衛(wèi)星通信-2012-08

1、1衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信Satellite Communications北京電子科技學院通信工程系北京電子科技學院通信工程系2012 年年 02 月月2 2增益增益 G =（ D /）2 = 70/ D （度）（度） D 為天線直徑，為天線直徑， 為天線效率。為天線效率。有效全向輻射功率有效全向輻射功率（EIRP） 它是天線輻射功率它是天線輻射功率PT與天線增益與天線增益GT的乘積的乘積(=1) EIRP =PT GT （W） EIRP = PTGT（ dBW ) 從發(fā)射天線輻射出去的功率相對于等效全向輻射從發(fā)射天線輻射出去的功率相對于等效全向輻射功率為功率為1W的的dB數表示為（數表示為（ dBW

2、 ）。）。3.1 通信衛(wèi)星的主體通信衛(wèi)星的主體3 3 例題例題1 地面站發(fā)射機的輸出功率地面站發(fā)射機的輸出功率10kW，發(fā)射天線，發(fā)射天線增益增益40dB，求，求EIRP。 解解EIRP=PtGT（dBW） = 40 dBW40 dB = 80 dBW3.1 通信衛(wèi)星的主體通信衛(wèi)星的主體4 4 轉發(fā)器轉發(fā)器 衛(wèi)星上的通信系統(tǒng)（實際上是衛(wèi)星上的通信系統(tǒng)（實際上是一部多波道寬頻帶一部多波道寬頻帶的收、發(fā)信機的收、發(fā)信機）又稱轉發(fā)器，一個通信衛(wèi)星有多個）又稱轉發(fā)器，一個通信衛(wèi)星有多個轉發(fā)器。每個轉發(fā)器被分配在某一工作頻率段中，轉發(fā)器。每個轉發(fā)器被分配在某一工作頻率段中，根據所在天線覆蓋區(qū)，將轉發(fā)器租

3、給或分配給衛(wèi)星根據所在天線覆蓋區(qū)，將轉發(fā)器租給或分配給衛(wèi)星通信用戶，以實現多址中繼通信通信用戶，以實現多址中繼通信* *。 對轉發(fā)器的基本要求：對轉發(fā)器的基本要求： 3.1 通信衛(wèi)星的主體通信衛(wèi)星的主體5 5 頻率（頻率（ 上行上行 / / 下行下行 ） C波段：波段：5.9256.425GHz / 3.74.2GHz； 全部信道所占用的帶寬全部信道所占用的帶寬 500MHz 大容量離散通信信道大容量離散通信信道的的數目即（轉發(fā)器個數）數目即（轉發(fā)器個數） 每個轉發(fā)器具有的每個轉發(fā)器具有的帶寬：帶寬： C波段轉發(fā)器的帶寬為波段轉發(fā)器的帶寬為36MHz，加上保護帶實際，加上保護帶實際 為為40M

4、HZ。 C波段一般有偶數個轉發(fā)器如波段一般有偶數個轉發(fā)器如: （212）。）。3.1 通信衛(wèi)星的主體通信衛(wèi)星的主體6 6 功率放大器（有備份）對每個轉發(fā)器放大信號，功功率放大器（有備份）對每個轉發(fā)器放大信號，功率放大器可以是行波管放大器（率放大器可以是行波管放大器（TWTA），也可以是），也可以是GaAs FET固態(tài)功率放大器。固態(tài)功率放大器。 固態(tài)功率放大器：固態(tài)功率放大器：幾十瓦量級幾十瓦量級 (帶寬帶寬500MHz， 體積小壽命長體積小壽命長) 行波管行波管功率功率放大器：放大器：100400W (帶寬帶寬500MHz) 速調管功率速調管功率放大器：放大器：可達幾千瓦可達幾千瓦 (帶寬幾

5、十帶寬幾十MHz左右左右)3.1 通信衛(wèi)星的主體通信衛(wèi)星的主體7 7轉發(fā)器通常分為轉發(fā)器通常分為非再生式非再生式轉發(fā)器和轉發(fā)器和處理轉發(fā)器處理轉發(fā)器兩類。兩類。 非再生式（透明）轉發(fā)器非再生式（透明）轉發(fā)器有兩種電路結構。一種是有兩種電路結構。一種是單變頻單變頻( (射頻射頻/ /射頻射頻) )式；另一種是雙變頻式；另一種是雙變頻( (射頻射頻/ /中中頻頻/ /射頻射頻) )式。式。 處理轉發(fā)器處理轉發(fā)器適用于數字衛(wèi)星系統(tǒng)，接收放大后，解適用于數字衛(wèi)星系統(tǒng)，接收放大后，解調到基帶對數字信號調到基帶對數字信號再生處理再生處理，使噪聲不會積累；，使噪聲不會積累；還可以對不同衛(wèi)星天線波束之間進行信

6、號交換；更還可以對不同衛(wèi)星天線波束之間進行信號交換；更高級的信號變換和處理如：上行和下行采用不同的高級的信號變換和處理如：上行和下行采用不同的制式。制式。3.1 通信衛(wèi)星的主體通信衛(wèi)星的主體8 8透明轉發(fā)器透明轉發(fā)器( (非再生非再生) )的組成方框圖的組成方框圖3.1 通信衛(wèi)星的主體通信衛(wèi)星的主體9 9處理轉發(fā)器處理轉發(fā)器(再生再生)的組成方框圖的組成方框圖3.1 通信衛(wèi)星的主體通信衛(wèi)星的主體 再生型轉發(fā)器的基本部件，除對信號進行放大和再生型轉發(fā)器的基本部件，除對信號進行放大和頻率變換外，還提供解調、基帶信號處理和交換、頻率變換外，還提供解調、基帶信號處理和交換、和重新調制的功能，如圖所示。

7、和重新調制的功能，如圖所示。 10再生型轉發(fā)器的原理框圖再生型轉發(fā)器的原理框圖 11 INTELSAT-6 代衛(wèi)星有效載荷原理框圖代衛(wèi)星有效載荷原理框圖 1212 跟蹤遙測、指令系統(tǒng)跟蹤遙測、指令系統(tǒng)(TT&C) 衛(wèi)星上的衛(wèi)星上的跟蹤遙測、指令系統(tǒng)跟蹤遙測、指令系統(tǒng)與與地面的測控站地面的測控站一起構成一起構成智能控制系統(tǒng)智能控制系統(tǒng)，其目的：保證衛(wèi)星的正，其目的：保證衛(wèi)星的正常工作以及對衛(wèi)星進行遠程控制、對各個分系統(tǒng)常工作以及對衛(wèi)星進行遠程控制、對各個分系統(tǒng)進行控制。進行控制。 跟蹤遙測設備跟蹤遙測設備是利用各種傳感器和敏感元件不是利用各種傳感器和敏感元件不斷測得有關衛(wèi)星姿態(tài)及星內各部分工作狀

8、態(tài)的數斷測得有關衛(wèi)星姿態(tài)及星內各部分工作狀態(tài)的數據，遙控字符總數為據，遙控字符總數為237個，通過專用的發(fā)射機和個，通過專用的發(fā)射機和天線發(fā)給地面的跟蹤遙測站天線發(fā)給地面的跟蹤遙測站( (也稱測控站也稱測控站) )。3.2 通信衛(wèi)星的控制系統(tǒng)通信衛(wèi)星的控制系統(tǒng)1313 指令設備指令設備專門用來接收地面測控站發(fā)給衛(wèi)專門用來接收地面測控站發(fā)給衛(wèi)星的指令（指令共計星的指令（指令共計560個），并進行解調和個），并進行解調和譯碼，然后將其暫時存儲起來，同時又經遙譯碼，然后將其暫時存儲起來，同時又經遙測設備發(fā)回地面進行校對，地面測控站在核測設備發(fā)回地面進行校對，地面測控站在核對無誤后再發(fā)出對無誤后再發(fā)出

9、“指令執(zhí)行指令執(zhí)行”信號。衛(wèi)星指信號。衛(wèi)星指令設備收到令設備收到“指令執(zhí)行指令執(zhí)行”信號后，將存儲的信號后，將存儲的指令送到控制系統(tǒng)，使相應的執(zhí)行機構完成指令送到控制系統(tǒng)，使相應的執(zhí)行機構完成控制功能?？刂乒δ?。3.2 通信衛(wèi)星的控制系統(tǒng)通信衛(wèi)星的控制系統(tǒng)1414 指令一般分為控制設備的開機和關機的指令一般分為控制設備的開機和關機的離散離散指令指令和模擬連續(xù)控制用的和模擬連續(xù)控制用的比例指令比例指令兩種。指令兩種。指令工作頻率由國際條約專門指定，為了安全起見，工作頻率由國際條約專門指定，為了安全起見，指令采取了指令采取了加密措施加密措施，在許多情況下采用了各，在許多情況下采用了各種尖端技術來排

10、除非法指令的可能性。為了保種尖端技術來排除非法指令的可能性。為了保證衛(wèi)星的可靠運行，指令接收機、遙測發(fā)射機、證衛(wèi)星的可靠運行，指令接收機、遙測發(fā)射機、天線等全部配有備用設備，目前世界上大的監(jiān)天線等全部配有備用設備，目前世界上大的監(jiān)控站有控站有6個，其中一個設在北京。個，其中一個設在北京。3.2 通信衛(wèi)星的控制系統(tǒng)通信衛(wèi)星的控制系統(tǒng)1515 姿態(tài)控制系統(tǒng)姿態(tài)控制系統(tǒng) 該系統(tǒng)由一系列該系統(tǒng)由一系列機械的、電子的可控調整裝置機械的、電子的可控調整裝置組成，如各種噴氣推動器、驅動裝置、各種轉換組成，如各種噴氣推動器、驅動裝置、各種轉換開關、加熱及散熱裝置等。在地面測控站及衛(wèi)星開關、加熱及散熱裝置等。在

11、地面測控站及衛(wèi)星上的遙測、指令系統(tǒng)的指令控制下完成對衛(wèi)星的上的遙測、指令系統(tǒng)的指令控制下完成對衛(wèi)星的姿態(tài)、軌道位置、工作狀態(tài)、主備用切換等各項姿態(tài)、軌道位置、工作狀態(tài)、主備用切換等各項調整功能。調整功能。3.2 通信衛(wèi)星的控制系統(tǒng)通信衛(wèi)星的控制系統(tǒng)1616 靜止衛(wèi)星的軌道間隔靜止衛(wèi)星的軌道間隔 國際協(xié)議最初規(guī)定位于克拉克靜止軌道上的所有國際協(xié)議最初規(guī)定位于克拉克靜止軌道上的所有衛(wèi)星，軌道空間距離至少相隔衛(wèi)星，軌道空間距離至少相隔1833英里。這個規(guī)定英里。這個規(guī)定用空間角度表示相當于經度相隔用空間角度表示相當于經度相隔4以上，也就是以上，也就是限制了地球靜止軌道上衛(wèi)星的數量要少于限制了地球靜止

12、軌道上衛(wèi)星的數量要少于100顆。顆。 1983年年 FCC ( 聯(lián)邦通信委員會聯(lián)邦通信委員會 ) 規(guī)定工作在規(guī)定工作在6/4GHz頻段上衛(wèi)星最小軌道間隔為頻段上衛(wèi)星最小軌道間隔為2，工作在，工作在14/12GHz頻段上衛(wèi)星最小軌道間隔為頻段上衛(wèi)星最小軌道間隔為1.5。3.2 通信衛(wèi)星的控制系統(tǒng)通信衛(wèi)星的控制系統(tǒng)17 姿態(tài)控制和軌道控制系統(tǒng)的主要功能，是保持準姿態(tài)控制和軌道控制系統(tǒng)的主要功能，是保持準確的衛(wèi)星位置和通信天線指向；在轉移軌道和靜止確的衛(wèi)星位置和通信天線指向；在轉移軌道和靜止軌道運行時，控制衛(wèi)星的飛行動作，保持軌道運動軌道運行時，控制衛(wèi)星的飛行動作，保持軌道運動的穩(wěn)定性。的穩(wěn)定性。

13、3.2 通信衛(wèi)星的控制系統(tǒng)通信衛(wèi)星的控制系統(tǒng)1818 穩(wěn)定衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定衛(wèi)星姿態(tài) 自旋穩(wěn)定衛(wèi)星（自旋穩(wěn)定衛(wèi)星（spinners stabilizer ） 自旋穩(wěn)定衛(wèi)星沿它的最大慣性軸旋轉，帶有自旋穩(wěn)定衛(wèi)星沿它的最大慣性軸旋轉，帶有自旋和反自旋的回旋韌性。自旋和反自旋的回旋韌性。 三軸穩(wěn)定衛(wèi)星（三軸穩(wěn)定衛(wèi)星（three-axis stabilizer） 三軸穩(wěn)定衛(wèi)星利用它的三根軸保持衛(wèi)星主體三軸穩(wěn)定衛(wèi)星利用它的三根軸保持衛(wèi)星主體相對地球表面有固定取向，而子系統(tǒng)提供回旋相對地球表面有固定取向，而子系統(tǒng)提供回旋韌性。韌性。 3.2 通信衛(wèi)星的控制系統(tǒng)通信衛(wèi)星的控制系統(tǒng)193.2 通信衛(wèi)星的控制系統(tǒng)通信

14、衛(wèi)星的控制系統(tǒng)20衛(wèi)星坐標系統(tǒng)上定義的側航、滾動、俯仰軸衛(wèi)星坐標系統(tǒng)上定義的側航、滾動、俯仰軸 3.2 通信衛(wèi)星的控制系統(tǒng)通信衛(wèi)星的控制系統(tǒng)213.2 通信衛(wèi)星的控制系統(tǒng)通信衛(wèi)星的控制系統(tǒng)22衛(wèi)星姿態(tài)控制：衛(wèi)星姿態(tài)控制：(a) 地球傳感技術地球傳感技術 3.2 通信衛(wèi)星的控制系統(tǒng)通信衛(wèi)星的控制系統(tǒng)23衛(wèi)星姿態(tài)控制：衛(wèi)星姿態(tài)控制：(b) 太陽傳感器太陽傳感器 3.2 通信衛(wèi)星的控制系統(tǒng)通信衛(wèi)星的控制系統(tǒng)24 由推進器組成的反應控制分系統(tǒng)，功能是提供所需由推進器組成的反應控制分系統(tǒng)，功能是提供所需的推進力，以執(zhí)行衛(wèi)星速度和姿態(tài)控制等飛行動作。的推進力，以執(zhí)行衛(wèi)星速度和姿態(tài)控制等飛行動作。 3.2

15、通信衛(wèi)星的控制系統(tǒng)通信衛(wèi)星的控制系統(tǒng)推進器裝置示意圖推進器裝置示意圖 25 (a) 推進器裝置原理圖推進器裝置原理圖 (b) 自旋穩(wěn)定衛(wèi)星上的推進器裝置外形自旋穩(wěn)定衛(wèi)星上的推進器裝置外形 3.2 通信衛(wèi)星的控制系統(tǒng)通信衛(wèi)星的控制系統(tǒng)26 溫控分系統(tǒng)溫控分系統(tǒng) 消極的溫控系統(tǒng)和積極的溫控系統(tǒng)消極的溫控系統(tǒng)和積極的溫控系統(tǒng) 使衛(wèi)星內部儀器設備保持在使衛(wèi)星內部儀器設備保持在- 20 +403.2 通信衛(wèi)星的控制系統(tǒng)通信衛(wèi)星的控制系統(tǒng)2727 電源系統(tǒng)電源系統(tǒng) 它由它由太陽能電池方陣、蓄電池組、穩(wěn)壓控制電路等太陽能電池方陣、蓄電池組、穩(wěn)壓控制電路等組成。平時由太陽能電池方陣供電，同時蓄電池被充組成。平

16、時由太陽能電池方陣供電，同時蓄電池被充電。電。星蝕星蝕期間將由蓄電池組供電。由衛(wèi)星的外形結構期間將由蓄電池組供電。由衛(wèi)星的外形結構可以看到有兩種不同太陽能板的結構?？梢钥吹接袃煞N不同太陽能板的結構。 自旋穩(wěn)定衛(wèi)星的太陽能板附在衛(wèi)星圓柱體的外層，自旋穩(wěn)定衛(wèi)星的太陽能板附在衛(wèi)星圓柱體的外層，一般只有一般只有1/3左右的太陽能電池陣暴露在太陽下。左右的太陽能電池陣暴露在太陽下。 三軸穩(wěn)定衛(wèi)星由于可以將太陽能電池帆板展開，三軸穩(wěn)定衛(wèi)星由于可以將太陽能電池帆板展開，它獲得的電功率比自旋穩(wěn)定型的大得多。它獲得的電功率比自旋穩(wěn)定型的大得多。3.2 通信衛(wèi)星的控制系統(tǒng)通信衛(wèi)星的控制系統(tǒng)28(a) 電源系統(tǒng)的組

17、成電源系統(tǒng)的組成 3.2 通信衛(wèi)星的控制系統(tǒng)通信衛(wèi)星的控制系統(tǒng)29(b) 太陽能電池輸出直流功率隨時間的變化情況太陽能電池輸出直流功率隨時間的變化情況(c) 不同衛(wèi)星電池陣重量對直流功率的關系比較不同衛(wèi)星電池陣重量對直流功率的關系比較 3030 衛(wèi)星上的行波管放大器輸出衛(wèi)星上的行波管放大器輸出10 W的信號功率時，的信號功率時，約需約需35W的電功率，一個有的電功率，一個有24個轉發(fā)器的衛(wèi)星僅用個轉發(fā)器的衛(wèi)星僅用在通信系統(tǒng)的電源就需約在通信系統(tǒng)的電源就需約 840 W。 在現有系統(tǒng)中，蓄電池的重量大約是整個能源系在現有系統(tǒng)中，蓄電池的重量大約是整個能源系統(tǒng)的統(tǒng)的50，衛(wèi)星中曾廣泛使用鎳鎘電池，

18、最高級的，衛(wèi)星中曾廣泛使用鎳鎘電池，最高級的鎳鎘電池可以達到鎳鎘電池可以達到68W.h/1b (壽命只有壽命只有710年年)，而，而采用鎳氫電池可達采用鎳氫電池可達1015W.h/1b (壽命在壽命在10年以上年以上)。3.2 通信衛(wèi)星的控制系統(tǒng)通信衛(wèi)星的控制系統(tǒng)31 31 通信衛(wèi)星是一個設在空中的微波中繼站通信衛(wèi)星是一個設在空中的微波中繼站, , 對通信衛(wèi)星要求是高可靠性、高穩(wěn)定性。對通信衛(wèi)星要求是高可靠性、高穩(wěn)定性。 通信衛(wèi)星設計考慮通信衛(wèi)星設計考慮 1. 通信考慮通信考慮 2. 環(huán)境條件環(huán)境條件 3.2 通信衛(wèi)星的控制系統(tǒng)通信衛(wèi)星的控制系統(tǒng)32 一般的商用通信衛(wèi)星，主要由一般的商用通信衛(wèi)

19、星，主要由衛(wèi)星有效載荷衛(wèi)星有效載荷( (通信分系統(tǒng)通信分系統(tǒng)) )和和公用平臺公用平臺 ( 或稱公用艙或稱公用艙 ) 兩兩部分組成。部分組成。 3.2 通信衛(wèi)星的控制系統(tǒng)通信衛(wèi)星的控制系統(tǒng)33通信衛(wèi)星的組成框圖通信衛(wèi)星的組成框圖 3.2 通信衛(wèi)星的控制系統(tǒng)通信衛(wèi)星的控制系統(tǒng)34通信分系統(tǒng)通信分系統(tǒng) 一般衛(wèi)星上的通信分系統(tǒng)有多個衛(wèi)星轉一般衛(wèi)星上的通信分系統(tǒng)有多個衛(wèi)星轉發(fā)器，這種信道化的方法，既有利于降低發(fā)器，這種信道化的方法，既有利于降低通過同一個功率放大器的載波數目，從而通過同一個功率放大器的載波數目，從而減小交調噪聲；也便于衛(wèi)星上功率放大器減小交調噪聲；也便于衛(wèi)星上功率放大器的制造。的制造。3.2 通信衛(wèi)星的控制系統(tǒng)通信衛(wèi)星的控制系統(tǒng)35衛(wèi)星公用平臺和壽命衛(wèi)星公用平臺和壽命 公用平臺主要任務是在衛(wèi)星整個工作期間，保證公用平臺主要任務是在衛(wèi)星整個工作期間，保證通信有效載荷能可靠地運行。通信有效載荷能可靠地運行。 它的組成決