第3章广播卫星与上行站.ppt

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1、,第2章内容的回顾,上行站,广播卫星,接收站,第3章 广播卫星与上行站,3.1 上行站3.2 同步卫星3.3 日凌与卫星蚀3.4 卫星广播使用的频率范围3.5 广播卫星3.6 广播卫星的电参数3.7 大气层对电波传播产生的影响3.8 极化旋转效应3.9 雨致衰减,3.1 上行站,1.主要作用2.组成框图3.工作过程,3.1 上行站-主要作用,在数字卫星广播系统中，上行地球站是一个十分重要的组成部分。它担负着把节目中心传送来的信号发送给广播卫星的任务。同时还要随时监测卫星下行信号的质量；有些上行地球站还承担着对卫星进行遥测、跟踪和遥控的任务。,3.1 上行站-组成框图(1),图3.1是一个比较典

2、型的数字卫星上行地球站的组成框图。在这个卫星上行地球站内为了保证可靠性，采用了双机备份的工作方式，一路为主机，另一路为副机，主副机之间是可以自动切换的，一旦主机发生了故障，就自动切换到副机上，从而保证了工作的不间断性。图中高功率放大器采用了主副机，调制器和上变频器也采用了主副机。图中显示的输入信号有两路，也就是说这个数字卫星上行地球站采用的是MCPC工作方式，若采用SCPC工作方式，将图中的另一路信源编码器略去就可以了。,图3.1 数字卫星上行地球站的框图,3.1 上行站-组成框图(2),上行站的室内部分,上行站的室外部分,数字卫星电视的输入信号有三个，它们是音频信号(A)、视频信号(V)和数

3、据信号(Data)。(1)模拟的音频信号和视频信号先送入信源编码器，生成经过压缩的数字信号。信源压缩编码的标准称为MPEG2，该标准是由国际上的“运动图象专家组”制订的，目前得到了广泛地应用，如在数字卫星广播、高清晰度电视、数字电视、DVD等领域。信源编码器的作用是对经过采样和量化后形成的数字信号进行压缩，未经压缩的数字信号由于数据量太大，因此是不能传输的，难以储存的。,3.1 上行站-工作过程(1),信源编码器输出的是压缩后的数字信号，称为传输码流(TS,Transport Stream)，其中视频信息和音频信息都被打成一定格式的数据包(分组)，每个数据包的长度都是188字节，其中包括一个同

4、步字节。数据信号也要按照这个格式打包。(2)复接器将音频数据包、视频数据包和数据数据包按一定规律组合在一起，形成一个整体的数据信号。显然由于视频信号的信息量最多，因此视频数据包的数目也就最多，而数据数据包的数量则最少。采用MCPC方式时，多路音频视频信号形成的数据包也是混合在一起的。,3.1 上行站-工作过程(2),(3)复接器的输出送入信道编码器。信道编码器的作用是尽量减少在传输过程中形成的误码。当误码率大于一定的数值之后，数字接收机就不能正常地对数字信号进行解码，因此在屏幕上就会出现所谓的“马赛克”现象，再严重一些接收机就要“死机”，这是数字卫星接收机与模拟卫星接收机的区别之一。在传输信道

5、中出现的噪声和各种干扰是产生误码的原因，而这些干扰又是不可避免的，因此人们就要想办法对误码进行纠正，这些工作就要靠信道编码来解决，由此我们可以看出信道编码环节的重要性。信道编码器主要由能量扩散、外码编码、卷积交织、内码编码等几部分组成。,3.1 上行站-工作过程(3),(4)经过信道编码之后，信号进入QPSK调制器。目前，各种数字卫星广播方式均采用QPSK调制方式，其主要原因在于QPSK调制特别适合于弱信号的场合，也就是说在输入的载噪比比较低的情况下，能够获得比较低的误码率。由于卫星信号的传输距离在40000km左右，信号当然是比较弱的，通常地面的场强在1530dBVm的范围之内，在这样的信号

6、强度的条件下，采用QPSK调制方式能够得到足够的信噪比。QPSK调制属于中频调制，一般中频的频率为70MHz。需要说明的是，经过QPSK调制的载波信号又成为了模拟信号，数字卫星广播地球站其后的设备与模拟卫星广播地球站的情况就很相近了。,3.1 上行站-工作过程(4),(5)中频信号直接送入上变频器，上变频器输出的频率就是卫星的上行频率，C波段卫星的上行频率为6GHz，Ku波段卫星的上行频率为14CHz。,在图3.1所示的地球站系统中，上变频器共有两个，一个为主机，另一个为副机，两个的输出接到一个切换开关上，以便自动切换，这样作的目的就是提高工作的可靠性。,3.1 上行站-工作过程(5),(6)

7、上变频器输出的信号经过切换之后送入高功率放大器，以便获得足够的功率。模拟卫星地球站的输出功率可达100W以上，而数字卫星地球站的输出功率一般不超过100W。高功率放大器往往采用速调管放大器，速调管也是一种微波电子管，它有两个或两个以上的谐振腔。它的工作是利用电子的渡越时间，并采用速度调制的方式来完成的。高功率放大器也有备份。(7)高功率放大器输出大功率射频信号通过天线发送到位于同步轨道的广播卫星上去。通常卫星地球站的天线都是大口径天线，直径在620m的范围内。天线的形式大多为双反射面天线，有些采用卡赛格伦天线，有些采用格里高利天线，采用后者的好处是收发可以共用一副天线。,3.1 上行站-工作过

8、程(6),3.2 同步卫星,1.卫星的分类同步卫星轨道同步卫星的摄动卫星接收天线的俯仰角和方位角,卫星的图片,3.2 同步卫星-卫星的分类(1),根据运行轨道的高度h、运转周期T、倾斜角度v的不同，可将人造地球卫星分为几种类型。1.按轨道高度（指卫星距其正下方的星下点的高度）划分(1)低高度卫星：h5000km，T4小时。(2)中高度卫星：5000kmh20000km，T=412小时。(3)高高度卫星：h20000km，T12小时。,3.2 同步卫星-卫星的分类(2),2.按运转周期划分(1)同步卫星：T24恒星时。(2)准同步卫星：T24N恒星时或T=24N恒星时，N2，3，4，5。(3)非

9、同步卫星：其它情况。恒星时是完全以地球自转周期为基准的时间计量系统，它与我们日常生活中使用的平太阳时有所区别。由于地球在自转的同时，还围绕着太阳公转，地球的公转周期约为365.25天，因此地球的公转速度大约是59秒天。根据精确的测量，l恒星日(24恒星时)=23小时56分4.0905秒(平太阳时)。也就是说，按照我们日常使用的时间单位，同步卫星的运转周期为23：56：04.0905。由于同步卫星的运转周期与地球本身自转周期完全相同，所以从地面上看，同步卫星在天空中是固定不动的，因此又被称为对地静止卫星，简称静止卫星。,静止卫星的运动,3.2 同步卫星-卫星的分类(3),3.按轨道平面的倾斜角度

10、划分(1)赤道轨道卫星：v=0度，卫星轨道平面与地球赤道平面重合。(2)极轨道卫星：v90度，卫星轨道平面与地球赤道平面垂直。(3)倾斜轨道卫星：v其它，卫星轨道平面与地球赤道平面有倾角。,同步卫星属于高高度卫星，同时它又是赤道轨道卫星。同步卫星无疑是最适合作为广播之用的，与其它的卫星相比，它有如下的优点：(1)接收天线容易对准卫星，同时天线的跟踪系统比较简单。(2)由于卫星的位置固定，因此不存在多普勒频移现象。(3)服务区域比较大，一颗同步卫星大概可以覆盖地球表面的42。(4)广播信道大部分处于真空之中，因此工作相对稳定，信号质量高。当前，卫星广播系统中都采用同步卫星。,3.2 同步卫星-卫

11、星的分类(4),1842年，奥地利科学家多普勒,发现声源与接收体发生相对运动时,接收体所接收到的频率,与声源发射频率间能产生频移现象,即移动声源由远到近,接收体所获频率由低转高。现实生活中最有代表意义的例子,就是迎面驶来的火车汽笛声由低到高;当远离我们而去时汽笛声调变低。此种频移现象就是著名的多普勒现象,或称多普勒效应。,3.2 同步卫星-同步卫星轨道(1),分析方法:根据力学理论，地球和行星围绕太阳的旋转运动以及月亮围绕地球的旋转运动均可以归结为两体问题；同样，人造地球卫星围绕地球的旋转运动也可以按两体问题来分析。在两体问题中，将太阳与行星、地球与其卫星均看作是两个质点，两者在万有引力的作用

12、下运动。德国著名的天文学家开普勒(Johannes Kepler，15711630)，仔细地分析和研究了前人对天体运动的观测资料，特别是丹麦天文学家布拉赫(Tycho Brahe，15461601)记录下来的大量精确观测数据后，在17世纪初，开普勒提出了科学史上有名的行星运动三定律，称为开普勒定律。开普勒定律为牛顿日后发现万有引力定律打下了良好的基础。,3.2 同步卫星-同步卫星轨道(2),开普勒定律的具体表述如下：(1)行星沿椭圆轨道绕太阳运行，太阳位于椭圆的个焦点上。(2)对于任一行星来说，其位置矢量(太阳中心至行星中心的矢量)在相等时间之内扫过的面积相等。(3)行星绕太阳运动周期的平方和

13、椭圆轨道的半长轴的立方成正比。人造地球卫星围绕地球的运动也遵循开普勒定律，我们在此处要解决的是同步卫星轨道参数问题。,3.2 同步卫星-同步卫星轨道(3),开普勒第三定律的数学表达式为：(31)其中，T为卫星的周期，a为椭圆轨道的半长轴，G为引力恒量，它是与物体性质无关的普遍常数，ME为地球的质量。根据对称的要求，同步卫星的轨道应该是一个圆形轨道，(31)式中的椭圆半长轴应改为圆的半径RS，同时引力恒量与地球质量的乘积又称为地球引力常数，其数值为：GME=3.986031014m3/s2(32),3.2 同步卫星-同步卫星轨道(4),由(31)式可以解出同步卫星轨道的半径RS，(33)将地球的

14、自转周期T86164s带入上式，便可得到同步卫星的轨道半径数值，RS=42164km(34)地球的半径为：RE=6378km(35)故同步卫星的高度为：hRSRE35786km(36),3.2 同步卫星-同步卫星轨道(5),同步卫星轨道的示意图见图3.2，其中卫星的偏航轴(Yaw)指向地心，滚动轴(Roll)指向卫星前进的方向，俯仰轴(Pitch)则垂直于卫星轨道平面。由于同步卫星是赤道轨道卫星，卫星位置的纬度为00，因此表明一颗同步卫星的位置仅使用经度就可以了。例如，1100E表明卫星位于东经1100的赤道正上方，56.60W则表明卫星的位置在西经56.60的赤道正上方。在本课程中，卫星的位

15、置记为S。,3.2 同步卫星-同步卫星轨道(6),RE=6378km,N,S,Satellite Roll,Pitch,Yaw,h=35786km,图3.2 同步卫星轨道,3.2 同步卫星-同步卫星的摄动(1),摄动产生的原因有：(1)太阳的引力(2)月球的引力(3)地球引力的不均匀性(4)太阳的辐射压力,由于受到各种因素的影响，实际的同步卫星相对地面来说并不是绝对静止不动的，而是在其指定位置附近作小幅度的飘动，应该说绝对静止是一种理想的情况。同步卫星偏离理想同步轨道的现象称为摄动。,1.含义,2.原因,3.2 同步卫星-同步卫星的摄动(2),3.结论为了保证卫星电视的连续性，必须对卫星的摄动

16、加以校正，使卫星位置的误差始终保持在允许的范围之内。目前，同步卫星位置误差范围的典型数值在0.250左右。,3.2 同步卫星-卫星接收天线的 俯仰角和方位角(1),为了将接收天线对准广播卫星，在每一个卫星接收地点都要确定该点接收天线的仰角和方位角。计算天线仰角和方位角时，一般是采用球面三角和解析几何的方法，在本课程中则使用矢量代数法，其特点是概念明确，几何关系清楚，同时可以推广到其它一些与卫星有关的问题，如日凌问题、极轴式天线问题、天线的极化角问题等。,仰角和方位角的定义,3.2 同步卫星-卫星接收天线的 俯仰角和方位角(2),设接收地点的纬度为，经度为R，卫星的经度为S。为了便于分析，引入相

17、对经度（即接收地点与卫星的经度差）：=Rs（37）需要特别说明的是：在东半球经度取正值，在西半球经度取负值。我们知道地球的半径为6378km，同步卫星的高度为35786km，以地球半径为单位长度，于是同步卫星轨道的相对半径为：=1+(35786/6378)=6.6108（38）,接收地点与同步卫星之间的几何关系，天线的方位角、仰角与卫星位置矢量和接收地点经度、纬度之间的几何关系都是确定的。在地球上任何一个接收地点，接收天线到同步卫星的距离d的取值范围是3578641678km。接收地点至同步卫星的实际距离d的计算公式为：(km)接收天线仰角EL的计算公式为：(角度),3.2 同步卫星-卫星接收

18、天线的俯仰角和方位角(3),接收天线方位角AZ的计算公式为：（角度）注意：接收天线的方位角为代数量，根据上式有：南，AZ=00；西，AZ=900；东，AZ=900。,3.2 同步卫星-卫星接收天线的 俯仰角和方位角(4),1.日凌 2.卫星蚀日凌和卫星蚀都是由于地球、太阳和卫星三者成为一条直线而产生的。在发生日凌和卫星蚀时，卫星电视和卫星通信会受到一定的影响。,3.3 日凌与卫星蚀,3.3 日凌与卫星蚀-日凌(1),日凌的名称来自于天文学，意为内行星（水星或金星）运行到太阳和地球的中间，地球上的观测者有时可看到太阳上出现了小黑圆点的现象，如水星凌日、金星凌日等等。当同步广播卫星在接收地点地球上

19、的位置恰好与太阳的位置重合时，就产生了“卫星凌日”现象，亦称日凌。在发生日凌时，卫星接收天线、同步卫星和太阳三者成了一条直线。由于卫星接收天线对准了太阳，而太阳本身又是一个巨大的无线电干扰源，因此太阳的辐射将对卫星广播和卫星通信产生很大的影响。,3.3 日凌与卫星蚀-日凌(2),根据实际的观测记录，对于模拟式卫星广播来说，日凌使图象上出现很严重的噪点干扰，图象几乎被噪声完全淹没了，故造成广播或通信线路的中断；而对于数字式卫星广播来说，只要干扰引起的误码率达到一定数值，信号就立即中断，类似于一种门限效应，同时很多数字式卫星接收机一旦信号中断，它就“死机”，需要值班的工作人员手工启动，因此日凌对数

20、字卫星接收产生的实际影响是比较大的，特别是在值班人员未能及时启动卫星接收机的情况下。,根据地球、卫星和太阳三者间的几何关系，可以分析出来：在赤道上，日凌发生在春分和秋分的时候；在本半球，日凌发生在春分之前及秋分之后，具体日期要根据接收点的纬度来确定；在南半球，日凌发生在春分之后及秋分之前。,3.3 日凌与卫星蚀-日凌(3),3.3 日凌与卫星蚀-卫星蚀(1),卫星蚀与月食类似，当同步卫星进入地球的阴影区域之后，卫星见不到太阳光，就发生卫星蚀。由于同步卫星上使用的电源主要依靠太阳能电池板，在发生卫星蚀的期间内，太阳能电池不能提供电能，卫星只能依赖蓄电池或燃料电池等备用电源来提供电能。以前，卫星蚀

21、对卫星广播的影响是很严重的，因为太阳能电池不工作，卫星广播只能中断，每年的春分和秋分前后的各23天，都会发生卫星蚀，也就是说一年内，卫星广播在总共约92天的时间内会发生中断，而在春分和秋分的当天，中断的时间可长达72分钟。现在广播卫星上的备用电源有了相当的改进，在发生卫星蚀的期间内，可以保证卫星的正常工作，因此近年来人们不大关心卫星蚀的问题了，但是卫星蚀本身是依然存在的。,根据地球围绕太阳转动的规律，在每年的春分和秋分时，卫星、地球和太阳三者就会形成条直线，因此当地球位于太阳和卫星之间时就发生卫星蚀，也就是说卫星进入了地球的阴影区之内。地球的阴影分为本影和半影，在本影区域内太阳光完全被地球遮挡

22、，而在半影区域内部分太阳光被地球遮挡，半影区域要比本影区域大得多。卫星一旦进入半影区域，卫星蚀就开始了。,3.3 日凌与卫星蚀-卫星蚀(2),我们知道，频率是一种宝贵的资源。为了保证各种通信和广播业务的正常进行，充分地利用频谱资源，国际电信联盟(ITU)在近三十年间召开过几届世界无线电行政大会(WARC)来规定并协调频率资源的使用。1971年召开的宇宙通信世界无线电行政大会(WARCST)规定了广播卫星优先使用的频率范围是11.712.5GHz，但是由于技术方面原因，起初卫星广播使用的一直是分配给卫星通信的波段，直至近年来卫星广播才开始使用WARC分配给卫星广播业务(BSS)的波段。,3.4

23、卫星广播使用的频率范围(1),3.4 卫星广播使用的频率范围(2),国际电信联盟在分配无线电使用频率时，将全世界划分为三个区域：第一区，范围是非洲、欧洲及伊朗以西和中国以北的亚洲地区；第二区，范围是南北美洲；第三区，范围是伊朗以东和蒙古以南的亚洲地区、大洋洲地区。我国处于第三区。表3.1给出了卫星广播的下行频率，表3.2给出了卫星广播使用的上行频率，应该说明的是卫星上行频率属于卫星固定业务的频率范围。,3.4 卫星广播使用的频率范围(3),表3.1 卫星广播的下行频率,3.4 卫星广播使用的频率范围(4),表3.2 卫星广播的上行频率,3.4 卫星广播使用的频率范围(5),以我国中央电视台和若

24、干地方电视台租用的亚洲二号卫星为例，其C波段转发器的上行频率范围是58476421MHz，下行频率范围是36224196MHz；Ku波段转发器的上行频率范围是1400314297MHz，下行频率范围是1220312504MHz。,1.广播卫星的组成2.天线子系统3.广播子系统4.电源子系统5.跟踪遥测指令子系统(TTC系统)6.姿态控制子系统,3.5 广播卫星,根据用途，目前使用的同步卫星有通信卫星、广播卫星、海事卫星、数据中继卫星等几种，其中广播卫星与通信卫星的差别是很小的，很多卫星广播业务都是租用了通信卫星。实际上广播卫星与通信卫星的主要区别在于两点：(1)工作波段，广播卫星应该工作在国际

25、电信联盟分配给卫星广播业务的波段内。(2)等效全向辐射功率，与通信卫星相比，广播卫星的等效全向辐射功率要大一些，对于直播卫星这点就显得更为重要了。,3.5 广播卫星-广播卫星的组成(1),广播卫星可以分为五个子系统，它们是：(1)天线子系统；(2)广播子系统；(3)电源子系统；(4)跟踪遥测指令子系统；(5)姿态控制于系统。各个子系统的分工明确，各司其职。目前，世界上著名卫星制造厂家有马丁(MARTIN)公司、劳拉(LORAL)公司、休斯(HUGHES)公司、法国宇航等几家，他们均可提供用于广播业务的大功率、大容量、长寿命的卫星平台。同时，我国也初步具备了制造通信卫星、广播卫星的能力。,3.5

26、 广播卫星-广播卫星的组成(2),3.5 广播卫星-广播卫星的组成(3),卫星上的天线有若干副，分别作为转播和控制之用。从事卫星转播的天线通常是收发共用的，所以在天线子系统中包含了双工器。根据不同的用途，卫星上的天线可以分为全球波束天线、半球波束 天线、点波束天线、赋形波束天线等几种。1.全球波束天线全球波束天线用于覆盖同步广播卫星能够覆盖的全部区域，它一般由喇叭天线加上一个金属反射平面构成，波束的中心对准星下点，星下点位于赤道上，其经度与卫星的经度相同。理想的全球波束的几何形状应该是一个圆锥面，在地球表面上它所覆盖的区域成一个球冠的形状。,3.5 广播卫星-天线子系统(1),3.5 广播卫星

27、-天线子系统(2),2.点波束天线点波束天线与全球波束天线不同，它的半功率角很小，一般在几度的范围之内，主要用于覆盖地球表面一个范围很小的区域。点波束天线一般采用偏馈天线的形式，反射面为旋转抛物面的一部分，为了保证足够小的半功率角，反射面的口径是比较大的。点波束的横截面有圆形和椭圆形之分，两者在地面上的覆盖区域形状有所不同。,3.5 广播卫星-天线子系统(3),3.赋形波束天线赋形波束天线是近年来普遍使用的卫星广播天线的形式，采用赋形波束天线可以将辐射能量集中在卫星广播的服务区域之内，减少对其它区域的干扰，具有比较好的电磁兼容特性。同时采用赋形波束天线，还可以减小卫星之间的间隔，从而在同步轨道

28、之上可以放置更多的广播卫星和通信卫星。赋形波束天线通常是由几个馈源和一个反射面组成，每个馈源发出的电磁波经反射面反射之后基本上相当于一个点波束天线，而不同馈源的辐射方向有所不同，同时每个馈源的辐射功率及馈电相位也不一定相等，因此赋形波束天线可以看作是一个天线阵。根据天线综合的方法，可以将天线的覆盖区域设计成为所需的形状。通常，赋形波束天线的反射面的曲率半径都比较大，也就是说反射面比较平，这样有利于在不同的位置放置馈源。,3.5 广播卫星-天线子系统(4),4.双工器广播卫星的实质是位于空间上的一个微波转发器，接收机和发射机共同使用一副天线，为了保证收发共用，卫星天线要连接到双工器上。双工器是一

29、种微波波导器件，它的主体是金属波导，具备滤波、阻抗匹配、分波、功率合成等功能。双工器首先要保证收发之间互不干扰，还要保证阻抗匹配，同时其接入损耗要比较小。以C波段的广播卫星为例，卫星地球站发射的信号频率为6GHz，带宽一般为500MHz，卫星天线将此信号接收下来，经过双工器，通过高通滤波把信号送至差转机的低噪声放大器内；经过变频、功率放大等环节，形成了频率在3.74.2GHz范围之间的功率信号，然后通过双工器，把此信号送到天线上，然后发射到地面上去。,广播子系统简单地说就是微波差转机，输入信号频率为614GHz，输出的信号频率为412GHz。早期的广播卫星广泛地采用二次变频型的转发器，它由低噪

30、声放大器、下变频器、中频放大器、上变频器、功率放大器等几部分组成，由于二次变频型的转发器仅仅使用两个功率放大器，一个放大器对应于一种极化方式，所以每个功率放大器要同时放大12个载波，因此容易产生交调干扰。虽然二次变频型转发器具有增益高，容易实施自动增益控制等优点，但是由于它的非线性失真比较大，因此现代的广播卫星不采用此种形式。,3.5 广播卫星-广播子系统(1),3.5 广播卫星-广播子系统(2),在当代的大容量、大功率的广播卫星中普遍使用一次变频型的转发器。一次变频型又称为单变频型(RFRF)。一次变频型转发器由低噪声放大器、混频器、本机振荡、激励放大器、分波器、行波管放大器、多工器组成。需

31、要说明的是，广播卫星转发器是没有模拟和数字之分的，因为数字信号经过数字调制之后，就变成了模拟信号，所以广播卫星转发器处理的都是模拟信号。,3.5 广播卫星-广播子系统(3),1.低噪声放大器(LNA)低噪声放大器的特点是低噪声和高增益。整个卫星转发器的载噪比是由低噪声放大器决定的。为了尽可能地减少噪声，低噪声放大器通常采用隧道二极管、砷化镓场效应管、高电子迁移率晶体管作为放大器件，合理地选定其工作点，使得噪声小，并且工作稳定。由于从地面到卫星的距离在40000km左右，因此传送到卫星处的信号是很微弱的，所以低噪声放大器还必须要有足够的增益，才能保证转发器的正常工作。通常低噪声放大器是由多级放大

32、电路组成的。,3.5 广播卫星-广播子系统(4),2.本机振荡器与混频器本机振荡和混频的作用是对上行的信号进行下变频。以C波段卫星为例，卫星地球站发射的信号频率是59256425MHz，而广播卫星的下行信号频率是37004200MHz，因此标准的本机振荡频率是2225MHz，这属于低本振类型，因为输入频率高于本振频率。为了保证卫星转发器的正常工作，本机振荡的频率一定要十分稳定，同时又要保证相当高的频率精度。混频器输入的分别是上行信号和本振信号，由于非线性的影响，在混频器内部产生了上述频率的和频与差频，以及高次谐波，而差频恰恰是人们所需要的信号，所以在混频器内定设有低通滤波器，将差频以外的信号全

33、部滤除干净。,3.5 广播卫星-广播子系统(5),3.分波器分波器的功能是将各个频道的信号分别输出到相应的行波管放大器中去，它主要由频道滤波器组成。每个频道的带宽是36MHz，通过带通滤波器将各频道的信号区分开。,3.5 广播卫星-广播子系统(6),4.行波管放大器(TWTA)行波管放大器属于功率放大器。当代的广播卫星每个频道的输出功率通常在数十瓦至数百瓦的范围之内。行波管是一种微波电子管，它由电子枪、慢波结构和收集极等部分组成。慢波系统是一种特殊形式的同轴传输线。内部有螺旋线和梳形结构，它用来降低电磁波的相位速度。电子枪用来发射电子束，电子束穿过慢波系统，然后打在收集极上。采用慢波系统之后，

34、电子束的速度与电磁波速度相近，以便电子束与电磁波之间进行能量交换，在慢波系统中传输的微波从电子束中获取足够的能量，从而提高了微波的幅度，最后在输出端口得到了经过放大的射频功率信号。,3.5 广播卫星-广播子系统(7),5.多工器多工器的作用是将12个频道的大功率信号混合在一起，然后经过双工器输送至天线。显然，多工器的接入损耗要小，同时各输入端口之间要有足够的隔离，以保证各个行波管放大器互不干扰。,3.5 广播卫星-电源子系统(1),现代大容量的广播卫星使用的电源功率是相当大的，典型的数值在2kW7kW之间，耗电最大的器件就是行波管放大器，一个行波管放大器的输出功率可达100W左右，若行波管的效

35、率按40计算，则这样24个功率放大器就需要6000W的电源功率。为了卫星的正常工作，卫星的电源系统必须能够长时期稳定地输出足够的电源功率。通常，电源子系统是由太阳能电池帆板、蓄电池和电源控制部分组成。电源子系统应该具有体积小、重量轻、效率高、容量大、寿命长、可靠性高等特点。,3.5 广播卫星-电源子系统(2),1.太阳能电池从广播卫星的外形来看，太阳能电池是十分显眼的，每颗卫星均装备有两块巨大的太阳能电池帆板。卫星的能源主要依靠太阳能。我们知道，在宇宙空间中太阳光是最重要的能源，它又是取之不尽、用之不竭的，地球上使用的绝大部分能源均来自太阳光。在近地空间内，太阳辐射的功率密度可达1400Wm2

36、。太阳能电池是将光能转换成为电能的设备，如果太阳能电池的换能效率能够达到25的话，每平方米的太阳能电池帆板可以提供约260W的电源功率。这样，一颗现代的通信卫星就需要数十平方米的太阳能电池帆板。,3.5 广播卫星-电源子系统(3),太阳能电池由许多个硅太阳能电池片组成。在N型的单晶硅片上，采用扩散法渗进一层薄薄的硼，这样就形成了PN结，再加上两个电极，就构成了一个硅太阳能电池片。当太阳光直射到硅太阳能电池片上时，两极之间就产生了电动势，于是光能就转换成为了电能。般硅太阳能电池片有l2cm2、22cm2、24cm2、44cm2几种规格，其厚度在0.150.4mm之间。将若干个硅太阳能电池片串联起

37、来称为一组，就可以得到所需的电压数值，将若干太阳能电池组并联起来，就能提供足够的电流。这样我们就知道，太阳能电池片的数目决定了太阳能电池总的输出功率。理论上，太阳能电池的换能效率可达25，但实际上不超过16，典型的数值是1012之间。,3.5 广播卫星-电源子系统(4),太阳能电池的具体安装方式为，在基板上贴上一层绝缘薄膜，然后将硅太阳能电池片贴上去。由于太阳能电池的表面受到宇宙射线的辐射或高能粒子的轰击会引起性能的衰退，因此在其表面上还要安装一层薄薄的石英玻璃盖片。由于太阳能电池的输出电压不是很稳定的，它与许多因素有关，如太阳光的入射方向，因此在其输出端要安装稳压装置，然后才能作为广播卫星的

38、电源使用。,3.5 广播卫星-电源子系统(5),2.蓄电池蓄电池也是电源子系统中的一个重要组成部分，在发生卫星蚀的时候，卫星进入了地球的阴影区域，因此太阳能电池帆板不工作，广播卫星的电源就只能依靠蓄电池了。以前，由于蓄电池的输出功率不够，因此在卫星蚀期间，卫星广播就只能中断。这样，在一年之内大约有三个月的时间，卫星广播要受到卫星蚀的影响，最长的时间可达73分钟。20世纪90年代以来，由于蓄电池技术的完善，输出的功率已经可以满足广播卫星的需求，因此卫星蚀现象对卫星广播就没有太多影响了。,3.5 广播卫星-电源子系统(6),在广播卫星上广泛使用的蓄电池有镍镉(NiCd)蓄电池、镍氢(NiH)蓄电池

39、等几种类型。镍镉蓄电池的特点是充电效率高、耐过充电和耐过放电的性能好，同时对环境的污染也比较小。镍氢蓄电池的主要特点是输出功率大，目前大容量的广播卫星通常采用镍氢蓄电池，它在一小时左右的时间内可以提供数千瓦的电能，因此完全可以在卫星蚀期间保证卫星广播的正常进行。平常，太阳能电池输出的电源功率大部分提供给卫星上的各种设备使用，小部分用于给蓄电池充电。当卫星进入地球的阴影区后，卫星就依靠蓄电池来提供电源。,3.5 广播卫星-电源子系统(7),3.电源控制部分电源控制部分用来对太阳能电池和蓄电池进行控制，并且还要保证输出电压的稳定。太阳能电池输入端有一个二极管Dl，它的作用是防止蓄电池的放电电流冲击

40、太阳能电池，二极管D2，则给蓄电池提供一个放电途径。充电控制电路保证了蓄电池储存足够的电能。稳压器则保证了电源电压的稳定。,3.5 广播卫星-跟踪遥测指令子系统(TTC系统)(1),为了保证广播卫星在同步轨道上长期保持正常稳定地运转，必须随时清楚地了解卫星的轨道位置、姿态和工作状态，并且根据情况及时地发出适当的遥控指令，通过卫星上的相应机构来调整卫星的状态，以实现对卫星进行实时跟踪和遥测。,3.5 广播卫星-跟踪遥测指令子系统(TTC系统)(2),1.跟踪部分卫星上的跟踪设备与地面上的遥控站配合完成测距、测速、测角以及角度跟踪等功能。测距信号由地面上的遥控站发出，通常是采用调频或调相方式，在卫

41、星上则装有供转发测距信号的应答机。卫星应答机接收到测距信号之后，经过处理和放大，然后再转发回地面。由于应答机发出的信号比较稳定，所以大大地提高了测距的精度。,3.5 广播卫星-跟踪遥测指令子系统(TTC系统)(3),测速是根据多普勒效应实现的。由于多普勒频率跟两物体的相对速度成正比，因此当测定了多普勒频率之后，就能够准确地确定两物体之间的相对速度。卫星上装有信标发生器，它发出用于确定频率的信标信号，地面上的遥控站接收到信标信号之后，通过测定其频率，就能计算出卫星的运行速度。为了确保测量的精度，卫星的信标信号频率必须有很高的频率稳定度。进行角度跟踪和测角的依据也是卫星发出的信标信号，它引导地面的

42、遥控站的天线准确地指向卫星，以实现对卫星的跟踪，并进行角度测量。,3.5 广播卫星-跟踪遥测指令子系统(TTC系统)(4),2.遥测部分卫星上的遥测设备的任务是将各种被测信号收集起来，经过适当的处理后，再对载波信号进行调制，放大之后经天线发回地面。卫星上被测信号有电压、电流、温度、压力、加速度、姿态等等，这些参数由相应的传感器采集起来，然后全部转换成为电信号，进一步进行模数转换形成数据信号，地面上的遥控站接收到这些信号之后，就可以了解卫星系统内部的工作状态。,3.5 广播卫星-跟踪遥测指令子系统(TTC系统)(5),3.指令控制部分卫星上的指令控制设备接收来自地面遥控站的指令，然后对卫星进行控

43、制。卫星上需要的控制是多种多样的，如远地点发动机点火、卫星上小发动机的喷气控制、卫星的姿态控制、修正卫星轨道、工作方式的转换、备份差转机的切换、备份仪器的切换等等。由于需要进行控制的命令很多，通常可达数百条以上，同时为了保密的需要，因此控制指令通常采用编码的方式，如国际通信卫星ISIV上的遥控指令码由25位二进制码组成。,3.5 广播卫星-跟踪遥测指令子系统(TTC系统)(6),控制指令一般分为前导、地址、指令、执行等几部分。前导部分主要用于对卫星上的译码器进行“清零”操作，以便为译码作好准备。地址码给定了每一条指令的编号，使不同的指令在卫星上对号入座。指令码则给出具体的操作内容，经过译码器复

44、合正确之后，才允许执行信号通过。执行信号为一个或一系列的电脉冲，它来控制具体的执行部件进行特定的操作和控制。,3.5 广播卫星-姿态控制子系统(1),广播卫星经过发射、变轨、漂移、定点等过程才能够定点在同步轨道确定的位置上，这个过程是相当复杂的，难免使卫星产生一些姿态方面的误差。另外定点成功之后，卫星本身也会受到来自各方面的多种扰动因素的影响，如太阳、月球对卫星的引力作用会使卫星轨道平面的倾角及轨道运行周期发生变化，另外地球引力场的不均匀性、地球磁场的变化、太阳光对卫星产生的辐射压力等因素均会改变卫星的姿态。因此，为了确保卫星姿态的正确无误，在卫星上定要设置姿态控制子系统。卫星的姿态控制一般可

45、以分为自旋稳定和三轴稳定两种方式。,静止待发的火箭,火箭顶部的卫星,正在发射的星箭,3.5 广播卫星-姿态控制子系统(2),1.自旋稳定方式早期的同步卫星均采用自旋稳定的方式。自旋卫星象一个陀螺一样沿其自转轴线以一定的角速度不停地旋转，在旋转的过程之中，自转轴的方向是固定不变的，从而使卫星的姿态保持稳定。自旋卫星的旋转轴是垂直于赤道平面的。由于存在着各种干扰力矩，卫星的自旋速率和自转轴的方向会发生些变化，于是卫星的姿态也就随之发生变化。为了使卫星回到正常的姿态，就要使用安装在卫星上的喷气装置和磁性线圈来抵消干扰力矩的影响。自旋稳定方式的优点是：可采用一个完全无源的系统来达到固定的惯性指向，有一

46、定的精度；缺点是：只能控制一个轴向，天线要安装反自旋装置，太阳能电池的利用率比较低。,3.5 广播卫星-姿态控制子系统(3),2.三轴稳定方式现代的大容量广播卫星均采用三轴稳定方式，此种稳定方式诞生于20世纪70年代中期，后来得到了广泛的应用。卫星的三轴是指偏航轴、滚动轴、俯仰轴。偏航轴指向地心，滚动轴代表了卫星的前进方向，俯仰轴为卫星轨道平面的法线方向，三轴是互相垂直的。在卫星的滚动轴和偏航轴上加上高速旋转的动量飞轮，使卫星在这两个轴向上保持稳定，而对俯仰轴的控制则是改变动量飞轮的旋转速率，从而对卫星星体产生反作用来完成的。三轴稳定方式的优点是：满足了大容量广播卫星对电源的需求。三轴稳定的卫

47、星在发射时，太阳能电池帆板是折叠起来的，在卫星定点之后，太阳能电池帆板打开，并对准太阳。,3.5 广播卫星-姿态控制子系统(4),3.姿态传感器首先要了解卫星的瞬时姿态，然后才能对它进行控制。测量卫星姿态的装置称为姿态传感器，姿态传感器有太阳传感器、地球传感器、恒星传感器、射频传感器等几种类型，它们以不同的对象为测量基准。三轴稳定卫星通常将地球传感器、射频传感器和恒星传感器联合使用，来测定卫星的瞬时姿态。地球传感器的工作原理是利用空间与地球之间存在的温度差来测定卫星俯仰轴的姿态。宇宙空间的温度接近0K，而地球的温度大约为300K。在垂直于卫星俯仰轴的平面两侧对称地安装两个红外地平仪，分别扫描地

48、球的南北两个半球。当卫星的俯仰轴平行于地球的自转轴时，两个红外地平仪的输出是相同的；当俯仰轴发生偏差时，两个地平仪的输出就不同了。于是根据地平仪的输出，就可以判断卫星的俯仰轴方向是否正确。射频传感器是利用无线电信标来测定卫星的姿态；恒星传感器则是以某颗恒星(如北极星)为基准来测定卫星的姿态。,3.5 广播卫星-姿态控制子系统(5),4.姿态控制自旋稳定卫星的姿态控制是采用姿控喷嘴的方式，卫星上装有小型的姿态控制喷气发动机，改变喷嘴的方向和喷气量的大小，就可产生所需的转动力矩，进而改变卫星的姿态。三轴稳定卫星的角动量比自旋稳定卫星的要小一些，更容易受到外界的各种干扰，因此三轴稳定卫星的姿态控制采

49、用了多种方法相结合的方式。这些方法包括：利用喷气、地磁、重力梯度、太阳辐射压力等方式来产生控制力矩；卫星内部装有中型、小型飞轮，利用飞轮转动产生的转动惯量来确保卫星姿态的正确；改变飞轮的旋转速率产生反作用力。,3.5 广播卫星-姿态控制子系统(6),5.轨道控制同步卫星的轨道平面与地球赤道面之间存在倾角时，卫星就会产生飘动。从地面上看，卫星的飘移轨迹类似于一个“8”字形。为了保证卫星的轨道平面与地球的赤道平面重合，在三轴稳定卫星上装有若干个小喷嘴，改变喷气的方向和喷气量的大小，就可以改变卫星的轨道，使之恢复到正常的姿态。,3.6 广播卫星的电参数,1.等效全向辐射功率(EIRP)2.波束图 3

50、.品质因素(GT)4.功率通量密度 5.地面场强E 6.极化方式在此，讨论卫星的几项主要电参数，有些一眼就能看懂的电参数，如工作频率范围、转发器带宽、信标频率，行波管输出功率等，就不在此处进行分析了。,3.6 广播卫星的电参数-等效全向辐射功率(EIRP)(1),等效全向辐射功率是卫星转发器的一项极为重要的参数，它反映了卫星的辐射能力，在进行卫星线路的工程计算时，必须要知道此项参数。等效全向辐射功率一般记为EIRP，它的定义是：EIRP=10lgPTWTA(W)-Lt+Gt(dBW)式中，PTWTA为行波管放大器的输出功率，单位为W，它的具体数值通常在5W200W之间；Lt是行波管至卫星天线之