地球同步轨道之通信卫星课件.ppt

1、一、衛星通訊簡介 2衛星運作衛星運作 n行星：繞著恆星(如太陽)運轉的星球(如水星、金星、地球等)，而繞著行星運轉的星球稱為衛星(如月亮)。n人造衛星是指循一定軌道環繞地球運行的人造物體。n避免大氣的摩擦，衛星高度都遠超過大氣層頂。n人造衛星的設計不像飛機需考慮外形是否流線，再加上太陽電池板，因此人造衛星的外形大都是千奇百怪。法國SPOT衛星3n自一九五七年蘇聯第一顆衛星成功發射後，衛星已迅速成為推動科技進步、經濟發展與國防建設之重要手段。n五十年來，全世界共發射大約4500顆衛星，其中90%以上是美、蘇兩大強權所有，80%衛星被用於軍事用途。n衛星已融入人們生活之中，提供定位、導航、氣象、電

2、信、廣播及多媒體等服務。軌道現有約軌道現有約700800枚衛星枚衛星4服務與應用導航定位導航定位寬頻服務寬頻服務電視廣播電視廣播通信網路通信網路遙測探勘遙測探勘5n就應用方面來說，衛星約可分成下列幾類：n偵察衛星(Surveillance Satellites)n預警衛星(Early Warning Satellites)n氣象衛星(Weather Satellite)n天文衛星(Astronomical Satellite)n導航衛星(Navigational Satellite)n探測衛星(Remote Sensor Satellite)n殺手衛星(Killer Satellite)n通信

3、衛星(Communication Satellite)n氣象衛星氣象衛星：氣象衛星有兩種運行軌道。一種在地球的同步軌道上運行，恆定地觀測地表上大約三分之一的面積。另一種在極軌道上，以每12小時一次地覆蓋整個地球表面。氣象衛星可測量地表和大氣溫度，記錄風速和雲的移動，並預測降雨區域，以方便氣象學家預報準確天氣。n通訊衛星：通訊衛星：通訊衛星是長距離通訊的一個極佳中繼站，它能克服橫跨海洋和大陸的無線電通訊傳播時所遭遇的困難。大部分的通訊衛星都在地球同步軌道上運行（即同步衛星），看起來就像在地球上空的特定點上靜止不動一樣。n資源衛星：資源衛星：l資源衛星能夠預報森林火災、管理水利資料、測繪地圖、估計

4、農作物的產量、測量冰河的移動及大氣與海洋污染等。現今更可用於幫助動物學家觀測如北極熊等野生動物的生活習性。福衛二號便是一枚資源衛星，它的影像解析度將可達5公尺5公尺。l目前國內較為常用的資源衛星資料有法國SPOT(史波特)衛星與美國的大地衛星。其中SPOT 的地面解析度彩色為20公尺，黑白則為10公尺。n導航衛星：美國及俄羅斯均有此類衛星。美國的全球定位系統(GPS)共有24顆導航衛星，飛行器可利用四顆衛星發出的信號來計算自己的位置、高度和速度。地表上空電離層的電子密度及中性大氣中水汽含量的改變，均會影響GPS的訊號。由八顆微衛星所組成的福衛三號科學衛星，將可藉由分析GPS訊號的改變，用以研究

5、大氣層及電離層的結構分佈情形。10n利用太空衛星所裝載之通信酬載轉頻器(Transponder)作為無線電收發之中繼轉播站，用以達到各地面站台間的通信目的。11n在無線通信領域中，衛星通信將提供全球、廣域之通連服務：隨時、隨地提供寬頻、廣域、無縫隙之無線通信服務12n衛星通主要係定位於國內或國際廣域之電信、數據及多媒體之通信網路運用。INDOOR/LOCALREGIONAL/NATIONALINTERNATIONALTELEPHONYDATA/InternetVideo/MultimediaFixed Wireless(Wireless Local Loop)Private MobileCor

6、dlessPublic CellularMobile Data/PagingWireless LANMobile SatelliteFixed SatellitePCSBroadcast SatelliteMMDS/LMDSINDOOR/LOCALREGIONAL/NATIONALINTERNATIONALTELEPHONYDATA/InternetVideo/MultimediaFixed Wireless(Wireless Local Loop)Private MobileCordlessPublic CellularMobile Data/PagingWireless LANMobile

7、 SatelliteFixed SatellitePCSBroadcast SatelliteMMDS/LMDS電信應用領域電信應用領域13n衛星通信主要通訊功能運用：n國際電信鏈路(International Telecommunication,如INTELSAT)n電視節目傳送(TV Program Distribution)n企業專用網路(VSATs)n軍事通信運用(Military Communications)n行動通信服務(Mobile satellite services,如INMARSAT)14 n直接影訊廣播(Direct Video Broadcast,DVB)n直接音訊廣

8、播(Direct Audio Broadcast,DAB)n緊急救難通信(Emergency Communication)n全球手持大哥大(如銥計畫(Iridium)n網際網路幹線(Internet Backbone Services)15n衛星通信系統具有以下特徵與重要作用：n獨具三度空間無縫隙覆蓋能力n獨特靈活性與普及服務能力n大區域的可機動性或可行動性通連n廣域網狀網路構連能力n廣域Internet交互連接能力n特有的廣域廣播與多點同時通連能力n對國際/區域/本地距離連接的不敏感性n對緊急救災及故障搶救的快速靈活16n按軌道高度劃分：n低軌道(LEO):300 to 1,500 kmn中

9、軌道(MEO):8,000 to 12,000 kmn同步軌道(GEO):approx.36,000 kmn按軌道形狀劃分：n圓形軌道(Circular)n橢圓軌道(Elliptical)一般使用同步軌道(GEO)通信衛星進行傳輸中繼服務17 n低軌衛星低軌衛星(LEO)：l低軌道(1000公里以內)衛星約二至三小時繞行地球一週，出現在收訊範圍之時間甚短，因此需要較多衛星以接力方式，始能提供全球全天候之服務。l通常間碟衛星就是屬於這一種位於高度較低的軌道，由於軌道限制較少，因此近年大為流行。l適合於通訊，因此如銥計劃(Iridium)等都是用低軌道衛星來做。銥計劃即採6個軌道面，各軌道含11顆

10、衛星；Globalstar也是6個軌道面，各軌道面含8顆衛星。18n中軌衛星中軌衛星(MEO)：l在同步軌道與低軌道之間，以導航GPS衛星而言，採6個軌道面，各軌道面含4顆。19 n同步衛星同步衛星(GEO)：l距離地球表面約36000公里的高度。繞地球旋轉速度與地球自轉速度一樣，因此在地球上觀看該衛星時，好像靜止不動的停留在太空中。l做為通訊使用，因為Delay嚴重，會造成訊息傳送時間較長。同步軌道中之衛星，因與地球自轉同步，因此只需三顆(一顆可覆蓋42地表)即可構成全球通信。20 l軌道資源有限(3600)，ITU於1985年國際衛星會議，原規劃30一顆，已改成20一顆，經申請同意，才可佈

11、放。l資源衛星、通訊衛星、軍事衛星、導航衛星都喜好長駐。l東經1250至西經1250的範圍是太平洋上空，其同步靜止衛星較稀少。21250ms100ms15ms傳送延遲來回時間傳輸延遲大衛星成本較高軌道為置有限衛星體系複雜有都卜勒效應生命週期短衛星體系複雜有都卜勒效應缺點地表覆蓋率42.2%無都卜勒效應中度成本傳輸延遲低低成本傳輸延遲低訊號衰減低優點24hrs2-4hrs15min可用時間36000 km8000-12000 km300-1500 km高度同步衛星 GEO中軌衛星 MEO低軌衛星 LEO型態Name Full Name Attitude(Km)Amount needed toco

12、ver the earth 同步衛星同步衛星(GEO)Geostationary Orbit 約35860公里 3 中軌衛星中軌衛星(MEO)Medium Earth Orbit100025000公里10 低軌衛星低軌衛星(LEO)Low Earth Orbit 5001000公里 48 n三種軌道的分界卻沒有很明確的標準，只能大致上用大氣圈的中氣層頂上，離地1000公里處作為低軌與中軌的分界；用25000公里的高度作為中軌與高軌的分界。23 衛星等級 英文名稱 質量 實例 大衛星 Large Satellite 一千公斤以上 中星一號通訊衛星 小衛星 Small Satellite五百公斤至

13、一千公斤 福爾摩沙衛星二號 迷你衛星Mini-Satellite 一百公斤至五百公斤 福爾摩沙衛星一號微衛星Micro-Satellite十公斤至一百公斤 福爾摩沙衛星三號 微小衛星(奈米級衛星)Nano-Satellite 一公斤至十公斤 史丹福地震衛星(QuakeSat)微微衛星(皮米級衛星)Pico-Satellite 一公斤以內 正方體衛星(CubeSat)蕃薯號衛星(YamSat)2410203040 x106 m2420161284衛星週期衛星週期 h速度速度 x1000 km/h同步軌道位置同步軌道位置35,786 km與地心之距離與地心之距離11000 km/h2526寬頻衛星

14、92顆其他衛星147顆239顆台灣上空衛星 35860 Km35860 Km n備註：日本東京大學的皮級衛星皮級衛星使用商業用照相機商業用照相機，拍攝到地球和太陽的影像。這顆命名 XI-IV 的衛星，自2003.06.30日發射升空，已經在太空中運轉一年。以前從來沒有這麼小的衛星，能在軌道中運轉這麼久。這顆衛星所拍的影像畫素雖然只有128 x 120 點，但已可以看出地球外形、雲圖及太陽。它的下一代衛星，拍攝水準還到相當於130 萬像素照相機拍出的品質。n全球覆蓋：衛星天線照射地球表面最大面積，約為17.4度。n區域覆蓋：典型的區域覆蓋天線之波束寬度為5度。n點波束覆蓋：天線的波束寬度為2度。

15、全球覆蓋區域覆蓋點波束覆蓋31n衛星通信使用微波頻段(300MHz300GHz)，其原因為：n獲得較大頻寬、提供大通信容量。n衛星處於外層空間(即電離層之外)，電磁波必須能穿透電離層。頻段越高、波束越窄、遭受干擾越小。頻段越高、帶寬越大、傳輸速率越高。32n為避免上、下鏈路於傳輸空間相互干擾，需將上、下鏈路之頻帶錯開。n因應衛星酬載重量與壽命限制，上鏈使用較高頻率。n目前衛星通信常用之頻帶：降雨衰減嚴重射頻裝備成本高使用頻寬很大30(27.5-30.5)20(17.7-21.7)Ka降雨衰減較大地面微波干擾14(14.0-14.5)11(11.7-12.2)Ku地面微波干擾6(5.925-6.

16、425)4(3.7-4.2)C備註上鏈頻率(GHz)下鏈頻率(GHz)頻帶33地面站台地面站台通信衛星通信衛星 大型地面轉接台大型地面轉接台Internet 網路網路B2B用戶用戶衛星追蹤管制站台衛星追蹤管制站台地面波束地面波束34 系統組成系統組成 n衛星的組成基本可分為衛星本體及酬載兩部份。n酬載即是衛星用來做實驗或服務的儀器。n衛星本體為維持酬載運作的載具。35 36 n衛星的用途依其所攜帶的酬載而定l本體的組成包括:(1)主結構體(三角柱、立方體、八角柱體、或 圓柱體等)。(2)一或數片如翅膀般的太陽能電池板。(3)碟型、錐形、或螺旋形的天線。(4)噴射推進及姿態控制系統。(5)環境控

17、制系統(溫度及壓力)。l酬載各種探測器、照相機、通訊設備等。n備註：l人造衛星的內部，一般都裝有許多高級的精密科學儀器，所以在人造衛裏面還要充入定量的氣體，其目的一是保溫、一是調節壓力。38n保溫l因為人造衛星每繞地球一周，就有差不多一半的時間在地球背後黑暗的影子裏移動，接觸不到陽光，這時候溫度可以降低到攝氏零下200多度，而在曬到陽光的另一半時間裏，溫度就急劇上升得很高，冷熱差異十分強烈，如果不利用氣體來保溫調節，人造衛星內所有的無線電儀器便不能準確工作了。39 n調節壓力l因為地面的儀器裝設都是在正常的地球大氣壓力下進行，一旦升到高空，因為沒有大氣壓力，許多儀器會失靈。為此，不但要在人造衛

18、星裏充滿空氣，還要把人造星密封，並安裝強制性的氣體循環系統，以便保證人造衛星艙內的氣體壓力均衡，及時調節艙內的溫度。40 衛星發射載具衛星發射載具n衛星入軌方式衛星入軌方式：n直接入軌方式-火箭發動機燃畢，最後一節火箭速度等於 衛星軌道速度，衛星與火箭脫離進入軌道；一般低軌道衛星採用。n間接入軌方式-先進入無動力的自由飛行(暫駐軌道)，再入軌。n發射載具發射升空程序：發射載具發射升空程序：42 n衛星發射三要素衛星發射三要素：發射方位角與軌道傾角、發射地點、發射窗。44 衛星壽命衛星壽命 n衛星在外太空除受地球引力外，尚有來自月球及太陽的引力，這些力量往往會使衛星在軌道上的位置產生偏離，若偏離

19、超過標準時，衛星會自動啟動噴射系統而回到正確的位置，因此噴射系統的燃料量，為衛星壽命主因。n太陽能板及電池老化為次要因素。n一般衛星壽命 早期：35年左右；近期：714年左右；未來：15年以上n有些軍事間諜衛星，為了搜集敵情清晰的影像，運行軌道離地面較低，壽命僅有兩、三個月，軌道較高的衛星，壽命可達數十年甚至更久。n衛星的燃料用完後會因軌道上極稀薄的氣體粒子的影響而減速，並墜入大氣中燒毀或墜落地表。有些衛星的設計是用殘存燃料將衛星推入極高的軌道（太空墓場）中。46 n國家太空中心(NSPO)l第一期計畫：19912004,福衛一號(科學實驗),福衛二號(高解析度科學衛星)，福衛三號(氣象微衛星

20、)。l第二期計畫：20042018,Argo 衛星計畫、探空火箭、微衛星等。我國太空衛星計畫我國太空衛星計畫 47 lArgo 衛星計畫-為達成自主設計發展小衛星之衛星本體。l探空火箭-50km以內的地球大氣層屬於探空氣球探測的範圍，300 km以外之太空的探測任務多由人造衛星來執行，而50km到300 km間的探測則由探空火箭來擔綱。（探空六號2007.09.13發射）48 l蕃薯號衛星-l每邊十公分，重量僅857公克。設計壽命為兩個月，衛星軌道高度為600650公里。衛星的科學儀器為應用微機電技術發展之微光譜儀以進行大氣成分分析。ROCSAT1(福一)地面 太空探空五號火箭 ROCSAT2(福二)地面 太空ROCSAT3(福三)地面*6 太空*6 福衛三號六顆微衛星折疊於發射火箭頂端之酬載艙內