1、第四章通信和地球站設(shè)備葛曉虎 教授2013年3月1第四章 通信和地球站設(shè)備4.1 通信的種類4.2軌道4.3 通信4.4 通信的覆蓋的組成4.5 靜止軌道通信發(fā)射4.6通信地球站24.1 通信的種類v 按運動狀態(tài)分，有靜止和運動v 按形狀分，有球形、箱形、圓、多棱柱體(套筒式)、錐頂圓柱體等多種柱形、風(fēng)扇行v 按氣象業(yè)務(wù)種類分，有、等。、科研、廣播v 按姿態(tài)穩(wěn)定方式分，有自旋穩(wěn)定和三軸穩(wěn)定。v 按重量分：6種類重量（kg）巨>3500大>1000中型5001000小100500微小10100納110皮0.11飛<0.1SNAP-1 Nano-Satellite的“納星”一號7

2、Picosat皮84.2軌道4.2.1v運動的基本規(guī)律繞地球運行，它的運動軌跡叫軌道。視使用目的和發(fā)射條件不同，可能有不同高度和不同形狀的軌道，但它們有一個共同點，就是它們的軌道位置都在通過地球垂心的一個平面內(nèi)。運動所在的平面叫軌道面。軌道可以是圓形或橢圓形。但不論軌道形狀如何，引力定律的，由此導(dǎo)出的運動總是服從萬有運動的三個定律。9v 假設(shè)地球是質(zhì)量均勻分布的圓球體，忽略太陽、月球和其它行星的引力作用，服從開普勒三大定律。v 開普勒第一定律(橢圓定律)：運動以地心為一個焦點做橢圓運動。其軌道平面的極坐標(biāo)為：P1+ e cosqr =(2-3)v 式中，P是二次曲線的參數(shù)，e是偏心率，q是中心

3、角。P、e的值均由初始狀態(tài)所決定入軌時的10- rmine = c = rmax+ rminarmaxP = r(1+ e) = a(1- e2 )min半長軸半短軸近地點遠(yuǎn)地點11橢圓軌道的示意圖c = rmax - rmin2= hB+ R = a(1+ e)rmax= hA+ R = a(1- e) rminb =- c2= a1- e2=× ra2rmaxmin- rminc = ae = rmax212P = r(1+ e) = a(1- e2 )mine = c = rmax - rmin=hB - hAarmax + rminhA + hB + 2Ra = rmax +

4、 rmin= hA + hB + R22v 開普勒第二定律(面積定律)：與地心的連線在相同時間內(nèi)掃過的面積相等。BCDA13v 由第二定律可導(dǎo)出的瞬時速度為：在軌道上任意位置mæ 2 - 1 öv(r) =(2-11)ç ra ÷èøv v為在軌道上的瞬時速度。其中a為橢圓軌道的半長軸，r為到地心的距離。m為開普勒常數(shù)，值為3.986´105 km3/s2。v 這說明的。在軌道上的運行速度是不均勻運動的速度在近地點最大，在遠(yuǎn)地點最小。14v 開普勒第三定律（調(diào)和定律）：運轉(zhuǎn)周期的平方與軌道半長軸的3次方成正比。a3ma3T

5、= 2p= 2p(2-12)GM´為秒。T為運轉(zhuǎn)周期，15v 例1我國第一顆人造地球的近地點高度hA=439km，遠(yuǎn)地點高度hB=2348km。試求其軌道方程。公轉(zhuǎn)周期、遠(yuǎn)地點和近地點的瞬時 速 度 v(rmax) 和 v(rmin) 。 已 知 地 球 半 徑R=6378km。半長軸半短軸近地點遠(yuǎn)地點16= hA + R = 439 + 6378 = 6817km= hB + R = 2384 + 6378 = 8762kmv 解： rmin rmaxc = rmax - rmina = rmax + rmin= 1945km= 7789.5km22e = c = rmax - r

6、min= 8762 - 6817 = 0.125rmax + rmin8762 + 6817aP = r(1+ e) = a(1- e2 ) = 8762(1+ 0.125) = 7669kmmin軌道方程17r(q ) =7769km1+ 0.125cosq公轉(zhuǎn)周期a3m7789.53T = 2p= 2p= 6843s = 114 min3.986´105遠(yuǎn)地點瞬時速度 æ1 ö2mçr-÷ = 6.31km/ s av(rmax ) =近地點瞬時速度è maxøæ1 ö2mçr-÷

7、 = 8.11km/ s av(rmin ) =è minø18例2 已知地球半徑R=6378km，靜止的周期T=24恒星時=23h56min4.09s(平均太陽時),離地面高度h和勻速圓周運動速度v。求作勻速圓周運動，r=a，v 解：由于靜止由式(2-12)a3mT = 2p19Þ=mT 2 =3.986´105 (86164)2ra3 3 4p 24p 2» 42164kmv 由此，離地面高度為h = r - R » 35786kmv 由式(2-11)可得：mmæ 2 - 1 ö =v(r) = 3.07km/

8、 sç ra ÷rèø204.2.2軌道的分類1、按軌道的形狀可分為圓形軌道和橢圓形軌道。2、按v軌道平面傾角分類軌道平面與赤道平面的夾角，稱為軌道平面的傾角，記為i。赤道軌道。i=0°，軌道面與赤道面重合；靜止通信就位于此軌道平面內(nèi)。極地軌道。i=90°，軌道面穿過地球南北極。傾斜軌道。0<i<90°，軌道面傾斜于赤道。213、按v 根據(jù)地球軌道高度分類運行軌道距離地面的高度h，可分為(LEO)：h<1500km(MEO)：8000km<h<12000km(GEO)：h=35786km。低軌道

9、中軌道靜止(HEO)：h>20000km高橢圓軌道22外范 艾·倫帶GEOMEOLEO內(nèi)范 艾·倫帶234、按的運轉(zhuǎn)周期及同地球相對運動關(guān)系分類。同步軌道（T=24恒星時）v 靜止軌道：運行方向與地球自轉(zhuǎn)方向一致，赤道上空離地面約35786公里的同步軌道。只有一條，傾角i=0° 。v 非靜止同步軌道：不滿足靜止軌道條件的同步軌道，即傾角i¹0°的同步軌道。非同步軌道（T¹24恒星時）244.2.3v 由于一些因素的影響，的攝動運動的實際軌道不斷發(fā)生不同程度地偏離開普勒定律所確定的理想軌道的現(xiàn)象，稱為攝動。1、太陽、月亮引力的影響

10、2、地球引力場不均勻的影響3、地球大氣層阻力的影響4、太陽輻射的影響254.2.41、位置保持實現(xiàn)位置的位置保持和姿態(tài)主要是靠星體上的軸向噴嘴與橫向噴嘴來完成的。2、姿態(tài)自旋穩(wěn)定法，早期靜止常用的姿態(tài)方法三軸穩(wěn)定法，是指的姿態(tài)是由穩(wěn)定穿過重心的三個軸來保證的。這三個軸分別在軌道的切線、法線和軌道平面的垂線等三個方向上，分別對應(yīng)叫做滾動軸、俯仰軸和偏航軸，26三軸穩(wěn)定法示意圖27自旋穩(wěn)定三軸穩(wěn)定284.3 通信的覆蓋4.3.1 通信v 通常用的覆蓋圖的有效全向輻射功率EIRP等值線的發(fā)射覆蓋區(qū)域。EIRP表圖來表示通信dBW。下圖示輻射能力的物理量，給出了“中星6B”(115.5°E)

11、的EIRP等dBW。值線圖，29幾種常見波束覆蓋區(qū)域示意圖區(qū)域波束覆蓋全球波束覆蓋成型波束或成型多波束覆蓋點波束覆蓋314.3.2 靜止覆蓋范圍的確定v 星下點： 位于與地心連線和地球表面的交點的垂直下方 赤道上空的其星下點在赤道上 用星下點來表示GEO在軌道上的位置（用經(jīng)度來表示）星下點324.3.3 方位角、仰角和站星距的計算v 方位角：以正北方向為標(biāo)準(zhǔn)，將天線的指向偏東或偏西調(diào)整一個角度，該角度即是所謂的方位角。33v 仰角：天線軸線與水平面之間的夾角。34v 地球站的經(jīng)度和緯度分別為f1和q1星下點的經(jīng)度和緯度分別為f2和0v 靜止v 經(jīng)度差f= f2-f1v 緯度差為q1 -0= q

12、1v 站星距離：地球站與之間的距離。d = 42238 1.023 - 0.302 cosq1 cosf(km)(2-21)35靜止觀察參數(shù)圖解364.3.4v 當(dāng)星下點通過圖中畫斜線的公共區(qū)域時，A、B 兩地球站都能 “看到”這個衛(wèi)星，這個公共區(qū)域叫共視區(qū)?！肮惨晠^(qū)”相互可見范圍B站可見范圍A站可見范圍AB地球374.4 通信的組成v 通信由空間平臺和有效載荷兩部分組成?？臻g平臺衛(wèi)星有效載荷天線分系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)器38遠(yuǎn)地點發(fā)(GEO)遙測指令分系統(tǒng)電源分系統(tǒng)分系統(tǒng)溫控分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)4.4.1 空間平臺v 空間平臺又稱公用艙，用來維持通信轉(zhuǎn)發(fā)器和通信天線在空中正常工作的保障系統(tǒng)。1、結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)的主

13、體，使具有一定的外形和容v積，并能承受星上各種載荷和防護(hù)空間環(huán)境的影響。一般由輕合金材料或復(fù)合材料組成，外部涂有保護(hù)層。自旋穩(wěn)定結(jié)構(gòu)三軸穩(wěn)定結(jié)構(gòu)402、溫控分系統(tǒng)v 溫控分系統(tǒng)的作用就是各部分的溫度，保證星上各種儀器設(shè)備正常工作。v 通?？煞譃橄麡O溫度兩種形式。和積極溫度413、跟蹤、遙測、指令分系統(tǒng)（TT&C）v 跟蹤部分用來為地球站跟蹤信標(biāo)。v 遙測部分用來在星上測定并給地面的TT&C (Tracking Telemetry &Command)站有關(guān)姿態(tài)及各部件工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)。v 指令部分用于接收來自地面的命令，處理后送給分系統(tǒng)執(zhí)行。24、分系統(tǒng)v 用來對姿態(tài)、軌道

14、位置、各分系統(tǒng)工作狀態(tài)等進(jìn)行必要的調(diào)節(jié)與。435、電源分系統(tǒng)v 為提供電能。v 星上電源分系統(tǒng)由一次能源(太陽能)，二次能源(蓄電池)，以及供配電設(shè)備組成。6、遠(yuǎn)地點發(fā)v 對于靜止軌道，通常是用運載火箭將射入橢圓形“轉(zhuǎn)移軌道”，再由所裝的遠(yuǎn)地點發(fā)形同步軌道。，把推入近似圓454.4.2 通信的有效載荷人造地球的有效載荷是指不同用途的，為v了完成技術(shù)任務(wù)而配備的特有系統(tǒng)。不同用途的有不同的有效載荷。例如，衛(wèi)v星的有效載荷就是各種遙感器，它包括可見光照相機、多光譜相機、多光譜掃描儀、紅外相機、微波輻射計和微波掃描儀和孔徑等；氣象的有效載荷包括掃描輻射計、紅外分光計、垂直大氣探測器和大氣溫度探測器等

15、；通信荷主要是通信轉(zhuǎn)發(fā)器及通信天線；天文的有效載的有效載荷是各種類型的天文望遠(yuǎn)鏡，它包括紅外天文望遠(yuǎn)鏡、可見光天文望遠(yuǎn)鏡和紫外天文望遠(yuǎn)鏡等。461、天線分系統(tǒng)和接收通信及測控信號。vv 用于、遙測和信標(biāo)信號的全向天線，接收地面的指令及向地面遙測數(shù)據(jù)。v 用于通信的微波定向天線?？煞譃槿虿ㄊ炀€、點波束天線和區(qū)域波束天線三類。47v 全球波束天線波束寬度約等于17.4° ，覆蓋個視區(qū)對地球的整一般由圓錐喇叭天線加上45°的反射板組成v 點波束天線覆蓋面積小，一般為圓形，波束寬度為幾度天線通常為前饋拋物面天線，饋源為喇叭v 賦形波束天線可通過修改反射器形狀來實現(xiàn)也可利用多個饋

16、源從不同方向經(jīng)反射器反射產(chǎn) 生多波束的組合485051天線系統(tǒng)示意圖2、通信轉(zhuǎn)發(fā)器v 又叫通信分系統(tǒng)或中繼器，實質(zhì)上是一部寬頻帶的 收、發(fā)信機。其作用為接收、處理并重發(fā)信號。v 對轉(zhuǎn)發(fā)器的基本要求是：以最小的附加噪聲和失真， 并以足夠的工作頻帶和輸出功率來為各地球站有效而可靠地轉(zhuǎn)發(fā)無線電信號。v 轉(zhuǎn)發(fā)器通常分為：透明轉(zhuǎn)發(fā)器：收到地面發(fā)來的信號后，除進(jìn)行 低噪聲放大、變頻、功率放大外，不作任何加 工處理，只是單純地完成轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。處理轉(zhuǎn)發(fā)器：除進(jìn)行信號轉(zhuǎn)發(fā)外，還具有信號處理功能。52v 透明轉(zhuǎn)發(fā)器v 處理轉(zhuǎn)發(fā)器對數(shù)字信號進(jìn)行解調(diào)再生，避免噪聲積累對不同的天線波束之間進(jìn)行信號交換其他更高級的信號變換

17、和處理v 轉(zhuǎn)發(fā)器的數(shù)量越多，的通信能力就越大。小容量通信：星載轉(zhuǎn)發(fā)器少于12個，功率小于1000瓦的通信中容量通信：有24個轉(zhuǎn)發(fā)器，功率在10003000瓦之間大容量通信：有48個轉(zhuǎn)發(fā)器，功率在30007000瓦之間超大容量通信率在7000瓦以上：轉(zhuǎn)發(fā)器多于48個，功55通信衛(wèi)星的組成564.4.3 通信舉例鑫諾三號的“鑫諾3號”v 鑫諾通信是一顆專門為我國滿足、會城市、各直轄市傳送廠播電視傳輸需要的廠播電視。v 目前我國首顆通信。鑫諾三號性能參數(shù)設(shè)計制造中國空間技術(shù)平臺東方紅三號發(fā)射時間2007年6月1日設(shè)計8年軌道位置125°E穩(wěn)定方式三軸穩(wěn)定有效載荷10×36MHz

18、C頻段轉(zhuǎn)發(fā)器覆蓋范圍中國全境及周邊和地區(qū)EIRP中國國土40dBW東南亞等周邊和地區(qū)36dBW工作頻率上行：5.925-6.425GHz 下行：3.700-4.200GHzEIRP等值線圖鑫諾三號594.5 靜止軌道通信發(fā)射0v 第一宇宙速度（環(huán)繞速度）：是指物體緊貼地球表面作圓周運動的速度(也是人造地球的最小發(fā)射速度)。大小為7.9km/s。v 第二宇宙速度（脫離速度）：是指物體完全擺脫地球引力，飛離地球的所需要的最小初始速度。大小為11.2km/s 。v 第三宇宙速度（又稱逃逸速度）：是指在地球上發(fā)射的物體擺脫太陽引力，飛出太陽系所需的最小初始速度。其大小為16.7千米/秒。61v 第一宇

19、宙速度也是人造在地面附近繞地球做“勻速圓周運動”所必須具有的速度。但是隨著高度的增加，地球引力下降，環(huán)繞 地球飛行所需要的飛行速度也降低，所有航 天器都是在距地面很高的大氣層外飛行，所以它們的飛行速度都比第一宇宙速度低。因此，第一宇宙速度是在地面發(fā)射的最小速度，也是繞地球飛行的最大速度。v 環(huán)繞速度和脫離速度隨高度的不同而不的引力越小，同，軌道越高，地球?qū)ζ洵h(huán)繞速度和脫離速度越小。62表4-2高度與速度的關(guān)系63高度/km環(huán)繞速度/(km/s)脫離速度/(km)07.91211.1895007.61910。77610007.35610.40350005.9248.378靜止軌道357863.0

20、75發(fā)射的運載工具多級火箭vv 中國自1956年開始展開現(xiàn)代火箭的研制工作v 1970年4月24日“長征1 號”運載火箭誕生，首次發(fā)射“東方紅1號” 三級火箭 主要用于發(fā)射近地軌道小型有效載荷 能把300千克重的送入440公里高的近地軌道 “長征1號”運載火箭v “長征2號”運載火箭是中國的航天運載器的基礎(chǔ)型號v 1975年11月26日，“長征2號”火箭完成了中國第一顆返回式射任務(wù)。 兩級火箭 能把1.8噸的的發(fā)送入距地面數(shù)百公里的橢圓形軌道66v “長征3號”運載火箭是在“長征2號”火箭基礎(chǔ)上于1984年研制箭 增加的第三級采用低溫的三級火高能液氫發(fā) 首次將有效載荷送入地球同步轉(zhuǎn)移軌道。 同

21、步轉(zhuǎn)移軌道運載能力為1.6噸?！伴L征4號”是三級常規(guī)運載火箭，作為發(fā)射地球同v步轉(zhuǎn)移軌道運載火箭的另一方案，1988年9月7日首次發(fā)射，國第一顆氣象地將我風(fēng)云一號送入太陽同步軌道。其后改型為“長征4號A”，用于發(fā)射同步軌道?！伴L征4號B”是在“長征4 號A”基礎(chǔ)上發(fā)展的一種運載能力更大的運載火箭，v主要用于發(fā)射太陽同步軌68道的對地觀察應(yīng)用。例：發(fā)射靜止軌道自旋，用三級火箭和星載遠(yuǎn)v地點發(fā)。步驟1：用一火箭和三級火箭的第一次點火，v送入300km400km的傾斜圓軌道，即初始將軌道（或暫停軌道）。步驟2：第三級火箭第一次點火關(guān)機后，滑行v一段，第三級火箭第二次點火，火箭關(guān)機脫離，進(jìn)入橢圓轉(zhuǎn)移軌

22、道，此時近地點高度不變，遠(yuǎn)地點高度為36000km同步軌道高度。步驟3：在遠(yuǎn)地點處啟動遠(yuǎn)地點發(fā)的圓形同步軌道。，進(jìn)入近似v步驟4：點燃自帶的反向小火箭產(chǎn)生反向推力，v69使停止在預(yù)定的靜止軌道位置。704.64.6.1 地球站的種類通信地球站v 地球站是是向通信的重要組成部分，其作用和接收來自的信號。v 目前國際上通常根據(jù)地球站天線口徑及G/T值大小將地球站分為A、B、C、D、E、 F、G、Z等各種類型。A、B、C三種是大型站，稱為標(biāo)準(zhǔn)站，用于國際通信，適合各種業(yè)務(wù)類型。71D1，D2主要是用于VSAT(甚小口徑終端)的小型站。E和F分別工作在Ku波段和C波段，又分為E1、E2、E3和F1、F

23、2、F3等類型。v E1，F(xiàn)1，稱為小型站，它們的業(yè)務(wù)容量系統(tǒng)（IBS）。較小，一般用于v E2，E3和F2，F(xiàn)3又稱為中型站，是為大城市和大企業(yè)之間提供通信業(yè)務(wù)的。G是國際租賃專線。Z是國內(nèi)電路，租賃專線。72對地球站的技術(shù)要求一般來說，對地球站應(yīng)有以下幾方面的要求的信號應(yīng)是寬頻帶、穩(wěn)定、大功率的信號，能接收由信號。 可以傳輸多路轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)來的微弱、電報、傳真，以及高速數(shù)據(jù)、電視等多種業(yè)務(wù)的信號。 性能穩(wěn)定、可靠，維護(hù)、使用方便。 建設(shè)成本和維護(hù)費用不應(yīng)太高。73(1) 地球站的性能指標(biāo)品質(zhì)因數(shù)（G/T）v G/T是地球站接收天線的增益G與地球站接收系統(tǒng)的等效噪聲溫度T的比值，它表征了地球站

24、對微弱信號的接收能力，稱為地球站的品質(zhì)因數(shù)。(2)v 為了保證所傳送信號的質(zhì)量，要求地球站的發(fā)射機能夠發(fā)射較大的功率，一般為幾百瓦十幾千瓦，而且要求所發(fā)射的射頻信號功率非常穩(wěn)定。若功率偏小則信號差，若功率偏大則會帶來額外的干擾。74(3)v 地球站所發(fā)射的射頻信號的頻率必須很精確，如果有較大漂移，不但要影響發(fā)器頻帶的有效利用，還會在轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)發(fā)器中產(chǎn)生交調(diào)噪聲，有的還會影響鄰近載頻的正常傳送。(4)v 為減小交調(diào)干擾，必須對地球站在負(fù)載輕（即通話數(shù)少）的時候所發(fā)射的射頻頻譜能量密度加以限制。754.6.2 地球站的組成通信的雙工式A型標(biāo)準(zhǔn)v 一個典型的國際地球站，一般包括天線分系統(tǒng)、發(fā)射機分系統(tǒng)、分

25、系統(tǒng)、信道終端設(shè)備分系統(tǒng)、分系統(tǒng)(通信控伺服跟蹤設(shè)備分系統(tǒng)、制分系統(tǒng))、用戶接口分系統(tǒng)和電源分系統(tǒng)等。7677地球站設(shè)備的一般組成框圖1、天饋分系統(tǒng)v 天線饋線系統(tǒng)簡稱天饋系統(tǒng)。除包括天線、 饋線外，還包括用以分離跟蹤信號的部件等。天線通常采用拋物面天線，利用無線電v波信號跟光相似的特點來反射電磁波，接收天線結(jié)構(gòu)主要由反射面、饋源和支架幾部分組成。按照天線反射面與饋源所處的相對位置不同，我們可以把拋物面天線分為正饋天線和偏饋天線兩種。78正饋天線v 中心電波的天線被稱為正饋天線，其天線反射面呈正圓狀，饋源位于天線拋物面焦點處。正饋天線根據(jù)結(jié)構(gòu)不同還可再分為前饋式天線及后饋式天線（即卡塞格倫天線

26、）。v 前饋式天線具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較優(yōu)點。優(yōu)點。但由于饋源正好位于天線拋物面焦點處，帶來諸多問題，比如輻射器對反射電波 有個遮擋作用，而且饋線較長，損耗噪聲較大。798081v 目前地球站應(yīng)用最多的天線是卡塞格倫天線。它屬于后饋式天線，由饋源喇叭(一次輻射源)、主反射器(拋物面)和副反射器(雙曲面)組成82。 主反射鏡（拋物面）饋源喇叭發(fā)射機或（雙曲面）副反射鏡83v 卡塞格倫天線的優(yōu)點：饋源安放在拋物面頂點附近，因此可直接和主反 射面背后的低噪聲放大器連接，降低了因饋電波 導(dǎo)過長而引起的損耗噪聲；主副反射面調(diào)整方便，效率高；拋物面焦距很短，降低了整個天線的長度;降低了大地反射噪聲。v 缺點

27、：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴，制造、安裝、調(diào)試、維護(hù)的技術(shù)要求也都比較高，適合大中型地球站，不 適于家庭和小范圍使用。副反射器及其支架的阻擋，造成效率下降85天線系統(tǒng)與機房的連接86偏饋天線v 偏饋天線特別適合接收KU波段信號，一般來說口徑較小，通常在一米以下，反射面呈現(xiàn)橢圓。由于饋源安裝的位置不在天線反射面的中心線上，所以被稱為偏饋天線。v 因為其饋源不在天線反射面與之間，得以避免了饋源對電波信號的遮擋，所以這種天線的接收效率比較高。由于偏饋天線具有易于安裝、節(jié)省空間、方向圖好，效率較高等優(yōu)點，目前在家庭和小用戶中廣泛采用。87882、大功率發(fā)射機分系統(tǒng)v 地球站大功率發(fā)射系統(tǒng)通常由高功率放大器、激勵器、發(fā)射波器、上變頻器及自動功率電路等組成。v 高功率放大器（HPA）是地球站上行系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，其任務(wù)是將基帶調(diào)制信號放大到足夠的功率電平，經(jīng)饋線由天線向發(fā)射。目前常用的有三種行波