卫星通信第二章课件.ppt

1、卫星的轨道通信卫星和地球的几何关系卫星星座和系统的概念通信卫星的组成卫星的运动轨道卫星的运动方程开普勒定律静止卫星的轨道卫星的摄动卫星的运动轨道 卫星的运动轨迹称为运动轨道，它所在平面称为轨道平面 按照高度分类：GEO LEO MEO HEO卫星的运动轨道 按倾角分类：赤道轨道：倾斜轨道：极轨道：卫星的运动方程 万有引力定律：F=gm1m2/r2 g=6.67*10-20 km3/kg/s2，万有引力常数 卫星相对于地球运动的运动方程：地球质量：5.977*1024kg =g(m1+m2)gm1=3.986*105km3/s2，为开普勒常数332122)(rrrrmmgdtrd开普勒定律 第一

2、定律（轨道定律）：卫星的轨道是一个椭圆，地球的中心位于椭圆的一个焦点上 P：椭圆的半焦弦 e：偏心率，e=c/a，0e1:近点角cos1ePr a b r 远地点 近地点 c rA=a(1+e)rp=a(1-e)P P p 开普勒定律 第二定律（面积定律）：卫星的位置矢量在单位时间内扫过的面积一定)12()(arrv 开普勒定律 第三定律（轨道周期定律）：卫星运转的周期T，与轨道的半长轴a的3/2次方成正比2/32aT静止卫星的轨道 圆形轨道，轨道中心为球心，e=0 T=23h56m4.09s(平均太阳时)，代入开普勒第三定律得a=42164.2km。从卫星到星下点的距离为：42164.2-6

3、378.155=35786.045km 代入开普勒第二定律得：v=3.07km/s a=r c=0 e=0 静止卫星的优点 对地球上任何点而言，卫星都是静止的，因此不需要地球站的天线周期性地跟踪卫星运动。大大降低了建站所需的造价 当地球站天线最小仰角50时，静止卫星可以覆盖38%的地球表面。除去纬度高于760N和760S的极区外，彼此间隔为1200的三颗静止卫星，可以覆盖整个地球表面，而且 表面有重叠 对静止卫星覆盖范围内的地球站，由卫星轨道中漂移引起的多普勒频移较小静止卫星的缺点 传输损耗和传输时延较大 两极附近有盲区 对地静止轨道只有一条，故能容纳的卫星数量有限 静止卫星的发射和在轨遥测遥

4、控技术较复杂轨道的扰动（摄动）卫星运动的实际轨道不断发生不同程度地偏离开普勒定律所确定的理想轨道的现象引起摄动的原因太阳、月亮引力的影响地球引力场不均匀的影响地球大气层阻力的影响太阳辐射压力的影响第二节 卫星和地球的几何关系 方位角、仰角和极化角 覆盖角和距离 长时延的影响和消除 星蚀及日凌中断方位角、仰角和极化角 方位角：本地水平面和通过地球站、卫星和地心的平面的交线与真北线的夹角 北极 N 赤道 M T S O 卫星 地球站经度L 卫星经度S P l LS A 方位角 北半球地球站 卫星在南偏东：A=1800-A 卫星在南偏西：A=1800+A 南半球地球站 卫星在北偏东：A=A 卫星在北

5、偏西：A=3600-A)sintan(tan1llsA 北极 N 赤道 M T S O 卫星 地球站经度L 卫星经度S P l LS A 仰角 仰角：本地水平面和通过地球站、卫星和地心的平面的交线与地球站-卫星之间连线的夹角 北极 N 赤道 M T S O 卫星 地球站经度L 卫星经度S P l LS A 仰角：)cos(coscos)cos(coscossincoscostan111lsllslelsleRRrE)cos(cos1/)cos(costan21SLLeSLLrRE例：一个地球站位于经度L=80oW和纬度L=40oN处，静止卫星经度s=120oW，求它的方位角和仰角极化角 地球站

6、天线的极化方向和卫星天线的极化方向不完全匹配 卫星天线：以卫星轴系为基准定义的 水平极化波：位于赤道平面内，是地球赤道圆的切线方向 垂直极化波：与卫星的极轴平行，与赤道平面垂直 地球站天线的水平极化方向以地平面为基准定义极化角 极化角与卫星、地球站的经纬度关系：若极化角不为0，则要调整馈源矩形波导口与水平线的相对位置 若卫星在地球站的南偏东，则极化角顺时针旋转（面向着天线）若卫星在地球站的南偏西，则极化角逆时针旋转极化角的调整)tansin(tan1LLs极化角覆盖角 从卫星看向地球的最大视角，它与卫星的高度有关，与地球站天线的最小仰角有关 S O T d h Re r=h+Re E)cos(

7、sin221EHRRee覆盖角 对静止轨道，2max=17.4o 设卫星俯视区的地心角为，则=90o-E-卫星覆盖面积：)cos1(22eRS S O T d h Re r=h+Re E 覆盖角 对静止轨道，令=max,E=0，就可得到地球覆盖角对应的最大地心角=81.3o 如果地球站天线最小仰角为5o，则=76.3o。所以静止卫星不能覆盖纬度高于76.3o的地区高度一定时卫星能通信的距离 覆盖最大距离（弧长）持续的最长时间：eRLmaxmax2/maxmaxTT距离 地球站到卫星的距离确定了从卫星到地球站的往返时延 对静止轨道卫星，且地球站的最小仰角为5o时，则最大斜线距离d=41127km

8、，从而可以得出从地球站到卫星的往返时延为0.274s，若进行双向电话通信，则往返时延还需要加倍。另外由于每个终端内部都存在阻抗匹配，所以就会产生回波slleeeeeeeeHRRRHRHRRRHRdcoscos)(2)(cos)(2)(22222例：一个位于华盛顿的地球站，坐标为77oW，39oN，静止卫星位于99oW的赤道上空，求其仰角E和从地球站到卫星的信号传输时延长时延的影响和消除 回波干扰 回波抑制器 回波抵消器星蚀 所有静止卫星，每年在春分和秋分前后各23天中，当星下点进入当地时间午夜前后，此时，卫星、地球和太阳共处在一条直线上。地球挡住了阳光，卫星进入地球的阴影区，造成了卫星的日蚀，

9、称为星蚀 星蚀期间，每天发生星蚀的持续时间不等 星蚀期间，卫星所需的能源一般需要蓄电池来供给星蚀地球卫星星蚀 夏至 冬至 秋分 春分 赤道 23.4o 太阳 卫星轨道 Tttio2sin4.23)(日凌中断 每年春分和秋分前后，在静止卫星星下点进入当地中午前后的一段时间里，卫星处于太阳与地球之间。地球站天线在对准卫星的同时可能也会对准太阳，这时强大的太阳噪声使通信无法进行，这种现象称为日凌中断第三节：卫星星座和系统的概念卫星星座 求单次覆盖要求的最少卫星数目，可以用没有重叠的球面六角形来估算。它的面积为：其中 是六角形的边缘角。卫星的最小数目为：也可以利用球冠的面积并考虑21%面积的重叠。)3

10、/22(62ehRA)cos/3(tanmax13heAAN)cos1(2max2eRAmaxcos142.2N第四节 通信卫星的组成 卫星有效载荷 天线分系统 通信分系统 公共平台 遥测、指令和定位分系统 姿态控制分系统 电源分系统 推进器分系统 热控制和机械结构分系统天线分系统 全球波束天线 点波束天线 赋形波束天线天线的主要功能 发射和接收信号 发射信标：为遥测、指令和定位分系统提供联络信号，与姿态控制分系统一起使天线正确地指向地球上的覆盖区通信分系统 通信中继机：由多个信道转发器互相连接组成，实质上是一部宽频收发信机，主要组成：宽带通信接收机/下变频器 输入去复接器 功放和备份、切换设

11、备 输出复接器透明型转发器 BPF LNA 本振 BPF 输入去复接器 放大 器 可变衰减器 本振 功放 输出复接器 转发器 N 再生型转发器 除放大和变频外，还提供解调、基带信号处理和交换、调制等功能 上行链路的干扰噪声在再生过程中可以被滤除 地面设备的功率要求降低 电路结构复杂、价格高遥测、指令和定位分系统 为了保证通信卫星的正常运行，需要随时了解其内部各种设备的工作状况，必要时还要调整某些设备的工作 遥测信号包括表示卫星工作状态的信号（如电流、电压、温度、控制用的气体压力），来自传感器的信号以及指令证实信号 指令分系统接收和译出地面控制站的指令，控制卫星的运行。还产生一个检验信号发回地面

12、，待收到执行信号确认无误后才执行指令 定位分系统用来确定从地面控制站到卫星的距离，以准确地测定转移和静止轨道姿态控制分系统 保持准确的卫星位置和通信天线指向，在转移轨道和静止轨道控制卫星的飞行动作 对于同步卫星，主要是保证天线波束始终对准地球和电池帆板对准太阳姿态控制方法 自旋稳定法：单自旋方式 双自旋方式姿态控制方法 三轴稳定法：采用太阳能电池帆板，可获得较大的发电功率 星体结构设计较为方便，其形状不受限制 姿态控制精度较高，可达小于0.10 可节省燃料电源分系统 太阳能电池 化学电池（蓄电池）推进器分系统 提供所需的推进力，以执行卫星速度和姿态控制飞行动作 推进力可由箱内压力下的气体产生，也可由小火箭发动机产生热控制和机械结构分系统 卫星的热状态会有大范围变化，而卫星的所有重要部件都必须保持在指定的温度范围内 发射时，卫星要经受严重的震动和冲击，卫星结构必须能经受这些力的作用小结：开普勒定律（轨道定律、面积定律、周期定律）静止卫星的轨道和优点 方位角、仰角、极化角的概念和计算 覆盖角、覆盖面积的计算 距离和传输时延的计算 回波抑制和回波抵消 星蚀和日凌中断的概念 通信卫星的组成，每部分的功能