卫星通信教案

《卫星通信》教案第一章概论基本概念的介绍卫星通信的基本概念卫星通信的定义卫星通信实际上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信的术语和定义：地球站与宇宙站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什么是星间连路？什么是星际连路？——铱系统静止卫星通信什么是静止卫星？并不是真的静止不动，而是与地球同步运行一一同步卫星全球通信：只要用三颗等间隔配置的静止卫星就可以实现全球通信卫星通信系统的分类按覆盖范围分：国际卫星通信系统，国内卫星通信系统和区域卫星通信系统按用户的性质分：公用卫星通信系统，专用卫星通信系统，和军用卫星通信系统按卫星的制式分：静止和非静止卫星通信系统按卫星高度分：低轨道，中轨道，静止轨道，和高椭圆轨道静止卫星的特点：.优点：.不足：保密性时延一一回波干扰和话音重叠.星蚀.日凌中断卫星通信系统和卫星通信线路的组成卫星通信系统的组成卫星测控系统地球站和监测管理系统卫星通信线路的组成发端地球站上行线传播路径卫星转发器和下行线路传播路径和收端地球站（一个完整通信过程需要经历什么？）卫星通信工作频段及电波传播特点：工作频段：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

考虑天气噪声，大气吸收损耗，通信卫星工作频段选择在考虑天气噪声，大气吸收损耗，通信卫星工作频段选择在1〜10GHz范围最适宜1.4.2电波传播特点：.自由空间损耗：LP=92.44+20Lgd+20lgfdBLP=32.44+20lgd+20lgfdB2.大气损耗：降雨余量动卫星通信电波传播的衰落现象多径衰落多普勒频移普勒频移当卫星和用户终端之间，卫星与基站之间存在相对运动时，接收到的发射段载频发生频移第2章通信卫星和地球站设备第2章通信卫星和地球站设备第2章通信卫星和地球站设备通信卫星的种类按卫星运动状态分，有静止卫星和运动卫星按卫星形状分，有球形卫星、箱形卫星、圆柱体（套筒式）卫星、锥顶圆柱体卫星、多棱柱形卫星、风扇行卫星等多种按卫星业务种类分，有商用卫星、军用卫星、气象卫星、科研卫星、广播卫星等。按姿态稳定方式分，有自旋稳定卫星和三轴稳定卫星。按卫星重量分：巨星大星中小星微型星…卫星轨道卫星运动的基本规律卫星绕地球运行，它的运动轨迹叫卫星轨道。卫星视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，但它们有一个共同点，就是它们的轨道位置都在通过地球垂心的一个平面内。卫星运动所在的平面叫轨道面。卫星轨道可以是圆形或椭圆形。但不论轨道形状如何，卫星的运动总是服从万有引力定律的，由此导出卫星运动的三个定律。假设地球是质量均匀分布的圆球体，忽略太阳、月球和其它行星的引力作用，卫星运动服从开普勒三大定律。开普勒第一定律（椭圆定律）：卫星以地心为一个焦点做椭圆运动。普勒第二定律（面积定律）：卫星与地心的连线在相同时间内扫过的面积相等。（求在轨道上任意位置的瞬时速度）P18：例1我国第一颗人造地球卫星的远地点高度hA=439km，近地点高度hB=2348km。试求其轨道方程。公转周期、远地点和近地点的瞬时速度v（rmax^Dv（rmin）0E知地球半径R=6378km。P19：例2已知地球半径R=6378km，静止卫星的周期T=24恒星时=23h56min4.09s件均太阳时），求卫星离地面高度h和匀速圆周运动速度V。卫星轨道的分类1、按卫星轨道的形状可分为圆形轨道和椭圆形轨道。2、按卫星轨道平面倾角分类卫星轨道平面与赤道平面的夹角，称为卫星轨道平面的倾角，记为i。赤道轨道。i=0，轨道面与赤道面重合；静止通信卫星就位于此轨道平面内。极地轨道。i=90，轨道面穿过地球南北极。倾斜轨道。0<i<90，轨道面倾斜于赤道。3、按卫星轨道高度分类根据卫星运行轨道距离地面的高度h，可分为地球低轨道卫星(LEO)：h<1500km中轨道卫星(MEO)：8000km<h<12000km静止卫星(GEO)：h=35786km。高椭圆轨道卫星(HEO)：h>20000km4、按卫星的运转周期及卫星同地球相对运动关系分类。同步轨道(T=24恒星时)静止轨道：运行方向与地球自转方向一致，赤道上空离地面约35786公里的同步轨道。只有一条，倾角i=0 。非静止同步轨道：不满足静止轨道条件的同步轨道，即倾角i0的同步轨道。非同步轨道(T〈24恒星时)卫星的摄动由于一些因素的影响，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，称为摄动。1、太阳、月亮引力的影响2、地球引力场不均匀的影响3、地球大气层阻力的影响4、太阳辐射压力的影响卫星的位置保持和姿态控制1、位置保持实现位置控制主要是靠星体上的轴向喷嘴与横向喷嘴来完成的。2、姿态控制自旋稳定法，早期静止卫星常用的姿态控制方法三轴稳定法，是指卫星的姿态是由稳定穿过卫星重心的三个轴来保证的。这三个轴分别在卫星轨道的切线、法线和轨道平面的垂线等三个方向上，分别对应叫做滚动轴、俯仰轴和偏航轴，通信卫星的覆盖利用卫星构成通信系统，首先要知道它的覆盖范围。当卫星上天线波束形状不同及波束中心指向不同时，它们照射地球表面所形成的覆盖范围和区域也就不同。天线波束的类型利用高度约35786km轨道上的静止卫星基本上可覆盖地球表面的1/3以上的区域，不能覆盖的区域是高于南北纬75°以上的地区。静止卫星覆盖范围的确定星下点：卫星与地心连线和地球表面的交点位于卫星的垂直下方赤道上空的卫星其星下点在赤道上。用星下点来表示GEO在轨道上的位置（用经度来表示）方位角、仰角和站星距的计算方位角：以正北方向为标准，将卫星天线的指向偏东或偏西调整一个角度，该角度即是所谓的方位角。仰角：天线轴线与水平面之间的夹角。卫星“共视区”当星下点通过图中画斜线的公共区域时，A、B两地球站都能“看到”这个卫星，这个公共区域叫共视区。通信卫星的组成通信卫星由空间平台和有效载荷两部分组成。空间平台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常工作的保障系统。通信卫星的有效载荷人造地球卫星的有效载荷是指不同用途的卫星，为了完成技术任务而配备的特有系统。不同用途的卫星有不同的有效载荷。例如，资源卫星的有效载荷就是各种遥感器，它包括可见光照相机、多光谱相机、多光谱扫描仪、红外相机、微波辐射计和微波扫描仪和合成孔径雷达等；气象卫星的有效载荷包括扫描辐射计、红外分光计、垂直大气探测器和大气温度探测器等；通信卫星的有效载荷主要是通信转发器及通信天线；天文卫星的有效载荷是各种类型的天文望远镜，它包括红外天文望远镜、可见光天文望远镜和紫外天文望远镜等。1、天线分系统发送和接收通信及测控信号。用于遥控、遥测和信标信号的全向天线，接收地面的指令及向地面发送遥测数据。用于通信的微波定向天线。可分为全球波束天线、点波束天线和区域波束天线三类。2、通信转发器又叫通信分系统或中继器，实质上是一部宽频带的收、发信机。其作用为接收、处理并重发信号。对转发器的基本要求是：以最小的附加噪声和失真，并以足够的工作频带和输出功率来为各地球站有效而可靠地转发无线电信号。转发器通常分为：透明转发器：收到地面发来的信号后，除进行低噪声放大、变频、功率放大外，不作任何加工处理，只是单纯地完成转发任务。处理转发器：除进行信号转发外，还具有信号处理功能。透明转发器处理转发器对数字信号进行解调再生，避免噪声积累对不同的卫星天线波束之间进行信号交换其他更高级的信号变换和处理转发器的数量越多，卫星的通信能力就越大。小容量通信卫星：星载转发器少于12个，功率小于1000瓦的通信卫星中容量通信卫星：有24个转发器，功率在1000〜3000瓦之间大容量通信卫星：有48个转发器，功率在3000~7000瓦之间超大容量通信卫星：转发器多于48个，功率在7000瓦以上通信卫星举例一一鑫诺三号鑫诺卫星通信有限公司的“鑫诺3号”卫星是一颗专门为我国满足中央、各省会城市、各直辖市卫星厂播电视传输需要的厂播电视传送卫星。静止轨道通信卫星发射第一宇宙速度（环绕速度）：是指物体紧贴地球表面作圆周运动的速度（也是人造地球卫星的最小发射速度）。大小为7.9km/s。第二宇宙速度（脱离速度）：是指物体完全摆脱地球引力束缚，飞离地球的所需要的最小初始速度。大小为11.2km/s。第三宇宙速度（又称逃逸速度）：是指在地球上发射的物体摆脱太阳引力束缚，飞出太阳系所需的最小初始速度。其大小为16.7千米/秒。第一宇宙速度也是人造卫星在地面附近绕地球做“匀速圆周运动”所必须具有的速度。但是随着高度的增加，地球引力下降，环绕地球飞行所需要的飞行速度也降低，所有航天器都是在距地面很高的大气层外飞行，所以它们的飞行速度都比第一宇宙速度低。因此，第一宇宙速度是在地面发射卫星的最小速度，也是卫星绕地球飞行的最大速度。环绕速度和脱离速度随卫星高度的不同而不同，卫星轨道越高，地球对卫星的引力越小，其环绕速度和脱离速度越小。卫星发射的运载工具——多级火箭中国自1956年开始展开现代火箭的研制工作1970年4月24日“长征1号”运载火箭诞生，首次发射“东方红1号”卫星成功三级火箭主要用于发射近地轨道小型有效载荷能把300千克重的卫星送入440公里高的近地轨道“长征2号”运载火箭是中国的航天运载器的基础型号1975年11月26日，“长征2号”火箭完成了中国第一颗返回式卫星的发射任务。两级火箭能把1.8吨的卫星送入距地面数百公里的椭圆形轨道“长征3号”运载火箭是在“长征2号”火箭基础上于1984年研制成功的三级火箭增加的第三级采用低温高能液氢液氧发动机首次将有效载荷送入地球同步转移轨道。同步转移轨道运载能力为1.6吨。“长征4号”是三级常规运载火箭，作为发射地球同步转移轨道卫星运载火箭的另一方案，1988年9月7日首次发射，成功地将我国第一颗气象卫星风云一号送入太阳同步轨道。其后改型为“长征4号A”，用于发射同步轨道卫星。“长征4号B”是在“长征4号A”基础上发展的一种运载能力更大的运载火箭，主要用于发射太阳同步轨道的对地观察应用卫星。例：发射静止轨道自旋卫星，用三级火箭和星载远地点发动机。步骤1：用一二级火箭和三级火箭的第一次点火，将卫星送入300km〜400km的倾斜圆轨道，即初始轨道（或暂停轨道）。步骤2：第三级火箭第一次点火关机后，卫星滑行一段，第三级火箭第二次点火加速，火箭关机脱离，卫星进入椭圆转移轨道，此时近地点高度不变，远地点高度为36000km同步轨道高度。步骤3：在远地点处启动远地点发动机，进入近似的圆形同步轨道。步骤4：点燃卫星自带的反向小火箭产生反向推力，使卫星停止在预定的静止轨道位置。卫星通信地球站地球站的种类地球站是卫星通信的重要组成部分，其作用是向卫星发送和接收来自卫星的信号。目前国际上通常根据地球站天线口径尺寸及G/T值大小将地球站分为A、B、C、D、E、F、G、Z等各种类型。A、B、C三种是大型站，称为标准站，用于国际通信，适合各种业务类型。D1，D2主要是用于VSAT（甚小口径终端）的小型站。E和F分别工作在Ku波段和C波段，又分为E1、E2、E3和F1、F2、F3等类型。E1，F1，称为小型站，它们的业务容量较小，一般用于商用系统（IBS）。E2,E3和F2,F3又称为中型站，是为大城市和大企业之间提供通信业务的。G是国际租赁专线。Z是国内电路，租赁专线。对地球站的技术要求一般来说，对地球站应有以下几方面的要求①发送的信号应是宽频带、稳定、大功率的信号，能接收由卫星转发器转发来的微弱信号。②可以传输多路电话、电报、传真，以及高速数据、电视等多种业务的信号。③性能稳定、可靠，维护、使用方便。④建设成本和维护费用不应太高。(1)地球站的性能指标一一品质因数(G/T)G/T是地球站接收天线的增益G与地球站接收系统的等效噪声温度T的比值，它表征了地球站对微弱信号的接收能力，称为地球站的品质因数。(2)有效辐射功率及其稳定度为了保证所传送信号的质量，要求地球站的发射机能够发射较大的功率，一般为几百瓦〜十几千瓦，而且要求所发射的射频信号功率非常稳定。若功率偏小则信号差，若功率偏大则会带来额外的干扰。(3)射频频率的稳定度地球站所发射的射频信号的频率必须很精确，如果有较大漂移，不但要影响卫星转发器频带的有效利用，还会在卫星转发器中产生交调噪声，有的还会影响邻近载频的正常传送。(4)射频能量的扩散为减小交调干扰，必须对地球站在负载轻(即通话数少)的时候所发射的射频频谱能量密度加以限制。地球站的组成一个典型的国际卫星通信的双工式A型标准地球站，一般包括天线分系统、发射机分系统、接收机分系统、信道终端设备分系统、伺服踉踪设备分系统、监控分系统(通信控制分系统)、用户接口分系统和电源分系统等。地球站设备的一般组成框图1、天馈分系统天线馈线系统简称天馈系统。除包括天线、馈线外，还包括用以分离跟踪信号的部件等。卫星天线通常采用抛物面天线，利用无线电波信号跟光相似的特点来反射聚集电磁波，接收天线结构主要由反射面、馈源和支架几部分组成。按照天线反射面与馈源所处的相对位置不同，我们可以把抛物面天线分为正馈天线和偏馈天线两种。①正馈天线中心聚集电波的卫星天线被称为正馈天线，其天线反射面呈正圆状，馈源位于天线抛物面焦点处。正馈天线根据结构不同还可再分为前馈式天线及后馈式天线(即卡塞格伦天线)。前馈式天线具有结构简单、成本较低等优点。优点。但由于馈源正好位于天线抛物面焦点处，带来诸多问题，比如辐射器对反射电波有个遮挡作用，而且馈线较长，损耗噪声较大。目前地球站应用最多的天线是卡塞格伦天线。它属于后馈式天线，由馈源喇叭（一次辐射源）、主反射器（抛物面）和副反射器（双曲面）组成。卡塞格伦天线的优点：馈源安放在抛物面顶点附近，因此可直接和主反射面背后的低噪声放大器连接，降低了因馈电波导过长而引起的损耗噪声；主副反射面调整方便，效率高；抛物面焦距很短，降低了整个天线的长度；降低了大地反射噪声。缺点：结构复杂，价格昂贵，制造、安装、调试、维护的技术要求也都比较高，适合大中型地球站，不适于家庭和小范围使用。副反射器及其支架的阻挡，造成效率下降②偏馈天线偏馈天线特别适合接收KU波段信号，一般来说口径较小，通常在一米以下，反射面呈现椭圆。由于馈源安装的位置不在天线反射面的中心线上，所以被称为偏馈天线。因为其馈源不在天线反射面与卫星之间，得以避免了馈源对卫星电波信号的遮挡，所以这种天线的接收效率比较高。由于偏馈天线具有易于安装、节省空间、方向图好，效率较高等优点，目前在家庭和小用户中广泛采用。2、大功率发射机分系统地球站大功率发射系统通常由高功率放大器、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。高功率放大器（HPA）是地球站上行系统的关键部件之一，其任务是将基带调制信号放大到足够的功率电平，经馈线由天线向卫星发射。目前常用的有三种行波管（TWTA）速调管（KPA）坤化绿场效应管（GaAsFET）对高功率放大器的要求大功率宽频带长寿命、高可靠性线性度高功率稳定度高由于大型地球站的大功率微波辐射会造成有害于人体健康的环境，因此大型地球站通常不设置在人群稠密的地方，或进行必要的屏蔽。上变频器，将较低的频率（中频信号）变换到较