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1、现代通信技术下章卫星通信第1页，共45页，编辑于2022年，星期日 卫星通信与INTERNET 国际、国内骨干网国际、国内骨干网 INTELSAT 15 已经用于已经用于INTERNET 骨干网骨干网 直接到户直接到户 DIREC PC/DIRECWAY 增长温和但很重要增长温和但很重要 第2页，共45页，编辑于2022年，星期日InternetInternet直接到户的典范直接到户的典范1995年年HNS公司公司DirecPC问世。问世。DirecPC网络是目网络是目前世界上最大的数字直播卫星接入服务（前世界上最大的数字直播卫星接入服务（DBS）系）系统，为用户提供非对称的卫星信道数据传输，
2、实现统，为用户提供非对称的卫星信道数据传输，实现各类信息服务。各类信息服务。2001年发展为年发展为DIRECWAY 2003年北美用户年北美用户15.2万万第3页，共45页，编辑于2022年，星期日DirecWay 网络原理网络原理大量的大量的DirecWay小站与一个小站与一个主站共同工作，构成卫星通主站共同工作，构成卫星通信网，为分布在广阔地域上信网，为分布在广阔地域上的成千上万个工作站提供数的成千上万个工作站提供数据、话音、视频及其它电信据、话音、视频及其它电信服务。服务。DirecWay网络可提供点对点、网络可提供点对点、点对多点的连接以及广播和组播点对多点的连接以及广播和组播等功能
3、。可以将数据、话音、视等功能。可以将数据、话音、视频、频、Internet/Intranet/多媒体多媒体服务等综合业务于一体。服务等综合业务于一体。第4页，共45页，编辑于2022年，星期日第5页，共45页，编辑于2022年，星期日1.静止卫星通信系统静止卫星通信系统4.32卫星通信系统的组成卫星通信系统的组成4.32.1 系统组成系统组成第6页，共45页，编辑于2022年，星期日（1 1）静止卫星通信的优点）静止卫星通信的优点 通信距离远，且费用与通信距离无关通信距离远，且费用与通信距离无关 覆盖面积大，可进行多址通信覆盖面积大，可进行多址通信 通信频带宽，传输容量大通信频带宽，传输容量大
4、 信号传输质量高，通信线路稳定可靠信号传输质量高，通信线路稳定可靠 建立通信电路灵活、机动性好建立通信电路灵活、机动性好（2 2）静止卫星通信的缺点）静止卫星通信的缺点静止卫星的发射与控制技术比较复杂。静止卫星的发射与控制技术比较复杂。地地球球的的两两极极地地区区为为通通信信盲盲区区，而而且且地地球球的的高高纬纬度度地地区通信效果不好。区通信效果不好。存在星蚀和日凌中断现象。存在星蚀和日凌中断现象。有较大的信号传输时延和回波干扰。有较大的信号传输时延和回波干扰。第7页，共45页，编辑于2022年，星期日目前国际卫星通信组织负责建立的目前国际卫星通信组织负责建立的国国际卫星通信系统（际卫星通信系
5、统（INTELSAT），简称），简称IS，就是利用静止卫星来实现全球通信的。，就是利用静止卫星来实现全球通信的。三颗同步卫星分别位于太平洋、印度洋和三颗同步卫星分别位于太平洋、印度洋和大西洋上空，它们构成的全球通信网承担大西洋上空，它们构成的全球通信网承担着大约着大约80%的国际通信业务和全部国际电的国际通信业务和全部国际电视转播业务。视转播业务。第8页，共45页，编辑于2022年，星期日 卫星通信示意图第9页，共45页，编辑于2022年，星期日卫星通信系统是由卫星通信系统是由地球站地球站、通信卫星通信卫星、跟踪遥测及指令跟踪遥测及指令系统系统和和监控管理系统监控管理系统4大部分组成的大部分组
6、成的第10页，共45页，编辑于2022年，星期日图图 卫星通信线路的组成卫星通信线路的组成第11页，共45页，编辑于2022年，星期日4.32.2 通信卫星的组成及其工作原理通信卫星的组成及其工作原理 通信卫星各系统的组成由通信卫星各系统的组成由通信分系统、控制分系统、通信分系统、控制分系统、遥测与指令分系统、电源分系统和温控分系统遥测与指令分系统、电源分系统和温控分系统5个部分个部分组成。组成。1.控制分系统控制分系统 控制分系统由各种可控的调整装置，如各种喷气推进器、控制分系统由各种可控的调整装置，如各种喷气推进器、各种驱动装置和各种转换开关等组成各种驱动装置和各种转换开关等组成第12页，
7、共45页，编辑于2022年，星期日图图 通通信信卫卫星星的的组组成成由各种可控的调由各种可控的调整装置，如各种整装置，如各种喷气推进器、各喷气推进器、各种驱动装置和各种驱动装置和各种转换开关等组种转换开关等组成成由光电器件组成由光电器件组成 硅硅卫星上的电源除要求体积卫星上的电源除要求体积小、重量轻、效率高和可小、重量轻、效率高和可靠性之外，还要求电源能靠性之外，还要求电源能在长时间内保持足够的输在长时间内保持足够的输出出为了使通信卫星在星为了使通信卫星在星蚀期间也能工作，一蚀期间也能工作，一般常用可以充、放电般常用可以充、放电的化学电池作为二次的化学电池作为二次电池与太阳能电池并电池与太阳能
8、电池并用。用。第13页，共45页，编辑于2022年，星期日图图 通通信信卫卫星星的的组组成成行波管功率放大器和行波管功率放大器和电源系统等部分产生电源系统等部分产生热而升温热而升温地球上的控制站经常地球上的控制站经常不断地需要了解卫星不断地需要了解卫星内部设备的工作情况，内部设备的工作情况，有时要通过遥测指令有时要通过遥测指令信号控制卫星上设备信号控制卫星上设备产生一定的动作产生一定的动作第14页，共45页，编辑于2022年，星期日图图 卫卫星星转转发发器器组组成成的的方方框框图图5.卫星上卫星上通信分系统通信分系统又分为又分为:转发器转发器和和星上天线星上天线两部分两部分第15页，共45页，
9、编辑于2022年，星期日通信卫星的天线系统通信卫星的天线系统 卫星天线有两种类型。卫星天线有两种类型。一种是用于遥控、遥测和信标信号的全向天线，接收地一种是用于遥控、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。面的指令及向地面发送遥测数据。这种天线常用这种天线常用鞭状、螺鞭状、螺旋形、绕杆式旋形、绕杆式或或套筒偶极子天线套筒偶极子天线，属于，属于高频高频或或甚高频甚高频天线。天线。另一种是用于另一种是用于通信的微波定向天线通信的微波定向天线，根据波束宽度不同，根据波束宽度不同，分为分为三类三类。第16页，共45页，编辑于2022年，星期日（1）全球波束天线）全球波束天线：波束
10、宽度约为：波束宽度约为1718。（2）点波束天线：）点波束天线：其波束比全球波束窄得多，故增益较其波束比全球波束窄得多，故增益较 高，高，但其辐射的区域比全球波束小得多。但其辐射的区域比全球波束小得多。（3）区域波束天线）区域波束天线：如果地面要求覆盖的区域形状不规则，就要用区域波束天线，如果地面要求覆盖的区域形状不规则，就要用区域波束天线，也称赋形波束天线。也称赋形波束天线。其覆盖区域可通过修改天线反射器的形状或使用多个馈源从不其覆盖区域可通过修改天线反射器的形状或使用多个馈源从不同方向照射天线反射器，由反射器产生多个波束的组合来实现。同方向照射天线反射器，由反射器产生多个波束的组合来实现。
11、第17页，共45页，编辑于2022年，星期日图图 卫星天线系统示意图卫星天线系统示意图第18页，共45页，编辑于2022年，星期日图图 各各种种波波束束覆覆盖盖示示意意图图第19页，共45页，编辑于2022年，星期日4.32.3 地球站的组成及其工作原理地球站的组成及其工作原理1.对地球站的技术要求对地球站的技术要求 发送的信号应是宽频带、稳定、大功率的信号，能接收由卫发送的信号应是宽频带、稳定、大功率的信号，能接收由卫星转发器转发来的微弱信号。星转发器转发来的微弱信号。可以传输多路电话、电报、传真，以及高速数据、电视等多种业务的可以传输多路电话、电报、传真，以及高速数据、电视等多种业务的信号
12、。信号。性能稳定、可靠，维护、使用方便性能稳定、可靠，维护、使用方便 建设成本和维护费用不应太高。建设成本和维护费用不应太高。第20页，共45页，编辑于2022年，星期日（1）地球站的性能指标）地球站的性能指标品质因数（品质因数（G/T）G/T是地球站接收天线的增益是地球站接收天线的增益G与地球站接收系统的等效噪声温度与地球站接收系统的等效噪声温度T的比值，它表征了地球的比值，它表征了地球站对微弱信号的接收能力，称为地球站的品质因数。站对微弱信号的接收能力，称为地球站的品质因数。（2）有效辐射功率及其稳定度）有效辐射功率及其稳定度 为了保证所传送信号的质量，要求地球站的发射机能够发射较大的功率
13、，一般为为了保证所传送信号的质量，要求地球站的发射机能够发射较大的功率，一般为几百瓦十几千瓦，而且要求所发射的射频信号功率非常稳定。几百瓦十几千瓦，而且要求所发射的射频信号功率非常稳定。（3）射频频率的稳定度）射频频率的稳定度 地球站所发射的射频信号的频率必须很精确，如果有较大漂移，不但要影响卫星转地球站所发射的射频信号的频率必须很精确，如果有较大漂移，不但要影响卫星转发器频带的有效利用，还会在卫星转发器中产生交调噪声。发器频带的有效利用，还会在卫星转发器中产生交调噪声。（4）射频能量的扩散）射频能量的扩散 为减小交调干扰，必须对地球站在负载轻（即通话数少）的时候所发射的射频频谱为减小交调干扰
14、，必须对地球站在负载轻（即通话数少）的时候所发射的射频频谱能量密度加以限制。能量密度加以限制。（5）干扰波辐射的限制）干扰波辐射的限制 为防止干扰波对卫星转发器和其他微波通信系统形成干扰，规定地球站因为防止干扰波对卫星转发器和其他微波通信系统形成干扰，规定地球站因多载波引起的交调干扰及带外总的有效全向幅射功率应小于限定值。多载波引起的交调干扰及带外总的有效全向幅射功率应小于限定值。第21页，共45页，编辑于2022年，星期日 地球站的总体方框图2.地球站的组成地球站的组成天线分系统、发射机分系统、接收机分系统、通信控制分系统、信道终端天线分系统、发射机分系统、接收机分系统、通信控制分系统、信道
15、终端设备分系统设备分系统和和电源分系统电源分系统6个分系统组成。个分系统组成。第22页，共45页，编辑于2022年，星期日地球站组成地球站组成第23页，共45页，编辑于2022年，星期日2.地球站的天线系统地球站的天线系统地球站天线采用的反射型面式天线，如地球站天线采用的反射型面式天线，如抛物面天线，卡塞格林抛物面天线，卡塞格林天线，改进型或修正型的抛物面天线及环焦天线天线，改进型或修正型的抛物面天线及环焦天线天线系统的主要技术要求：天线系统的主要技术要求：（）高增益（）高增益（）低噪声温度（）低噪声温度（）宽频带特性（）宽频带特性（）旋转性好（）旋转性好（）机械精度高（）机械精度高第24页，
16、共45页，编辑于2022年，星期日3.卡塞格林天线卡塞格林天线 卡塞格林天线是一种具有双反射器的抛物面天线，可以把大功率或低噪卡塞格林天线是一种具有双反射器的抛物面天线，可以把大功率或低噪声接收机直接与馈源喇叭相接，从而降低了因馈电波导过长而引起的损耗声接收机直接与馈源喇叭相接，从而降低了因馈电波导过长而引起的损耗同时，从馈源喇叭中辐射出来经过反射镜边缘泄露出来的电波是射向天空而同时，从馈源喇叭中辐射出来经过反射镜边缘泄露出来的电波是射向天空而不是地面，降低了大地反射噪声不是地面，降低了大地反射噪声卡塞格林天线是由卡塞格林天线是由初级喇叭辐射器、初级喇叭辐射器、双曲面副反射器和抛物面主反射面双
17、曲面副反射器和抛物面主反射面三部分组成三部分组成 地球站的天线是卫星通信中最地球站的天线是卫星通信中最具特色的设备，是一个庞大的系具特色的设备，是一个庞大的系统。当卫星通信用统。当卫星通信用C频段和频段和Ku频频段时，根据地球站天线的口径大段时，根据地球站天线的口径大小可划分为大、中、小三种站型。小可划分为大、中、小三种站型。第25页，共45页，编辑于2022年，星期日 典型的典型的馈电设备馈电设备由由馈源喇叭馈源喇叭(一次辐射器一次辐射器),波导元件波导元件(定向耦合器定向耦合器,极化变换器和双工器极化变换器和双工器)以及以及馈线馈线组成馈电设备的损耗必须足够小组成馈电设备的损耗必须足够小天
18、线系统由天线系统由天线主体设备天线主体设备,馈电设备馈电设备和和跟踪设备跟踪设备三部分组成三部分组成.馈电设备接在天线主体设备与发射机，接收机之间它的作用馈电设备接在天线主体设备与发射机，接收机之间它的作用是把发是把发射机输出的射频信号馈送给天线，同时将天线接收到的电磁波馈射机输出的射频信号馈送给天线，同时将天线接收到的电磁波馈送给接收机，即起着传输能量和分离收发电波的作用送给接收机，即起着传输能量和分离收发电波的作用第26页，共45页，编辑于2022年，星期日图图 地球站天线馈线系统的组成地球站天线馈线系统的组成多了天线跟踪多了天线跟踪卫星系统卫星系统手动跟踪手动跟踪程序跟踪程序跟踪自动跟踪
19、自动跟踪第27页，共45页，编辑于2022年，星期日图 发射机分系统的组成由小功率行波管功率由小功率行波管功率放大器或速调管功率放大器或速调管功率放大器组成。放大器组成。采用参量变频器采用参量变频器晶振倍频锁相振晶振倍频锁相振荡源荡源3.发射机分系统发射机分系统第28页，共45页，编辑于2022年，星期日图 晶振倍频锁相振荡源无论是上变频器或接收机分系统中用的下变频器，都无论是上变频器或接收机分系统中用的下变频器，都要有本机振荡器要有本机振荡器第29页，共45页，编辑于2022年，星期日4.接收机分系统接收机分系统 由于卫星转发器的发射功率较小，只有几瓦至几十瓦，而且天线的由于卫星转发器的发射
20、功率较小，只有几瓦至几十瓦，而且天线的增益也不高，经增益也不高，经200dB左右的下行线路损耗之后，到达地球站的左右的下行线路损耗之后，到达地球站的信号极微弱。信号极微弱。（1）低噪声放大器）低噪声放大器 在微波频段使用的低噪声放大器主要是低噪声晶体管放大器、在微波频段使用的低噪声放大器主要是低噪声晶体管放大器、场效应管放大器和参量放大器等。场效应管放大器和参量放大器等。(2）下变频器）下变频器 经低噪声放大器放大的微波信号，要送到下变频器变换成中频，再经低噪声放大器放大的微波信号，要送到下变频器变换成中频，再经过中频放大后送到解调器。经过中频放大后送到解调器。第30页，共45页，编辑于202
21、2年，星期日图图 天线系统与机房的连接天线系统与机房的连接卫星信号弱卫星信号弱-140-140-130dBm.-130dBm.为了保证为了保证，要求整个系统，要求整个系统的内部噪声系数尽量的内部噪声系数尽量小而级联的接收系小而级联的接收系统主要取决于第一级统主要取决于第一级放大器系数放大器系数第31页，共45页，编辑于2022年，星期日5.信道终端设备分系统信道终端设备分系统信道终端设备分系统可以分为上行和下行两个部分。信道终端设备分系统可以分为上行和下行两个部分。（1）上行部分）上行部分即发端信道终端设备即发端信道终端设备:分别对多路电话分别对多路电话,电视和勤务信号进行基带处理电视和勤务信
22、号进行基带处理,用合用合成的基带信号对成的基带信号对70MHz载波进行调制，成为调频信号，然后送到发射机系载波进行调制，成为调频信号，然后送到发射机系统进行变频（其中要统进行变频（其中要预加重）预加重）(2)下行部分下行部分 信道终端设备下行部分的任务是把从低噪声接收机送来的信道终端设备下行部分的任务是把从低噪声接收机送来的70MHz信号，经过中放、解调和基带处理后，输出基带信号，然后再送信号，经过中放、解调和基带处理后，输出基带信号，然后再送到终端接口设备，把基带信号进行分解。到终端接口设备，把基带信号进行分解。第32页，共45页，编辑于2022年，星期日7.电源分系统电源分系统 地球站电源
23、分系统要供应站内全部设备所需用的电能，它地球站电源分系统要供应站内全部设备所需用的电能，它关系到通信的质量及设备的可靠性。关系到通信的质量及设备的可靠性。当利用公用交流市电来对地球站供电时，通过电力传输线当利用公用交流市电来对地球站供电时，通过电力传输线路，必然会同时引进许多杂波干扰，而且公用交流市电也会出路，必然会同时引进许多杂波干扰，而且公用交流市电也会出现波动。现波动。6.6.通信控制分系统通信控制分系统地球站相当复杂和庞大，为了保证各部分正常工作，必须在站地球站相当复杂和庞大，为了保证各部分正常工作，必须在站内集中监视、控制和测试。内集中监视、控制和测试。第33页，共45页，编辑于20
24、22年，星期日4.32.4 静止卫星的运行轨道与观察参数静止卫星的运行轨道与观察参数1.静止卫星的发射静止卫星的发射 要使卫星进入运行轨道，必须依靠运要使卫星进入运行轨道，必须依靠运载火箭。要想使卫星绕地球运转，还必载火箭。要想使卫星绕地球运转，还必须使卫星的初始速度大于须使卫星的初始速度大于8km/s。但单级。但单级火箭的速度只能达到火箭的速度只能达到2.5km/s，因此，发，因此，发射静止卫星必须采用带有捆绑技术的三射静止卫星必须采用带有捆绑技术的三级火箭。捆绑技术就是把几支小火箭捆级火箭。捆绑技术就是把几支小火箭捆在大火箭的第一级上，用以提高发射的在大火箭的第一级上，用以提高发射的飞行速
25、度，卫星装在第三级火箭的前端飞行速度，卫星装在第三级火箭的前端.第34页，共45页，编辑于2022年，星期日第一宇宙速度第一宇宙速度：7.9km/s 地球11.2km/sv7.9km/sV2=11.2km/s第二宇宙速度第二宇宙速度：11.2km/sV3=16.7km/s第三宇宙速度第三宇宙速度：16.7km/s所谓宇宙速度就是从地球表面发射飞行器，飞行器环绕地球、脱离地球和飞出太阳系所需要的最小速度，分别称为第一、第二、第三宇宙速度 第35页，共45页，编辑于2022年，星期日要想使卫星绕地球运转，必须使卫星要想使卫星绕地球运转，必须使卫星的初始速度大于的初始速度大于8km/s。但单级火箭。
26、但单级火箭的速度只能达到的速度只能达到2.5km/s，因此，发，因此，发射静止卫星必须采用带有捆绑技术的射静止卫星必须采用带有捆绑技术的三级火箭。捆绑技术就是把几支小火三级火箭。捆绑技术就是把几支小火箭捆在大火箭的第一级上，用以提高箭捆在大火箭的第一级上，用以提高发射的飞行速度。发射的飞行速度。同步轨道卫星发射第36页，共45页，编辑于2022年，星期日第37页，共45页，编辑于2022年，星期日发射过程发射过程进入初始轨道进入初始轨道进入转移轨道进入转移轨道进入漂移轨道进入漂移轨道进入静止轨道进入静止轨道一颗自旋稳定的静止卫一颗自旋稳定的静止卫星的发射过程大体可分星的发射过程大体可分为如下几
27、个阶段为如下几个阶段第38页，共45页，编辑于2022年，星期日l开始发射后，依次点燃三开始发射后，依次点燃三级火箭的一、二级火箭，级火箭的一、二级火箭，把卫星送到初始轨道。把卫星送到初始轨道。l卫星在初始轨道上只飞行一小卫星在初始轨道上只飞行一小段，当卫星快要到达初始轨道段，当卫星快要到达初始轨道与赤道平面的交点时，要点燃与赤道平面的交点时，要点燃第三级火箭，以使卫星脱离初第三级火箭，以使卫星脱离初始轨道而进入转移轨道始轨道而进入转移轨道l卫星在转移轨道上运行了几卫星在转移轨道上运行了几圈，完成了上述各项准备工作圈，完成了上述各项准备工作后，当再次到达远地点时，就后，当再次到达远地点时，就要
28、启动远地点发动机，使卫星要启动远地点发动机，使卫星进入漂移轨道进入漂移轨道第39页，共45页，编辑于2022年，星期日图图远远地地点点的的轨轨道道变变换换第40页，共45页，编辑于2022年，星期日.通信卫星的姿态控制通信卫星的姿态控制卫星上装有通信用的定向天线，要求定向天线的波束应指向地球卫星上装有通信用的定向天线，要求定向天线的波束应指向地球中心或某覆盖区的中心。中心或某覆盖区的中心。（1 1）角度惯性控制）角度惯性控制 角度惯性控制也叫角度惯性控制也叫自旋稳定法自旋稳定法，是早期静止卫星常用的姿态，是早期静止卫星常用的姿态控制方法。控制方法。采用自旋稳定法的卫星，如采用自旋稳定法的卫星，
29、如IS-IS-，IS-IS-等，卫星的天线要等，卫星的天线要安装在一个平台上。安装在一个平台上。（2 2）三轴稳定法）三轴稳定法 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切线、法线和轨道平面的垂线等三个方向上，分别对应叫做等三个方向上，分别对应叫做滚动轴滚动轴、俯仰轴俯仰轴和和偏航轴偏航轴，三轴可以，三轴可以采用喷气、惯性飞轮或电机等来直接分别控制每个轴保持稳定。采用喷气、惯性飞轮或电机等来直接分别控制每个轴保持稳定。第41页，共45页，
30、编辑于2022年，星期日图图三三轴轴稳稳定定法法示示意意图图第42页，共45页，编辑于2022年，星期日.静止卫星的观察参数静止卫星的观察参数若已知地球站若已知地球站A A的几何关系的几何关系.其中地球站其中地球站A A的经度和纬度分别为的经度和纬度分别为 和和 ,静止卫星静止卫星S S的星下点的经度和纬度分别的星下点的经度和纬度分别 和和 0 0 经度差经度差:-:-纬度差纬度差:-0=:-0=地面站仰角地面站仰角:地面站方位角地面站方位角:站星距离：站星距离：在地球站的调测、开通和使用过程中，都要知道地球在地球站的调测、开通和使用过程中，都要知道地球站天线工作时的站天线工作时的方位角方位角
31、a和和仰角仰角e。此外，为了计算自由空间的传播损耗，还必须知道地球站此外，为了计算自由空间的传播损耗，还必须知道地球站与卫星之间的距离与卫星之间的距离站星距站星距。第43页，共45页，编辑于2022年，星期日 静止卫星观察参数图解静止卫星观察参数图解静止卫星静止卫星S与地球站与地球站A的几何关系的几何关系若地球站位于北半球：若地球站位于北半球：若地球站位于南半球：若地球站位于南半球：第44页，共45页，编辑于2022年，星期日【例例1-1】“亚太一号亚太一号”卫星的星下点卫星的星下点s的经度为的经度为2=138.00E(东东经经)，北京地球站的参数为，北京地球站的参数为1=116.45E,1=39.92，求求北北京京地地球球站站的的仰仰角角、方方位位角角和和站站星星距距。解解 由已知条件得知：由已知条件得知：1=39.92，经度差经度差=21=138.00116.45=21.55代入公式得仰角代入公式得仰角第45页，共45页，编辑于2022年，星期日