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1、第2章 卫星通信,第2章 卫星通信,2.1 卫星通信概述2.2 通信卫星2.3 卫星通信的多址技术2.4 卫星地球站2.5 VAST卫星通信系统,2.1.1 卫星通信的概念,1卫星通信的定义 卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电信号，在两个或多个地球站之间进行的通信，如图2.1所示。,图2.1 卫星通信示意图,图2.1表示在一颗通信卫星天线的波束所覆盖的地球表面区域内的各种地球站，都可以通过卫星中继转发信号来进行通信。因此可以说，卫星通信是地面微波中继通信的发展，是微波中继通信的一种特殊方式。1979年世界无线电行政会议（WARC）规定宇宙无线电通信有三种基本形式：（1）宇宙站与地
2、球站之间的通信；（2）宇宙站之间的通信；（3）通过宇宙站的转发或反射而进行的地球站之间的通信。,卫星通信属于宇宙无线电通信中的第三种方式。这里，宇宙无线电通信是指以宇宙飞行体或通信转发体为对象的无线电通信。宇宙站是指设在地球的大气层以外的宇宙飞行体或其他行星、月球等天体上的通信站。地球站是指设在地球表面的通信站，包括陆地上、水面上、大气低层中移动的或固定的地球站。2地球卫星的轨道地球卫星的轨道有圆形和椭圆形两种形状，地心处在圆形轨道的圆心位置或椭圆轨道的一个焦点上。如果设卫星的轨道平面与地球的赤道平面之间的夹角为i，则当i=0时，地球卫星的轨道叫做赤道轨道，如图2.2所示。,图2.2 卫星轨道
3、,当i=90时，卫星的轨道为极轨道。当i为090之间时，卫星的轨道叫做倾斜轨道。如果卫星的轨道是圆形的，而且轨道平面与地球赤道平面重合，即i=0时，卫星离地球表面的高度为35786.6km，卫星的飞行方向又与地球的自转方向相同。这时，卫星绕地球一周的时间恰好为24h，如果从地球表面任何一点看卫星，卫星都是“静止”不动的。这种相对地球表面静止的卫星称为静止卫星或同步卫星，利用这种卫星来进行通信的系统称为静止卫星通信系统。,3卫星通信系统的分类 卫星通信系统按不同的角度分，可以分成以下几类：（1）按卫星运动方式分,国际卫星通信系统（2）按通信覆盖区域分 国内卫星通信系统 区域卫星通信系统,（3）按
4、用户分,固定地球站卫星通信系统（4）按通信业务分 移动地球站卫星通信系统 广播业务卫星通信系统 科学实验卫星通信系统,（气象、军事等）,频分多址卫星通信系统 时分多址卫星通信系统（5）按多址方式分 空分多址卫星通信系统 码分多址卫星通信系统 混合多址卫星通信系统,（6）按基带信号分,4卫星通信的发展与应用利用人造地球卫星进行通信的设想是20世纪40年代中期提出的，历经了20年的探索、试验后，终于在20世纪60年代中期投入实用，并在应用与发展上取得了举世瞩目的伟大成就。今天，卫星通信已成为人们普遍使用的重要通信手段，并且它以信道稳定可靠、通信覆盖面积大、有多址通信能力、建设方便、组网灵活、见效快
5、等优势，深受广大用户青睐。（1）20世纪40年代提出构想及探索 1945年10月，英国科学家阿瑟克拉克发表文章，提出利用同步卫星进行全球无线电通信的科学设想。最初利用月球反射进行探索试验，证明可以进行通信。但由于回波信号太弱、时延长、提供通信时间短、带宽窄、失真大等缺点，因此没有发展前途。,（2）20世纪50年代进入试验阶段 1957年10月，第一颗人造地球卫星上天后，卫星通信的试验很快就转入利用人造地球卫星试验阶段。主要试验项目是有源无源卫星试验和各种不同轨道卫星试验。试验证明：无源卫星不可取。主要缺点是要求地面大功率发射和高灵敏接收，通信质量差，不宜宽带通信，卫星反射体面积要大，且受流星撞
6、击干扰，卫星只能是低轨道等。1964年后，无源卫星试验宣告终止。通过对各种轨道高度的有源通信卫星的试验，证明了高轨道特别是同步定点轨道对于远距离、大容量、高质量的通信最有利。所以，试验及试用逐步集中到同步定点卫星方面。,（3）20世纪60年代中期，卫星通信进入实用阶段1965年成立了国际通信卫星组织INTELSAT，相继发射了IS-、IS-、IS-通信卫星。一些国家建立了一批地球站，初步构成了国际卫星通信网络，开拓了国际卫星通信业务。限于当时的技术条件，地球站设备十分庞大，采用30m口径的大型天线、几千瓦速调管发射机、致冷参量放大器接收机，建设一座地球站耗资巨大。（4）20世纪70年代初期，卫
7、星通信进入国内通信阶段1972年加拿大首次发射了国内通信卫星“ANIK”，率先开展了国内卫星通信业务，取得了明显的规模经济效益。地球站开始采用21m、18m、10m等较小口径的天线，用几百瓦级行波管发射机、常温参量放大器接收机，使地球站向小型化迈进一大步，成本也大为下降。,（5）20世纪80年代，VSAT（Very Small Aperture Terminal）卫星通信系统问世，卫星通信进入了一个突破性的发展阶段。VSAT是集通信、电子、计算机技术于一体的、固态化、智能化的小型无人值守地球站。一般C频段VSAT站的天线口径约3m，Ku频段为1.8m、1.2m或更小。可以把这种小站建在用户的楼
8、顶上或就近地方直接为用户服务。VSAT技术的发展，为大量专业卫星通信网的发展创造了条件，开创了卫星通信应用发展的新局面。,展望未来，卫星通信的发展方兴未艾，20世纪90年代，VSAT卫星通信更加普及；移动卫星通信发展迅速，随着21世纪信息时代的到来，人们对信息传输的可靠性、有效性及灵活性的要求越来越高，卫星通信将以它独特的优势具备广阔的发展前景。卫星通信的应用如图2.3所示。,图2.3 卫星通信的应用,2.1.2 静止卫星通信的特点,1静止卫星通信 目前，绝大多数通信卫星是地球同步卫星（静止卫星）。静止 卫星的条件为：（1）卫星的运行轨道在赤道平面内；（2）卫星运行的轨道形状为圆形轨道；（3）
9、卫星距地面的高度约为35 786.6km；（4）卫星运行的方向与地球自转的方向相同，即自西向东；（5）卫星绕地球运行一周的时间恰好是24h，和地球的自转周期 等。,因此，从地球上看，卫星与地球的相对位置如同静止一般，故叫静止卫星。利用静止卫星作为中继站组成的通信系统称为静止卫星通信系统或同步卫星通信系统。2静止卫星的特点（1）静止卫星在通信中有如下优点：由于卫星的高度较高，因而一颗卫星对地球表面的覆盖区域面积大。该区域的面积达到全球表面的42.4%，因此只需设置彼此间隔为120的三颗卫星，就可以建立起除南、北两极地区以外的全球通信。,由于卫星相对于地球表面是静止的，因此地球站不需要复杂的跟踪系
10、统就能使自己的天线对准卫星。多谱勒频移可以忽略。通信中不会因更换卫星而使通信中断。因大气层的厚度一般认为是16km，因此，绝大部分的通信信道位于自由空间，信道特性稳定。,（2）静止卫星通信有以下缺点：由于卫星的高度为35 786.6km，信号的传输损耗、传输时延和回波干扰都较大。在静止卫星通信系统中，从地球站发射的信号经过卫星转发到另一地球站时，单程传播时间约为0.27s。进行双向通信时，一问一答往返传播延迟约为0.54s，通话时给人一种不自然的感觉。此外，如果不采取特殊措施，由于混合线圈不平衡等因素还会产生“回波干扰”，即发话者在0.54s以后会听到反射回来的自己讲话的回声，成为一种干扰。,
11、地球的两极存在“盲区”，高纬度地区通信效果不好。卫星发射和控制技术比较复杂。由于静止卫星轨道只有一条，因此，轨道上所能容纳的静止卫星数量有限。3影响静止卫星通信的因素（1）摄动 在地球卫星轨道上运行的卫星主要受到地球的引力，还要受到其他一些较次要因素的影响，使卫星实际的运行轨道逐渐偏离开普勒定律规定的理想轨道，这就是所谓的摄动。卫星产生摄动的主要原因有：,太阳、月亮的引力。对于低高度的卫星，由于地球的引力占绝对优势，所以太阳、月亮以及其他行星的作用可以忽略不计。但对高高度的卫星，太阳、月亮的引力就较大了。例如，对静止卫星来说，太阳的引力约为地球引力的1/37，月亮的引力约为地球引力的1/6 8
12、00。这些引力不断使卫星在轨道上的位置发生微小摆动，累计起来约使卫星轨道的倾角平均发生0.85/年的变化。其他原因。如地球引力不均匀，地球大气层的阻力和太阳的辐射压力等也会引起卫星摄动。对于静止卫星通信系统来说，必须采取卫星位置稳定技术，以便克服摄动的影响，从而使静止卫星的经度、纬度稳定在允许的误差范围内。,（2）星蚀在每年的春分和秋分前后各23天中，当静止卫星和地心的连线在地球表面的交点（称为星下点）进入当地的午夜时间前后，太阳、地球和卫星处在一条直线上。此时卫星进入了地球的阴影区，即地球挡住了照射到卫星上的太阳光，发生了卫星的日蚀，这就是星蚀，如图2.4所示。在发生星蚀期间，卫星的主电池太
13、阳能电池因没有太阳光而无法工作，卫星只能依靠星载蓄电池来供给能源。星载蓄电池虽然能满足卫星运动的需要，但毕竟受卫星质量的限制，不能为全部转发器提供足够的电能。因此，要尽量把星蚀发生的时间调整到卫星服务区通信业务量最低的时间内。,（3）日凌中断与星蚀原因相似的另一现象，是每年春分和秋分的前后几天中，当星下点进入当地中午前后的一段时间里，卫星处于地球与太阳之间的连线上。这时，对准卫星的地球站天线也就同时对准了太阳，强大的太阳噪声会使信噪比下降或信号被淹没而使通信中断，这种现象就是所谓的日凌中断，如图2.4所示。日凌中断每年在春分或秋分前后各发生一次，每次约持续6天，每天日凌中断的最长时间与地球站的
14、天线口径、工作频率等有关。,图2.4 静止卫星发生星蚀和日凌中断的原理,2.1.3 卫星通信的工作频段,1卫星通信工作频段的选择卫星通信工作频段的选择十分重要，因为它会影响到系统的传输容量、质量、地球站与转发器的发射功率、天线尺寸的大小和设备的复杂程度以及成本的高低等。所以在选择卫星通信的工作频段时应考虑以下因素：（1）频带足够宽，能满足所传输信息的要求；（2）电波传播时产生的衰耗应尽可能小；（3）天线系统接收到的外部噪声应尽可能小；（4）尽可能利用现有的通信技术和设备；（5）与其他通信或雷达等微波设备之间的干扰尽可能小。归纳起来就是从容量大、信噪比大和成本低三个方面考虑。,2卫星通信的工作频
15、段从选择卫星通信工作频段时应考虑的因素来看，卫星通信的频率范围应选在微波波段。因为微波波段的频谱很宽，并且可以利用现有的微波通信设备。至于在微波波段中具体采用哪个频段，就要综合考虑传输损耗、噪声、与其他通信业务之间的干扰等与频率有关的问题。（1）从传输损耗、噪声方面考虑当频率f小于10GHz时，大气层对电磁波的吸收小，但当频率f大于10GHz后，大气层对电磁波的吸收将猛增。另外，当频率f小于1GHz时，存在的外部噪声较大，但当频率f大于1GHz时，存在的外部噪声却很小。因此，综合以上分析，卫星通信的最佳工作频段应在1GHz10GHz之间。,（2）从与其他通信设备的干扰考虑因为4GHz6GHz的
16、频段已分配给地面微波中继通信使用，所以使用C波段的卫星地面站必须建在远离城市的地方（因微波中继线路一般集中在城市），以免发生干扰。从这个角度看，频率f选大些较好。目前，Ku波段已广泛使用。卫星通信中使用的微波各频段列于表2.1。,表2.1 卫星通信的工作频段,3卫星通信工作频段的现状现在国际卫星通信中的商业卫星和国内区域卫星通信大多数都使用6/4GHz频段，上行线路用5.925GHz6.425GHz，下行线路用3.7GHz4.2GHz的频率，卫星转发器的带宽可达500MHz。为了和上述民用卫星通信系统互不干扰，许多国家的军用和政府卫星通信使用8/7GHz频段，上行线路为7.9 GHz8.4GH
17、z，下行线路为7.25 GHz7.75GHz。,由于通信卫星的业务量不断增加，1GHz10GHz的“电波窗口”日益拥挤，从而开发使用了14/11GHz频段即Ku波段。即上行线路采用14GHz14.5GHz，下行线路采用10.95GHz11.7GHz或11.7GHz12.2GHz等频率，带宽可达500MHz。另外，为了解决频段拥挤的现象，Ka波段也开始使用，即上行线路采用27.5GHz30GHz，下行线路采用17.7GHz21.2GHz，带宽达到2.5GHz。由以上对卫星通信工作频段的分析可知，最佳工作频段应在1GHz10GHz，那么，Ku波段的14/11GHz频段能否适合卫星通信的要求呢？与6
18、/4GHz C波段频率相比,14/11GHz Ku波段具有以下特点：,（1）由于微波地面中继线路较少使用Ku波段，因此与卫星通信系统之间的干扰较小。这样地球站就可建在市内，并把地球站的天线安装在楼顶上，接收到的信号不需要较长距离的传输就可直接送到用户。因此传输设备较简单，费用也可降低。（2）当地球站和卫星的天线尺寸不变时，14/11GHz频段的主波束宽度还不到6/4GHz频段主波束宽度的一半。这样，在赤道上排列的卫星密度可以增大一倍，以缓解日益拥挤的赤道静止卫星轨道。天线的主波束宽度与天线直径D及电磁波波长之间的关系如下,由式（2-1）可以求出：C波段时，主波束角度为46；而Ku波段时，主波束
19、角度为2。（3）由于天线的增益与电磁波频率成正比，即,当卫星天线的尺寸相同时，在14/11GHz该天线的接收（上行）增益为6/4GHz情况的5.44倍，即,发射（下行）增益为7.56倍，即,两者合在一起可改善约16dB，即总增益比为,这个改善可以用来补偿因降雨而增加的吸收损耗和噪声，或者用于补偿因采用低成本卫星或小口径天线地球站而出现的性能下降。,（4）用14/11GHz频段的主要缺点是在暴雨、密集的云雾情况下，地球站的接收系统增益值要比采用6/4GHz频段时下降很多。因此，采用14/11GHz频段工作的地球站，应位于天线仰角较大的地面区域内。（5）自由空间的损耗L为,可见，14/11GHz频
20、段比6/4GHz频段的自由空间损耗大得多。,综合以上分析，在晴天时，Ku波段的增益比C波段的增益大；在雨天，Ku波段的增益与C波段的增益差不多。但Ku波段还具有与地面微波通信、雷达等其他无线系统间的相互干扰小、天线尺寸小、容纳的卫星数量多等优点。因此，Ku波段更适合于卫星通信。在上述频段内，尽管采用了频段重复使用技术，使卫星通信系统的有效带宽成倍增加，但已使用的卫星通信频段仍然显得越来越拥挤。因此30/20GHz频段也开始试验使用，即上行线路频率为27.5 GHz31GHz，下行线路频率为17.7 GHz21.2GHz。,2.1.4 卫星通信的优点,卫星通信与其他通信手段相比，具有以下一些优点
21、：（1）通信距离远，且费用与通信距离无关 利用静止卫星，最大通信距离达18 000km左右，而且建站费用和运行费用不因通信站之间的距离远近及两站之间地面上的自然条件恶劣程度而变化。这在远距离通信上，比地面微波中继、电缆、光缆、短波通信等有明显的优势。（2）覆盖面积大，可进行多址通信 许多其他类型的通信手段，通常只能实现点对点通信。而卫星通信由于是大面积覆盖，因而在卫星天线波束覆盖的整个区域内的任何一点都可设置地球站，这些地球站可共用一颗通信卫星来实现双边或多边通信，即进行多址通信。,（3）通信频带宽，传输容量大，适用于多种业务传输由于卫星通信通常使用300MHz以上的微波频段，所以信号所用带宽
22、和传输容量要比其他频段大得多。目前，卫星带宽已达3 000MHz以上。一颗卫星的通信容量已达到30 000路电话，并可同时传输3路彩色电视以及数据等其他信息。（4）通信线路稳定可靠，传输质量高由于卫星通信的无线电波主要是在大气层以外的宇宙空间中传输，而宇宙空间是接近真空状态的，可看做是均匀介质，所以电波传播比较稳定。同时它不受地形、地貌如丘陵、沙漠、丛林、沼泽地等自然条件的影响，且不易受自然或人为干扰以及通信距离变化的影响，故通信稳定可靠，传输质量高。,（5）机动灵活卫星通信不仅能作为大型地球站之间的远距离通信干线，而且可以在车载、船载、机载等移动地球站间进行通信，甚至还可以为个人终端提供通信
23、服务。卫星通信还做到了在短时间内将通信网延伸至新的区域，使设施遭到破坏的地域迅速恢复通信。,2.1.5 卫星通信系统的组成,利用卫星进行通信，除应有通信卫星和地球站以外，为了保证通信的正常进行，还需要对卫星进行跟踪测量并对卫星在轨道上的位置及姿态进行监视和控制，完成这一功能的就是跟踪遥测和指令系统。而且为了对卫星的通信性能及参数进行通信业务开通前和开通后的监测与管理，还需要监控管理系统。所以，卫星通信系统由通信卫星、地球站群、跟踪遥测及指令系统和监控管理系统等四大功能部分组成，如图2.5所示。,图2.5 卫星通信系统的组成,由发端地球站、上行线传播路径、卫星转发器、下行线传播路径和收端地球站组
24、成卫星通信线路，直接用于通信。其构成方框图如图2.6所示。,图2.6 卫星通信线路的组成,2.2.1 通信卫星的种类,通信卫星的分类方法很多，下面列出几种常用的分类方法。1按通信卫星的结构和运动状态分类 按其结构可分为：无源卫星和有源卫星。按其运动状态可分为：静止卫星和运动卫星。无源通信卫星是一种表面镀有一层金属的球形或其他形状的反射体，不装任何电子设备和电源，它是依靠其表面金属层反射无线电信号来实现地球站之间的通信。这种卫星结构简单、可靠、寿命长，能同时反射很多个来自地面的信号。但是，反射信号很弱，要求地面设置大功率发射机、高灵敏度接收机和大型天线，因此，这种卫星只是在早期作为研究和实验使用
25、。,有源卫星是指装有电子设备和电源的通信卫星，它将地面发来的信号接收下来加以放大、变频，然后发回地面。它也可以转播无线电广播和电视信号。有源通信卫星分为延迟转发型通信卫星和立即转发型通信卫星两种。前者是一种运动卫星，当它飞至某一地球站上空时，把地球站发来的信号接收、存储下来，然后飞到接收地球站上空，再把存储的信号发送给接收地球站。这种卫星的优点是传输损耗小（传输距离短），对卫星的性能要求低，数据传输率比较高。它的缺点是发送和接收之间有一段延迟时间。后者是在两个或多个地球站都看到卫星的时候，把发送地球站发来的信号立即转发给接收地球站。这种卫星可以是运动卫星也可以是静止卫星。如是静止卫星，可保持两
26、个地球站间不间断地通信。而运动卫星由于在两个地球站同时看见卫星的时间比较短，因而通信时间也较短。,2按卫星形状分类 按其形状，通信卫星可分为球形卫星、箱形卫星、圆柱体（套筒式）卫星、锥顶圆柱体卫星、多棱柱形卫星、风扇形卫星、多面塔形卫星、球环形卫星、不规则形卫星等。3按其业务种类分类 按其业务种类，通信卫星可分为商用卫星、军用卫星、气象卫星、科研卫星、广播卫星等。,4按卫星姿态稳定方式分类 按姿态稳定方式，通信卫星可分为自旋稳定卫星和三轴稳定卫星。自旋稳定卫星又分为单自旋卫星和双自旋卫星；三轴稳定卫星又包括偏置动量卫星和零动量稳定卫星。5按卫星制式分类按卫星配置制式，通信卫星可分为随机卫星制、
27、相位卫星制和静止卫星制三种。,6按卫星运行的轨道分类（1）按照卫星离地面最大高度hmax的不同，可以把卫星分成如下三类：低高度卫星。该卫星轨道的hmax20000km，运行周期大于12h。静止卫星属于高高度卫星。,（2）按卫星轨道与地球赤道平面的夹角即卫星轨道平面的倾角i来分有如下几种：赤道轨道卫星。卫星的轨道平面与赤道平面相重合，即i=0。倾斜轨道卫星。卫星的轨道平面与赤道平面的夹角为0 i 90。极轨道卫星。卫星轨道平面通过地球的南北两极，并与赤道平面垂直，即i=90,（3）按卫星的运转与地球自转是否同步分：同步卫星。即卫星的运行轨道为在赤道平面内的圆形轨道，轨道半径为42 164.6km
28、，运行与地球自转方向相同。异步卫星。即指运行周期T24h的卫星。,2.2.2 卫星的运动轨道和卫星的发射,1人造地球卫星在空间的运动在空间的人造地球卫星要受到地球、太阳、月亮、行星等多种引力的作用，其中最重要的是地球引力的作用。为了克服地球的引力，卫星必须以适当的速度绕地心飞行。即卫星只在过地心的一个平面内运动，并满足万有引力定律,式中，G=6.668 4621020 km3/kgs2，为万有引力常数；M=5.977 4141024kg，为地球质量；r为地球与卫星间的距离，为42 164.6 km；m为卫星的质量。,当卫星离地面的高度为h时，其离心力为,式中，Re=6 378 km，为地球半径
29、；h为卫星离地面的高度；G=6.668 46210-20 km3/kgs2，为万有引力常数；M=5.977 4141024kg，为地球质量。可以计算出，当h为35 786.6 km时，自然的静止卫星的离心力与地球对卫星的引力正好抵消。,2地球卫星运动轨道和静止轨道地球卫星受重力吸引在轨道平面上的运动符合开普勒三定律。由开普勒第一定律可知，卫星的运动轨道是一条二次曲线，该曲线的一个焦点是地心。地球卫星轨道的极坐标表达式为：,式中，e为偏心率；p为半焦弦（HI）/2。e和p都由发射卫星进入轨道的初始状态来决定。一般情况下0e1，这时地球卫星的轨道为一个椭圆，如图2.7所示。当e=0时，轨道为一个圆
30、形，圆心即地心。由第二定律可知，当卫星的运动轨道为椭圆时，卫星在远地点的速度最小，在近地点的最大；当轨道为圆形时，则卫星为匀速圆周运动，这时卫星运行的周期、切线速度与卫星的质量m无关，只与离地面的高度h有关。,由第三定律可知，卫星绕地球公转周期的平方与椭圆半长轴（图2.7中的a）的立方成正比。,图2.7 地球卫星的轨道,根据开普勒三定律可以计算出，当卫星在赤道平面内与地球自转方向相同，由西向东做圆周运动。当卫星的高度h35786.6 km时，卫星的运转周期恰好为一恒星日。恒星日的定义为地球相对恒星星体的轴自旋一周所需的时间，即23h56min4.09s，它的匀速圆周运动的速度v=3.07km/
31、s。这时卫星相对于地球表面呈现静止状态，即由地面上观察卫星时，卫星是静止不动的，所以这种卫星叫做静止卫星或同步卫星。它的运行轨道叫做静止轨道或同步轨道。,3静止卫星的发射（1）运载火箭。发射一颗静止卫星进入运行轨道必须依靠运载火箭。要想使卫星逃逸地球对其的吸引力，必须使卫星的初始速度大于8km/s，但目前的单级火箭最快只能达到2.5km/s。因此，发射静止卫星必须采用带有捆绑技术的三级火箭。（2）发射过程。一颗自旋稳定的静止卫星的发射过程如图2.8所示，其大体可分为如下几个阶段：,图2.8 静止卫星的发射过程,进入初始轨道。开始发射后，依次点燃三级火箭的一、二级火箭，把卫星送到初始轨道。初始轨
32、道是一个离地球表面高度为100多千米的或几百千米的与赤道平面有预定夹角的倾斜圆形轨道。进入转移轨道。卫星在初始轨道上只飞行一小段，当卫星快要到达初始轨道与赤道平面的交点时，要点燃第三级火箭，以使卫星脱离初始轨道而进入转移轨道。转移轨道是一个倾斜的椭圆轨道，椭圆轨道的近地点就是初始轨道与赤道平面的交点，即转移轨道、赤道平面和初始轨道同时都交于这点。转移轨道与赤道平面的另一个交点就是转移轨道的远地点。,进入漂移轨道。卫星在转移轨道上运行几圈完成了上述各项准备工作后，当再次到达远地点时，就要启动远地点发动机，使卫星进入漂移轨道。漂移轨道是位于赤道平面附近的圆形的接近静止轨道的一个轨道。卫星在漂移轨道
33、上要运行几天。进入静止轨道。卫星在漂移轨道上运行时，离静止卫星定点位置是很近的，可以利用卫星上的小推进喷嘴进行位置误差修正，以使卫星精确地定点于静止轨道上的预定位置。,在上述的发射过程中，当各级火箭的燃料燃烧完以后，就要把该级火箭的壳体扔掉，以减轻下一级火箭的负荷。扔掉壳体的反作用力和减轻负荷都能使卫星得到更大的加速度力。发射静止卫星的时间可以是全年的任何一天，但每天发射的具体时间应根据发射场地理位置、发射日期以及太阳、地球、卫星三者的相对位置才能确定最有利的发射时机，这个发射时机又叫做“发射窗口”。每天一般有两次发射窗口，每次约30min。发射窗口期间发射的卫星，能使星上传感器在转移轨道中测
34、量姿态角的误差最小，并能使卫星的温度在允许范围之内。,2.2.3 通信卫星的覆盖,利用卫星构成通信系统，首先要知道它的覆盖范围。当卫星上天线波束形状不同及波束中心指向不同时，它们照射地球表面所形成的覆盖范围和区域也就不同。这里主要讨论利用静止卫星进行的地球覆盖。,1地球覆盖区类型利用高度约35 786km轨道上的静止卫星基本上可覆盖地球表面的1/3以上的区域，不能覆盖的区域是高于南北纬75以上的地区。（1）全球波束当卫星在离地球约35 786.6km高的同步轨道上时，它对地球边缘的张角为17.34，我们将半功率角为17.34的波束称为全球波束或覆盖波束，如图2.9（a）所示。常用的全球波束天线
35、是喇叭抛物面天线或圆锥喇叭天线。,图2.9 几种波束形状,（2）半球波束半球波束天线的波束宽度在东西方向上约为全球波束的一半，一般覆盖一个洲，而不包含海洋，如图2.9（b）、（c）、（d）所示。（3）区域波束区域波束宽度小于半球波束，只覆盖地面上一个大的通信区域，如一个国家或地区。这种天线往往按地域的形状把波束赋形，故又称赋形波束。它是通过控制馈源的排列来获得各种不同形状的。,（4）点波束。点波束照射在很小的范围内，波束截面为圆形，在地球上的覆盖区也近似圆形，见图2.9中（b）、（c）、（d）。一般都用对称反射面天线来产生点波束。天线直径小，覆盖地球面积大；天线直径大，则覆盖地球面积小。如果一
36、个反射面配用多个馈源，则形成多个点波束。全球波束在地球表面上覆盖的面积约占整个地球表面积的42.4%。半球波束和区域波束所覆盖的表面积无法计算，因为这两种波束形状没有规律。而点波束的覆盖表面与波束宽度有关，如表2.2所示，但也不是简单的数学关系，因为地球是个椭圆球，覆盖面积随地球纬度而变化。,表2.2 点波束宽度与相应的覆盖表面积,2静止卫星的覆盖范围从静止卫星引向地球的切线所包围的区域叫做静止卫星的覆盖区，即地球站天线仰角=0时，正好能观察到卫星的边缘线所包围的地面区域。该区域也就是全波束的覆盖面积，可以计算出覆盖面积约占整个地球表面积的42.4%。但是，由于地形、地物及地面噪声的影响，天线
37、仰角=0时是不能进行有效通信的。实践表明，在 5时，才能有效地减小大气吸收和雨、雾产生的衰耗及地面噪声的影响。所以把 5称为天线最低仰角 min，把天线最低仰角的边缘线所包围的地面区域叫做静止卫星的可通信区域。可以计算出可通信的覆盖面积约占整个地球表面积的38.2%。,3卫星“共视区”如图2.10所示是以A、B两地球站为中心可以看见一定高度的卫星的圆形范围。这两个圆都是以A或B为中心，中心张角为 的点的轨迹。当星下点S（卫星与地心连线和地球表面的交点）通过图中画斜线的公共区域时，那么这两个地球站都能“看到”这个卫星，便能在它们之间进行通信。这个公共区域叫做共视区。特别是在确定移动卫星可通信的范
38、围时，这个区域是必不可少的。,图2.10 卫星“共视区”的构成,2.2.4 静止卫星的设置及观察参数的计算,1通信卫星的设置如果要求卫星电波覆盖一定的区域或要求在全球进行通信就要考虑用几颗卫星，这几颗卫星如何安排，即确定卫星的位置、高度、覆盖范围和运动轨道形式等，这就是卫星的设置。静止卫星的轨道是在赤道平面内，高度约为35 786.6km的圆形轨道，运行周期约为24h，卫星相对于地球来说是静止的。通信时，地球站的天线就不需要大范围地转动了。如果从一个静止卫星向地球作两条切线，切线间的夹角大约为17.34，切线间地面上最远两点间的距离约为18 100km，切线间的地球表面积约占全球的1/3以上。
39、,因此，如果在一个静止卫星的轨道上均匀地设置3颗卫星，那么除地球南北两极为盲区外，其余的地区只要电波在卫星间经过一次跳跃，就可以实现全球间的通信。现在，国际间和一些国内的卫星通信系统就采用这种卫星设置方案。如果用这种设置的卫星进行两次跳跃通信时，通话的应答时间就要超过1s，通话者会觉得“不自然”。2静止卫星的观察参数静止卫星的观察参数是指地球站天线的轴线指向静止卫星的方位角、仰角和站星距离等参数。,静止卫星的观察参数是指地球站天线的轴线指向静止卫星的方位角、仰角和站星距离等参数。静止卫星的观察参数如图2.11所示。图中S表示静止卫星，D表示地球站，O为地球中心。S与D的连线在地球表面上的投影与
40、赤道线的交点M叫做星下点。D与S的连线叫做直视线，直视线的长度就是地球站与卫星间的距离，简称为站星距，用d表示。直视线在地面上投影，即D与M的连线叫做方位线。直视线与方位线所确定的平面叫做方位面。,图2.11 静止卫星的观察参数,静止卫星的方位角一般用 表示，的定义是地球站所在经线的正北方向，按顺时针方向与方位线K所构成的夹角。地球站指向静止卫星的仰角用表示，定义为地球站的方位线与直视线之间的夹角。静止卫星和地球站的位置决定了静止卫星的观察参数。静止卫星的位置通常用星下点M的经度来表示。由于卫星的高度h是固定值，且纬度为零度。所以，只要知道地球站的经、纬度和卫星星下点的径度就可以求出各观察参数
41、。,设地球半径为Re，地球站的经度与卫星星下点的经度之差为；纬度之差为（注意其差值取绝对值）。则可由球面三角形推导得到以下地球站的观察参数的计算公式,式中，k=（Re+h）/Re，Re为地球半径，h为静止卫星的高度。,【例2.1】已知我国某地的地理位置为11024E（东经），2113N（北纬），现欲接收定点于100.5E（东经）的亚卫2号卫星的信号。求该站的观察参数。解：利用观察参数的计算式，必须将经纬度的单位化为（度）即 11024=110.4 2113=21.217式中，k=（Re+h）/Re=（6 378+35 786.6）/6 3786.623经度差=110.4-100.5=9.9纬度
42、差=21.217-0=21.217（1）站星距。根据式（2-7）得,（2）仰角。根据式（2-8）得,（3）方位角。因该站位于北半球且卫星位于该站的西边，根据式（2-9）和式（2-10）得,2.2.5 通信卫星的组成,通信卫星各分系统的组成方框图如图2.12所示，主要由控制分系统、通信分系统、遥测指令分系统、电源分系统和温控分系统等组成。,图2.12 通信卫星的组成方框图,1控制分系统控制分系统由各种可控的调整装置，如各种喷气推进器、各种驱动装置和各种转换开关等组成。在地面遥控指令站的指令控制下，对卫星的姿态、轨道位置、各分系统的工作状态和主、备用设备的切换等进行控制和调整。控制分系统是一个执行
43、机构，执行遥测指令分系统的指令。2通信分系统通信分系统可分成天线和转发器两大部分。,（1）卫星天线的种类通信卫星上的天线要求体积小，重量轻，馈电方便，便于折叠和展开等。至于工作原理、外形等都与地面上的天线相同。全方向天线卫星上的甚高频天线是全方向天线，它主要用于卫星发射上天、进入静止轨道前后向地面发射遥测信号和接收从地面控制站发来的指令信号。通信天线通信卫星上最主要的天线是通信用的微波天线。微波天线是定向天线，要求天线的增益应尽量高，以便增大天线的有效辐射功率。微波天线根据波束宽度的不同，可以分为三类。,覆球波束天线：波束宽度约为1718，天线的增益为15dB18dB。点波束天线：由于波束比覆
44、球波束窄很多，因而有较高的增益，能把辐射的能量集中于预定的较覆球波束小得多的区域内。赋形波束天线：如果要求波束所覆盖的地面区域形状不规则，就要用到赋形波束天线。赋形波束天线可以通过修改天线反射器的形状来实现；也可以利用多个馈源从不同方向、不同排列来照射反射器，由反射器产生多个波束的组合形状来实现。赋形波束截面除与上述各馈源的位置、排列、照射方向等有关外，还与各馈源的电波功率、相位等有关，这些可以利用波束形成网络实现。,（2）卫星通信天线的性能卫星上的天线除个别全方向天线外，其余都是通信天线。对卫星通信天线除波束覆盖面积和形状的要求之外，还要有以下各种性能：指向精度要求卫星天线波束的指向误差小于
45、波束宽度的10%，以便保证天线的波束能够覆盖指定的区域。频带宽度由于卫星通信的容量很大，也就相应要求卫星天线有足够的工作频带宽度。,星上转接功能在需要卫星采用多副天线产生多个波束的情况下，要求卫星能完成不同波束间的信号转接，以便使不同波束覆盖区的地球站之间建立通信信道。极化方式为了克服大气电离层对电波的法拉第旋转效应，一般频率低于10GHz的天线都采用圆极化方式。工作频率高于10GHz的天线，则由于大气电离层对电波的法拉第旋转效应可以忽略不计，而大气对流层中因降雨引起的退极化效应会使圆极化波变形为椭圆极化波，以致极化隔离度降低，所以大多采用线极化方式。但由于线极化设备产生互相正交的双极化波比较
46、简单、容易，所以有的国内通信卫星在6/4GHz时也采用线极化方式。,隔离度对于采用极化分割频率复用技术，或采用空间分割频率复用技术的卫星天线，为避免不同的极化间或不同波束间的干扰，天线应具有足够的极化隔离度或波束隔离度。消旋措施对于采用自旋稳定法进行姿态控制的卫星，它的天线或波束必须与卫星做相反方向的旋转，即“消旋”。具体的方法可以采用机械方式消旋或电子扫描方式消旋。,（3）通信中继机通信中继机由若干个空间转发器组成，每个空间转发器是一套高灵敏度、宽频带的收发信设备。它的主要作用是对需要转发的输入信号进行接收、放大、变频并再次发射。转发器的上行频率和下行频率应取不同的数值，以使两者互相隔离。转
47、发器可分为双变频转发器、单变频转发器和处理转发器。双变频转发器双变频转发器如图2.13所示。双变频转发器先把接收的信号变为中频，经放大限幅后变频成下行频率，再功放、发射。所以这种转发器也叫做中频式频率变换转发器，它的特点是增益较高。因此，这种转发器只适用于转发单一载波的早期的业务量小的通信卫星。,图2.13 双变频转发器方框图,单变频转发器单变频转发器是目前用得较多的转发器，如图2.14所示。在这种转发器中，先用低噪声放大器对接收到的上行频率的输入信号进行放大，然后变换成下行频率，再经功率放大后通过天线发射回地面。由于转发器一直在微波频率上工作，所以又叫做微波式频率变换转发器。它的射频带宽可达
48、500MHz，转发器的输入、输出特性是线性的，允许多载波工作，即适于多址联接的大容量卫星通信系统。,图2.14 单变频转发器方框图,处理转发器 处理转发器除了转发信号外，主要还具有处理信号的功能。它的组成方框图如图2.15所示。这种转发器与双变频转发器相似，不同的是在两级变频器之间增加了解调、信号处理和调制等三个单元。也就是说，这种转发器在第一次变频之后，要对信号解调、处理，然后重新调制、变频、功放后再发射回地面。卫星上的信号处理大体包括三种：一种是对数字信号进行判决和再生，以消除噪声积累；另一种是在多个卫星天线波束之间进行信号交换的处理；第三种是对信号进行更复杂的变换、交换和处理。,图2.1
49、5 处理转发器方框图,3遥测指令分系统地球上的控制站经常需要不断地了解卫星内部设备的工作情况，有时要通过遥测指令信号控制卫星上设备产生一定的动作，如当某部件发生故障时，能够自动地换接备用部件等。这些功能都是通过卫星上的遥测指令系统来完成，以保证卫星通信正常进行。为了使地球站天线便于对卫星进行跟踪，要由卫星向地球发射一个信标信号。信标信号可以由卫星产生，也可以由某地球站发射，经过卫星变换频率后再向地球发射。在实际使用中，一般都使遥测信号和信标信号结合在一起，即把遥测信号调制到信标信号上。遥测指令分系统可分成遥测和遥控指令两个部分。,（1）遥测部分遥测部分用来了解卫星上各种设备的情况，例如表示某些
50、电流、电压、温度等信号，传感器的信息，指令证实信号以及反映控制用气体压力的信号等。上述各种数据先经过多路复用、放大、编码等处理后再进行调制，随时通过遥测部分送往地球站监测中心。（2）遥控指令部分对卫星进行位置和姿态控制的各喷射推进器的点火与否，行波管高压电源的开、关，已发生故障的部件与备用部件的转换以及其他需要由地面对卫星某些设备的控制等，都要由遥控指令来进行。指令信号由地球上的控制站发射到卫星，在卫星转发器中被分离出来，经过检波、译码后再送到控制设备。,指令信号由“准备”、“指令”和“执行”三个阶段信号组成，对每阶段的信号都要设一个专用的副载波。遥测指令部分的工作过程简述如下：当要控制某部件
