《微波与卫星通信》课件第4章.pptx

1、4.1 卫星发射的基本理论卫星发射的基本理论4.1.1 开普勒定律开普勒定律以地球为中心运动的卫星,其运行规律符合万有引力定律。根据万有引力定律可以推导出揭示卫星运行规律的开普勒定律。下面就简要介绍一下开普勒三定律。1)开普勒第一定律(轨道定律)卫星运动的轨道一般是一个椭圆,一个椭圆有两个焦点,地球的中心位于该椭圆的一个焦点上。这个定律表明,速度与质量一定的卫星围绕地球运行的轨道是一个椭圆平面(称为开普勒椭圆),其形状和大小保持不变。在开普勒椭圆上,卫星离地球最近的点称为近地点,卫星离地球最远的点称为远地点。它们在惯性空间的位置是固定不变的。依据该定律,卫星围绕地心运动的轨道方程为2)开普勒第

2、二定律(面积定律)单位时间内,卫星与地心连线扫过的面积相等。该定律的数学表达式为式中:k 为开普勒常量(且不同的天体系统内有不同的开普勒常量);r 为地球质心与卫星质心间的距离向量;为卫星速度与矢径r之间的夹角。该定律也表明卫星在椭圆轨道上的速度不是固定不变的:在靠近地球的位置运动的快,在靠近远地点的位置则运动的慢。3)开普勒第三定律(轨道周期定律)卫星围绕地球运动1圈的周期为T,其平方与轨道椭圆半长轴a 的立方之比为一个常数。这一定律的数学表达式为式中:G=6.66846210-20(kgs2),称为万有引力常数;M=5.9774141024kg,为地球质量。4.1.2 宇宙速度宇宙速度物体

3、作圆周运动时必然会产生惯性的离心力,根据牛顿的万有引力定律,在地面的物体一定会受到地球的引力作用,因此,地面上的物体要围绕地球运动或脱离地球的束缚进入太空进行星际旅行,必然要有最低的速度。宇宙速度就是一个从地球表面向宇宙空间发射人造地球卫星、行星际和恒星际飞行器所需的最低速度,分为第一、第二、第三宇宙速度,如图 4-1所示。图4-1 卫星轨道与初始速度的关系1)第一宇宙速度第一宇宙速度就是人造地球卫星环绕地球飞行的最小速度。假定地球和卫星的质量分别为 M 和m,卫星到地心的距离为r,卫星运行的速度为v。根据万有引力定律,有则由于人造地球卫星靠近地面,可以认为此时的r 等同于地球半径R,即这就是

4、人造地球卫星在近地轨道上围绕地球做匀速圆周运动所必须具有的速度,称为第一宇宙速度,又称为环绕速度。2)第二宇宙速度若要将一个航天器发射到绕太阳运行的轨道上,成为一个围绕太阳运行的人造天体,假设需要的最小发射速度为V。根据机械能守恒定律,航天器的动能正好抵消航天器获取的势能时就可以摆脱地球的束缚,而成为围绕太阳的一个人造天体。3)第三宇宙速度若要使一个航天器飞出太阳的引力场,则需要的最小速度约为16.6103 m/s,这个速度就称为第三宇宙速度。4.2 卫卫 星星 发发 射射4.2.1 运载火箭运载火箭卫星的发射离不开运载火箭的使用。运载火箭是利用高能燃料燃烧产生的热气流向后喷射所产生的反作用力

5、发射航天器的。运载火箭由推进系统、箭体和有效载荷等基本组成部分构成。运载火箭的推进系统主要由火箭发动机构成,火箭发动机可分为化学火箭发动机、核火箭发动机、电火箭发动机和光子火箭发动机等。其中广泛使用的是化学火箭发动机,其原理就是利用推进剂在燃烧室内进行化学反应释放出来的能量转化为推力推动火箭发射。常用的推进剂有固体和液体两种。火箭技术在人类的飞天梦中一直占有非常重要的地位,早在12世纪,我国的南宋时期就有关于火箭的记载,其原理与现在的火箭发射原理是一样的。在19世纪针对运载火箭出现了几项重大的技术进步:火药推进剂的配方标准化,使得火箭的制造更加稳定、可靠;燃料容器由纸壳改为金属壳,增加了燃料的

6、燃烧时间;制造出发射台,提高了发射的成功率;发现了自旋导向原理,为航天器的稳定工作奠定了理论基础。中华人民共和国成立后,非常重视运载火箭技术的研究与使用,在20世纪50年代就开始了新型火箭的研发,并于1970年4月24日,用“长征”一号成功地发射了我国自主研发的第一颗人造地球卫星“东方红一号”。经过几十年的发展,我国已经研发出了多种型号的“长征”系列运载火箭。长征系列运载火箭具备发射低、中、高不同轨道,不同类型卫星及载人飞船的能力,同时还具备无人深空探测能力。目前,“长征”系列运载火箭低地球轨道运载能力达到25吨,太阳同步轨道运载能力达到15吨,地球同步转移轨道运载能力达到14吨,成功进入国际

7、商务发射领域。4.2.2 卫星发射窗口卫星发射窗口卫星发射窗口是指发射通信卫星比较合适的一个时间范围(即允许卫星发射的时间范围)。由于每颗卫星承担的任务不同,设备使用要求不同,这就对发射窗口提出了种种要求和限制条件,而有些要求有时又互相矛盾,因此卫星的发射窗口是根据航天器本身的要求及外部多种限制条件综合分析计算后确定的。卫星的发射窗口也有大有小,大的以时计,甚至以天计算,小的只有几十秒钟,甚至为零。影响卫星发射窗口的有以下几个方面。(1)光照条件的要求:有些发射卫星对光照条件有要求(中轨道气象卫星、地球资源卫星、照相侦查卫星);此外,卫星上的电源基本采用太阳能电池,这些都导致卫星发射时对发射窗

8、口的光照条件提出了一定的要求。(2)气象条件的要求:卫星发射开始阶段,其飞行轨迹在大气层内部,会受到风、雨、雷、电的影响,有可能损坏运载火箭和卫星的电子设备或影响卫星飞行的姿态及内部结构。因此在发射窗口的选择上应避开恶劣天气。(3)地面观测、测量的要求:发射窗口的选择应方便地面观测者在发射的初始阶段对卫星的观测,当卫星进入轨道后,应使地面的跟踪测量设备、卫星和太阳处在一个相对较好的位置,这时对卫星的飞行姿态测量精度的要求比较高。4.2.3 静止轨道卫星发射静止轨道卫星发射静止轨道卫星目前是卫星通信中应用最多的通信卫星。通常静止轨道卫星的发射包括以下几个阶段:(1)用一、二级运载火箭(或航天飞机

9、)将三级火箭和卫星的组合体送入200400km的倾斜的圆形轨道,即停泊轨道,进行一段惯性飞行进行姿态调整。(2)卫星在停泊轨道上经过测试后,在卫星到达停泊轨道与赤道平面的交点(近地点)时第三级火箭点火,使卫星沿飞行方向加速,进入大椭圆轨道(又称为过渡轨道),在这个阶段卫星与三级火箭脱离。过渡轨道与赤道平面的另一个交点就是远地点。(3)当卫星沿过渡轨道运行到远地点,卫星自带的发动机点火,使卫星进入赤道平面附近的一条圆形、接近同步轨道、但略有漂移的轨道,并在其上运行若干天。(4)当卫星缓慢漂移到预定位置附近时,利用卫星上携带的小发动机逐步修正卫星轨道,使其逼近静止轨道,使卫星停止漂移,这一轨道微调

10、过程称为轨道控制,这种细致的调整需要几天或更长的时间才能完成。静止卫星发射过程中的轨道变换如图4-2所示。图4-2 静止卫星发射过程中轨道变换示意图4.3 通信卫星的轨道通信卫星的轨道4.3.1 人造卫星的轨道分类人造卫星的轨道分类1.按轨道的形状分类按轨道的形状分类人造卫星按轨道的形状可分为圆形轨道和椭圆形轨道。(1)圆形轨道:卫星轨道的偏心率为0或接近0,轨道的形状为圆形或近似圆形。(2)椭圆形轨道:卫星轨道的偏心率为01之间,轨道的形状为椭圆形,地球位于椭圆的一个焦点上。2.按轨道高度分类按轨道高度分类以轨道高度划分是以环地球赤道延伸至南、北纬4050地区的高能辐射带为界,如图4-3所示

11、。在空间上有两个辐射带,是由美国科学家范艾伦(J.A.VanAllen)于1958年通过探险者1号的粒子计数器在1000km 以上高空发现的强辐射带,称为范艾伦带(VanAllenbelt)。60年代正式被命名为磁层。范艾伦带的辐射强度与时间、地理位置、地磁和太阳活动都有关。其中,高度较低的称为内范艾伦带,主要包括质子和电子混合物;高度较高的称为外范艾伦带,主要包含电子。高能粒子的辐射在任何高度均存在,只是强度不同,范艾伦带是粒子浓度较高、较集中的区域。图4-3 范艾伦带及卫星轨道示意图(1)低轨道:通常位于内范艾伦带之下,轨道高度根据需求设定。较低的轨道高度有利于降低地面卫星通信系统的接收和

12、发射功耗,从而降低移动终端的价格,因此移动卫星通信系统采用的就是这个轨道高度。(2)中轨道:中轨道的高度在内范艾伦带之上,一般在20000km 左右,在这个轨道上的卫星系统主要是避开范艾伦带即可。典型的中轨道卫星系统包括美国的 GPS、中国的北斗系统等。(3)高 轨 道:高 轨 道 通 常 是 指 地 球 静 止 轨 道。轨 道 位 于 赤 道 平 面,距 离 地 面35786km,是卫星通信中常用的轨道。若轨道与赤道平面有夹角,距离地面的距离仍为35786km,就称为地球同步轨道。(4)长椭圆轨道:是一种具有较低近地点和极高远地点的椭圆轨道,其远地点高度大于静止轨道的高度。根据开普勒第二定律

13、,其轨道上的卫星对远地点下方的地面区域的覆盖时间可以超过12小时,这种特点能够被侦查和通信卫星所利用。这种特性导致具有大倾角的长椭圆轨道卫星可以覆盖地球的极地地区。这是运行在地球同步轨道的卫星无法做到的。3.按轨道平面和赤道平面的夹角分类按轨道平面和赤道平面的夹角分类人造卫星按轨道平面与赤道平面的夹角可分为赤道轨道、倾斜轨道、极地轨道,如图4-4所示。图4-4-按照卫星轨道与赤道平面的夹角进行轨道分类示意图(1)赤道轨道:卫星轨道平面与赤道平面夹角为0,卫星轨道平面与地球赤道平面重合,卫星始终在赤道上空飞行,这种轨道称为赤道轨道。(2)倾斜轨道:轨道倾角既不是0也不是90的轨道,统称为倾斜轨道

14、。其中倾角大于0而小于90,卫星自西向东顺着地球自转的方向运行的,称为顺行轨道;倾角大于90而小于180,卫星自东向西逆着地球自转方向运行的,称为逆行轨道。(3)极地轨道:是倾角为90的轨道,在这条轨道上运行的卫星每圈都要经过地球两极上空,可以俯视整个地球表面。气4.3.2 卫星轨道的基本参数卫星轨道的基本参数定义一个卫星轨道的参数,首先要建立一个以地心为坐标原点的坐标系,X 轴和Y 轴确定的平面与赤道平面重合,X 轴指向春分点方向,Z 轴与地球的自转轴重合,指向北极。如图4-5所示,描述一个卫星轨道通常包含6个主要参数,具体如下。图4-5 地心坐标系和卫星轨道参数示意图(1)偏心率:偏心率是

15、度量椭圆轨道面扁平程度的参数,如图4-6所示。偏心率由下式决定:图4-6 偏心率示意图(2)半长轴:半长轴是椭圆轨道长轴的一半。(3)近地点时刻:卫星经过近地点的确切时间,以年、月、日、时、分、秒表示。(4)升交点赤经:赤道平面内从春分点方向到轨道面交点连线间的角度,按地球自转方向度量。(5)轨道倾角:是指轨道面与赤道平面的夹角。(6)近地点幅角:是指顺行轨道上,升交点与近地点之间的夹角。4.3.3 移动通信卫星的星座系统星座设计时主要考虑的问题包括以下几个方面:(1)用户仰角应尽可能大。大仰角对提高移动卫星通信系统的业务是非常重要的。(2)信号的传输时延应尽可能低。低时延对实时性要求较高的通

16、信业务(语音、视频会议等)是至关重要的,这也在很大程度上限制了移动卫星通信系统轨道的高度选择。(3)卫星的有效载荷的能量消耗应尽可能低。这是由于通信卫星在轨道上能够依靠能源只有太阳能和化学能电池。(4)如果系统采用星际链路,轨道面内和轨道面间的星际链路干扰必须限制在可以接受的范围内,这对星座轨道的分布间隔提出了一定的要求。(5)覆盖区的多重覆盖加以考虑。多重覆盖能够有效提升系统的物理抗毁性,支持信号的分集接收,有效地提升应用的服务质量。根据组成星座的卫星轨道与赤道平面的夹角,移动卫星的星座可以分为:极轨道星座、近极轨道星座、倾斜圆轨道星座。1)极轨道星座利用多个卫星数量相同的、具有特定空间间隔

17、关系的极轨道平面,可以构成覆盖全球或极冠地区的极轨道星座系统。2)近极轨道星座卫星轨道平面与赤道平面的夹角为80100(除90)时的轨道称为近极轨道。典型系统如铱星系统。该系统星座最初设计由77颗 LEO 卫星组成,它与铱元素的77个电子围绕原子核运行类似,因此命名为铱星系统。后来,星座修改为66颗卫星(计划利用我国长征火箭发射其中的22颗),分布在6个圆形的、倾角为86.4的近极轨道平面上。轨道间隔27,轨道高度780km。每个轨道面上均匀分布11颗卫星,该系统中的每颗卫星提供48个点波束,在地面形成48个蜂窝小区,在最小仰角8.2的情况下,每个小区直径为600km,每颗卫星的覆盖区直径约为

18、4700km,星座对全球地面形成无缝蜂窝覆盖,如图4-7所示。图4-7 铱星系统点波束对全球的覆盖蜂窝3)倾斜圆轨道星座倾斜圆轨道星座优化一直是移动卫星通信系统的研究重点。典型的系统如全球星(Globalstar)系统。该系统是由美国劳拉空间和通信公司与 Qualcomm公司提出,在1996年11月获得美国联邦通信委员会颁发的运营证书。1998年5月第一次发射卫星,到1999年11月最后一次组网发射,共发射了48颗工作卫星。48颗卫星分布在8个倾角为52的轨道平面上,轨道高度1414km。相邻轨道相邻卫星的相位差7.5。在最小仰角10的情况下,星座能够连续覆盖南北纬70之间的区域,如图4-8

19、所示。图4-8 Globalstar系统卫星瞬时的分布和对地覆盖情况本本 章章 小小 结结(1)根据开普勒三大定律确定了人造地球卫星发射的基本理论以及不同卫星发射的初始宇宙速度。(2)运载火箭由推进系统、箭体和有效载荷等基本组成部分构成。推进系统常用的推进剂又分固体、液体两种。(3)卫星发射窗口是指发射通信卫星比较合适的一个时间范围。卫星发射的时间窗口与光照、气象以及地面观测条件有关。(4)静止轨道卫星的发射过程包含4个阶段。(5)人造地球卫星可根据轨道形状、轨道高度以及轨道平面与赤道平面的夹角进行分类。(6)人造地球卫星的基本参数包括:偏心率、半长轴、近地点时刻、升交点赤经、轨道倾角、近地点幅角。(7)低轨道星座系统是目前移动通信卫星所采用的主要方式。