《衛星通信》教案第一章概論基本概念的介紹衛星通信的基本概念衛星通信的定義衛星通信實際上就是利用通信衛星作為中繼站的一種特殊的微波中繼通信方式信的術語和定義：地球站與宇宙站的通信宇宙站之間的通信通過宇宙站的轉發或反射進行的地球站之間的通信什么是星間連路？什么是星際連路？——銥系統靜止衛星通信什么是靜止衛星？并不是真的靜止不動，而是與地球同步運行一一同步衛星全球通信：只要用三顆等間隔配置的靜止衛星就可以實現全球通信衛星通信系統的分類按覆蓋范圍分：國際衛星通信系統，國內衛星通信系統和區域衛星通信系統按用戶的性質分：公用衛星通信系統，專用衛星通信系統，和軍用衛星通信系統按衛星的制式分：靜止和非靜止衛星通信系統按衛星高度分：低軌道，中軌道，靜止軌道，和高橢圓軌道靜止衛星的特點：.優點：.不足：保密性時延一一回波干擾和話音重疊.星蝕.日凌中斷衛星通信系統和衛星通信線路的組成衛星通信系統的組成衛星測控系統地球站和監測管理系統衛星通信線路的組成發端地球站上行線傳播路徑衛星轉發器和下行線路傳播路徑和收端地球站（一個完整通信過程需要經歷什么？）衛星通信工作頻段及電波傳播特點：工作頻段：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

考慮天氣噪聲，大氣吸收損耗，通信衛星工作頻段選擇在考慮天氣噪聲，大氣吸收損耗，通信衛星工作頻段選擇在1?10GHz范圍最適宜1.4.2電波傳播特點：.自由空間損耗：LP=92.44+20Lgd+20lgfdBLP=32.44+20lgd+20lgfdB2.大氣損耗：降雨余量動衛星通信電波傳播的衰落現象多徑衰落多普勒頻移普勒頻移當衛星和用戶終端之間，衛星與基站之間存在相對運動時，接收到的發射段載頻發生頻移第2章通信衛星和地球站設備第2章通信衛星和地球站設備第2章通信衛星和地球站設備通信衛星的種類按衛星運動狀態分，有靜止衛星和運動衛星按衛星形狀分，有球形衛星、箱形衛星、圓柱體（套筒式）衛星、錐頂圓柱體衛星、多棱柱形衛星、風扇行衛星等多種按衛星業務種類分，有商用衛星、軍用衛星、氣象衛星、科研衛星、廣播衛星等。按姿態穩定方式分，有自旋穩定衛星和三軸穩定衛星。按衛星重量分：巨星大星中小星微型星…衛星軌道衛星運動的基本規律衛星繞地球運行，它的運動軌跡叫衛星軌道。衛星視使用目的和發射條件不同，可能有不同高度和不同形狀的軌道，但它們有一個共同點，就是它們的軌道位置都在通過地球垂心的一個平面內。衛星運動所在的平面叫軌道面。衛星軌道可以是圓形或橢圓形。但不論軌道形狀如何，衛星的運動總是服從萬有引力定律的，由此導出衛星運動的三個定律。假設地球是質量均勻分布的圓球體，忽略太陽、月球和其它行星的引力作用，衛星運動服從開普勒三大定律。開普勒第一定律（橢圓定律）：衛星以地心為一個焦點做橢圓運動。普勒第二定律（面積定律）：衛星與地心的連線在相同時間內掃過的面積相等。（求在軌道上任意位置的瞬時速度）P18：例1我國第一顆人造地球衛星的遠地點高度hA=439km，近地點高度hB=2348km。試求其軌道方程。公轉周期、遠地點和近地點的瞬時速度v（rmax^Dv（rmin）0E知地球半徑R=6378km。P19：例2已知地球半徑R=6378km，靜止衛星的周期T=24恒星時=23h56min4.09s件均太陽時），求衛星離地面高度h和勻速圓周運動速度V。衛星軌道的分類1、按衛星軌道的形狀可分為圓形軌道和橢圓形軌道。2、按衛星軌道平面傾角分類衛星軌道平面與赤道平面的夾角，稱為衛星軌道平面的傾角，記為i。赤道軌道。i=0，軌道面與赤道面重合；靜止通信衛星就位于此軌道平面內。極地軌道。i=90，軌道面穿過地球南北極。傾斜軌道。0<i<90，軌道面傾斜于赤道。3、按衛星軌道高度分類根據衛星運行軌道距離地面的高度h，可分為地球低軌道衛星(LEO)：h<1500km中軌道衛星(MEO)：8000km<h<12000km靜止衛星(GEO)：h=35786km。高橢圓軌道衛星(HEO)：h>20000km4、按衛星的運轉周期及衛星同地球相對運動關系分類。同步軌道(T=24恒星時)靜止軌道：運行方向與地球自轉方向一致，赤道上空離地面約35786公里的同步軌道。只有一條，傾角i=0 。非靜止同步軌道：不滿足靜止軌道條件的同步軌道，即傾角i0的同步軌道。非同步軌道(T〈24恒星時)衛星的攝動由于一些因素的影響，衛星運動的實際軌道不斷發生不同程度地偏離開普勒定律所確定的理想軌道的現象，稱為攝動。1、太陽、月亮引力的影響2、地球引力場不均勻的影響3、地球大氣層阻力的影響4、太陽輻射壓力的影響衛星的位置保持和姿態控制1、位置保持實現位置控制主要是靠星體上的軸向噴嘴與橫向噴嘴來完成的。2、姿態控制自旋穩定法，早期靜止衛星常用的姿態控制方法三軸穩定法，是指衛星的姿態是由穩定穿過衛星重心的三個軸來保證的。這三個軸分別在衛星軌道的切線、法線和軌道平面的垂線等三個方向上，分別對應叫做滾動軸、俯仰軸和偏航軸，通信衛星的覆蓋利用衛星構成通信系統，首先要知道它的覆蓋范圍。當衛星上天線波束形狀不同及波束中心指向不同時，它們照射地球表面所形成的覆蓋范圍和區域也就不同。天線波束的類型利用高度約35786km軌道上的靜止衛星基本上可覆蓋地球表面的1/3以上的區域，不能覆蓋的區域是高于南北緯75°以上的地區。靜止衛星覆蓋范圍的確定星下點：衛星與地心連線和地球表面的交點位于衛星的垂直下方赤道上空的衛星其星下點在赤道上。用星下點來表示GEO在軌道上的位置（用經度來表示）方位角、仰角和站星距的計算方位角：以正北方向為標準，將衛星天線的指向偏東或偏西調整一個角度，該角度即是所謂的方位角。仰角：天線軸線與水平面之間的夾角。衛星“共視區”當星下點通過圖中畫斜線的公共區域時，A、B兩地球站都能“看到”這個衛星，這個公共區域叫共視區。通信衛星的組成通信衛星由空間平臺和有效載荷兩部分組成。空間平臺空間平臺又稱衛星公用艙，用來維持通信轉發器和通信天線在空中正常工作的保障系統。通信衛星的有效載荷人造地球衛星的有效載荷是指不同用途的衛星，為了完成技術任務而配備的特有系統。不同用途的衛星有不同的有效載荷。例如，資源衛星的有效載荷就是各種遙感器，它包括可見光照相機、多光譜相機、多光譜掃描儀、紅外相機、微波輻射計和微波掃描儀和合成孔徑雷達等；氣象衛星的有效載荷包括掃描輻射計、紅外分光計、垂直大氣探測器和大氣溫度探測器等；通信衛星的有效載荷主要是通信轉發器及通信天線；天文衛星的有效載荷是各種類型的天文望遠鏡，它包括紅外天文望遠鏡、可見光天文望遠鏡和紫外天文望遠鏡等。1、天線分系統發送和接收通信及測控信號。用于遙控、遙測和信標信號的全向天線，接收地面的指令及向地面發送遙測數據。用于通信的微波定向天線。可分為全球波束天線、點波束天線和區域波束天線三類。2、通信轉發器又叫通信分系統或中繼器，實質上是一部寬頻帶的收、發信機。其作用為接收、處理并重發信號。對轉發器的基本要求是：以最小的附加噪聲和失真，并以足夠的工作頻帶和輸出功率來為各地球站有效而可靠地轉發無線電信號。轉發器通常分為：透明轉發器：收到地面發來的信號后，除進行低噪聲放大、變頻、功率放大外，不作任何加工處理，只是單純地完成轉發任務。處理轉發器：除進行信號轉發外，還具有信號處理功能。透明轉發器處理轉發器對數字信號進行解調再生，避免噪聲積累對不同的衛星天線波束之間進行信號交換其他更高級的信號變換和處理轉發器的數量越多，衛星的通信能力就越大。小容量通信衛星：星載轉發器少于12個，功率小于1000瓦的通信衛星中容量通信衛星：有24個轉發器，功率在1000?3000瓦之間大容量通信衛星：有48個轉發器，功率在3000~7000瓦之間超大容量通信衛星：轉發器多于48個，功率在7000瓦以上通信衛星舉例一一鑫諾三號鑫諾衛星通信有限公司的“鑫諾3號”衛星是一顆專門為我國滿足中央、各省會城市、各直轄市衛星廠播電視傳輸需要的廠播電視傳送衛星。靜止軌道通信衛星發射第一宇宙速度（環繞速度）：是指物體緊貼地球表面作圓周運動的速度（也是人造地球衛星的最小發射速度）。大小為7.9km/s。第二宇宙速度（脫離速度）：是指物體完全擺脫地球引力束縛，飛離地球的所需要的最小初始速度。大小為11.2km/s。第三宇宙速度（又稱逃逸速度）：是指在地球上發射的物體擺脫太陽引力束縛，飛出太陽系所需的最小初始速度。其大小為16.7千米/秒。第一宇宙速度也是人造衛星在地面附近繞地球做“勻速圓周運動”所必須具有的速度。但是隨著高度的增加，地球引力下降，環繞地球飛行所需要的飛行速度也降低，所有航天器都是在距地面很高的大氣層外飛行，所以它們的飛行速度都比第一宇宙速度低。因此，第一宇宙速度是在地面發射衛星的最小速度，也是衛星繞地球飛行的最大速度。環繞速度和脫離速度隨衛星高度的不同而不同，衛星軌道越高，地球對衛星的引力越小，其環繞速度和脫離速度越小。衛星發射的運載工具——多級火箭中國自1956年開始展開現代火箭的研制工作1970年4月24日“長征1號”運載火箭誕生，首次發射“東方紅1號”衛星成功三級火箭主要用于發射近地軌道小型有效載荷能把300千克重的衛星送入440公里高的近地軌道“長征2號”運載火箭是中國的航天運載器的基礎型號1975年11月26日，“長征2號”火箭完成了中國第一顆返回式衛星的發射任務。兩級火箭能把1.8噸的衛星送入距地面數百公里的橢圓形軌道“長征3號”運載火箭是在“長征2號”火箭基礎上于1984年研制成功的三級火箭增加的第三級采用低溫高能液氫液氧發動機首次將有效載荷送入地球同步轉移軌道。同步轉移軌道運載能力為1.6噸。“長征4號”是三級常規運載火箭，作為發射地球同步轉移軌道衛星運載火箭的另一方案，1988年9月7日首次發射，成功地將我國第一顆氣象衛星風云一號送入太陽同步軌道。其后改型為“長征4號A”，用于發射同步軌道衛星。“長征4號B”是在“長征4號A”基礎上發展的一種運載能力更大的運載火箭，主要用于發射太陽同步軌道的對地觀察應用衛星。例：發射靜止軌道自旋衛星，用三級火箭和星載遠地點發動機。步驟1：用一二級火箭和三級火箭的第一次點火，將衛星送入300km?400km的傾斜圓軌道，即初始軌道（或暫停軌道）。步驟2：第三級火箭第一次點火關機后，衛星滑行一段，第三級火箭第二次點火加速，火箭關機脫離，衛星進入橢圓轉移軌道，此時近地點高度不變，遠地點高度為36000km同步軌道高度。步驟3：在遠地點處啟動遠地點發動機，進入近似的圓形同步軌道。步驟4：點燃衛星自帶的反向小火箭產生反向推力，使衛星停止在預定的靜止軌道位置。衛星通信地球站地球站的種類地球站是衛星通信的重要組成部分，其作用是向衛星發送和接收來自衛星的信號。目前國際上通常根據地球站天線口徑尺寸及G/T值大小將地球站分為A、B、C、D、E、F、G、Z等各種類型。A、B、C三種是大型站，稱為標準站，用于國際通信，適合各種業務類型。D1，D2主要是用于VSAT（甚小口徑終端）的小型站。E和F分別工作在Ku波段和C波段，又分為E1、E2、E3和F1、F2、F3等類型。E1，F1，稱為小型站，它們的業務容量較小，一般用于商用系統（IBS）。E2,E3和F2,F3又稱為中型站，是為大城市和大企業之間提供通信業務的。G是國際租賃專線。Z是國內電路，租賃專線。對地球站的技術要求一般來說，對地球站應有以下幾方面的要求①發送的信號應是寬頻帶、穩定、大功率的信號，能接收由衛星轉發器轉發來的微弱信號。②可以傳輸多路電話、電報、傳真，以及高速數據、電視等多種業務的信號。③性能穩定、可靠，維護、使用方便。④建設成本和維護費用不應太高。(1)地球站的性能指標一一品質因數(G/T)G/T是地球站接收天線的增益G與地球站接收系統的等效噪聲溫度T的比值，它表征了地球站對微弱信號的接收能力，稱為地球站的品質因數。(2)有效輻射功率及其穩定度為了保證所傳送信號的質量，要求地球站的發射機能夠發射較大的功率，一般為幾百瓦?十幾千瓦，而且要求所發射的射頻信號功率非常穩定。若功率偏小則信號差，若功率偏大則會帶來額外的干擾。(3)射頻頻率的穩定度地球站所發射的射頻信號的頻率必須很精確，如果有較大漂移，不但要影響衛星轉發器頻帶的有效利用，還會在衛星轉發器中產生交調噪聲，有的還會影響鄰近載頻的正常傳送。(4)射頻能量的擴散為減小交調干擾，必須對地球站在負載輕(即通話數少)的時候所發射的射頻頻譜能量密度加以限制。地球站的組成一個典型的國際衛星通信的雙工式A型標準地球站，一般包括天線分系統、發射機分系統、接收機分系統、信道終端設備分系統、伺服踉蹤設備分系統、監控分系統(通信控制分系統)、用戶接口分系統和電源分系統等。地球站設備的一般組成框圖1、天饋分系統天線饋線系統簡稱天饋系統。除包括天線、饋線外，還包括用以分離跟蹤信號的部件等。衛星天線通常采用拋物面天線，利用無線電波信號跟光相似的特點來反射聚集電磁波，接收天線結構主要由反射面、饋源和支架幾部分組成。按照天線反射面與饋源所處的相對位置不同，我們可以把拋物面天線分為正饋天線和偏饋天線兩種。①正饋天線中心聚集電波的衛星天線被稱為正饋天線，其天線反射面呈正圓狀，饋源位于天線拋物面焦點處。正饋天線根據結構不同還可再分為前饋式天線及后饋式天線(即卡塞格倫天線)。前饋式天線具有結構簡單、成本較低等優點。優點。但由于饋源正好位于天線拋物面焦點處，帶來諸多問題，比如輻射器對反射電波有個遮擋作用，而且饋線較長，損耗噪聲較大。目前地球站應用最多的天線是卡塞格倫天線。它屬于后饋式天線，由饋源喇叭（一次輻射源）、主反射器（拋物面）和副反射器（雙曲面）組成。卡塞格倫天線的優點：饋源安放在拋物面頂點附近，因此可直接和主反射面背后的低噪聲放大器連接，降低了因饋電波導過長而引起的損耗噪聲；主副反射面調整方便，效率高；拋物面焦距很短，降低了整個天線的長度；降低了大地反射噪聲。缺點：結構復雜，價格昂貴，制造、安裝、調試、維護的技術要求也都比較高，適合大中型地球站，不適于家庭和小范圍使用。副反射器及其支架的阻擋，造成效率下降②偏饋天線偏饋天線特別適合接收KU波段信號，一般來說口徑較小，通常在一米以下，反射面呈現橢圓。由于饋源安裝的位置不在天線反射面的中心線上，所以被稱為偏饋天線。因為其饋源不在天線反射面與衛星之間，得以避免了饋源對衛星電波信號的遮擋，所以這種天線的接收效率比較高。由于偏饋天線具有易于安裝、節省空間、方向圖好，效率較高等優點，目前在家庭和小用戶中廣泛采用。2、大功率發射機分系統地球站大功率發射系統通常由高功率放大器、激勵器、發射波合成器、上變頻器及自動功率控制電路等組成。高功率放大器（HPA）是地球站上行系統的關鍵部件之一，其任務是將基帶調制信號放大到足夠的功率電平，經饋線由天線向衛星發射。目前常用的有三種行波管（TWTA）速調管（KPA）坤化綠場效應管（GaAsFET）對高功率放大器的要求大功率寬頻帶長壽命、高可靠性線性度高功率穩定度高由于大型地球站的大功率微波輻射會造成有害于人體健康的環境，因此大型地球站通常不設置在人群稠密的地方，或進行必要的屏蔽。上變頻器，將較低的頻率（中頻信號）變換到較