卫星通信系统2fjx.pdf
2 卫星通信结构组成卫星通信结构组成2.1 卫星运动轨道卫星运动轨道2.2 卫星和地球的几何关系卫星和地球的几何关系2.3 卫星星座和系统概念卫星星座和系统概念2.4 卫星通信网的结构与组成卫星通信网的结构与组成2.5 信号传输与处理技术信号传输与处理技术不同高度不同高度不同倾斜角轨道平面上通信卫星的运动不同倾斜角轨道平面上通信卫星的运动基本概念轨道轨道:卫星在空间运动的轨迹；卫星在空间运动的轨迹；轨道平面：卫星在空间运动所在的平轨道平面：卫星在空间运动所在的平面；面；轨道倾角：轨道平面与赤道平面夹角；轨道倾角：轨道平面与赤道平面夹角；运行周期：卫星环绕地球运动一周所用运行周期：卫星环绕地球运动一周所用的时间。的时间。赤道轨道：轨道面与赤道面重合。赤道轨道：轨道面与赤道面重合。极轨道：轨道面穿过地理的南北极，即与赤道面垂直。极轨道：轨道面穿过地理的南北极，即与赤道面垂直。倾斜轨道：轨道面倾斜于赤道平面。倾斜轨道：轨道面倾斜于赤道平面。低轨道低轨道(LEO):h5000km;T4 hour中轨道中轨道(MEO):5000kmh20000km;4 hourT 20000km;T12hour赤道轨道赤道轨道倾斜轨道倾斜轨道极轨道极轨道赤道面赤道面不同高度不同高度不同倾斜角轨道平面上通信卫星的运动不同倾斜角轨道平面上通信卫星的运动2.1 卫星运动轨道卫星运动轨道2.1.1 椭圆和圆形轨道椭圆和圆形轨道卫星运动速度和轨道周期卫星运动速度和轨道周期卫星运动速度和轨道周期卫星运动速度和轨道周期地球中心坐标系地球中心坐标系地球中心坐标系卫星相对于地球运动的运动方程卫星相对于地球运动的运动方程轨道平面坐标系轨道平面坐标系轨道平面坐标系轨道平面坐标系轨道平面坐标系轨道平面坐标系2.1.2 开普勒定律开普勒定律-轨道定律轨道定律卫星的运动轨道一般是一个椭圆，地球的中心位于椭圆的一个焦点上。)cos1(00erp+=2.1.2 开普勒定律开普勒定律-面积定律面积定律位置矢量在单位时间内扫过的面积一定。此定律的数学表示式导出为：pdtrdr=rr2.1.2 开普勒定律开普勒定律-轨道周期定律轨道周期定律卫星围绕地球运动一圈的周期T，与轨道的半长轴a的2/3次方成正比。2/32 aT=2.1.2 开普勒定律开普勒定律-轨道周期定律轨道周期定律2.1.3 卫星的定位卫星的定位中心异常角和平均异常角中心异常角和平均异常角卫星定位卫星定位具体步骤具体步骤地心赤道系统中的定位地心赤道系统中的定位地心赤道系统中的定位地心赤道系统中的定位确确定定t时时刻刻卫星的卫星的绝绝对坐标对坐标需要需要6个已知参量个已知参量：偏偏心心率、半长轴、近率、半长轴、近地时地时刻、刻、上上升升极极点点的的右右上上升升角角、倾角倾角、近、近地地点变量点变量例-低地球轨道例-椭圆轨道例-椭圆轨道2.2 卫星和地球的几何关系卫星和地球的几何关系在平面在平面STO上的几何上的几何图图形形2.2.1仰仰角的角的确确定定星星下点下点的的确确定定仰仰角的角的计算计算仰仰角的角的计算计算仰仰角的角的计算计算例例-GEO卫星卫星仰仰角与角与覆盖覆盖面积面积不同不同类型类型轨道，在一轨道，在一些最小仰些最小仰角角情况下情况下卫星的卫星的覆盖覆盖面积面积2.2.2卫星卫星发射发射停泊停泊轨道轨道：卫星：卫星按惯性转弯进入按惯性转弯进入低高度的倾斜圆形轨道低高度的倾斜圆形轨道;转移转移轨道轨道/霍曼霍曼：远远地地点点和和近近地地点点都都在赤道平面上的椭圆轨道，在赤道平面上的椭圆轨道，且且远远地地点点与同与同步步轨道相轨道相交交;飘移飘移轨道轨道：赤道平面：赤道平面附近附近的一的一条条圆形圆形、接近、接近同同步步轨道的轨道；轨道的轨道；静止静止轨道轨道/同同步步：卫星与地：卫星与地表表相对相对位位置置同同步步的轨道；的轨道；速度速度矢量矢量轨道高度轨道高度2.2.3轨道轨道摄摄动动轨道轨道摄摄动动-经经度度变化变化平面内变化轨道轨道摄摄动动-倾角倾角变化变化平面间变化2.2.4 轨道对通信系统的轨道对通信系统的影响影响开普勒开普勒频移频移2.2.4 轨道对通信系统的轨道对通信系统的影响影响-星星蚀蚀一一年年中星中星蚀蚀时间时间分布图分布图2.2.4 轨道对通信系统的轨道对通信系统的影响影响-日凌日凌中中断断2.3 卫星星座和系统概念卫星星座和系统概念一颗卫星只能够提供有限面积的业务。为了扩展覆盖，一个卫星系统可能要使用多颗卫星。在这样的系统中，所有卫星的组合称之为星座。在一个星座中，通常卫星具有相同的轨道类型，但是也有某些系统，它是由不同轨道类型的混合组成的。全全球球覆盖覆盖时卫星和轨道平面的时卫星和轨道平面的数目数目由地球表面面积和一个六角形面积，可得出要求卫星的最小数目N为：24eeRA=hA)3(=heAAN利用球冠的表面积，并考虑21%面积的重叠，可以导出另一个近似结果N为：)cos1(2max2=eRA)cos1(42.2maxN不同轨道高度和不同轨道高度和最小仰最小仰角角情况下情况下，一一次到二次全次到二次全球球覆盖覆盖时时要求要求的卫星的卫星数目数目每个轨道平面提供两颗卫星用于赤道覆盖，覆盖的一段弧长为因此，在一个星座中要求轨道平面的最少数目P为：max3eRmax32eRP=为描述星座情况还需要另外三个参数，典型地用三个数字构成的一个数字组来表示，称为：Walker 符号：N/P/F 2.3.1 Walker倾斜星座倾斜星座Walker 9/3/1星座星座高度高度为为1414 km的的全全球星系统球星系统(Walker 48/8/1星座星座)当最后一个轨道平面与第一个轨道平面相遇时，一定有一个轨道的邻近轨道以相反方向旋转。两个相反方向旋转轨道之间的区域称为接缝。2.3.2 极星座极星座相同相同旋转旋转方方向向轨道轨道,接缝接缝处相处相反旋转反旋转方方向向的轨道；和轨道的轨道；和轨道平面平面之之间的角度间的角度全球覆盖条件可以用公式表示为：.2)(1(+=P为了达到给定的最小仰角Emin，按照地心角调整轨道高度，它可以由平面数得出：.1)cos(/cosminmin+=EERHe在一个极星座中需要的卫星数可以近似用下式得出：)cos1(/4maxN2.3.3 非非同同步步极星座极星座在LED系统中要使用大量卫星，控制每颗卫星的相位这时可能是困难的。为此，可采用非同步LEO极星座。即只在同一个轨道平面上控制卫星轨道相位，而对不同轨道平面上的相位不进行控制。2.4 卫星通信网的结构与组成卫星通信网的结构与组成2.4.1 拓扑拓扑结构结构点点对对点点方方式式(Unicast,又叫单播又叫单播)点点对对多多点点方方式式(Broadcast,又叫广播又叫广播)多多点点对对多多点点方方式式(Multicast,又叫又叫组组播播)2.4.2 数数据据传输方传输方式式2.4.3 通信卫星的系统组成通信卫星的系统组成天线天线分分系统系统卫星上使用的天线有定向天线和全向天线天线系统的选择决定于地面覆盖区的大小和形状。卫星的通信覆盖区，通常用地面上相对下发天线波束中心，具有固定接收功率的轮廓线来表示。中星中星6号卫星号卫星天线波束天线波束覆盖图覆盖图通过采用赋形波束天线，可以按要求覆盖区地形获得更加精确的覆盖，这种赋形波束天线，是用一组阵列馈源喇叭，在不同方向将电磁波投射到反射面上、产生的多个波束合成的。INTELSAT第第7代代卫星卫星多波束天线多波束天线覆盖图覆盖图双双极极化化通信卫星通信卫星天线天线通信通信分分系统系统 透明透明型型卫星卫星转发转发器器一般卫星上的通信分系统有多个卫星转发器，这种信道化的方法，既有利于降低通过同一个功率放大器的载波数目，从而减小交调噪声；也便于卫星上功率放大器的制造。输输入入去去复复接接器器原原理理框框图图固态固态高高功功率率放大器放大器(SSPA)原原理理图图INTELSAT-6代代卫星卫星有效载荷原有效载荷原理理框框图图通信通信分分系统系统 再生再生型转发型转发器器再生型转发器的基本部件，除对信号进行放大和频率变换外，还提供解调、基带信号处理与交换、和重新调制的功能。再生再生型转发型转发器器的的原原理理框框图图姿态姿态和轨道和轨道控制控制分分系统系统姿态和轨道控制分系统的主要功能，是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运行时，控制卫星的飞行动作，保持轨道运动的稳定性。卫星坐标系统上定卫星坐标系统上定义义的的側航側航、滚滚动动、俯俯仰轴仰轴卫星卫星姿态控制姿态控制：(a)固固定地球传定地球传感感技术技术卫星卫星姿态控制姿态控制：(b)太阳太阳传传感器感器推推进进器器分分系统系统由推进器组成的反应控制分系统，功能是提供所需的推进力，以执行卫星速度和姿态控制等飞行动作。(a)推推进进器装器装置置原原理理图图(b)自自旋旋稳稳定卫星上的定卫星上的推推进进器装器装置置外外形形推推进进器装器装置置示意示意图图电源电源分分系统系统电源电源分分系统的组成系统的组成不同卫星不同卫星电池阵电池阵重重量量对直对直流功流功率率的关系的关系比较比较。太阳能电池太阳能电池输输出出直直流功流功率率随随时间的时间的变化情况变化情况遥测遥测、指令指令和和单音单音定位定位分分系统系统遥测遥测分分系统的系统的主主要要元件元件指令指令分分系统系统单音单音定位定位分分系统系统卫星卫星部件损坏模部件损坏模型型热控制热控制和和机械机械结构结构分分系统系统(a)通信卫星通信卫星可靠可靠性性模模型型;(b)卫星通信卫星通信分分系统系统可靠可靠性性模模型型2.5 信号传输与处理技术信号传输与处理技术编码编码、复复接、接、调制调制和和多址联多址联接接卫星通信中卫星通信中大大量量使使用用脉冲编码调制脉冲编码调制和和自适应差自适应差分分脉冲编码调制及其脉冲编码调制及其数数字调制字调制；卫星通信卫星通信广泛使广泛使用时用时分分复复接接（TDM）技术，技术，其其它它如如码码分分复复接、接、空空分分复复接接等等应应用不用不多多；侧侧重重BPSK和和QPSK调制器调制器；多址联多址联接接：完完成一成一点点对对多多点点的通信。的通信。脉冲编码调制脉冲编码调制(PCM)将将模模拟语拟语音音信号信号变变换换为数为数字字信号，信号，人们人们常用的常用的技术技术是是脉冲编码调制脉冲编码调制，这种这种方方法法主主要要包括包括有有取取样样、量化、量化和和编码编码三三个个过程。过程。自适应差自适应差分分脉冲编码调制脉冲编码调制自适应脉冲编码调制自适应脉冲编码调制是是一一种种随随输输入入信号信号幅幅度度变化变化，而改而改变变其其量化量化阶梯尺阶梯尺度度大大小小的一的一种种编码编码方方法法；差差分分脉冲编码调制脉冲编码调制，是是相对相对前前一一个个抽样值抽样值去去估估计计后后一一个个将将要进要进行行量化量化的的予予测测值值，并只并只对对实际实际信号信号值值与与予予测测值值之之差差进进行行量化量化编码编码。参量参量编码编码渉渉及及的的语语音音参量参量主主要要有有清清音音和和浊浊音音判决判决、平均平均基基音音周期周期、幅幅度和度和增益增益控制控制等等。主主要参量要参量编码编码方方案案有线有线性性予予测编码测编码(LPC)、编码编码激励激励线线性性予予测测(CELP)、矢量、矢量和和激励激励线线性性予予测测(VSELP)等等多多种种方方案案，它它们们的速的速率目率目前前已已降降到到2.4-4.8 kb/s，而而且且语语音音质质量量评评分分好好的的已已达达到到3.3-4.0分分。时时分分复复接接32路路PCM信号时信号时分分复复接接成一成一次次群群SDH(STM-1)时时分分复复接接结构结构多址联多址联接接多波束天线多波束天线覆盖覆盖
