《卫星通信》教案
第一章概论
基本概念的介绍
1.1卫星通信的基本概念
1.1.1 卫星通信的定义
卫星通信实际上就是利用通信卫星作为中继站的一种特殊的微波中继通信方式
1.卫星通信的术语和定义:
地球站与宇宙站的通信
宇宙站之间的通信
通过宇宙站的转发或反射进行的地球站之间的通信
什么是星间连路?
什么是星际连路?
——铱系统
静止卫星通信
什么是静止卫星?并不是真的静止不动,而是与地球同步运行——同步卫星
全球通信:只要用三颗等间隔配置的静止卫星就可以实现全球通信
卫星通信系统的分类
按覆盖范围分:国际卫星通信系统,国内卫星通信系统和区域卫星通信系统
按用户的性质分:公用卫星通信系统,专用卫星通信系统,和军用卫星通信系统
按卫星的制式分:静止和非静止卫星通信系统
按卫星高度分:低轨道,中轨道,静止轨道,和高椭圆轨道
1.2静止卫星的特点:
1.优点:
2.不足:保密性时延——回波干扰和话音重叠
3.星蚀
4.日凌中断
1.3卫星通信系统和卫星通信线路的组成
1.3.1 卫星通信系统的组成
卫星测控系统地球站和监测管理系统
1.3.2 卫星通信线路的组成
发端地球站上行线传播路径卫星转发器和下行线路传播路径和收端地球站(一个完整通信过程需要经历什么?)
1.4 卫星通信工作频段及电波传播特点:
工作频段:UHF波段:400/200MHZ
L波段:1.6/1.5GHZ
C波段:6.0/4.0GHZ
X波段:8.0/7.0GHZ
Ku 波段:14.0/12.0GHZ 14.0/11.0 GHZ
Ka 波段:30/20GHZ
考虑天气噪声,大气吸收损耗,通信卫星工作频段选择在1~10GHZ范围最适宜
1.4.2电波传播特点:
1. 自由空间损耗:
LP=92.44+20Lgd+20lgf dB
LP=32.44+20lgd+20lgf dB
2.大气损耗:
降雨余量
3.移动卫星通信电波传播的衰落现象
多径衰落
多普勒频移
4.多普勒频移
当卫星和用户终端之间,卫星与基站之间存在相对运动时,接收到的发射段载频发生频移
第2章通信卫星和地球站设备
第2章
通信卫星和地球站设备
第2章通信卫星和地球站设备
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
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
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。
按卫星重量分:巨星大星中小星微型星…
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。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。
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。(求在轨道上任意位置的瞬时速度)
P18: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。
P19: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),求卫星离地面高度h和匀速圆周运动速度v。
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。0
20000km
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i 0 的同步轨道。
非同步轨道(T〈24恒星时)
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
2.2.4 卫星的位置保持和姿态控制
1、位置保持
实现位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,
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
关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf
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,不能覆盖的区域是高于南北纬75°以上的地区。
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)
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。
仰角:天线轴线与水平面之间的夹角。
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,这个公共区域叫共视区。
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。
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。
2.4.2 通信卫星的有效载荷
人造地球卫星的有效载荷是指不同用途的卫星,为了完成技术任务而配备的特有系统。不同用途的卫星有不同的有效载荷。
例如,资源卫星的有效载荷就是各种遥感器,它包括可见光照相机、多光谱相机、多光谱扫描仪、红外相机、微波辐射计和微波扫描仪和合成孔径雷达等;气象卫星的有效载荷包括扫描辐射计、红外分光计、垂直大气探测器和大气温度探测器等;通信卫星的有效载荷主要是通信转发器及通信天线;天文卫星的有效载荷是各种类型的天文望远镜,它包括红外天文望远镜、可见光天文望远镜和紫外天文望远镜等。
1、天线分系统
发送和接收通信及测控信号。
用于遥控、遥测和信标信号的全向天线,接收地面的指令及向地面发送遥测数据。
用于通信的微波定向天线。可分为全球波束天线、点波束天线和区域波束天线三类。
2、通信转发器
又叫通信分系统或中继器,实质上是一部宽频带的收、发信机。其作用为接收、处理并重发信号。
对转发器的基本要求是:以最小的附加噪声和失真,并以足够的工作频带和输出功率来为各地球站有效而可靠地转发无线电信号。
转发器通常分为:
透明转发器:收到地面发来的信号后,除进行低噪声放大、变频、功率放大外,不作任何加工处理,只是单纯地完成转发任务。
处理转发器:除进行信号转发外,还具有信号处理功能。
透明转发器
处理转发器
对数字信号进行解调再生,避免噪声积累
对不同的卫星天线波束之间进行信号交换
其他更高级的信号变换和处理
转发器的数量越多,卫星的通信能力就越大。
小容量通信卫星:星载转发器少于12个,功率小于1000瓦的通信卫星
中容量通信卫星:有24个转发器,功率在1000~3000瓦之间
大容量通信卫星:有48个转发器,功率在3000~7000瓦之间
超大容量通信卫星:转发器多于48个,功率在7000瓦以上
2.4.3 通信卫星举例——鑫诺三号
鑫诺卫星通信有限公司的“鑫诺3号”卫星是一颗专门为我国满足中央、各省会城市、各直辖市卫星厂播电视传输需要的厂播电视传送卫星。
2.5 静止轨道通信卫星发射
第一宇宙速度(环绕速度):是指物体紧贴地球表面作圆周运动的速度(也是人造地球卫星的最小发射速度)。大小为7.9km/s。
第二宇宙速度(脱离速度):是指物体完全摆脱地球引力束缚,飞离地球的所需要的最小初始速度。大小为11.2km/s 。
第三宇宙速度(又称逃逸速度):是指在地球上发射的物体摆脱太阳引力束缚,飞出太阳系所需的最小初始速度。其大小为16.7千米/秒。
第一宇宙速度也是人造卫星在地面附近绕地球做“匀速圆周运动”所必须具有的速度。但是随着高度的增加,地球引力下降,环绕地球飞行所需要的飞行速度也降低,所有航天器都是在距地面很高的大气层外飞行,所以它们的飞行速度都比第一宇宙速度低。因此,第一宇宙速度是在地面发射卫星的最小速度,也是卫星绕地球飞行的最大速度。
环绕速度和脱离速度随卫星高度的不同而不同,卫星轨道越高,地球对卫星的引力越小,其环绕速度和脱离速度越小。
卫星发射的运载工具
——多级火箭
中国自1956年开始展开现代火箭的研制工作
1970年4月24日“长征1号”运载火箭诞生,首次发射“东方红1号”卫星成功
三级火箭
主要用于发射近地轨道小型有效载荷
能把300千克重的卫星送入440公里高的近地轨道
“长征2号”运载火箭是中国的航天运载器的基础型号
1975年11月26日,“长征2号”火箭完成了中国第一颗返回式卫星的发射任务。
两级火箭
能把1.8吨的卫星送入距地面数百公里的椭圆形轨道
“长征3号”运载火箭是在“长征2号”火箭基础上于1984年研制成功的三级火箭
增加的第三级采用低温高能液氢液氧发动机
首次将有效载荷送入地球同步转移轨道。
同步转移轨道运载能力为1.6吨。
“长征4号”是三级常规运载火箭,作为发射地球同步转移轨道卫星运载火箭的另一方案, 1988年9月7日首次发射,成功地将我国第一颗气象卫星风云一号送入太阳同步轨道。其后改型为“长征4号A”,用于发射同步轨道卫星。
“长征4号B”是在“长征4号A”基础上发展的一种运载能力更大的运载火箭,主要用于发射太阳同步轨道的对地观察应用卫星。
例:发射静止轨道自旋卫星,用三级火箭和星载远地点发动机。
步骤1:用一二级火箭和三级火箭的第一次点火,将卫星送入300km~400km的倾斜圆轨道,
浙公网安备 33021202002483