《现代通信技术 第２版 教学课件 ppt 作者 魏东兴 冯锡钰 主编 卫星CH7》由会员分享，可在线阅读，更多相关《现代通信技术 第２版 教学课件 ppt 作者 魏东兴 冯锡钰 主编 卫星CH7（60页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第七章 卫星通信系统,7.1 通信卫星,7.2 地球站系统,7.3 传输线路的计算,本章主要内容,7.1 通信卫星,7.1.1卫星的分类 1、按轨道距地面的高度分 低轨道(LEO)卫星，卫星轨道距地面的高度 h 1500km；movie 中轨道（MEO）卫星，卫星轨道距地面的高度为8000km h 12000km；(Elliptical Orbits) 高轨道（HEO）卫星，卫星轨道距地面的高度h 20000km 。 2、按运转周期分 静止轨道（GSOGEO）卫星，公转周期约为24小时，与地球自转周期相同；(GEO) 准静止卫星，公转周期为24小时/N，其中N=2，3，4，； 非静止卫星，公转
2、周期为其它值。,7.1.1卫星的分类（C1）,3、按轨道倾角分： 赤道轨道卫星，卫星运行轨道与地球赤道平面重合； 极地轨道卫星，卫星运行轨道与地球赤道平面垂直；(Polar Orbits) 倾斜轨道卫星，卫星轨道平面与赤道面夹角成锐角 。,7.1.1卫星的分类（C2）,4、按卫星的质量分： 巨卫星：m 3500kg 大卫星：3500kg m 1500kg 中卫星：1500kg m 500kg 小卫星：500kg m 100kg 微卫星： 100kg m 10kg 纳卫星：m 10kg 5、按卫星的用途分： 空间探测卫星、气象卫星、资源勘察卫星、导航卫星、军事卫星等,7.1.2 卫星的轨道,1、
3、卫星覆盖地球制式 (1) 随机卫星制 在距地面几千几万km上空布放多颗卫星，而地球站设有至少两副天线分别跟踪不同的卫星。因此地球站设备复杂、庞大。 (2)相位制卫星 在低轨道上（LEO）均匀配置10个左右的卫星供地球站交替使用。 (3) 静止卫星 是最经济、实用的一种卫星通信制式。,静止轨道卫星的优、缺点,优点： 地球站接收天线容易对准卫星，同时天线的跟踪系统比较简单，地球站的成本低。 卫星与地球站的相对位置固定，多普勒频移可以忽略。 服务区域面积较大，一颗静止同步卫星可以覆盖大约地球表面的40%左右。 通信连续，通信过程中不需要频繁更换卫星。 信道的绝大部分处在地球外层空间，大气层只占信道很
4、小一部分，外层空间信道性能稳定，通信质量高。,缺点： 静止卫星也存在一些缺点，除了存在6.1.2节所提及的缺点外，由于静止轨道只有一条，为了避免互相干扰，要求静止卫星间隔的角度为2左右，则在静止同步轨道上一共能容纳卫星的数量不会超过200颗。,非静止轨道卫星的特点,优点： 由于卫星轨道高度低，链路传播损耗小，有利于系统为手持移动终端用户提供服务。 传输延时小，对话音通信不存在回声问题；实时性较好。 采用极地轨道或大倾角轨道时，可以为高纬度地区提供服务。 可利用多普勒频移进行定位。 星座能够对用户提供多重覆盖。因此可以采用分集接收技术，同时星座中的个别卫星失效，系统仍可运行。,缺点： 由于一颗卫
5、星不能对某一地区进行连续覆盖，必须利用多卫星构成星座。 星座中任一颗对地面的覆盖时间都是有限的，为保证通信的连续性，可能需要切换，技术复杂。 存在多普勒频移问题。,2、运动轨道,由万有引力定律： F=GMm/R2 =m/R2 （7-1）,卫星围绕地球在赤道平面内作匀速圆周运动，设它在轨的切线速度为，则它受到的对地球向心力为 F=mv2/R=GMm/R2 =m/R2 （7-2）,而静止卫星在轨的切线速度为 v=2R/T （7-3）,又已知：,公转周期(恒星日)： T=23小时56分4.09秒=86164.09秒 地球赤道的平均半径：RE=6378.14km R=RE+h （7-4）,范艾伦辐射带
6、（Van Allen Radiation Belts）的影响 （3700km和18500km处达到峰值 ）（Echo-1失效）,可求出静止卫星距地面（星下点）的高度h,可由开普勒三定律描述,3. 卫星的摄动及在轨姿态变化,摄动定义: 由于某些因素的影响，卫星轨道会发生偏离开普勒定律所确定的理想轨道的现象。 造成摄动的因素 太阳和月球及其它行星的引力场。这些引力场会使卫星产生转矩，并造成卫星轨道的倾斜和漂移。 地球引力场的不均匀。 地球大气阻力。 太阳辐射压力。 地球磁场对带电卫星的作用等。 后果（对通信的影响） 导致卫星姿态变化 卫星通信的影响非常严重，使地球站天线与卫星天线的指向精度产生较大
7、误差，严重时会造成通信中断， 必须对卫星采取相应的姿态及位置控制措施，使卫星姿态及位置误差始终保持在允许范围内。,4.静止卫星的观察参数,方位角 仰角 方位线 星下点M 地球站的位置参数 经度 纬度 偏离角MSD表示,5.静止卫星的覆盖区和可通信区,覆盖区=0 可通信区5,总结 how_satellites_work,7.1.3 静止卫星的发射,1.进入暂停轨道 2.变换到过渡轨道 3.变换到漂移轨道 4.进入静止轨道 发射过程,how_satellites_are_launched,7.1.4 通信卫星的基本技术参数,GT天线增益,2. 卫星覆盖波束分布图 EIRP覆盖图 SINOSAT-1
8、 C EIRP SINOSAT-1 Ku EIRP,1. 有效全向辐射功率EIRP EIRP= PTGT 用分贝表示 EIRP= PT+GT,3. 品质因数 G/T,G/T分布图 SINOSAT-1 C G/T SINOSAT-1 Ku G/T,卫星转发器的G/T值是用来衡量卫星转发器灵敏度大小的参量，由下式定义： G/T=G10lg(Ta+Tt) （dB/K）,避免干扰 实现信道复用，提高了频带利用率,4. 极化方式,7.1.6 通信卫星的组成,五部分： 天线分系统 通信分系统（转发器） 遥测指令分系统 控制分系统 电源分系统,1.天线分系统,（1）遥测、指令和信标天线 （2）通信天线 全球
9、波束（或覆球波束）天线、点波束天线、赋形波束（区域波束）,ASIASAT-4,对卫星通信天线的要求, 有一定的指向精度； 足够的带宽，以满足大容量通信的要求； 必要的转接功能； 适当的极化方式； 必要的消旋措施（对自旋稳定卫星而言）。,2 通信分系统,（1）基本组成 低噪声放大器（LNA）、混频器、功率放大器、功率合成器、双工器,(2) 透明转发器,A、单变频转发器 （主流 图7.1-7a）P137 B、双变频转发器 （少用 图7.1-7b）,处理转发器 （图7.7c ） 美国发射的ACTS卫星,3. 遥测指令分系统,包括： 遥测设备 各种传感器和敏感元件测得有关卫星姿态及其内部各分系统工作状
10、态 指令设备 指令设备专门用来接收TT&C发来的指令，经解调、译码、纠错后，将各种指令送至控制分系统,4.控制分系统,功能： (1) 姿态控制 自旋稳定法 三轴稳定法 (2) 位置控制 卫星位置误差的角度应小于0.1 (3) 热控制 分有源、无源两种；只能传导、辐射，无对流 （4）其他 主备设备切换和转发器增益换档,控制分系统：可控调整的机械电子设备组成， 喷气推进器、驱动装置、加热散热装置、各种转换开关等,5.电源分系统 要求： 体积小、重量轻、效率高外，还应能在卫星的工作寿命内保持输出足够的电能。 组成： 太阳能电池 初级能源 化学能电池 二级能源,7.2 地球站系统,7.2.1 地球站的
11、类型和基本要求 1、地球站的类型 按安装方式及设备规模： 固定站、可搬动站、移动站等，其中移动站又可分为船载移动站、机载移动站、车载移动站和手持移动终端等。 按天线口径尺寸： 30m站、20m站、10m站，5m站、1m站等。 按用途 民用（商用）通信站、军用通信站、广播站、航空站、航海站、实验站等。 按业务类型 遥测站、遥控站、跟踪站、通信参数测量站、通信业务站、实验站等。 按传输信号特征：模拟站、数字站。 按G/T值大小（见表7.2-1）可分为A、B、C、D、E、F类站等,2 对地球站的要求,(1) 发射机能输出稳定的宽频带、大功率信号。 (2) 接收机能可靠地接收微弱的宽频带信号，引入噪声
12、小。 (3) 业务种类上要求不仅能传输广播电视、电话等传统业务，还能传输高速数据，并能适应新的应用领域，如：Internet、多媒体、移动通信等业务。 (4) 在使用及维护上要求高可靠、操作维护简便。 (5) 由于投资大，运行时间长，因而建站成本及运行、维护费用都要认真考虑，要求能适应未来新增业务类型和扩大业务量等需要。,7.2.2 地球站的主要性能指标,1、地球站的EIRPE 2、工作频率 3、品质因数G/T值 4、发射载波频率容限 5、射载波功率稳定度 6、工作条件,7.2.3 地球站的组成,六部分组成： 天线系统、发射系统、接收系统、信道终端系统、通信控制系统、电源系统,1.天线系统,三
13、部分组成： 天线、馈电设备、定向跟踪设备,（1）地球站天线的主要参数,天线增益 天线等效噪声温度 天线的方向图 由右式可绘出 天线的半功率角,（2） 地球站天线的分类,按口径大小来分 小型天线 直径 90cm，通常使用在场强较高的Ku波段直播卫星接收站（TVRO）中 中型天线 直径介于90cm至240cm之间，通常用于在中等场强地区的卫星信号接收； 大型天线 直径在240cm以上，噪声放大器（LNA）、混频器、功率放大器、功率合成器、双工器,（2） 地球站天线的分类（C1）,按结构不同来分 旋转抛物面天线P 卡赛格伦（Cassegrain）天线P,（2）地球站天线的分类（C2）,按馈源的安装
14、前馈天线 其馈源位于反射面的前方 二是后馈天线 天线的馈源位于副反射面的后面 三是偏馈天线P 即将馈源或副反射面移出天线主反射面的辐射区,(2) 地球站天线的分类（C3）,(3) 对地球站天线的基本要求,具有较高的增益和效率 低的等效噪声温度 较高的对卫星的指向精度 足够的工作带宽和峰值发射功率。,(4) 馈电设备,包括： 馈源 馈线 双工器,按天线的制造材料来分 网状天线P 铁盘天线P 玻璃纤维天线P 碳纤维天线等P,2. 发射系统,包括：上变频器、发射波合成器、激励器、功率放大器以及自动功率控制电路等,（1）组成,上变频器,将中频信号上变频为上行频率。 上变频器分为：一次变频式、二次变频式
15、、三次变频式。,功率合成器,激励器,即预放大器，其功能是推动主放大器，一般使用小功率行波管放大器或固态功率放大器。,将多路信号经过处理后叠加在一起，要求各路信号的输入端有良好的隔离度。 是一种微波器件,功率放大器,是最终的功率放大器件，主要有三种： 速调管放大器 优点：输出功率大，工作效率高，工作电路简单，成本低，工作稳定可靠；缺点：工作带宽较小，只能覆盖一个转发器的工作频带。 行波管放大器（TWTA） 优点：除了工作带宽很宽外，其结构较紧凑，增益高，使用方便； 缺点：工作效率低（大约只有10%至15%），工作电路复杂，成本较高，输出功率比速调管放大器低 固态功率放大器 特点：虽然其输出功率不
16、大，但是工作寿命长、体积小、功耗低、工作电路简单、带宽大、可靠性高。 可用于：小型站作为末级功率放大器外，速调管放大器和TWTA的激励级放大器。,（2） 功率放大的方式,共同放大方式 分别放大/合成方式,(3) 对功率放大器的基本要求, 要满足设计额定功率的要求，额定功率与卫星转发器的G/T值、卫星转发器的输入功率密度值以及地球站的天线增益等参数有关。 线性特性要满足要求，以避免放大多载波信号时产生过多的交扰调制产物。 增益稳定性要高。 工作带宽要满足设计要求，一般标准地球站的功率放大器工作带宽要求达到500MHz以上，以满足大容量及多址通信的需要。 有较高的可靠性或较长的无故障运行时间。,3. 接收系统,LNB (Low Noise Block
