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1、卫星技术,1,金仲和, ,87952588,13906526100助教: 杜超禹、王婵交作业邮箱: sat_公邮:sat_,密码:public，课件等参考资料等。,首颗商业应用卫星-通信广播卫星,2,目录,通信卫星概述通信卫星的种类“斯科尔”和“国际通信卫星1号”通信卫星的系统组成通信卫星系统的应用未来的发展趋势,3,通信卫星概述,4,通信技术在人类历史中的作用,通信：在两个或多个位置实现信息的传输、接收和处理。 通信是人类社会的基本需求，每一次通信技术的变革都会对整个社会以及每一个人带来极大的影响。古代： 烽火台、鼓、鸣“金”、书信等近代： 电报、电话等现代 有线通信：光纤、电缆。 无线通信
2、：短波/超短波通信、微波中继通信、地面移动通信、卫星通信。,5,通信技术的目标及限制,终极目标：任意时间、任意地点、任意多的节点完成任意大数据的交换。 通信技术的发展总是向着这一理想目标靠近，在实现过程中要进行实时性、传输距离、传输带宽等各方面的权衡。 无线通信是现代通信技术的一个代表，相对于有线通信网来说，具有使用地点灵活，架设简单，建设成本低等各方面的优点。 无线通信最大的约束：地球是圆的。,6,A点与B点位置足够远时，地球将阻挡无线信号的直接传输。,通过C点的信号中继，A点与B点可以完成信号的间接传输。C点信号中继的作用范围取决于C点转发器距离地面的高度。C点转发器的高度越高，覆盖范围越
3、大。,人类目前能实现的最高转发器：卫星,7,8,9,理论上，三颗同步轨道通信卫星就能覆盖全球。,通信卫星的覆盖,通信卫星的覆盖面积并不是简单的地球与卫星之间的几何关系，还需要考虑卫星的辐射功率。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。,10,11,12,13,几种常见波束覆盖区域示意图,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
4、）,14,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。,15,仰角：天线轴线与水平面之间的夹角,16,17,站星距离：地球站与卫星之间的距离。,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,静止卫星观察参数图解,18,通过星地的距离，结合卫星发射功率、天线增益等参数，就可以判断地球上某地面站是否处于覆盖区,通信卫星发展简史,卫星通信之父 Arthus Clarke：1945年，Wireless World上发表论文地球外的中继卫星通信时代的开启：1957年10
5、月4日，前苏联发射第一颗人造卫星SPUTNIK-1第一颗通信试验卫星：1958年12月，美国NASA发射“SCORE”广播试验卫星。1960年8月，美国NASA发射“ECHO”，首次完成中继通信。1962年7月，美国电话电报公司AT&T发射“TELESAT-1”低轨通信卫星，奠定商用通信卫星技术基础。,19,通信卫星发展简史,1962年11月，美国无线电公司RCA发射“RELAY-1”实现横跨太平洋的美日之间的电视转播。以上卫星由于受运载火箭的能力限制，均为低轨道卫星。1963年7月，美国NASA发射“SYNCOM-2”，实现同步轨道的信号中继，使建立稳定的卫星通信线路成为现实，至此卫星通信作
6、为现代通信方式取得稳固的地位。1965年4月，美国发射第一颗半实用，半试验的同步轨道静止通信卫星“INTELSAT-1”，正式为北美和欧洲之间提供通信业务，标志通信卫星进行实用阶段。,20,通信卫星发展简史,20世纪70年代，提供卫星广播业务。20世纪80年代，提供海事卫星通信服务。20世纪90年代，提供航空通信，陆地移动通信和个人卫星通信服务。1998年11月1日，第一个全球个人卫星移动通信系统-铱星开始商业运营(第七周介绍)。进入21世纪以来，低轨道小卫星通信系统也成为研究的热点，在物流、军事、灾害等各个不同领域具有应用的需求。,21,通信卫星的种类,22,按卫星形状分，有球形卫星、箱形卫
7、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,23,按姿态稳定方式分，有自旋稳定卫星和三轴稳定卫星。,24,按卫星重量分：,25,26,SNAP-1 Nano-Satellite,清华大学的“纳星”一号,27,皮卫星,卫星轨道,开普勒定理 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，忽略大气阻力，卫星运动服从开普勒三大定律。,28,开普勒第一定理（1602年）小物体（卫星）在围绕大物体（地球）运动时的轨道是一个椭圆，并以大物体的质心作为一个焦点,29,开普勒第二定理（1605年）小物体（卫星）在轨道上运动时，在相同的时间内扫过的面积相同；,3
8、0,其中：a是半长轴，开普勒常数=3.9861105 km3/s2,开普勒第三定理（1618年）小物体（卫星）的运动周期的平方与椭圆轨道半长轴的立方成正比关系,31,圆轨道卫星具有恒定的运动速度典型卫星通信系统的轨道高度、卫星速度和轨道周期如下表,32,从轨道形状进行分类圆轨道：GEO，GSO，MEO，LEO椭圆轨道HEO,33,从轨道高度进行分类低地球轨道LEO：Low Earth Orbit，700 2000 km中地球轨道MEO：Medium Earth Orbit，10000 20000 km同步轨道GSO：GeoSynchronous Orbit，35786 km静止轨道GEO：GE
9、ostationary Orbit，35786 km高椭圆轨道HEO：Highly Elliptical Orbits，最高点可达40000km,34,35,内范伦带：15005000 km外范伦带:1300020000km,36,37,38,39,“斯科尔”和“国际通信卫星1号”,40,斯科尔号（SCORE）,国际上第一颗通信试验卫星。1958年12月18日发射椭圆轨道，近地点184km，远地点1462km设计寿命20天，实际在轨35天。重量3980kg。成功将美国总统的圣诞节祝辞录音带到太空，然后从太空传到各地转播，试验了卫星通信的可能性。,41,主要背景,斯科尔号（SCORE）全称为Si
10、gnal Communication by Orbiting Relay Equipment。在前苏联发射首颗卫星的一年后，是Atlas火箭的首次发射。（美苏竞争） 主要试验目的：验证Atlas火箭的发射验证卫星通信理论的符合性验证卫星硬件在轨的可靠性测试地面设备,42,主要设计,直接采用火箭作为卫星平台，因此重量达到3980kg，实际有效载荷只有87kg。通信有效载荷直接在商用设备的基础进行更改，整个研发在6个月内完成。天线为狭槽天线，共4个，两收两发，安装在火箭的表面，增益为-1dB。发射机，频率为132MHz，8W输出，全部由电子管构成。接收机，频率为150MHz，10dB噪声系数，全部
11、由晶体管构成。,43,主要设计,由于卫星设计寿命短，电源系统直接采用银锌蓄电池（不可充电）作为唯一供电来源，避免了设计中太阳能电池以及可充电蓄电池的复杂性。安装了两套相同的通信载荷，进行备份，提高任务的可靠性。实际试验过程中，一套设备失效。由于卫星的轨道属于低轨椭圆轨道，而且寿命较短（设计寿命20天），因此两个地面站同时可见的概率较低，因此卫星中增加了储存延时下传的能力（通过录音磁带）。实际在轨测试中磁带更新了28次，直至蓄电池耗尽。,44,国际通信卫星1号,国际上第一颗静止轨道商用通信卫星。原名“晨鸟”号，1965年4月6日发射。 6月28日正式投入商业运行。设计寿命为18个月，实际在轨工作
12、接 近4年。首次提供了北美与欧洲之间的洲际 电视转播服务。高0.6米，直径0.72米，重39千克。具备240路电话通道或一路电视通道。,45,研制背景,国际通信卫星组织于1964年由11个国家临时成立，目标是建立一个全球商业通信卫星系统，一视同仁地向所有国家提供范围更加广泛的电信服务。直接继承采用美国第一颗静止试验通信卫星“辛康”号的技术成果。研制周期仅用了一年。在轨期间，成功对同步轨道商业通信卫星的概念进行了演示。1969年1月，该星停止服务，进行在轨备用状态。同年6月被再次唤醒，为阿波罗11号任务提供支持，两个月后再次推出服务状态。,46,技术特点,自旋稳定，降低了姿控系统的复杂性。但对通
13、信卫星而言，自旋稳定会降低天线效率。整星未安装蓄电池，完全依赖太阳能电池进行工作，降低了能源系统复杂度，但在阴影区卫星无法工作。能够提供点到点的通讯服务。,47,后续型号,国际通信卫星到目前为止已经发展了6代，每一代都进行了技术革新，最终的目的是进一步提高通信的路数和带宽。第二代卫星使用了备份行波管和蓄电池。单个转发器实现了多载波多址通信。第三代卫星最突出的技术成就是使用了机械消旋天线，为增大天线增益 、提高通信容量起了重要作用 。第四代卫星的特点是应用陀螺仪的双自旋稳定卫星技术，在消旋平台上首次安装宽、窄两种波束的喇叭抛物面天线和12个通信转发器，为了适应大西洋通信业务高密集地区，经改进成为
14、“国际通信卫星”-A号，首次利用空间波束隔离的方法实现了频率复用，通信转发器从12个增加到20个，通信容量增加50。,48,后续型号,第五代卫星选用了三轴姿态控制方式，为安装更多大型天线提供了有利条件 。除上、下行使用64吉赫频段外，又采用了1411吉赫新频段。首次在一颗卫星上同时应用空间波束隔离和正交极化隔离两种频率复用方式，使通信等效带宽比其前代改进型卫星展宽了2倍，从而可使一颗卫星的通信容量超过1.2万话路。第六代卫星也是三轴稳定，在轨精度达0.01。实现了卫星波束的可配置和点频的复用。,49,通信容量和路数增加，单位路数的年资费下降,50,商业运营,国际通信卫星系统由国际通信卫星组织进
15、行运营。该组织最初是1964年由11个国家临时成立，1973年，通信卫星组织成员通过了一项永久性协定代替临时安排，并决定将其资源集中起来，共同努力实现通信卫星组织系统可以带来的许多政治、经济和业务效益。通信卫星组织当年的使命一直持续到今天，这就是一视同仁地向世界所有地区提供范围更加广泛的电信服务，以增进世界和平和谅解。如今，通信卫星组织拥有和运营一套全球卫星系统，向五大洲200多个国家、地区和附属地的用户提供两大类服务。,51,商业运营,凡是国际电信联盟（国际电联）的成员国都可加入作为成员。所有国家（成员国和非成员国）都可使用通信卫星组织的系统。成员国/拥有者按其对系统的相对使用量而投资，并获
16、得其投资的回报。通信卫星组织服务的所有用户都需支付使用费。费用按服务的种类、数量和时间长短而不同。就这样，通信卫星组织将其容量分配给其用户，这些用户再向其服务地区内的最终用户提供通信卫星组织的服务。一些国家选择批准不止一个组织在其国内提供通信卫星组织的服务。,52,通信卫星的系统组成,53,完整的通信卫星系统组成,星际链路ISLInter-Satellite Link网络控制中心NCCNetwork Control Center卫星控制中心SCC/ SOCCSatellite (Operation) Control Center用户信息管理系统CIMS Customer Information Management System公用电话交换网PSTNPublic Switched Telephone Network公用地面移动网PLMNPublic Land Mobile Network,
