卫星通信第二章课件

1、第二章 通信卫星卫星的轨道通信卫星和地球的几何关系卫星星座和系统的概念通信卫星的组成第二章 通信卫星卫星的轨道卫星的运动轨道卫星的运动方程开普勒定律静止卫星的轨道卫星的摄动第一节 卫星的轨道卫星的运动轨道第一节 卫星的轨道卫星的运动轨道卫星的运动轨迹称为运动轨道，它所在平面称为轨道平面按照高度分类：GEOLEOMEOHEO 卫星的轨道卫星的运动轨道 卫星的轨道卫星的运动轨道按倾角分类：赤道轨道： i=0倾斜轨道： 0i 90极轨道：i=90卫星的轨道卫星的运动轨道卫星的轨道卫星的运动方程万有引力定律：F=gm1m2/r2g=6.67*10-20 km3/kg/s2，万有引力常数卫星相对于地球运

2、动的运动方程：地球质量：5.977*1024kg =g(m1+m2)gm1=3.986*105km3/s2，为开普勒常数卫星的轨道卫星的运动方程卫星的轨道开普勒定律第一定律（轨道定律）：卫星的轨道是一个椭圆，地球的中心位于椭圆的一个焦点上P：椭圆的半焦弦e：偏心率，e=c/a，0e1:近点角卫星的轨道开普勒定律卫星的轨道开普勒定律第二定律（面积定律）：卫星的位置矢量在单位时间内扫过的面积一定卫星的轨道开普勒定律卫星的轨道开普勒定律第三定律（轨道周期定律）：卫星运转的周期T，与轨道的半长轴a的3/2次方成正比卫星的轨道开普勒定律卫星的轨道静止卫星的轨道圆形轨道，轨道中心为球心，e=0T=23h5

3、6m4.09s(平均太阳时)，代入开普勒第三定律得a=42164.2km。从卫星到星下点的距离为： 42164.2-6378.155=35786.045km代入开普勒第二定律得：v=3.07km/s卫星的轨道静止卫星的轨道卫星的轨道静止卫星的优点对地球上任何点而言，卫星都是静止的，因此不需要地球站的天线周期性地跟踪卫星运动。大大降低了建站所需的造价当地球站天线最小仰角50时，静止卫星可以覆盖38%的地球表面。除去纬度高于760N和760S的极区外， 彼此间隔为1200的三颗静止卫星， 可以覆盖整个地球表面，而且 表面有重叠对静止卫星覆盖范围内的地球站，由卫星轨道中漂移引起的多普勒频移较小卫星的

4、轨道静止卫星的优点卫星的轨道静止卫星的缺点传输损耗和传输时延较大两极附近有盲区对地静止轨道只有一条，故能容纳的卫星数量有限静止卫星的发射和在轨遥测遥控技术较复杂卫星的轨道静止卫星的缺点卫星的轨道轨道的扰动（摄动）卫星运动的实际轨道不断发生不同程度地偏离开普勒定律所确定的理想轨道的现象引起摄动的原因太阳、月亮引力的影响地球引力场不均匀的影响地球大气层阻力的影响太阳辐射压力的影响卫星的轨道轨道的扰动（摄动）卫星的轨道第二节 卫星和地球的几何关系方位角、仰角和极化角覆盖角和距离长时延的影响和消除星蚀及日凌中断通信卫星第二节 卫星和地球的几何关系通信卫星方位角、仰角和极化角方位角：本地水平面和通过地球

5、站、卫星和地心的平面的交线与真北线的夹角卫星和地球的几何关系方位角、仰角和极化角卫星和地球的几何关系方位角北半球地球站卫星在南偏东：A=1800-A卫星在南偏西：A=1800+A南半球地球站卫星在北偏东：A=A卫星在北偏西：A=3600-A方位角、仰角和极化角方位角方位角、仰角和极化角仰角仰角：本地水平面和通过地球站、卫星和地心的平面的交线与地球站-卫星之间连线的夹角方位角、仰角和极化角仰角方位角、仰角和极化角仰角：方位角、仰角和极化角仰角：方位角、仰角和极化角例：一个地球站位于经度L=80oW和纬度L =40oN处，静止卫星经度s =120oW，求它的方位角和仰角方位角、仰角和极化角例：方位

6、角、仰角和极化角极化角地球站天线的极化方向和卫星天线的极化方向不完全匹配卫星天线：以卫星轴系为基准定义的水平极化波：位于赤道平面内，是地球赤道圆的切线方向垂直极化波：与卫星的极轴平行，与赤道平面垂直地球站天线的水平极化方向以地平面为基准定义方位角、仰角和极化角极化角方位角、仰角和极化角极化角极化角与卫星、地球站的经纬度关系：若极化角不为0，则要调整馈源矩形波导口与水平线的相对位置若卫星在地球站的南偏东，则极化角顺时针旋转（面向着天线）若卫星在地球站的南偏西，则极化角逆时针旋转极化角的调整方位角、仰角和极化角极化角方位角、仰角和极化角极化角方位角、仰角和极化角极化角方位角、仰角和极化角覆盖角从卫

7、星看向地球的最大视角，它与卫星的高度有关，与地球站天线的最小仰角有关覆盖角和距离覆盖角覆盖角和距离覆盖角对静止轨道，2max=17.4o设卫星俯视区的地心角为，则=90o-E- 卫星覆盖面积：覆盖角和距离覆盖角覆盖角和距离覆盖角对静止轨道，令=max, E=0，就可得到地球覆盖角对应的最大地心角=81.3o如果地球站天线最小仰角为5o，则=76.3o。所以静止卫星不能覆盖纬度高于76.3o的地区覆盖角和距离覆盖角覆盖角和距离高度一定时卫星能通信的距离覆盖最大距离（弧长）持续的最长时间：覆盖角和距离高度一定时卫星能通信的距离覆盖角和距离距离地球站到卫星的距离确定了从卫星到地球站的往返时延对静止轨

8、道卫星，且地球站的最小仰角为5o时，则最大斜线距离d=41127km，从而可以得出从地球站到卫星的往返时延为0.274s，若进行双向电话通信，则往返时延还需要加倍。另外由于每个终端内部都存在阻抗匹配，所以就会产生回波覆盖角和距离距离覆盖角和距离例：一个位于华盛顿的地球站，坐标为77oW，39oN，静止卫星位于99oW的赤道上空，求其仰角E和从地球站到卫星的信号传输时延覆盖角和距离例：覆盖角和距离长时延的影响和消除回波干扰回波抑制器回波抵消器卫星和地球的几何关系长时延的影响和消除卫星和地球的几何关系星蚀所有静止卫星，每年在春分和秋分前后各23天中，当星下点进入当地时间午夜前后，此时，卫星、地球和

9、太阳共处在一条直线上。地球挡住了阳光，卫星进入地球的阴影区，造成了卫星的日蚀，称为星蚀星蚀期间，每天发生星蚀的持续时间不等星蚀期间，卫星所需的能源一般需要蓄电池来供给星蚀及日凌中断星蚀星蚀及日凌中断星蚀星蚀及日凌中断地球卫星星蚀星蚀及日凌中断地球卫星星蚀星蚀及日凌中断星蚀星蚀及日凌中断日凌中断每年春分和秋分前后，在静止卫星星下点进入当地中午前后的一段时间里，卫星处于太阳与地球之间。地球站天线在对准卫星的同时可能也会对准太阳，这时强大的太阳噪声使通信无法进行，这种现象称为日凌中断星蚀及日凌中断日凌中断星蚀及日凌中断第三节：卫星星座和系统的概念通信卫星 一颗卫星只能提供有限地区的业务。为了扩展覆盖

10、，一个卫星系统可能需要使用多颗卫星，这些卫星的组合就称为“星座（constellation）”。第三节：卫星星座和系统的概念通信卫星 一颗卫星只能提供卫星星座求单次覆盖要求的最少卫星数目，可以用没有重叠的球面六角形来估算。它的面积为：其中 是六角形的边缘角。卫星的最小数目为：也可以利用球冠的面积并考虑21%面积的重叠。卫星星座和系统的概念卫星星座卫星星座和系统的概念第四节 通信卫星的组成卫星有效载荷天线分系统通信分系统公共平台遥测、指令和定位分系统姿态控制分系统电源分系统推进器分系统热控制和机械结构分系统通信卫星第四节 通信卫星的组成通信卫星天线分系统全球波束天线点波束天线赋形波束天线通信卫星

11、的组成天线分系统通信卫星的组成天线的主要功能 发射和接收信号发射信标：为遥测、指令和定位分系统提供联络信号，与姿态控制分系统一起使天线正确地指向地球上的覆盖区天线分系统天线的主要功能 天线分系统通信分系统通信中继机：由多个信道转发器互相连接组成，实质上是一部宽频收发信机，主要组成：宽带通信接收机/下变频器输入去复接器功放和备份、切换设备输出复接器通信卫星的组成通信分系统通信卫星的组成透明型转发器通信分系统透明型转发器通信分系统再生型转发器除放大和变频外，还提供解调、基带信号处理和交换、调制等功能上行链路的干扰噪声在再生过程中可以被滤除地面设备的功率要求降低电路结构复杂、价格高通信分系统再生型转

12、发器通信分系统遥测、指令和定位分系统为了保证通信卫星的正常运行，需要随时了解其内部各种设备的工作状况，必要时还要调整某些设备的工作遥测信号包括表示卫星工作状态的信号（如电流、电压、温度、控制用的气体压力），来自传感器的信号以及指令证实信号指令分系统接收和译出地面控制站的指令，控制卫星的运行。还产生一个检验信号发回地面，待收到执行信号确认无误后才执行指令定位分系统用来确定从地面控制站到卫星的距离，以准确地测定转移和静止轨道通信卫星的组成遥测、指令和定位分系统通信卫星的组成姿态控制分系统保持准确的卫星位置和通信天线指向，在转移轨道和静止轨道控制卫星的飞行动作对于同步卫星，主要是保证天线波束始终对准地球和电池帆板对准太阳通信卫星的组成姿态控制分系统通信卫星的组成姿态控制方法自旋稳定法：单自旋方式双自旋方式姿态控制分系统姿态控制方法姿态控制分系统姿态控制方法三轴稳定法：采用太阳能电池帆板，可获得较大的发电功率星体结构设计较为方便，其形状不受限制姿态控制精度较高，可达小于0.10可节省燃料姿态控制分系统姿态控制方法姿态控制分系统电源分系统太阳能电池化学电池（蓄电池）通信卫星的组成电源分系统通信卫星的组成推进器分系统提供所需的推进力，以执行卫星速度和姿态控制飞行动作推进力可由箱内压力下的气体产生，也可由小火箭发动机产生通信卫星的组成推进器分系统通信卫星的组成热控制和机械结构分系统卫星的热状态