卫星通讯 第1章 第2讲.

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1、1 地球站都有那几部分组成？ 简单描述卫星信号收发的一般过程。 复问 2 1.3.1 卫星与轨道 通信卫星是卫星通信系统中最关键的设备。 本质：通信卫星是一个设在空中的微波中继站， 功能；将上行信号进行低噪声放大、混频，混频后的信号 再进行功率放大后转换为下行信号。 上行信号和下行信号载波频率是不同的，这是为了避免 在卫星通信天线中产生同频率信号干扰。 1.3 通信卫星 3 1.3 通信卫星 通信卫星 4 间谍卫星 1.3 通信卫星 5 1.3 通信卫星 亚洲七号卫星 6 亚洲七号卫星简介 发射时间： 2011年11月26日 发射地点：哈萨克斯坦的拜科努尔发射基地 发射商：中国中信集团的亚洲卫

2、星公司 制造商：美国劳拉空间系统公司 运载火箭：俄罗斯质子M火箭 位置：105.5E 1.3 通信卫星 7 相关参数 波段： 28个C波段及17个Ku波段转发器，并配备一个Ka波段 波束， 覆盖范围： C波段覆盖范围包括亚洲、大洋洲全境以及非洲和欧 洲的部分地区；此外，还拥有功率强大的Ku波段覆盖， 置有东亚、南亚及一个调转式波束，并可为亚洲四号卫 星及亚洲五号卫星提供全面的备用支持。 1.3 通信卫星 8 1.3 通信卫星 亚洲七号卫星覆盖范围 9 开普勒三定理 1.3 通信卫星 10 1.3 通信卫星 开普勒定理的图形描述 11 卫星轨道形状参数 偏心率e ：决定了椭圆轨道的扁平程度 轨道

3、半长轴a ：远地点与椭圆轨道中心C 的距离 轨道半短轴b ：近地点与椭圆轨道中心C 的距离 e 、a 和b 满足关系: 当e =0时，椭圆轨道退化为圆轨道 1.3 通信卫星 12 卫星轨道形状参数 半焦距 ：地心与椭圆轨道中心的距离 r ：卫星到地心的瞬时距离，对椭圆轨道是个时变量 ，对圆轨道可看作常数 远地点 (apogee)：地心与椭圆轨道中心的距离 近地点 (perigee )：地心与椭圆轨道中心的距离 1.3 通信卫星 13 开普勒三定理的数学表达 第一定律(轨道定律)：卫星以地心为一个焦点做椭圆运 动。 在极坐标中，卫星运动方程可写成： 式中：是瞬时卫星-地心连线与地心-近地点连线的

4、夹角 ，是卫星在轨道面内相对于近地点的相位偏移量；p = a(1-e2)为椭圆半焦弦。 1.3 通信卫星 14 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。 根据机械能守恒原理可以推出： 椭圆轨道上卫星的瞬时速度： 圆轨道上卫星的瞬时速度： 1.3 通信卫星 15 第三定律(轨道周期定律)：卫星运转周期的平方与轨道 半长轴的3次方成正比。 椭圆轨道： 圆轨道： 1.3 通信卫星 16 例：某采用椭圆轨道的卫星，近地点高度（近地点到地球 表面的距离）为1000km，远地点高度为4000Km。在地 球平均半径为6378.137 km的情况下，求该卫星的轨道周 期T。 解：长

5、轴为远地点和近地点之间的直线距离，在半长轴 为a，地球半径为Re，近地点高度为hp和远地点高度为ha 时，有： 所以，半长轴a = 8878.137km，由此可计算轨道周期： 1.3 通信卫星 17 地心坐标系 地心O为原点 X轴指向春分点方向 Z轴与地球的自转轴 重合，指向北极点 X轴和Y轴确定的平面 与赤道平面重合 X、Y、Z轴构成一个 右手坐标系 1.3 通信卫星 18 轨道参数 在地心坐标系中，为完整地描述任意时刻卫星在空间 中的位置，通常使用2组6个轨道参数 第一组参数定义了轨道的方位，用于确定卫星相对于 地球的位置 第二组参数定义了轨道的几何形状和卫星的运动特 性，用于确定卫星在轨

6、道面内的位置 1.3 通信卫星 19 确定轨道平面方位的三个参数为： 右旋升交点赤道经度 ：赤道平面内从春分点方向到 轨道面交点线间的角度，按地球自转方向度量 轨道倾角 i：轨道平面与赤道平面间的夹角 近地点幅角 ：轨道平面内，升交点与近地点间的夹 角，从升交点按卫星运行方向度量 1.3 通信卫星 20 确定轨道平面几何形状和卫星的运动特性的三个参数为： 轨道偏心率e：反映了轨道面的扁平程度，取值范围 0,1) ； 轨道半长轴a：椭圆轨道中心到远地点的距离； 平均近点角M或过近地点时间tp ：通过平均近点角M 或过近地点时间tp可以计算卫星的真近点角。 M和tp满 足如下关系式（式中Ts为卫星

7、轨道周期）。 1.3 通信卫星 21 圆轨道参数 对圆轨道，通常认为轨道偏心率恒为0，近地点和升 交点重合，只需4个参数就可以完整描述卫星在空间的 位置： 右旋升交点赤道经度 轨道倾角i 轨道高度h 初始时刻的真近点角（即初始幅角） 1.3 通信卫星 22 卫星在圆轨道平面内的定位 对圆轨道，以升交点代替近地点作为面内相位参考点 卫星以近似恒定的速度Vs飞行，因此瞬时卫星与升交 点间的夹角 1.3 通信卫星 23 卫星在椭圆轨道平面内的定位 通常采用右侧侧所示几何方 法来间间接计计算卫卫星的瞬时时 真近点角 图图中，E称为偏心近点角， 是真近点角 根据开普勒第二定理，可 以推导偏心近点角E与平

8、均近 点角M之间满足关系： 1.3 通信卫星 24 卫星星下点轨迹 卫星的星下点指卫星地心连线与地球表面的交点 星下点随时间在地球表面上的变化路径称为星下点轨 迹 星下点轨迹是最直接地描述卫星运动规律的方法 假定0时刻，卫星经过其右升交点，则卫星在任意时刻t （0）的星下点经度（用s表示）和纬度（用s表示）由 以下方程组确定： 1.3 通信卫星 25 一颗轨道高度为13892km，轨道倾角60，初始位置（ 0E，0N）的卫星24小时的星下点轨迹如下图所示 ： 1.3 通信卫星 26 2.卫星轨道的分类 1）按形状：椭圆轨椭圆轨 道和圆轨圆轨 道 2）按倾倾角：赤道轨轨道、极轨轨道和倾倾斜轨轨道

9、 1.3 通信卫星 27 3）按高度：低地球轨轨道（LEO）、中地球轨轨道（MEO） 、静止/同步轨轨道（GEO/GSO）和高椭圆轨椭圆轨 道（HEO ） 1.3 通信卫星 轨道类型可用高度（km） LEO7002000 MEO800020000 GEO/GSO35786 HEO远地点可达40000 28 29 3.卫星轨道的摄动 定义： 卫星的实际轨道不断发生不同程度地偏离开普勒轨道 的情况，产生一定的漂移，这种现象称为摄动。 原因： (1)、太阳、月亮引力的影响。 (2)、地球引力场不均匀的影响。 (3)、太阳辐射压力的影响。 (4)、地球大气阻力的影响。 1.3 通信卫星 30 （1）位

10、置保持 定义： 使卫星在运行轨道平 面上的位置保持不变。 方法： 轴向喷嘴+横向喷嘴 静止卫星必须采取位置 保持技术，其定点精度 约为0.1，换算成位 置精度约为40 km。 1.3 通信卫星 4.卫星的位置保持与姿态控制 31 （ 2 ）姿态控制 控制卫星保持一定的姿态，以便使卫星的天线波束始 终指向地球表面的服务区，同时，对采用太阳能电池帆 板的卫星，还应使帆板始终朝向太阳。 姿态控制的一般步骤： 1.3 通信卫星 32 方法： 自旋稳定 三轴稳定 重力梯度稳定 磁力稳定 1.3 通信卫星 33 一颗椭圆轨道的卫星，近地点高度（近地点到 地球表面的距离）为2000km，远地点高度为 600

11、0Km。在地球平均半径为6400 km的情况下， 求该卫星的轨道周期T。 作业 34 亚洲七号通信卫星的位置在哪里？ 简单描述开普勒三大定律。 复问 35 1.3.2 卫星覆盖与星座设计 1、单颗卫星覆盖特性计算 单颗卫星对地覆盖的几何关系如下图所示 ： 1.3 通信卫星 36 一般来说，星下点P处于星上天线全球波束的立轴上 。不难得出以下结论： (1)卫星的全球波束宽度：，式中q1/2 为波束的半功率宽度，即卫星对地球的最大视角；R为地 球半径；h为卫星离地面的高度。对于静止卫星来说， q1/217.34。 (2)覆盖区边缘所对的最大地心角： 对于静止卫星，a=81.3。 (3)卫星到覆盖区

12、边缘的距离： 对于静止卫星，d=41700 km。 1.3 通信卫星 37 (4)覆盖区的绝对面积S与相对面积S/S0分别为： 对于静止卫星来说，理论值：S/S042.4，地球站天线 对准卫星的仰角接近0 INTELSAT规定地球站天线的工作仰角5，静止卫星的可 通信区实际值：S/S0=38。 1.3 通信卫星 38 2.方位角、仰角和站星距的计算 站星距：AP 地球站A（ f1、q1 ) 星下点P（ f2 、0 ) 经度差：f=f2f1 纬度差：q10=q1 1.3 通信卫星 39 1.3 通信卫星 40 1.3 通信卫星 41 1.3 通信卫星 主要参数： Freq： 1.449GHz S

13、pan ： 500k RB 10k VB 100 LEVEL -40 SWEEP 1s CALC Normal 42 1.3 通信卫星 43 3.星座设计 卫星星座的定义： 具有相似的类型和功能的多颗卫星，分布在相似的 或互补的轨道上，在共享控制下协同完成一定的任务 1.3 通信卫星 44 1.3 通信卫星 GPS 45 1.3 通信卫星 北斗 46 星座的覆盖方式 星座种类： 1.3 通信卫星 (a)星状星座；(b)网状星座 47 星座覆盖的四种方式： 1.3 通信卫星 持续性全球覆盖 持续性地带覆盖 持续性区域覆盖 部分覆盖 48 设计最佳星座： 标准： 轨道高度尽可能低（路径损耗）， 卫

14、星数量尽可能少（费用最省）， 最小仰角尽可能大（通信路径的各种衰减较小）， 指定区域进行全天候的持续性覆盖（ 24小时不间断的连 续覆盖）。 调整参数： 轨道倾角 升节点 1.3 通信卫星 49 卫星覆盖带 覆盖带是基于同一轨道面内 多颗卫星的相邻重叠覆盖特性 ，在地面上形成的一个连续覆 盖区域 覆盖带半（地心角）宽度c 为为单颗卫星覆盖的半地心角宽度 ， S为每个轨道面内的卫星数量 /S为卫星之间的半地心角宽度 1.3 通信卫星 50 星座的类型 1.3 通信卫星 51 星座的表示及主要参数： 轨道面数 每个轨道面内的卫星数 轨道平面的倾角 轨道面的升节点位置 初始相位角 半长轴 偏心率 近

15、地点幅角w 1.3 通信卫星 52 1.3.3 通信卫星的组成 1.3 通信卫星 53 1.3 通信卫星 54 54 通信卫星的组成 该系统在地面测控站 的指令控制下完成对 卫星的姿态、轨道位 置、工作状态、主备 用部件切换等各项功 能的调整。 天线分系统的主要任务是定向 发射和接收无线电信号。 在通信卫星 中直接起中 继站作用， 完成接收、 处理、发射 信号作用。 主要包 括遥测 与指令 两大部 分。 卫星上各种电子设备 所需能量的源泉。 55 天线（天线分系统） 卫星天线有两种类型： 全方向性天线 定向天线 覆球波束天线：波束能覆盖卫星对地球的整个视区。 点波束天线：此波束很窄，覆盖地面某一限定的小区。 赋形波束天线：覆盖地球通信区域为一特定的区域，如 为一个国家国土等。 1.3 通信卫星 56 1.3 通信卫星 57 1.3 通信卫星 58 转发器(通信分系统) 作用：转发器直接起着转发各地球站信号的 卫星转发器通常分为两大类： 透明转发器 透明