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1、 一、目的： 1了解国外相关知识的发展；2熟悉外文科技文献的写作格式及特点；3熟悉和巩固所学专业外语的有关知识；4学会中英（外）文文献的检索方法。二、选题要求：1学生自主选题，经指导教师审查合格。2篇幅在3000汉字以上，较完整的一篇外文论文3内容与所学专业相关，并注明来源。三、译文要求：1译文正确，内容完整，图可以复印后贴于适当位置。2译文打印在A4纸上，原稿复印后附在译文后。四、时间安排： 在毕业设计开题一周内完成。文献资料详细一览表第18章 卫星通信18.1 引言从天文学角度讲，卫星是围绕行星不停运转的一个天体（例如月球是地球的卫星）。在宇宙空间技术中，人造卫星是由人类借助空间运载工具发
2、射送人围绕地球或其他天体运行轨道上的技术含量很高的精密装置。通信卫星就是人造地球卫星中的一种，它能为各种用户提供许多的通信业务功能，包括军事领域、政府部门、个人以及商业用户等。从本质上说，通信卫星就是一个置于空间的微波中继站。通信卫星一般由以下几个主要部件组成：接收机，发射机，放大器，整形再生电路，滤波器，星载计算机，多路复用器，多路分离器，天线，波导传输馈线以及不断研制出的其他通信电子电路。卫星中继器也称转发器（transponder），通信卫星上一般有多个转发器。一个完整的卫星通信系统由一个卫星或多个卫星群、用于控制系统运行的地面控制中心以及在卫星系统中提供发送和接收陆地通信业务的地面站用
3、户网络组成。卫星传送的信息一般由控制联络信号及通信业务这两部分构成。控制联络信号是支持通信业务运行的控制机制。通信业务是在卫星系统中传送的实际用户信息。虽然近年来对新的数据业务和电视广播的需求越来越强烈，但传统的话音信号（模拟或数字形式）仍然是卫星通信业务的主体。20世纪60年代初，美国电话电报公司（AT&T）所发表的一篇研究报告表明，所设计的一颗通信容量超过AT&T全部远程通信网的大功率卫星，其造价只是相同通信容量地面微波系统或地下电缆系统的几分之一。但是作为公用事业，美国政府的法规限制AT&T开发这种卫星系统。一些赢利不多的小公司也放弃了对卫星系统的研究。AT&T连续几年对地面微波系统和金
4、属电缆系统每年投资数亿美元。正因为这些原因，早期的卫星通信技术发展缓慢。18.2 卫星发展简史最简单的通信卫星是一个能将信号从一个地方反射到另一个地方的无源反射器。无源卫星只是将信号反射到地球，由于没有功率放大器及检测装置，因此无法对收到的信号进行放大和整形处理。月球就是地球的天然卫星，1954年，美国海军通过中继方式（地球月球地球）第一次成功地传送了电报。1956年又开通了从华盛顿到夏威夷的月球中继业务，直到1962年，仍然依靠月球提供可靠的远距离通信。但这些业务受到月球可用性的限制。经过一段时间的使用得出结论，由于月球相对地球的位置经常变化，而且只有一半的时间在地平线上，利用月亮作为通信卫
5、星既不方便也不可靠。无源卫星突出的优点是星上没有复杂的电子设备，因此它不消耗功率。但有些无源卫星为了测轨和定位的需要，带有无线电信标发射机。所谓信标（beacon）是一种连续发射的非调制载波，地面站能锁定卫星并通过调整天线来确定卫星的准确位置。无源卫星的缺点是发射功率的利用率太低，例如，地面站发射功率只有1/108返回地面站的接收天线。1957年前苏联发射成功了第一颗有源人造地球卫星，命名为Sputnik I，它能够在地面站之间接收、放大和转发信息。这颗卫星共发送了21天的遥测数据。同年晚些时候，美国发射了Explorer I（探索者1号），这颗卫星共发送了5个月的遥测信息。1958年NASA
6、（National Aeronautics and Space Administration，美国国家航空和宇宙航行局）发射卫星成功，命名为Score，这是一个带有星上磁带录音机、重巧0磅的圆锥形装置。这颗卫星转播了艾森豪威尔总统的1958年圣诞贺词。Score是第一颗用来中继地面通信的人造卫星，也是一颗延时转发卫星：它接收地面站发出的信号，存储在磁带上，然后再沿着自己的轨道将信号转发到地面站。1960年NASA联合贝尔电话实验室和喷气动力实验室成功发射了Echo，这是一个直径为100英尺，表面涂覆了铝材料的塑料气球，用来反射从大型地面天线发来的无线电信号。这颗卫星简单、可靠，但是要求地面站的
7、发射功率特别高。第一次越过大西洋的卫星中继就是用Echo完成的。同年，美国国防部发射了Courier，这颗卫星的发射功率为3W，但是只工作了17天。1962年AT&T发射了Telstar I，这是一颗能同时接收和发送信号的卫星，不幸的是由于新发现的Van Allen所带的射线破坏了星上的电子设备，使这颗卫星仅仅工作了几个星期。1963年又成功地发射了Telstar II，它与Telstar I的电器性能相同，只是加强了对射线的防护，这颗卫星用于电话、电视、传真和数据传输，并第一次成功越过大西洋传送了视频信号。1963年2月美国发射了Syncom I同步1号，这是首次实验将通信卫星送人同步轨道。
8、遗憾的是Syncom I人轨失败。1963年2月和一964年8月又分别成功发射了Syncomn和Syncoml通信卫星。并用Syncom III转播了1964在东京举行的奥林匹克运动会。Syncom卫星的发射使得利用同步卫星的可行性得到证实。实施Syncom计划以来，许多国家和私营公司都相继成功发射了同步卫星以提供国内、区域和国际范围内的通信业务。目前世界上还在运营的通信卫星不下几百颗。它们提供全球性的固定公用载波电话和数据电路；点对点电视广播；网络化的电视分配；音乐广播；移动电话业务；导航业务；以及为大公司、政府部门、军事领域使用的专用通信网络。Intelsat I国际通信卫星1号，也叫“晨
9、鸟”是第一颗商用通信卫星，它由肯尼迪发射中心于1965年发射。Intelsat I上装有两个转发器，每一个转发器的带宽为25 MHz，它们能同时传送一路电视信号和480路话音信号。Intelsat代表国际通信卫星组织，是1964年在联合国内部成立的全球商业卫星组织。它是由120多个国家组成的国际财团，拥有并运营着供世界大多数国家平等使用的全球卫星通信系统，主要提供四种基本业务：国际电话业务，广播业务，专线/商业网络，国内/区域通信业务。在1966年至1987年之间，国际通信卫星组织（Intelsat）共发射了第二代至第六代Intelsat卫星，第六代国际通信卫星（Intelsat VI）已具有
10、同时传送80000路话音信号的能力。国际通信卫星组织近期发射的卫星开始采用500系列，600系列，700系列及800系列的运载火箭。前苏联于1966年发射的第一颗用于国内的通信卫星称为Molniya，即“闪电1号”。国内卫星一般是由一个国家独自拥有、运行并且使用。1972年加拿大发射了第一颗商用卫星，称为Anik，它是爱斯基摩语中“兄弟”，的意思。西方联合体于1974年发射了第一颗卫星。美国无线电协会（RCA，Radio Corporation of America）于1975年发射了第一颗Satcom（Satellite Communications）通信卫星。目前美国由通信卫星公司（Com
11、sat）来管理美国国内卫星的使用和运营以及规定它们的资费。尽管一些公司或政府机构拥有自己的卫星，只要资金方面能够得到保障，一般都能提供相应的通信业务。目前，美国利用全球现有卫星的分额最大（24）；英国第二为13；接下来是法国为6。18.3 开普勒定律人造地球卫星在地球引力作用下，以高速绕地球旋转，在其规定的轨道上保持平衡状态。早在17世纪初期，德国天文学家约翰尼斯开普勒（Johannes Kepler, 1571-1630）就已开始研究行星运动的规律（例如，地球和月球的运动规律），并发现了行星的运动规律应服从行星运动三定律。行星运动三定律描述了其运动轨道的形状，行星运动的速度以及行星相对于太阳
12、之间的距离。开普勒定律的基本内容是：1.行星运动轨道是以太阳中心为一个焦点的椭圆。2.行星的位置矢量在单位时间内扫过轨道平面上的面积相等。3.行星在轨道上运行周期的平方与其轨道半长轴的立方成正比。开普勒定律同样适用于宇宙空间存在万有引力相互作用的任何两个天体。两个天体中以质量重的天体为中心，质量轻的天体围绕中心运转。开普勒第一定律（轨道定律）表明：卫星运行在以地球中心为焦点的椭圆轨道上。椭圆的两个焦点如图18.1（a）所示（和），地球质量的中心（质心）集中在其中一个焦点上。由于地球的质量远远大于卫星的质量，地球的质心与地球的中心相吻合。根据椭圆的几何特性，一般将地球质心所在的椭圆焦点作为坐标的
13、参考点。椭圆的半长轴（）和椭圆的半短轴（）如图18.1（a）所示，椭圆的偏心率为： （18.1）其中是偏心率。开普勒第二定律于1609年第一次提出，也称为面积定律。第二定律表明：椭圆焦点位于地球质心时，卫星在椭圆轨道上单位时间内扫过的轨道面积相等。如图18.1（b）所示，某卫星在轨道的不同位置，一秒钟内运行距离分别为和则对应的面积和相等。根据面积定律，距离大于，也就是速度一定大于。对于地球来说，卫星在近地点（perigee）轨道上的速度要快一些，而在远地点（apogee）轨道上的速度要慢得多。开普勒第三定律（周期定律）于1619年发表，有时也称为调谐定律。第三定律表明：卫星在轨道上运行周期的平
14、方与其轨道半长轴的立方成正比。开普勒第三定律的数学表达式为： （18.2）其中，常数（无单位）椭圆半长轴（公里）平均太阳时为一个恒星日的时间（=23小时56分）与地球自转一周的时间（=24小时）的比值。即将代入公式（18.2）得到常数：公式（18.1）和公式（18.2）是在理想条件下得出的，即假设卫星轨道是围绕一个不受外力作用的标准球体。实际上，地球是个扁球体，赤道附近向外膨胀，并且有外作用力导致卫星偏离其理想的运动轨道。幸运的是，多数偏离能够计算并有补偿的方法。近地点处的卫星会受到大气阻力和地球磁场的影响。远地点处的卫星主要受到来自太阳和月球重力场的作用力。图18.1 卫星轨道示意图18.4
15、 轨道模式到目前为止，大多数非同步（nonsynchronous）卫星都可称为在轨卫星（Orbital satellite）。非同步卫星以椭圆形轨道或圆形轨道绕地球旋转，如图18.2（a）和图18.2（b）所示。卫星在圆形轨道上旋转时，旋转速度保持不变。而在椭圆形轨道上旋转时，卫星的旋转速度与卫星距地球的高度有关。卫星在近地点的速度要大于它在远地点的速度。如果卫星轨道的绕行方向与地球的自转方向相同（均为逆时针），并且卫星轨道的角速度大于地球的角速度（），这种轨道称为顺向型（prograde）轨道或加速型（posigrade）轨道。如果卫星轨道的绕行方向与地球的自转方向相反，或者方向相同但卫星轨
16、道的角速度小于地球的角速度（），这种轨道称为逆向型（retrograde）轨道。多数非同步卫星以顺向型绕地球旋转。非同步轨道上的卫星相对于地球上某一固定位置在连续变化。因此，非同步卫星可利用的时间只有每次过顶很短暂的15分钟。非同步卫星的主要缺点是地面站需要复杂又昂贵的跟踪设备来确定卫星所在位置，当它进人到天线的工作范围时，锁定卫星并在过顶时间内保持跟踪状态。非同步卫星的主要优点是在卫星舱中不需要火箭助推装置，对轨道定位没有特殊要求。图18.2 卫星轨道18.4.1 卫星的轨道高度卫星轨道一般分为低轨道（LEO，low earth orbit）、中轨道（MEO，medium earth orb
17、it）和静止轨道（GEO，geosynchronous earth orbit）。大多数低轨道卫星使用的工作频率在1025GHZ范围内。摩托罗拉公司的C波段铱星系统是利用66颗卫星组成的低轨道卫星群，轨道高度距地球表面370英里（约600公里）。低轨道卫星的主要优点是发射中心与空间轨道之间的路径损耗要比中轨道或高轨道低得多。很低的路径损耗体现在低轨道卫星的发射功率低，天线尺寸小，并且重量轻。 中轨道卫星的工作频率在1.2 GHz至1.66 GHz范围内，轨道高度一般在6000英里至12000英里之间。美国国防部组建的全球定位系统所用的导航卫星（NAVSTAR）是中轨道卫星系统，21颗导航卫星星
18、座在距地面上空约9500英里且等间隔分布的6个轨道平面上。静止轨道卫星是距地面22300英里（约3.6万公里）的高轨道卫星，工作频率在2-18 GHz范围内。大多数商用通信卫星使用静止轨道。同步（geosynchronous）卫星或静止（geostationary）卫星的角速度与地球自转的角速度相等，运行周期都为24小时。因此，静止卫星相对于地球上的给定位置呈现相对静止状态，相对位置恒定。近同步（near synchronous）轨道是指卫星距地球高度在19000英里至25000英里之间的非同步圆形轨道。如果近同步轨道的高度略低于22300英里，卫星的轨道周期比地球自转周期小，此时轨道上的卫星
19、缓慢地向东漂移。这种近同步轨道也称为准同步轨道（subsynchronous）。如果近同步轨道的高度大于22300英里，卫星的轨道周期比地球自转周期长，轨道上的卫星均匀地向西漂移。18.4.2 卫星的轨道平面要研究卫星轨道的工作方式，先要了解描述轨道的基本术语。参见图18.3。远地点椭圆轨道上离地球最远的一点。近地点椭圆轨道上离地球最近的一点。长轴通过地球中心连接近地点与远地点的线段。短轴与长轴垂直且通过长轴中点连接椭圆上两点的线段。待添加的隐藏文字内容1图18.3 卫星轨道术语尽管在空间有无数条卫星轨道路径，但适用于通信卫星的仅有三种轨道模式。图18.4显示了卫星绕地球旋转的三种轨道模式：倾
20、斜轨道、赤道平面轨道、极地轨道。围绕地球质量中心旋转的卫星轨道可形成相应的轨道平面。事实上除去赤道平面轨道和通过南北两极的极地轨道外，所有卫星轨道都属于倾斜轨道（inclined orbit）.图18.5（a）显示了卫星轨道的倾斜角度。轨道的倾斜角是卫星所在的轨道平面与地球赤道平面之间的夹角。在逆时针轨道上从南至北与赤道平面相交的点称为上升节点（ascendingnode）。如图18.5（b）所示，在极地轨道或倾斜轨道上从北至南与赤道平面相交的点称为下降节点（descending node）。通过地球中心连接上升点和下降点的线段称为节点线（line of nodes）。倾斜角度的变化范围一般在
21、00至900。卫星若要覆盖到高纬度区域，一般使用椭圆形的倾斜轨道。开普勒第二定律表明：卫星的角速度在远地点处最慢。因而，远地点在高纬度区域上空时，卫星在高纬度区域上空停留的时间明显要长得多。图18.4 卫星轨道模式图18.5 卫星倾斜轨道赤道平面轨道（equatorial orbit）是位于地球赤道上空约3.6万公里的圆形轨道。赤道平面轨道的倾斜角为00，而且也不存在上升节点、下降节点以及节点线。所有的静止卫星都位于赤道平面轨道上。极地轨道（polar orbit）是一种通过地球南北两极并与赤道平面轨道垂直的低空轨道。极地轨道卫星沿距地面很近的低空穿越南北两极。极地轨道的倾斜角几乎等于900。
22、单颗卫星就能够覆盖整个地球表面的极地轨道卫星正引起广泛关注。原因是极地轨道上的卫星沿经度线轨迹绕地球旋转，而地球自转方向是沿纬度线轨迹旋转。这样卫星天线的辐射方向图类似于龙卷风，沿对角线方向以螺旋状旋转扫过地球表面。地球表面上的任何地方，只要位于极地轨道卫星天线的辐射区域内，极地轨道上的一颗卫星一天就有两次过顶机会。地球是个椭圆形球体。在18世纪初期，人们将位于厄瓜多尔的高为20700英尺的钦柏拉索（Volcan Chimborazo）火山误认为是地球上海拔最高的山脉。其实，由于赤道附近的膨胀，钦柏拉索火山其实是距地球中心的最远点。地球赤道附近的膨胀使地球形成椭圆球体，正是因为这个原因，绕地球
23、旋转的卫星轨道在某种意义上出现了椭圆轨道以及距地球的最远点和最近点。这个现象称为拱点范围旋转（rotation of the line of apsides）。然而，对于63.40的倾斜轨道，拱点范围旋转不存在。因此必须在远地点启动发动机将卫星送人同步圆形轨道（其倾斜角为63.40）。目前使用的各种轨道卫星系统中值得一提的是前苏联的Molniya卫星系统，如图18.6所示。Molniya也可拼写为Molnya和Molnia,是俄语中“闪电”的意思。Molniya卫星主要用于政府通信、电话、电视以及视频业务。Molniya卫星系列使用椭圆形的高倾斜轨道，为北半球高纬度区域提供服务，高纬度区域要想
24、接收赤道平面轨道（静止轨道）卫星的信号，天线的仰角几乎为00o Molniya卫星的远地点为40000公里，近地点为400公里。远地点跨越北半球，近地点越过南半球。轨道周期为12小时。一个恒星日（sidereal day）是指地球自转一周的用时，地球的恒星日为23小时56分，比平时所说的一日24小时略少一点。恒星日有时也称为周期（period）或恒星周期（sidereal period）。由于Molniya卫星独特的轨道设计，Molniya卫星与地球的旋转“同步”。在12小时的轨道周期中，就有11小时运行在北半球上空。在这同一条轨道上有三颗或三颗以上的卫星接踵而至，使用简易的地面跟踪天线，通信切换依次衔接从而保证了连续通信。Molniya卫星所用的轨道属于高椭圆轨道（HEO）。图18.6 前苏联Molniya卫星轨道
