第2章-卫星通信通信卫星和地球站设备

第2章

通信卫星和地球站设备张燕zy29209@163.com12.1通信卫星的种类2.2卫星轨道2.3通信卫星的覆盖2.4通信卫星的组成2.5静止轨道通信卫星发射2.6卫星通信地球站第2章通信卫星和地球站设备22.1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3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4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。5按卫星重量分：种类重量（kg）巨卫星>3500大卫星>1000中型卫星500～1000小卫星100～500微小卫星10～100纳卫星1～10皮卫星0.1～1飞卫星<0.16SNAP-1Nano-Satellite清华大学的“纳星”一号7Picosat皮卫星82.2卫星轨道2.2.1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。9

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。其轨道平面的极坐标为：(2-3)式中，P是二次曲线的参数，e是偏心率，

是中心角。P、e的值均由卫星入轨时的初始状态所决定10卫星椭圆轨道的示意图近地点远地点半长轴半短轴1112开普勒第二定律(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。DCBA13由第二定律可导出卫星在轨道上任意位置的瞬时速度为：v为卫星在轨道上的瞬时速度。其中a为椭圆轨道的半长轴，r为卫星到地心的距离。

为开普勒常数，值为3.986

105km3/s2。这说明卫星在轨道上的运行速度是不均匀的。卫星运动的速度在近地点最大，在远地点最小。(2-11)14开普勒第三定律（调和定律）：卫星运转周期的平方与轨道半长轴的3次方成正比。(2-12)T为卫星运转周期，单位为秒。15近地点远地点半长轴半短轴例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)和v(rmin)。已知地球半径R=6378km。16解：轨道方程17公转周期远地点瞬时速度近地点瞬时速度18例2已知地球半径R=6378km，静止卫星的周期T=24恒星时=23h56min4.09s(平均太阳时),求卫星离地面高度h和匀速圆周运动速度v。解：由于静止卫星作匀速圆周运动，r=a，由式(2-12)19由式(2-11)可得：由此，卫星离地面高度为202.2.2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。213、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>20000km22234、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i

0

的同步轨道。非同步轨道（T

24恒星时）242.2.3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252.2.4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，26三轴稳定法示意图27自旋稳定卫星三轴稳定卫星282.3通信卫星的覆盖2.3.1通信卫星的覆盖图通常用卫星的有效全向辐射功率EIRP等值线图来表示通信卫星的发射覆盖区域。EIRP表示卫星辐射能力的物理量，单位dBW。下图给出了“中星6B”卫星(115.5°E)的EIRP等值线图，单位dBW。2930几种常见波束覆盖区域示意图312.3.2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）322.3.3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。33仰角：天线轴线与水平面之间的夹角。34站星距离：地球站与卫星之间的距离。(2-21)地球站的经度和纬度分别为1和1静止卫星星下点的经度和纬度分别为2和0经度差=2-1纬度差为1-0=135静止卫星观察参数图解362.3.4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。372.4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。382.4.1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。39自旋稳定结构卫星三轴稳定结构卫星1、结构分系统卫星的主体，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。一般由轻合金材料或复合材料组成，外部涂有保护层。402、温控分系统温控分系统的作用就是控制卫星各部分的温度，保证星上各种仪器设备正常工作。通常可分为消极温度控制和积极温度控制两种形式。413、跟踪、遥测、指令分系统（TT&C）跟踪部分用来为地球站跟踪卫星发送信标。遥测部分用来在星上测定并给地面的TT&C(TrackingTelemetry&Command)站发送有关卫星姿态及卫星各部件工作状态的数据。指令部分用于接收来自地面的控制命令，处理后送给控制分系统执行。424、控制分系统用来对卫星姿态、轨道位置、各分系统工作状态等进行必要的调节与控制。435、电源分系统为卫星提供电能。星上电源分系统由一次能源(太阳能)，二次能源(蓄电池)，以及供配电设备组成。446、远地点发动机对于静止轨道卫星，通常是用运载火箭将卫星射入椭圆形“转移轨道”，再由卫星所装的远地点发动机，把卫星推入近似圆形同步轨道。452.4.2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。461、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。47全球波束天线波束宽度约等于17.4

，覆盖卫星对地球的整个视区一般由圆锥喇叭天线加上45

的反射板组成点波束天线覆盖面积小，一般为圆形，波束宽度为几度天线通常为前馈抛物面天线，馈源为喇叭赋形波束天线可通过修改反射器形状来实现也可利用多个馈源从不同方向经反射器反射产生多波束的组合484950卫星天线系统示意图512、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。52透明转发器53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54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55通信卫星的组成562.4.3通信卫星举例——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。目前我国首颗直播通信卫星。57鑫诺三号卫星性能参数：设计制造中国空间技术研究院卫星平台东方红三号发射时间2007年6月1日设计寿命8年轨道位置125°E稳定方式三轴稳定有效载荷10×36MHzC频段转发器覆盖范围中国全境及周边国家和地区卫星EIRP中国国土≥40dBW

东南亚等周边国家和地区≥36dBW工作频率上行：5.925-6.425GHz下行：3.700-4.200GHz

鑫诺三号卫星性能参数58鑫诺三号卫星EIRP等值线图592.5静止轨道通信卫星发射60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。61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。62高度/km环绕速度/(km/s)脱离速度/(km)07.91211.1895007.61910。77610007.35610.40350005.9248.378静止轨道357863.075表2-2卫星高度与速度的关系63卫星发射的运载工具

——多级火箭64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1号”运载火箭65“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66“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。67“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。68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。69702.6卫星通信地球站2.6.1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。71D1，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。72一般来说，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。对地球站的技术要求73(1)地球站的性能指标——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。74(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。752.6.2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、伺服跟踪设备分系统、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。76地球站设备的一般组成框图771、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。78①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。798081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。828384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85天线系统与机房的连接86②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。8788892、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)坤化镓场效应管(GaAsFET)大中型地球站小型地球站90对高功率放大器的要求大功率宽