1、通信衛星的分類通信衛星的分類按軌道分：赤道軌道，極軌道，傾斜軌道，同步按軌道分：赤道軌道，極軌道，傾斜軌道，同步衛星，移動衛星，衛星，移動衛星，GEO，MEO，LEO； 按通信范圍分類：國際通信衛星，區域性通信衛按通信范圍分類：國際通信衛星，區域性通信衛星，國內通信衛星；星，國內通信衛星；按用途分類：綜合業務通信衛星，軍事通信衛星，按用途分類：綜合業務通信衛星，軍事通信衛星，海事通信衛星，電視直播衛星，氣象衛星等；海事通信衛星，電視直播衛星，氣象衛星等；按轉發能力分類：無星上處理能力，有星上處理按轉發能力分類：無星上處理能力，有星上處理能力；能力；按頻段分類按頻段分類0.1-0.3（GHz），

2、），VHF，移動移動、導航業務；導航業務；0.3-1.0，UHF，移動、導航業務；移動、導航業務；1.0-2.0，L，移動業務、指令傳輸；移動業務、指令傳輸；2.0-4.0，S，移動業務、指令傳輸；移動業務、指令傳輸；4.0-8.0 (4/6)，C，固定業務；固定業務；8.0-12.0，X；12.0-18.0 (12/14)，Ku，固定業務；固定業務；18.0-24.0，K ；24.0-30.0，Ka；33.0-50.0，Q ； 50.0-75.0，V。按重量分類按重量分類大型衛星，大型衛星，Large，1000kg，1億美元；億美元；小衛星，小衛星，Small，500-1000kg，0.5-

3、1億美元；億美元；微小衛星，微小衛星，Mini，100-500kg，500-2000萬美元；萬美元；微衛星，微衛星，Micro，10-100kg，200-300萬美元；萬美元；納衛星，納衛星，Nano，10kg，100萬美元；萬美元；皮衛星，皮衛星，Pico ，1kg。 下圖是靜止衛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星就可以實現全球通信。衛星系統的結構衛星系統的結構衛星的主要設備包括下列衛星的主要設備包括下列七大系統七大系統 位置與姿態控制系統位置與姿態控制系統 ；天線系統天線系統 ；轉發器系統轉發器系統 ；遙測指令系統遙測指令系統 ；電源系統電源系統 ；溫控系統溫控

4、系統 ；入軌和推進系統入軌和推進系統。推進系統的自旋控制推進系統的自旋控制8鏈路傳輸工程 概述 星地鏈路傳播特性 衛星通信全鏈路質量9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； 衛星通信的電波要經過對流層（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。10熱層（電離層）熱層（電離層）80 - 500 km80 - 500 km中間層中間層50 - 80 km50 - 80 km 平流層平流層16 - 50 km16 - 50 km對流層對流層7- 16 km7- 16 km外逸層外逸層500 - 6

5、4,374 km500 - 64,374 km11衛星通信系統的主要技術參數12(1)天線增益G 衛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：24 AG v其中，其中，A為天線口面面積，為天線口面面積， 為波長，為波長， 為天為天線效率，現代卡塞格倫天線的線效率，現代卡塞格倫天線的 可達可達0.75(f=4GHz)或或0.65(f=6GHz)左右。左右。vA 也稱為天線的有效接收面積也稱為天線的有效接收面積Ae。13(2) 等效全向輻射功率（EIRP）v 定義：地球站或衛星的天線發射的功率P與該天線增益G的乘積。表明了定向天線 在最大輻射方向實際所輻射的功率。可表示為 E

6、IRP=PG或 EIRP(dBW)= P(dBW)+G(dB)v 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。Equivalent Isotropic Radiated Power14(3) 饋線損耗(L) 實際的發射裝置中，發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)15(4) 傳輸損耗(L) 衛星通信中，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生損耗。最主要的是自由空間傳播損耗，此外，還應考慮大氣損耗、天線跟蹤誤差、極化方

7、向誤差等所產生的損耗。 通常用dB為單位。16(5) 等效噪聲溫度（Te）和噪聲系數(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中產生的熱噪聲大小。 噪聲功率為kTBBnN0v其中，其中，k為波耳茲曼常數，為波耳茲曼常數，1.3810-23J/K；T為噪聲源的噪聲溫度，單位為為噪聲源的噪聲溫度，單位為K。B為系為系統帶寬為統帶寬為B，單位，單位Hz。17 在實際衛星通信中，其內部總是會產生熱噪聲或其他噪聲。為了鏈路分析和設計的方便，把這些噪聲統統等效成熱噪聲來處理，因而引入等效噪聲溫度Te的概念。 假設網絡內部產生噪聲為N，如果一個輸入匹配電阻在溫度Te時產生的噪聲功

8、率剛好等于N，則Te即為該網絡的等效噪聲溫度。 Te是一個等效溫度，不等于環境的物理溫度。BkTNe18 除等效噪聲溫度外，通常噪聲系數也被用來表示系統的噪聲性能。噪聲系數定義為：室溫(290K)條件下，網絡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(NF)的關系為NF=10lg(1+Te/290)dBooiiFNSNSN/19(6) 品質因數（G/T ）v 下行接收系統的性能主要通過品質因數G/T來體現。v 定義：接收天線增益與接收系統總的等效噪聲溫度的比值。 G/T=G(dB)-10lgT (dB/K)20星-地鏈路傳播特性 衛星通信的電波在傳播中要受到損耗，其中最主要的是

9、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。衛星移動通信系統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，固定業務衛星通信系統則可通過適當選址避免這一額外的損耗。211 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境。22 雖然電波在自由空間里傳播不受阻擋，不產生反射、折射、繞射、散

10、射和吸收，但是，當電波經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。23 經電磁場理論推導，自由空間傳播損耗Lf為 fddBLflg20lg2044.92)(其中，其中，d為傳播距離，單位為為傳播距離，單位為km f為工作頻率，為工作頻率，單位為單位為GHz傳播距離傳播距離d越遠，自由空間路徑損耗越遠，自由空間路徑損耗Lf越越大，當傳播距離大，當傳播距離d加大一倍時，自由空間加大一倍時，自由空間路徑損耗路徑損耗Lf就增加就增加6dB。電波頻率電波頻率f 越高，自由空間路徑損耗

11、越高，自由空間路徑損耗Lf就就越大，當電波頻率越大，當電波頻率f 提高一倍時，自由空提高一倍時，自由空間傳播損耗間傳播損耗Lf就增加就增加6 dB。 于是，若接收機與輻射源（發射機）相隔的距離為于是，若接收機與輻射源（發射機）相隔的距離為d d，接，接收天線的有效面積為收天線的有效面積為A A，則所接收的信號載波功率，則所接收的信號載波功率p pr r為（假定為（假定輻射源是定向輻射，其天線增益為輻射源是定向輻射，其天線增益為G Gt t）自由空間自由空間傳播傳播損耗計算損耗計算22(4)rrtrtpp AGG Pd24rAG24ttrp Gpd自由空間自由空間傳播損耗傳播損耗在不考慮發射與接

12、收天線增益的情況下（即在不考慮發射與接收天線增益的情況下（即G Gt t、G Gr r都為都為1 1）發射功率與接收功率之比定義為自由空間傳播損耗，記作發射功率與接收功率之比定義為自由空間傳播損耗，記作L Lf f。于是有于是有（二）自由空間傳播損耗（二）自由空間傳播損耗2222222(4)4(4)ttfrtrtppdLd fpcGG Pd（二）自由空間傳播損耗（二）自由空間傳播損耗22222(4)4fdLd fc式中，式中，f f為電波頻率；為電波頻率；c c為電波傳播速度，約為為電波傳播速度，約為3 310108 8 m/s m/s 。（二）自由空間傳播損耗（二）自由空間傳播損耗用分貝表示

13、自由空間電波傳播損耗時，用分貝表示自由空間電波傳播損耗時，L Lf f為為222222228(4)410lg10lg410lg10lg10lg43.1420lg20lg20lg3 1092.4420lg20lgfdLd fcdfcdfdf 28自由空間損耗與傳播路徑長度的關系自由空間損耗與傳播路徑長度的關系29v例：衛星和地面站之間的距離為例：衛星和地面站之間的距離為40,000km。計算計算6GHz時的自由空間損耗。時的自由空間損耗。解：解： )(05.2006lg2040000lg2044.92lg20lg2044.92dBfdLf302 鏈路附加損耗和噪聲 衛星通信系統涉及空間段和地面段

14、，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。31大氣吸收附加損耗與頻率的關系大氣吸收附加損耗與頻率的關系H2OO232 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，這一頻段是當前應用最多的頻段。30GHz附近也有一個低損耗區，正式Ka頻段的“無線電窗口”。332、 雨衰和云霧雪的影響 由降雨引起的電波傳播

15、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，以及電波穿過雨區的有效傳輸距離有關。 為保證可靠通信，在進行鏈路設計時，通常先以晴天為基礎進行計算，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量要求，這個余量叫降雨余量。34降雨衰減系數的頻率特性降雨衰減系數的頻率特性353、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彎曲。 由于折射的影響，這就使得電磁波到達衛星站 (或地球站 )時偏離了原來的位置。因此

16、，地球站對準衛星的仰角，衛星的可視性都與在自由空間時不同且還產生附加損耗等。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。3637微波信號通過大氣層時產生折射微波信號通過大氣層時產生折射384、電離層、對流層閃爍的影響 閃爍的概念：地球站與衛星間的無線電波通過電離層和對流層時，由于該層媒質小范圍折射率不規則的起伏變化，使地面接收到的信號振幅與相位發生快速的起伏現象，這種起伏變化稱為閃爍。39電離層閃爍形成多徑傳播電離層閃爍形成多徑傳播40 電離層閃爍：由電離層內電子密度的隨機不均勻性，可使信號產生折射。主要對較低頻段(1GHz以下)的電波產生明顯的散射和折射，引起信

17、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，引起折射指數的不均勻性，對電波產生散射。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，用編碼、交織、重發等技術來克服衰落，減少閃爍的影響；其它地區可用適當增加儲備余量的方法克服閃爍的影響。 415、多徑傳播 電波在移動環境中傳輸時，會受到地形、地物的影響而產生反射、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

18、的合成信號起伏不定，稱為多徑衰落。42地面反射形成的多徑傳播地面反射形成的多徑傳播436、系統熱噪聲 熱噪聲，又稱白噪聲。只要傳導媒質不處于絕對零度 （-273C），其中的帶電粒子就存在隨機運動，產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分布，它是不能夠消除的。 44熱噪聲功率kTBN k為波耳茲曼常數，為波耳茲曼常數，1.3810-23J/K；T為噪聲源的噪聲溫度，單位為為噪聲源的噪聲溫度，單位為K；B為系統帶寬，單位為系統帶寬，單位Hz 。457、宇宙噪聲 宇宙噪聲來自于外層空間星體

19、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日凌中斷，造成嚴重干擾。干擾發生的具體時間與地球站位置有關。468、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

20、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，用留有足夠系統余量的方法來解決。479、其它噪聲干擾 衛星通信系統內的其他噪聲干擾主要包括系統間干擾、共道干擾、互調干擾、交叉極化干擾等。系統間干擾：如衛星通信系統與地面微波通信系統之間的干擾。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，相同頻道可能分配在指向不同地區的兩個波束覆蓋區，但波束間的隔離往往并不十分理想，從而產生共信道干擾。48交叉極化干擾：為了充分利用頻率資源，衛星通信系統常采用極化隔離頻率復用技術，即兩個波束的指向區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信號間的隔離。由于極化的

21、不完全正交可能造成干擾，即能量從一種極化狀態耦合到另一種極化狀態引起的干擾。這也是一種共道干擾。在微波和波長更短的波段，去極化主要產生于雨、冰晶。49互調干擾： 衛星轉發器中采用了高功率放大器(HPA, High Power Amplifier)，當轉發器用于轉發多載波信號時，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) 。 目前衛星轉發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，交調干擾主要是由放大器的非線性特性引起的。50傳播問題傳播問題物理原因物理原因主要影響主要影響衰減和天空噪聲衰減和天空噪聲增加增加大

22、氣氣體、云、雨大氣氣體、云、雨大約大約10GHz以上頻率以上頻率信號去極化信號去極化雨、冰結晶體雨、冰結晶體C和和Ku頻段的雙極化系統頻段的雙極化系統（取決于系統結構）（取決于系統結構）折射和大氣多徑折射和大氣多徑 大氣氣體大氣氣體低仰角跟蹤和通信低仰角跟蹤和通信信號閃爍信號閃爍對流層和電離層折對流層和電離層折射擾動射擾動對流層：低仰角和對流層：低仰角和10GHz以上頻率以上頻率電離層：電離層：10GHz以下頻率以下頻率反射多徑和阻塞反射多徑和阻塞 地球表面及表面上地球表面及表面上物體物體衛星移動業務衛星移動業務傳播延遲、變化傳播延遲、變化 對流層和電離層對流層和電離層精確的定時、定位、精確的

23、定時、定位、TDMA系統系統衛星通信系統的傳播問題衛星通信系統的傳播問題513.3 衛星通信全鏈路質量 鏈路預算分析52PT：發射功率Pr：電波經自由空間傳播后的接收信號功率Lt：發射機到發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frtrttrLLLGGPP v若功率單位為若功率單位為dBW，損耗單位為，損耗單位為dB，則功率平衡，則功率平衡方程可寫為方程可寫為rrrftttPLGLGLP53 傳輸損耗(L) 實際衛星通信中，除自由空間傳播損耗，此外，還應考慮大氣損耗、天線跟蹤誤差、極化方向誤差等所產生的損耗。 總的傳輸損耗是各

24、種損耗之和。v定義發射機的等效全向輻射功率定義發射機的等效全向輻射功率EIRP為：為：EIRP=Pt-Lt+Gtv由此，功率平衡方程可寫為由此，功率平衡方程可寫為rrrfPLGLEIRP54 根據前面對熱噪聲的分析，接收機的輸入噪聲功率為kTBBnN0k為波耳茲曼常數，為波耳茲曼常數，1.3810-23J/K；B為系統的帶寬；為系統的帶寬；T為接收系統的為接收系統的等效噪聲溫度等效噪聲溫度，它包括天線、，它包括天線、饋線和接收機在內的所有噪聲的等效噪聲溫饋線和接收機在內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

25、端，并與接線的噪聲溫度折算到接收機輸入端，并與接收機內部噪聲折算的等效噪聲溫度相加。收機內部噪聲折算的等效噪聲溫度相加。55 （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：仰角（仰角越大，噪聲越小）；天線直徑（直徑越大，噪聲越小）；天氣條件（雨天噪聲劇增，特別是10GHz以上的頻段）。56 衛星通信中，通常用載噪比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

26、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kTBLLLGGPNCfrtrtt57 EIRP=PtGt L=LfLtLr 為系統總的傳輸損耗，G/T為接收系統的品質因數，于是，C/N化簡為)(6 .228dBBLTGEIRPNCBLkTGEIRPkTBLLLGGPNCfrtrtt111v以以dB為單位為單位58 在進行鏈路預算分析時，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反映系統的性能TGLEIRPTGLLLEIRPTCfrt/v式中，式中，L=LfLtLr 為總的傳輸損耗，為總的傳輸損耗，G/T為接為接收系統的品質因數

27、，它是評價接收機性能收系統的品質因數，它是評價接收機性能好壞的重要參數，好壞的重要參數，G/T越大，接收性能越好。越大，接收性能越好。)/(LTGEIRPKdBTC59 不同類型的衛星通信系統，對G/T的要求有較大差異。例如 國際衛星七號（IS-）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值應滿足：G/T40.7+20lg(f/4)。 歐洲通信衛星（EUTELSAT）是區域性波束覆蓋，空間站G/T值為-5.3dB/K，而對地球站G/T的要求為37.7 dB/K +20lgf/4。 衛星移動通信的地面移動終端天線增益通常只有12dB，G

28、/T在-22-23 dB/K左右。60 例：假設衛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。計算系統接收到的C/N值。（假設帶寬為36MHz）解：解：kTBLLLGEIRPNCfrt/ )(04. 656.756 .22832001145/dBBkLTGEIRPNC61 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。（假設帶寬為10MHz）解：解： )(1 .16706 .2281212065

29、 .1948/dBBkLTGEIRPNC62 例：已知IS-IV號衛星工作在C波段，衛星和地球站相距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。63解：距離解：距離d=40000km， C波段上行鏈路工作波段上行鏈路工作頻率為頻率為6GHz，下行鏈路工作頻率為，下行鏈路工作頻率為4GHz，則上行鏈路自由空間傳播損耗為則上行鏈路自由空間傳播損耗為)(04.200lg20lg2044.92dBfdLU)(52.196lg20lg2044.92dBfdLD下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64 上行鏈路，地球站發射，衛星接收。地球站有效全向輻射功率EIRPE=98.6dBW，衛星接收天線增益GRS=16.7dB，接收機載波功率 )(74.84dBWLGEIRPCURSESv下行鏈路，衛星發射，地球站接收。衛星下行鏈路，衛星發射，地球站接收。衛星 EIRPS=34.2dBW ，地球站接收天線增益，地球站接收天線增益GRE=60.0dB，接收饋線損耗，接收