要组成部分，也是最后得出结论的理论支持部分。 2 卫星通信系统 卫星通信的基本概念、组成、应用及发展 卫 星通信的定义 卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发或反射无线电信号，在两个或多个地球站之间进行的通信。地球站是指设在地球表面（包括地面，海洋和大气中）的无线电通信站。用于实现通信目的的人造卫星叫通信卫星。卫星通信实际就是利用通信卫星作为中继站的一种特殊的微波中继通信方式。 卫星通信是宇宙无线电通信的形式之一。通常，把以宇宙飞行体为对象的无线电通信统称为宇宙通信。共同进行宇宙无线电通信的一组宇宙站和地球站叫做宇宙系统。宇宙站是指设在地球大气层之外的宇宙飞行体（如人造通信卫星，宇宙飞船等）或其它天体（如月 球或别的行星）上的通信站。宇宙通信有三种基本形式：地球站与宇宙站之间的通信；宇宙站之间的通信；通过宇宙站的转发或反射进行的地球站之间的通信。第三种通信方式通常称为卫星通信。当卫星是静止卫星时称为静止卫星通信。利用卫星传输电视时，常称为宇宙传播或卫星转播。 卫星通信系统分类 卫星通信系统的分类方法很多，可以按照卫星的运动状态、卫星的通信范围、卫星的转发能力、基带信号的体制、多址方式、通信业务种类以及卫星通信所用频段的不同来区分。这些依据都是卫星通信系统的特征。 按照通信卫星的轨道和相对于地球 的运动状态，有同步卫星通信系统和运动卫星通信系统之分。后者又有随机和相位卫星通信之分。 按照通信卫星的结构或转发无线电信号的能力，卫星通信系统可分为有能量放大作用的有源卫星系统或叫主动卫星系统，以及只起反射无线电波作用的无源卫星通信或叫被动卫星通信系统。 按照通信业务种类和用途，还可分为电话、电报、传真、数据传输和电视转神舟六号载人飞船“天地通信”系统剖析 6 播等综合业务卫星通信系统、电视转播卫星通信系统、宇宙研究探测卫星通信系统、气象卫星通信系统、导航卫星通信系统、教学卫星通信系统以及军事卫星通信系统等。 卫星通信系统的组成 卫星通信系统由空间分系统，通信地球站、跟踪遥测及指令分系统和监管理分系统等四大功能部分组成。其中跟踪遥测及指令分系统对卫星进行跟踪测量，控制其准确进入静止轨道上的指定位置，并对在轨卫星的轨道，位置及姿态进行监视和校正。监控管理分系统对在轨卫星的通信性能及参数进行业务开通前的监测和业务开通后的例行监测和控制以保证卫星通信的正常运行和工作。空间分系统是指通信卫星，主要由天线分系统（转发器）、遥测与指令分系统、控制分系和电源分系统等组成。地面跟踪遥测、指令分系统和监控管理分系统与空间相应的遥测、指令分系统及控制分 系统不直接用于通信，而用于保障通信的正常进行。 一个卫星通信系统包括许多通信地球站。由发端地球站、上行线传播路径、卫星转发器、下行线传播路径和收端地球站组成卫星通信线路，直接用于通信。 一、 卫星转发器 通信卫星是一个设在空中的微波中继站，卫星中的中继系统称为卫星转发，其主要功能是收到地面发来的信号后（称为上行信号）进行低噪声放大，然后混频。混频后的信号再进行功率放大，之后发射回地面（下行信号）。卫星通信中，上行和下行信号的频率是不同的，是为了避免在卫星通信天线中产生同频干扰。 一个通信卫星往往有多个转发器，每个 转发器被分配在某一工作频段中，并根据所使用的天线覆盖区域租用或分配给处在覆盖区域的卫星通信用户。 二、 通信地球站 通信地球站由天线馈线设备、发射设备、接收设备、通信终端设备等组成。 天线是一种定向辐射和接收电磁波的装置。它把发射机输出的信号辐射给卫星，同时把卫星发来得电磁波收集起来送到接收设备。 发射设备将信道终端设备输出的中频信号变成射频信号（ 并把这一信号的功率放大到一定值。 接收设备的任务是把接收到的极其微弱的卫星转发信号首先经行低噪声放大然后变频到中频信号，再通过信道终端设备解 调及其它处理。 对发送支路来讲，信道终端的基本任务是将用户设备（电话、电话交换机、计算机、传真机等）通过传输线接口输入的信号加以处理，使之变成适合卫星信神舟六号载人飞船“天地通信”系统剖析 7 道传输的信号形式。对接收支路来讲，经行与发送支路相反的处理，将接收设备送来的信号恢复成用户的信号。对用户信号的处理可包括模拟信号数字化、信源编码 /解码、信道编码 /解码、中频信号的调制 /解调等。 通信卫星 卫星的种类 以下是几种常见的分类方法。 按卫星结构和运动状态分：通信卫星按结构可分为有无源卫星和有源卫星；按其运动状态可分为静 止卫星和运动卫星。 按其形状，通信卫星可分为：球形卫星、箱形卫星、圆柱体卫星、锥顶圆柱 多棱柱形卫星、风扇形卫星、多面塔形卫星、球环形卫星、不规则形卫星等。 按业务种类分为：商用卫星、军用卫星、气象卫星、科研卫星等。 卫星轨道 卫星绕地球运行，其运动轨迹叫卫星轨道。通信卫星根据使用目的和发射条件不同，可能有不同高度和不同形状的轨道，但它们的轨道位置都在通过地球重心的一个平面内。卫星运动所在的平面叫轨道平面。卫星轨道可以是圆形的或椭圆形的。 按卫星轨道的形状、倾角、高度、运转周期等的不同，也 可把卫星分为不同的类型，在此就不在一一罗列。 通信卫星的覆盖 利用卫星构成通信系统，首先要弄清它的覆盖范围。显然，星上天线波束形状不同及波束中心指向不同，它们照射地球表面所形成的覆盖范围和区域也就不同。多数情况下，卫星天线有效波束宽度远小于全球波束宽度，这样可以将能量集中射向所要服务的地区，并且抑制向服务区外的辐射。至于采用何种天线类型取决于天线频率、波束宽度和运载工具的有效载荷（尺寸和重量）。最小波束宽度取决于卫星姿态保持、稳定精度以及诸如覆盖区和频率再用一类的业务要求。以下是几种常见的 卫星天线：全球波束、半球波束、区域波束、点波束等。 通信卫星的组成 通信卫星由空间平台和有效负荷两部分组成。 一 .、空间平台又称卫星公用舱，用来维持通信转发器和通信天线在空中正神舟六号载人飞船“天地通信”系统剖析 8 常工作的保障系统。主要包括：结构、温度、电源、控制、遥测、指令与测距等分系统，对静止轨道卫星还包括远地点发动机等。 结构分系统是卫星的主体，使卫星具有一定的外形和容积，并能承受星上各种载荷和防护空间环境的影响。 卫星的一面直接受太阳辐射，而另一面却对着寒冷的太空，处于严酷的温度条件之中。温控系统的作用就是控制卫星的温 度，保证星上各仪器设备正常工作。 控制分系统由各种可控的调整装置组成。在地面遥控指令站的指令控制下， 完成远地点发动机点火控制，对卫星的姿态、轨道位置、各分系统的工作状态和主备份设备的切换等进行控制和调整。它是一个执行机构。 跟踪、遥测、指令分系统中，跟踪部分用来为地球站跟踪卫星发送信标。星上遥测、指令分系统是属于包括地面测控站在内的整个卫星测控系统的一个组成部分。那些被监测的参数通过传感器转换成电信号，再通过抽样、模数变换、编码及调制后，发回地面。地面测控站收到该信号后，通过解调、解码将遥测信号恢复，并将 其送到计算机进行处理。当计算机发现星上某些参数不符合要求时，会立即发出指令信号，通过测控站发给卫星。星上指令接收机收到该信号后，通过指令译码器进行译码，并送到控制系统去执行。 星上电源分系统由一次能源、二次能源及供配电设备组成。 二、 通信卫星的有效载荷包括全部通信转发器和天线。 卫星上的通信系统即转发器或中继器，其实质是一部宽频带的收、发信机。卫星上可能有若干转发器，每个转发器覆盖一段频段。对转发器的基本要求是工作可靠，附加噪声和失真要小。 卫星通信地球站 卫星通信地球站的分类 地球站是卫星通信系统的重要组成部分。它可以按安装方式、传输信号特征、天线口径尺寸、设备规模及用途等来分类，通常可分为以下几类： 按安装方式分有固定站（建成后站址不可变）；可搬运站（在短时间内能拆卸转移的地球站 ）；移动站（工作时站址可变）。 按传输信号特征分有模拟站和数字站之分。模拟站是传输模拟信号的地球站，如电视广播接收站。数字站是传输数字信号的地球站，如数据通信站。 按用途分有民用通信站、军用通信站、卫星广播业务站、气象卫星通信站（包神舟六号载人飞船“天地通信”系统剖析 9 括云图接收站）、卫星监控站、航空站、航海站及实验站。 按天线主反射面口 径及设备规模分有大型站、中型站、小型站和微型站之分。 按业务性质可分为遥控、遥测、跟踪站（兼有遥测和遥控功能），通信参数测量站（监视转发器及地球站通信系统的工作参数）和通信业务站。 此外，地球站还可按工作频段、通信卫星类型、多址方式等不同进行分类，而且随着科学技术的迅猛发展和社会需求的日益增大，地球站新的种类仍不断涌现，地球站的分类也将随之而有所改变。 地球站的组成及各组成部分的功能和组成 对不同的通信体制，地球站的组成也不相同。但是，从地球站设备的基本组成和工作过程来看，一般包括天线分系 统、发射分系统、接收分系统、信道终端设备分系统、伺服跟踪设备分系统、监控分系统、用户接口分系统和电源分系统等。站外的用户信号，经过电缆、光缆或微波中继等地面通信线路送进地球站，先经用户接口分系统的发送支路做初步处理后，送信道终端分系统的发送支路做进一步的基带处理并对中频载波进行调制，再经发射分系统进行上变频和高功率放大，变成适合于卫星信道传输的上行射频已调载波信号，最后经极化变换送入天线，以一定极化的无线电波形式发向卫星。经卫星处理，变为下行射频信号并转发给系统内的各地球站。地球站天线收到由卫星转发来的具有 一定极化方式的微弱信号，经极化变换和极化分离进入接收分系统的低噪声放大器和下变频器信道终端分系统的解调器和收基带处理单元、用户接口分系统的接收支路等设备，经行与发送端相反的射频、中频、基带的加工处理，从中选择并提取属于本站应收的信号，保证达到一定的传输质量，最后经地面通信线路分送给有关用户。 为保证各部分设备能正常工作，必须在站内进行集中监视、控制和测试，监控设备功能就是监视系统内各种设备的工作状态，能告警及经行故障处理。 此外，为保证地球站天线对准卫星，以便正常地接收卫星转发的信号和向卫星发射信号，还应该 设有天线的伺服跟踪系统等。 一、 天线馈线分系统（天馈系统） 是地球站的重要组成部分之一，是实现自由空间的电磁波能量与发射和接收的导行波能量之间联系的设备。决定地球站容量和通信质量。其基本任务如下： 1. 要把发送设备产生的大功率微波信号以电磁波的形式向卫星方向发射； 2. 接收卫星转发的微波信号，并把它送至接收设备的低噪声放大器； 3. 由于要始终跟踪卫星，还要通过它取得跟踪用的误差信号。 神舟六号载人飞船“天地通信”系统剖析 10 所以，为了完成上述任务，天线馈线分系统除包括天线、馈线外，还应包括用以分离跟踪信号的部件等。 天线：可采用抛物面天 线、喇叭天线和喇叭抛物面天线等多种形式。目前采用较多的是双反射镜式抛物面天线。它是根据卡塞格伦天文望远镜的原理研制而成的，其优点是可以把大功率发射机或低噪声接收机直接与馈源喇叭相连，从而降低了因馈电波导过长而引起的损耗噪声。同时，可降低了大地反射噪声。 双工器：用来实现天线及馈源的收、发公用，并保证收、发信机之间的隔离。双工器的隔离作用主要是利用收、发波极化的正交性和收、发频段的不同来实现的。其中收发频段的不同，是通过发送滤波器及接受滤波器来实现的。 极化变换器：发送的信号经双工器后，应通过极化变换器，把线 极化波变换为左旋极化波，再向天线方向传输。同时天线所接受的信号则应通过极化变换器先把它变换为与发送波成正交的线极化波，再经双工器等，向接收设备传输。 信标分离器：作用是在通信信号顺利通过的同时取出跟踪和信号，供给跟踪接收机。实际是由一个信标带通滤波器和一个信标带阻滤波器组成。 二、发射分系统 在标准地球站中，要产生出几百瓦甚至十几千瓦的大功率微波信号向卫星发射。同时，有时一个地球站还要同时向其它多个地球站发射多个载波，所以这些任务都是由地球站大功率发射系统来完成。地球站大功率发射系统通常由大功率放大器、激励 器、发射波合成器、上变频器及自动功率控制电路等组成。 大功率放大器：当地球站系统要求发射多个载波时，用大功率放大器来组成大功率放大设备的方式有两种，一种是用一个大功率放大管共同放大多个载波的所谓共同放大方式；另一种是用多个大功率放大管分别放大各个载波，然后合成的所谓分别放大 /合成方式。 激励器是一个小功率，高增益的行波管放大器。 上变频器：是地球站发射系统中，将较低的频率变换到较高的频率的设备。通常可分为一次变频和二次变频两种方式。变频时是利用中频信号与本振信号通过变频器的非线性混频，取其和频或差频，前者称 为上边带上变频，而后者称为下边带上变频。常使用和频上变频以保证电路的稳定。 本级振荡器（泵源）：由于参量变频器的噪声小而且有一定增益，因此发射系统中需要一个微波泵源。目前多采用锁相倍频方式。 三、 接收分系统 神舟六号载人飞船“天地通信”系统剖析 11 地球站接收系统的作用是从噪声中接受来自卫星的信号。地球站除采用高增益天线以外，接收机的前级一般都要采用低噪声放大器。低噪声接收机系统包括低噪声参量放大器、低噪声晶体管放大器、波导传输线、接收波分路设备、下变频器和本机振荡器以及低噪声前置中频放大器等。 低噪声放大器：是接收系统的关键部件，决定着系统的等 效噪声温度。应尽可能放在天线馈源近旁，而接收系统的其它设备可以安放在室内，中间用椭圆波导传输。 四、 伺服跟踪分系统 地球站伺服跟踪设备的基本作用是保证地球站的天线能够稳定可靠地对准通信卫星，从而使通信系统能保持正常工作。由于地球站有固定站和移动站之分，所以相应的伺服跟踪设备的复杂程度也有所不同。 地球站天线跟踪卫星的方法有手动跟踪、程序跟踪和自动跟踪三种。 跟踪系统主要包括跟踪接收机、伺服控制放大设备和驱动装置三部分。此外还有手动跟踪信号的摇柄、同步变压器以及程序跟踪用的电子计算机等。 低噪声放大器的作用 是为跟踪接收机提供合适的载波噪声功率比和接口电平；跟踪接收机的作用是将跟踪误差信号放大、检波，并与基准信号进行比较 ，产生与天线指向误差角度成正比、且有一定极性的误差信号；伺服控制放大设备的作用是对跟踪接收机输出的跟踪信号进行直流放大，以便推动驱动装置； 五、 电源分系统 地球站电源分系统要供应站内全部设备所需的电能，它的性能的优劣会影响卫星通信的质量及设备的可靠性。一般有应急电源设备和交流不间断电源设备两种。 六、回波抵消设备 在卫星电话传输中，用户电话机是以二线制通过市话局等连到地球站的，收、发用一对线 。而地球之间的接收和发送是分两条途径（上行、下行）经行的，称为四线制。四线制收发分开，可以同时工作，因此可以作双工通信。在二线制和四线制相连时，它们的交界处必须加一个混合线圈，使收发之间完全隔离。但是在卫星通信中由于回波延迟长达 上对正常通话影响很大。因此设法抑制或消除回波对卫星通信的影响具有特殊意义。早期采用回波抑制器，现在用更先进的回波抵消器。回波抵消设备基本思想是产生一个合成的回波复制信号，然后用通过混合线圈回来的泄漏回波信号减掉次合成的复制信号。 神舟六号载人飞船“天地通信”系统剖析 12 3 卫星通信无线电波传播和工作频段的 选择 无线电波工作频段的选择和利用 卫星通信工作频段的选择是一个十分重要的问题，它将影响到系统的传输容量、地球站及转发器的发射功率、天线尺寸和设备的复杂程度等。影响无线电波传播的自然因素很多，例如：地球表面的特性，大气层内对流层电学特性的不均匀性，空气的运动，大气中的雾、云、雨、雪，还有大气层内的同温层、电离层等大量研究发现某些因素对电波传播影响的性质和程度，主要与工作波长有关。我国把整个无线电波划分为 12个频段，如表 线电通信中所使用的频段分为 9个频段，即表 12频段。 段号 频段名称 频率范围 波段名称 在自由空间的波长范围 1 极低频 330 极长波 100 00010 000 超低频 30300 超长波 10 0001 000 特低频 3003000 特长波 1 000100 甚低频（ 330 甚长波 10010米波 ) 5 低频（ 30300 长波 10 0001 000m(千米波 ) 6 中频（ 3003000 中波 1 000100m(百米波 ) 7 高频（ 330 短波 10010m(十米波 ) 8 甚高频（ 30300 米波 101m(米波 ) 9 特高频 ( 3003000 分米波 1010 超高频 ( 330 厘米波 1011 极高频 ( 30300 毫米波 1012 至高频 3003000 丝米波 1000100毫米波） 表 表 出的无线电频率的划分级频段名称与国际电信联盟（ 规定基本一致。在实际应用中，人们还常引用表 名称 范围 / 名称 范围 /舟六号载人飞船“天地通信”系统剖析 13 225390 8 3901550 18波段 15503400 6 34008000 3696 792512500 4656 表 常用波段名称表 宇宙无线电通信业务现在使用或处于研究待将来使用的无线电频率，大约从100若干 频段。随着通信业务的迅速增长，人们在探索应用更高的直至光波段的可能性。为了充分有效地利用有限的空间无线电频率资源， 界无线电行政会议）有关规定中将世界划分为三个区域。区包括欧洲、非洲、独联体亚洲部分、伊兰西部边界以西的亚洲国家；区包括南北美洲、格陵兰、夏威夷；区包括出独联体、蒙古以外的亚洲部分、大洋洲 、南太平洋及印度洋区域。我国在第区。对不同区域内的不同用途，不同条件下的各种无线电通信业务，及天文、气象、广播、卫星导航等业务分配了具体频段，各国主管部门，在确定了自己的无线电业务种类之后，所需的频段可在国际电联分配的相应具体频段内经行选择。 1992 年 2 月 3 日至 3 月 3 日国际电信联盟在西班牙召开的“有关部分频谱内频率划分问题的世界无线电行政会议（ ”对一些业务经行了划分或扩展了频谱，修改了频率划分表，并制定了相关的管理程序。其中涉及卫星通信部分简述如下： 1. 在 1下频率范围内，为使 用低轨道卫星的移动卫星业务（ 体划分了频段。 2. 在 频段为移动卫星业务划分了频段。 3. 对 20 4. 在 段为卫星固定业务增加了上行链路频段划分。在 段的卫星固定业务上、下行链路存在不平衡的情况，上行链路带宽小于下行链路带宽。大会确定在全球范围，在 4主用业务划分给卫星固定业务（上行），与无线电定位（主用）、卫星标频和时间信号（次用）、空间研究（次用）共用。 5. 为卫星声音广播 其地面补充系统划分了频段。 6. 为 卫星高清晰度电视（ 分了频段，还对其下行链路的频段按区域划分。 卫星通信工作频段的选择，通常要从以下几个方面来综合考虑： 天线系统接受的外界噪声要小；电波传播损耗及其它损耗要小；设备重量要轻，耗电要省；可用频带要宽，以满足通信容量的要求；与其他地面无线电系统之间的相互干扰要尽量小；能充分利用现有技术设备，并便于与现有通信设备配神舟六号载人飞船“天地通信”系统剖析 14 合使用等。 当电波在地球站与卫星之间传播时，必须穿过地球周围的大气层，因此要受到电离层中自由电子和离子的吸收，受到对流层中的氧分子、水蒸气分子和雨、雾、云、雪 和冰雹等的吸收和散射，从而形成损耗。这种损耗与电流的频率、波束的仰角以及气候条件有密切的关系。我们通过大量的分析和实测可以得到一些规律。 经理论和统计发现卫星通信工作频段选择在 10围最为适宜，而最理想的频率在 6/4近。该频段带宽较宽，便于利用成熟的微波中继通信技术，而且由于工作频段较高，天线尺寸也较小。 从信道可用带宽和系统容量来考虑，则频率的选择越高越好。从 10于 用早，大多数卫星通信系统仍工作在 前已显得十分拥挤，它与地面微波中继通信系统的相互干扰的矛盾也十分突出。随着微波器件水平的不断提高和发展， 段的卫星通信已于 80 年代初进入实用化阶段。目前已进入 段。与 C 频段相比， 段的优点是：由于不同于地面中继线路所用频段，因此不存在与地面网干扰问题。地球站天线可设在城市中心建筑物顶上，将收到的信息直接传到用户，因此比较简单，费用较低。卫星的发射功率也可不受限制。 若地球站及卫星的天线尺寸一定 11/14束宽度比 /6一半还窄。这意味着用 11/14段的静止卫星，在赤 道上要比用 4/6一方面卫星也便于多波束工作 。 相同尺寸的卫星天线，其增益，接收时是 4/6 射时是 的改善为 一改善可用于弥补增加的传输损耗以及坏天气时增加的吸收损耗和噪声，或把地球站天线作小些和使用低成本卫星。 使用 4/6行线卫星的辐射功率受到限制，而对 11/14而，使用 11/14有缺点，这就是在暴雨、浓云、密雾的坏天气情况下，接收系统的 C/T之下降很大（接收到的信 号功率急剧下降而噪声急剧增加）。30 度仰角时，恶劣天气所增加的噪声和吸收损耗，大体上与增加的天线增益的影响相抵消。因此， 11/14 须避免低仰角。 20/30段也已开始使用，上行线频率为 1该频段时的可用频段可增大到 4/6 500倍，因此有很大的吸引力，但降雨的影响相当严重。 无线电波的传输损耗 神舟六号载人飞船“天地通信”系统剖析 15 卫星通信链路的损耗包括自由空间损耗、大气吸收损耗、天线指向误差、极化损耗和 降雨损耗等。其中主要是自由空间传播损耗。这是由于卫星通信中颠簸主要是在大气层以外的自由空间传播，所以研究传播损耗时，应首先研究自由空间的损耗这部分损耗在整个传输损耗中占绝大部分。至于其它因素引起的损耗，可以在考虑自由空间损耗的基础上加以修正。 无线电波在自由空间传播的损耗 当电波在自由空间传播时，设在波束中心轴向相距 d 的地方，用增益为 接收信号功率可由下式表示： 22 44 式中， 天线发射功率， 天线发射增益， 接收天 线开口面积（ D 为天线直径），因子 2/4 d 即为自由空间传播损耗（ 通常用分贝表成如下的式子： =020或 020前者表示电波在自由空间以球面形式传播，电磁场能量扩散，接收机只能接受到其中一小部分所形成的一种损耗。地球站至静止卫星的距离因地球站只是卫星的仰角不同而不同。计算时一般取 d=40 000 大气对电波传播的影响 通常把地球周围的大气层分为对流层，同温层和电离层。电离层的高度可达20003000千米的高空。在空间通信业务中，无线电波穿过大气层时，除路径损耗外，还会产生其它影响。 对流层内对电波传播的影响取决以下因素：大气的温度、湿度及压力这样一些物理性质；大气在该层的水平和竖直方向的运动；运动中水气的冷凝、云、雨、雾、雪的形成；空气有规则的气流运动及强度不等的运动等。他们对电波的影响是通过对流层的电气参量起作用的，对流层中的混合气体每一种都有各自的介电常数和电导率。同 时通过折射和散射等起作用。 电离层中浓度的不均匀性，造成了穿越其中的电波的散射，使得电磁能量在时空中重新分布，造成电波信号的幅度、相位、到达角、计划状态等发生短期不规则变化。电离层闪烁发生的频率和强度与时间、地区、太阳活动等有关，衰落强度还与工作频率有关。当频率高于 1影响一般大大减轻，卫星移动通信系统的工作频率一般较低，电离闪烁效应必须考虑，即使是工作在 地磁低纬度地区也会发现电离层闪烁的影响。电离层闪烁影响的频率和地域都神舟六号载人飞船“天地通信”系统剖析 16 较宽，不易通过频率分集、极化分集、扩展频谱等方法解决。对闪烁程度 大的地区，用编码、交织、重发等技术，来克服衰落，减少电离层闪烁的影响；其它地区可通过适当增加储备余量的方法克服电离层闪烁的影响。 此外，还受其它传播的影响，如多径衰落和阴影遮避效应，多普勒频移、电波传播延迟等。同时，电波传输过程中也会引入各种噪声，在此就不再讨论。 4 卫星通信组网技术 卫星通信组网技术主要包括：卫星发射与测控、网络建立与入网验证、网络监控与管理以及地面接口技术。本章还将简要介绍 卫星发射与测控 发射卫星的运载工具有两种：运载火箭和航天飞机。前者只能 一次性使用，而后者能反复多次使用。当前，美国、俄国、西欧、中国、和日本等国家和地区都具有运载火箭发射卫星的能力，并且美国还用航天飞机发射卫星发。 当前利用火箭发射卫星时，首先将卫星和远地点发动机的联合体送入转移轨道（椭圆形轨道）然后远地点发动机点火时卫星进入地球静止轨道。但是，航天飞机不能将卫星直接送入转移轨道，而是先把近地点发动机、远地点发动机和卫星的组合体送到一个停泊轨道上，在使用近地点发动机产生的推力将组合体送入转移轨道，然后远地点发动机点火，将卫星送入地球静止轨道。 在卫星发射期间，对飞行器和卫星的 测控主要有发射指挥中心、卫星控制中心以及由跟踪遥测指令站所组成的跟踪网实施。 运载火箭发射卫星的过程 通常使用多级火箭发射卫星。一个三级火箭时卫星进入地球静止轨道的过程可分为三个阶段，即发射阶段、转移阶段和定位阶段。 1. 发射阶段：火箭起飞到将卫星送入转移轨道的过程。 当卫星发射时，方向朝东并尽量靠近赤道以便最大限度地利用地球的旋转速度。为使大气阻力最小，卫星要垂直发射。在飞行期间，火箭在其制导系统的控制下逐渐倾斜，在入射点要倾斜 90 度。在火箭发射后几分钟，第一级火箭被烧毁并被抛下，接着 第二级火箭开始点火。当卫星到达初始停泊轨道（通常距地面185250千米）时，第二级点火停止。卫星与所剩的第二级火箭在停泊轨道上漂动。在卫星快到赤道上空前不久，第二级火箭重新点火。此后第二级和第三级火神舟六号载人飞船“天地通信”系统剖析 17 箭相继烧毁。这样便将卫星摄入椭圆转移轨道。此时星箭分离。 在此期间，对飞行器的控制是由发射场的飞行指挥中心实施的。当卫星与火箭分离进入转移轨道后，全部控制任务转移给卫星控制中心实施。 2. 转移阶段：从进入转移轨道开始到卫星处于地球静止轨道结束。 当卫星处于转移轨道时，其主要的子系统还未完全工作，特别是天线不能 朝向正确的方向，太阳能电池也未工作。这时，卫星使用电池电源和专用的全方向天线来建立与地面跟踪站的通信联系。跟踪遥测指令站根据卫星发送的无线电信号对卫星经行定位。当对卫星经行定位后，此联路就用于对卫星的监视，并通过此链路发出一系列的控制命令，以便使卫星启动各个子系统。 在此期间，对卫星的监控主要包括：监视卫星的轨迹、测量卫星的姿态、保证卫星的正确朝向。此时，对卫星姿态的控制是通过自旋或三轴稳定来实现的。 3. 定位阶段：从卫星在赤道平面上运行轨道成圆形开始到将卫星定位在其静止轨道的标称位置上结束。在转移轨道的 远地点，卫星上的远地点反冲发动机点火将转移轨道改变成近似圆形的地球同步轨道。 航天飞机发射卫星的过程 航天飞机是一种新型的运载工具，是一种有人驾驶的空间飞行器。它兼有航天和航空两种本领，既能像火箭一样垂直起飞，像飞船一样沿轨道运行；又能像飞机一样水平着陆。它由轨道器、助推器和外燃料箱（又称外挂箱）三部分组成。 轨道器：形状像大型的三角翼飞机，尾部装有三台液体火箭发动机，前端是驾驶舱，中部为货舱。可重复使用 100次以上。 助推器：由两台平行安装的固体燃料火箭发动机组成，位于轨道器的双翼下，外 燃料箱的两侧的每台发动机可提供 1300吨的推力，以帮助航天飞机垂直起飞。助推器工作结束后，溅落到海上回收，可重复使用 20次。 外燃料箱：置于轨道器的机身下面，内装液态氢 /液态氧推进剂，供轨道器三台主发动机使用。它是航天飞机上唯一不回收的部件。 航天飞机发射费用低，运载能力大。用它发射、回收和维修卫星，可是卫星本身设计简化，工作寿命长；而且它可以像飞机那样维修、保养；使用它能简化发射程序，有利于空间活动经常化，因此其应用有巨大潜力。 航天飞机发射顺序：航天飞机垂直发射，此时助推器和三台主发动机都点火。起飞后约 两分钟助推器烧尽便于轨道器和外燃料箱脱离。轨道器继续飞行到达距地面高度约 290 千米圆形轨道（停泊轨道）。在停泊轨道上，航天飞机将卫星与神舟六号载人飞船“天地通信”系统剖析 18 上末级的组合体射出。此上末级可以使近地点发动机（此时卫星内装有远地点发动机），也可以使近地点和远地点发动机的组合。近地点发动机提供到转移轨道的推力。在转移轨道的远地点，远地点发动机点火，使卫星进入地球静止轨道。 网络建立与入网验证 卫星通信网是由若干地球站经卫星通信线路连接而成。当地球站入网时，必须验证该站在各方面是否符合必备的工作特性，以防止对网内其它用户的干扰 ，并确保与空间站的适当接口，维持网的正常运行。入网验证是按照一定的程序和规范对地球站的设备特性经行测试和认证的过程。只有在入网验证测试中合格的地球站才能获得进入卫星通信网投入商业运行。以下做一简要介绍。 1新地球站入网运行程序。一个新地球站进入卫星通信网运行的程序大致可分为：入网申请与批准、验证测试与认证及开通测试等阶段。 2. 地球站的必备特性。为了对通信卫星的有效利用，一般都要规定标准的地球站的必备工作特性。必备特性指卫星进行通信连接时所必需具有的最低性能。地球站的必备特性主要包括品质因数、天线方向图 、地球站的极化和轴比、天线或波束的可控性、跟踪方式、系统带宽、有效全向辐射功率、载波频率容限、射频带外辐射等。 3. 地球站验证测试项目。地球站有权采用自己的方法来进行验证和测试。许多性能可在站内加以验证，也可以用信标塔或射电星，还可以利用卫星和监测站设施进行测试。不过用通信卫星进行测试时，必须与卫星组织的主管部门取得联系。如果使用国内通信