通信卫星和地球站设备PPT课件

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1、1,第2章 通信卫星和地球站设备,2,2.1 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,3,2.1 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,4,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,5,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。,6,按卫星重量分：,7,SNAP-1 Nano-Satellite,清华大学的“纳

2、星”一号,8,Picosat 皮卫星,9,2.2 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。,10,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)

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,11,卫星椭圆轨道的示意图,近地点,远地点,半长轴,半短轴,12,13,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。,14,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3.986105 km3/s2。 若轨道为圆时，a=r,则,(2-11),15,定律的意义 当轨道为椭圆时，卫星在轨道上的各点飞行速度不同：在远地点的速度最小；在近地点的最大。 当轨道为圆形时，则卫星为匀速圆

4、周运动，这时卫星运行的周期、切线速度与卫星的质量无关，只与离地面的高度有关。,16,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。,17,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。,18,解：,轨道方程,19,公转周期,远地点瞬时速度,近地点瞬时速度,20,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

5、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),21,由式(2-11)可得：,由此，卫星离地面高度为,22,2.2.2 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。0i90，轨道面倾斜于赤道。,23,3、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)：h20000km,

6、24,25,4、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（T24恒星时）,26,2.2.3 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,27,2.2.4 卫星的位置保持和姿态控制,1、位置保持 实现位

7、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，,28,三轴稳定法示意图,29,自旋稳定卫星,三轴稳定卫星,30,2.3 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35 786km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

8、，不能覆盖的区域是高于南北纬75以上的地区。,31,2.3.1 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(115.5E)的EIRP等值线图，单位dBW。,32,33,几种常见波束覆盖区域示意图,34,1.全球波束当卫星在同步轨道上时，它对地球边缘的张角为17.34，我们将半功率角为17.34的波束称为全球波束或覆盖波束，如图2.4（a）所示。常用的全球波束天线是喇叭抛物面天线或圆锥喇叭天线。 2.半球波束半球波束天线的波束宽度在东西方向上约为全球波束的一半，一般覆盖一个洲

9、，而不包含海洋，如图2.4（b）、（c）、（d）所示,35,36,3.区域波束区域波束宽度小于半球波束，只覆盖地面上一个大的通信区域，如一个国家或地区。这种天线往往按地域的形状把波束赋形，故又称赋形波束。它是通过控制馈源的排列来获得各种不同形状的。 4.点波束点波束照射在很小的范围内，波束截面为圆形，在地球上的覆盖区也近似圆形，见图2.4中（b）、（c）、（d）。一般都用对称反射面天线来产生点波束。天线直径小，覆盖地球面积大；天线直径大，则覆盖地球面积小。如果一个反射面配用多个馈源，则形成多个点波束。,37,2.3.2 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

10、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）,38,2.3.3 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。,39,仰角：天线轴线与水平面之间的夹角。,40,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= 1,41,静止卫星观察参数图解,42,43,2.3.4 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

11、视区。,44,2.4 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。,45,2.4.1 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。,46,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。,47,2、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。,48,3、跟踪、遥测、指令分系统（TT 降低了大地反射噪声。 缺点： 结构复杂

12、，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,92,天线系统与机房的连接,93,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。,94,95,96,2、大功率发射机分系统 地球站大功率发射系统通常由高功

13、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),小型地球站,97,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。,98,上变频器，将较低的频率(中频信号)变换到较高的频率(射频信号)。可分为 一次变频：从中频(如70

14、MHz)直接变到微波射频(如6GHz)。设备简单，但不利于宽带系统实现，适合小容量的小型地球站 二次变频：从中频(如70MHz)先变到较高的中频(如700MHz或1000MHz)，然后再由此较高的中频变到微波射频(如6GHz)。电路较复杂，但易于实现宽带要求，广泛用于大容量的大中型地球站中。,99,3、低噪声接收分系统 低噪声放大器(LNA)是低噪声接收分系统的重要部件，它的性能很大程度上决定了整个接收系统的等效噪声大小。 目前普遍采用砷化镓场效应管晶体管作为低噪声放大器。 在实际应用中，低噪声放大器应尽可能靠近天线的馈源，通常是附于天线架上的室外单元的一部分，以减小与室内接收机之间连线电缆的

15、损耗的影响。,100,4、伺服跟踪分系统 地球站伺服跟踪分系统的作用是保证地球站的天线能够稳定可靠的对准通信卫星，从而使通信系统能保持正常工作。一般小型固定站不设伺服跟踪设备。 由于手动跟踪、程序跟踪都不能对卫星连续地精确跟踪，因此大中型固定地球站一般采用自动跟踪系统为主，手动跟踪和程序跟踪为辅的方式。根据地球站接收到的卫星所发的信标信号，检测出误差信号，驱动跟踪系统，使天线自动地对准卫星。,101,5、监控分系统 监控设备的功能就是将是系统内各种设备的工作状态，发生故障时内告警及故障处理。小型地球站一般没有专门的监控设备。 监控分系统一般由监视设备、控制设备和测试设备等组成。,102,6、电源分系统 地球站的大功率发射机所需电源必须是定电压、定频率、高可靠性的不中断电源。 用交流市电供电时，通过电力传输线路，必然会同时引起许多杂散干扰，而其公用交流市电也会出现波动，所以必须采取稳压和滤除杂散干扰的措施。 为了满足地球站的供电要求，通常应设有应急电源设备和交流不间断电源设备。,