卫星通信概述专题培训ppt课件.ppt

第三章,卫星通信系统,3.1 卫星通信系统概述,3.1.1 卫星通信的基本概念3.1.2 卫星通信的发展历史3.1.3 卫星通信系统的组成3.1.4 卫星通信的网络结构3.1.5 卫星通信的工作频率,地球上（包括地面、水面和低层空间中）的无线电站（地球站），利用人造地球卫星作为中继站，转发无线电波，建立它们双边及多边的通信联系。,3.1.1 卫星通信,(1)通信距离远，覆盖面积大，建站成本与通信距离几乎无关(2)通信线路稳定可靠，通信质量好(3)组网灵活，便于实现多址联接(4)通信容量大，业务类型多(5)可自发自收进行监测(6)卫星寿命短，传输时延大，易被干挠和摧毁(7)存在星蚀和日凌中断,卫星通信的特点,3.1 卫星通信系统概述,3.1.1 卫星通信的基本概念3.1.2 卫星通信的发展历史3.1.3 卫星通信系统的组成3.1.4 卫星通信的网络结构3.1.5 卫星通信的工作频率,(1)设想阶段,卫星覆盖通信说,Arthur C.Clarke,(2)卫星通信的试验阶段,无源反射式卫星 原理：利用卫星表面反射 时间：1960年8月 发射者：美国宇航局（USA/NASA）特点：气球卫星、直径30米、重61kg、轨道高度1600km、频率1GHz和2.5GHz 业务：FM电话和电视,回声1号（ECHO 1）,有源卫星试验,电信1号（TELSTAR 1）,低轨延迟式 中、高轨道 同步轨道,(2)卫星通信的试验阶段,延迟转发式卫星通信示意图,(3)卫星通信的实用阶段,晨鸟（Early Bird）,INTELSAT在1965年4月发射了一棵商用静止轨道通信卫星INTELSAT-I（IS-I），开始了欧、美大陆间的商业通信业务，IS-I的成功运营，是卫星通信系统进入实用阶段的重要标志。,INTELSAT组织发射的卫星系列,VIII 19971998 805,IX 20012003 907,X,INTELSAT组织发射的卫星系列,我国卫星通信的发展,东方红一号（DFH-1),低轨道非同步卫星 1970年4月第一颗人造卫星，重137kg，运转周期为110分钟，寿命15天。1972年引进国外地球站，首次开展商业性国际通信业务。1976年加入国际通信卫星组织。,STW-1号,我国卫星通信的发展,试验同步卫星 1984年4月，定点东经125O，完成静止卫星的发射、测控和各项通信业务的传输试验，开通新疆、西藏、云南等边远地区的数字电话、广播及电视节目。,东方红二号甲系列,实用同步卫星（STW-2）1986.02，定点东经103O E赤道上空。1988.031990.02，东方红二号甲系列实用通信卫星(CHINASAT-1、2、3)，分别定点于东经87.5O E、110.5O E和90O E，各有4个转发器，均工作于64GHz频段。,我国卫星通信的发展,1994年12月1日，我国发射由空间技术研究院研制，达到国际80年代水平的“东方红”实用广播通信卫星。可用于电视、电话、电报、传真、数据传输等通信业务。卫星设计寿命8年，定点125O E赤道上空，采用赋形波束，复盖面接近中国版图。这标志着我国卫星通信又上一个新台阶。,我国卫星通信的发展,中国卫星通信有限公司：主要经营卫星通信业务，是中国目前唯一还没有与其竞争的通 信运营商的通信公司。主要经营国防和商用通信项目几乎没有对个人开放的通信业务。,国外著名卫星通信公司 以色列吉来特(Gilat)国际通信卫星组织(Intelsat)泰国卫星公共有限公司(Shin)美国休斯(Hughes),3.1.2 卫星通信的发展历史,3.1 卫星通信系统概述,3.1.1 卫星通信的基本概念3.1.2 卫星通信的发展历史3.1.3 卫星通信系统的组成3.1.4 卫星通信的网络结构3.1.5 卫星通信的工作频率,3.1.3 卫星通信系统组成,通信业务控制中心,地球站,地球站,通信业务控制中心,卫星网管理中心,监测站,跟踪遥测指令系统,技术控制中心,跟踪遥测指令分系统,监控分系统,地球站分系统,空间分系统,无线电中继站,通信业务控制中心,地球站,地球站,通信业务控制中心,卫星网管理中心,监测站,跟踪遥测指令系统,技术控制中心,跟踪遥测指令分系统,监控分系统,地球站分系统,空间分系统,地球上的收发信机,3.1.3 卫星通信系统组成,通信业务控制中心,地球站,地球站,通信业务控制中心,卫星网管理中心,监测站,跟踪遥测指令系统,技术控制中心,跟踪遥测指令分系统,监控分系统,地球站分系统,空间分系统,跟踪监测卫星、控制卫星准确进入静止轨道的指定位置，并对卫星的轨道位置及姿态进行监视和校对。,3.1.3 卫星通信系统组成,通信业务控制中心,地球站,地球站,通信业务控制中心,卫星网管理中心,监测站,跟踪遥测指令系统,技术控制中心,跟踪遥测指令分系统,监控分系统,地球站分系统,空间分系统,对已进入轨道的卫星的通信性能及各项参数进行业务开通前的监测和业务开通后的例行检测和控制。,3.1.3 卫星通信系统组成,空间分系统,电源装置,通信装置,遥测指令装置,控制装置,地球站分系统,基带处理及调制,基带处理及解调,上变频,下变频,合路器,分路器,功放,低噪声放大器,下变频,双工器,天线驱动装置,跟踪设备,电源,信道终端,发射设备,接收设备,天馈设备,跟踪伺服设备,对用户信号进行处理，使之符合卫星通信体制的要求；对接收信号进行逆处理。,地球站分系统,基带处理及调制,基带处理及解调,上变频,下变频,合路器,分路器,功放,低噪声放大器,下变频,双工器,天线驱动装置,跟踪设备,电源,信道终端,发射设备,接收设备,天馈设备,跟踪伺服设备,将来自信道终端的中频已调信号变为射频信号，合路并放大到一定的电平后，由馈线送到天馈系统。,地球站分系统,基带处理及调制,基带处理及解调,上变频,下变频,合路器,分路器,功放,低噪声放大器,下变频,双工器,天线驱动装置,跟踪设备,电源,信道终端,发射设备,接收设备,天馈设备,跟踪伺服设备,将天馈系统收集的卫星下行微波信号进行放大，分路并下变频到中频信号送到信道终端。,地球站分系统,基带处理及调制,基带处理及解调,上变频,下变频,合路器,分路器,功放,低噪声放大器,下变频,双工器,天线驱动装置,跟踪设备,电源,信道终端,发射设备,接收设备,天馈设备,跟踪伺服设备,将发射系统送来的射频信号对准卫星发射，同时接收卫星发来的下行微弱电信号送到接收系统。,地球站分系统,基带处理及调制,基带处理及解调,上变频,下变频,合路器,分路器,功放,低噪声放大器,下变频,双工器,天线驱动装置,跟踪设备,电源,信道终端,发射设备,接收设备,天馈设备,跟踪伺服设备,保证天线始终对准卫星。两种方法：手动、自动。,地球站分系统,基带处理及调制,基带处理及解调,上变频,下变频,合路器,分路器,功放,低噪声放大器,下变频,双工器,天线驱动装置,跟踪设备,电源,信道终端,发射设备,接收设备,天馈设备,跟踪伺服设备,市电、柴油发电机、蓄电池,3.1 卫星通信系统概述,3.1.1 卫星通信的基本概念3.1.2 卫星通信的发展历史3.1.3 卫星通信系统的组成3.1.4 卫星通信的网络结构3.1.5 卫星通信的工作频率,各边远站仅可与中心站直接通过卫星通信，相互之间不能直接通过卫星通信。,3.1.4 卫星通信的网络结构,(1)星形,各地球站可以通过卫星直接相互通信。,(2)网格形,3.1.4 卫星通信的网络结构,单跳,发送的信号只经过一次卫星转发后为对方接收。,A,B,双跳,发送的信号经过两次卫星转发后为对方接收。,3.1 卫星通信系统概述,3.1.1 卫星通信的基本概念3.1.2 卫星通信的发展历史3.1.3 卫星通信系统的组成3.1.4 卫星通信的网络结构3.1.5 卫星通信的工作频率,选择工作频段要考虑的因素主要有：(1)天线系统接收的外界噪声要小(2)电波传输损耗要比其他损耗小(3)设备的兼容性好，轻巧，耗电省(4)可用频带宽，以满足通信容量的要求(5)与其他地面通信系统的相互干挠小,3.1.5 卫星通信的工作频率,(1)外部噪声对接收信号的影响（110GHz）,(2)大气吸收的影响（无线电窗口）,目前，大多数卫星通信系统选择的工作频段是：UHF波段400/200MHzL波段1.6/1.5GHzC波段6.0/4.0GHzX波段8.0/7.0GHzKu波段14.0/12.0GHz;14.0/11.0GHzKa波段30/20GHz,卫星通信的工作频率,用户A要通过卫星与大洋彼岸的用户B打电话,3.2 静止卫星,3.2.1 通信卫星的轨道3.2.2 静止卫星3.2.3 星蚀和日凌中断3.2.4 静止卫星的观察参数,卫星运行轨道指卫星绕地心飞行的轨迹。,卫星运行的轨道平面一定是经过地心的。,3.2.1 通信卫星的轨道,3.2.1 卫星运行轨道,假设 卫星只受地球引力影响 地球是理想的球体 则卫星绕地心飞行的规律符合开普勒三大定律。,卫星运行的轨道是一个椭圆轨道,结论:,卫星以地心为一个焦点，作二次曲线运动。,(1)开普勒第一定律,地心到近地点的距离：,地心到远地点的距离：,长半轴和短半轴：,长焦距：,偏心率：,半焦弦：,(1)开普勒第一定律,(2)开普勒第二定律,=398613.52km3/s2,卫星的矢径 在单位时间内扫过的面积相等。,卫星在椭圆轨道上做变速运动，在远地点时速度最慢,近地点时速度最快。,F,闪电卫星,40000km,500km,卫星运转周期是12小时，其中11个小时在北半球的上空。,问题,如果轨道为圆轨道，卫星作何种运动？,答案:匀速圆周运动,（3）开普勒第三定律,卫星绕地心运行周期的平方与椭圆轨道长半轴a的立方成正比。,式中:周期T的单位是s，a的单位是km。,是开普勒常数,值为398613.52km3/s2,按轨道形状分,圆形轨道,椭圆轨道,（4）卫星轨道的分类,范艾伦辐射带：高密度粒子放射带,按轨道距离地面的高度分类,（4）卫星轨道的分类,极地轨道,赤道轨道,倾斜轨道,按轨道面与赤道面的夹角大小分类,（4）卫星轨道的分类,卫星运行轨道,按地球自转与卫星公转周期的关系分类,同步轨道,非同步轨道,运行周期T23:56:4.091,运行周期T23:56:4.091,静止/非静止轨道,（4）卫星轨道的分类,3.2 静止卫星,3.2.1 通信卫星的轨道3.2.2 静止卫星3.2.3 星蚀和日凌中断3.2.4 静止卫星的观察参数,静止卫星是指相对于地球上的某一固定点或观察者静止不动的卫星,也称为定点卫星。,3.2.2 静止卫星,静止轨道必须具备以下三个条件：,卫星绕地球公转的方向和周期与地球自转的方向和周期相同(T=23:56:4.09)；轨道面与赤道面重合；轨道是圆轨道(e=0)。,3.2.2 静止卫星,静止卫星位于赤道上空35786km，3.07 km/s 速度沿地球自转方向做匀速圆周运动。,3.2 静止卫星,3.2.1 通信卫星的轨道3.2.2 静止卫星3.2.3 星蚀和日凌中断3.2.4 静止卫星的观察参数,（1）静止卫星的星蚀,卫星、地球、太阳共处在一条直线上，且地球挡住了阳光,静止卫星处于地球的阴影区，导致卫星上的太阳能电池无法正常工作。,星蚀现象发生在每年春分和秋分前后各23天，每天当卫星星下点进入当地时间午夜前后。,(1)静止卫星的星蚀,春分,秋分,(1)静止卫星的星蚀,(2)静止卫星的日凌中断,卫星处在太阳与地球之间，地球站的天线对准卫星的同时，也对准了太阳，这样大量的太阳噪声进入地球站接收设备，导致通信中断。,(2)静止卫星的日凌中断,春分,秋分,日凌中断现象发生在每年春分和秋分前后，当卫星星下点进入当地时间中午前后。,3.2 静止卫星,3.2.1 通信卫星的轨道3.2.2 静止卫星3.2.3 星蚀和日凌中断3.2.4 静止卫星的观察参数,3.2.3 静止卫星的观测参数,3.2.4 静止卫星的观察参数,北极,本初子午线,O,南极,A(1,1),B(1,0),C(0,0),S(2,0),S与A 的经度差:S O B=2-1,(1)仰角,S(2),B(1),O,S,A(1,1),1,天线轴线指向卫星的仰角是指地球站天线对准卫星时，天线的电轴线与地平线之间的夹角。,(1)仰角,对于静止卫星而言：,观察者从基准方向起向东旋转到目标方向所形成的角叫做该点的方位角。,(2)方位角,S(2),B(1),O,A(1,1),1,东,若以正南为基准方向,(2)方位角,S(2),B(1),O,A(1,1),1,东,卫星在地球站东侧时，,S(2),B(1),O,S,A(1,1),1,东,卫星在地球站西侧时，,(2)方位角,若以正南为基准方向,S(2),B(1),O,S,A(1,1),1,东,南,卫星在地球站东侧时，,(2)方位角,Q,若以正北为基准方向,Q,a,P,S(2),B(1),O,S,A(1,1),1,东,南,(2)方位角,若以正北为基准方向,卫星在地球站西侧时，,思考题,地球站在南半球时，与 的关系是什么？,Q,a,P,南,S(2),O,S,A(1,1),1,东,B(1),地球站在南半球偏东时，,(2)方位角,Q,a,P,南,O,S,A(1,1),1,东,B(1),S(2),(2)方位角,地球站在南半球偏西时，,(2)方位角,P,A,Q,east,south,a,east,south,a,北半球正北为基准：,a0,a0,P,Q,A,Q,P,east,south,A,a,Q,P,east,south,A,a,a0,a0,南半球正北为基准：,S(2),B(1),O,S,A(1,1),1,(3)星站之间的距离,RE,hE,d1,d2,传输时延,d1=d2=40000km时,=0.27s,d1,d2,传输时延,d1=d2=40000km时，=0.27s,=180-a,若地球站在北半球：,若地球站在南半球：,a0时=360+a,a0时=a,仰角计算,方位角计算,星站间距离计算,例题,已知郑州某地球站的纬度是34.73o，经度是113.65oE；某卫星的星下点经度为105.5oE，求地球站的观测参数。,解：,3.2 静止卫星,3.2.3 星蚀和日凌中断3.2.4 静止卫星的观察参数3.2.5 静止卫星的组成3.2.6 静止卫星的发射,3.2.5 通信卫星的组成,(1)控制分系统,控制系统包括姿态、轨道位置控制、星上仪器工作状态控制和公用舱温度控制等。,使卫星对地球或其他基准物保持正确的姿态。对通信卫星来说，主要应保证无线波束始终对准地球，以及使太阳能电池帆板对准太阳。,姿态控制,自旋稳定法 三轴稳定法(滚动轴、偏航轴、俯仰轴）,轨道位置控制,利用装在星体上的气体喷射装置，由控制站发出指令，使卫星的转速和轨道保持正常的运行状态，并消除各种因素对卫星偏离轨道的影响。,(2)遥测与指令分系统,对上百个工程参数（如电压、电流、频率、温度等）及时进行跟踪、监测。,(3)天线分系统,天线分系统是通信卫星的耳目，有遥测-指令天线和通信天线两种。,遥测-指令天线(全向天线),耐高温、耐强辐射、体积小、重量轻、馈电容易、便于安装、可靠性高、寿命长等。,通信天线,要求:尽可能高的增益波束始终指向地球上待覆盖的通信区域,全球波束天线,点波束天线,区域波束天线,全球波束天线覆盖区,S,d,波束的半功率宽度,S,d,波束的覆盖面积,仰角大于时，覆盖面积只达到全球的,全球波束天线覆盖区,通信天线,全球波束天线天线半功率宽度是17.4o，实际覆盖面积 点波束天线 波束比全球波束窄很多，有较高的增益 区域波束天线 多波束合成覆盖地面形状不规则的区域,卫星信号场强覆盖图,(4)卫星转发器（通信分系统）,卫星上的通信分系统又称转发器，实质上是一种宽频带的收发信机。,(4)卫星转发器（通信分系统）,对转发器的基本要求:以最小的附加噪声和失真来放大和转发无线电信号。透明转发器 处理转发器,透明转发器,仅对输入信号进行低噪声放大、变频以及功率放大，即仅单纯完成信号的转发任务，不处理信号。一次变频方案二次变频方案,一次变频适用于载波数量多，通信容量大的多址连接系统。,一次变频方案,二次变频的转发增益高(80-130dB)，电路工作稳定，带宽窄，不适合于多载波工作。,二次变频方案,处理转发器,在数字卫星通信系统中，常采用处理式转发器。,处理转发器的处理方式,星上再生 对信号本身加工处理，即对再生数字信号，消除噪声积累，在保证通信质量的情况下，可减少转发器的发射功率。星上（空间或路由）交换 信号处理单元是微波开关矩阵，能实现星上不同的天线波束之间的交换，起着空间交换台的作用。星上对信号进行更高级的处理 下行线路可选用不同于上行线路的调制方式、多址方式等，以得到最佳传输。,(5)电源分系统,给星上的设备提供稳定、可靠的电源。常用的电源有太阳能电池和化学能电池。,(5)电源分系统,3.2 静止卫星,3.2.3 星蚀和日凌中断3.2.4 静止卫星的观察参数3.2.5 静止卫星的组成3.2.6 静止卫星的发射,一般运载火箭是由动力、推进剂输送、控制、遥测、外弹道测量、安全自毁系统及结构体等组成。火箭控制系统为全惯性制导系统，当飞行偏离预定轨道太大时，火箭便自爆或遥控毁掉，以保证航区的安全。,运载火箭,中国：长征系列、风暴一号美国：雷神、宇宙神、大力神、德尔塔 苏联：联盟号、能源号、质子号法国：阿丽亚娜,运载火箭,我国的运载火箭,Xichang Satellite Launch Center,发射广播、通信和气象卫星进入地球同步轨道,Jiuquan Satellite Launch Center,发射中轨道、低轨道及高倾角轨道的科学实验卫星及返回式卫星,发射多种卫星特别是地球低轨道和太阳同步轨道卫星,Taiyuan satellite launch center,进入停泊轨道 进入转移轨道 进入准静止轨道 进入静止轨道 定点保持,3.2.6 通信卫星的发射,以长征三号发射STW-1为例。,（1）进入停泊轨道,第三级火箭第一次点火后不久即熄灭，依靠其惯性飞行，将卫星送入一条高度约200km的停泊轨道。,（2）进入转移轨道,第三级火箭和卫星依赖惯性飞行，当将要第一次飞临赤道上空时，第三级火箭第二次点火，进行加速并进入转移轨道-椭圆轨道(近/远地点高度400/35786km)。,（3）进入准静止轨道,当卫星飞达转移轨道的远地点时，启动卫星上的远地点发动机，将卫星推入圆形的准静止轨道。,（4）进入静止轨道,建立卫星工作姿态，使自旋轴与轨道平面垂直,并提供卫星的漂移速度，让卫星向定点位置漂移；,当卫星漂移到东经125度时，由卫星控制系统再次提供修正速度，停止漂移，卫星最终进入静止轨道；,使定向通信天线对地定向，天线波束中心指向地球表面给定的区域。经过转发器在轨测试后，即可提供通信。,使卫星准确地进入预定的静止轨道,（5）定点保持,定点成功后，还需要定期对卫星的轨道、姿态和转速进行修正，防止各种因素使卫星的状态发生变化。,