第四章卫星通信系统2通信卫星.ppt

在卫星通信系统中 通信卫星是最重要的组成部分之一 它为系统内的各地球站转发信号 沟通信道 因此 通信卫星技术同卫星信道的建立和使用有着密切关系 对系统性能具有决定性的影响 通信卫星 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 1 卫星的分类2 卫星的摄动3 星蚀及日凌中断4 通信卫星的姿态稳定技术 按卫星结构人造卫星可分为有源卫星和无源卫星两种 1 卫星的分类 在五 六十年代进行卫星通信试验时 曾利用过无源卫星 这种卫星是靠星体的金属表面对无线电波进行反射作为中继的 可以想到 由于自由空间的传输损耗 卫星表面的吸收损耗和反射的无规则性 通信质量是很差的 无源卫星 按卫星结构人造卫星可分为有源卫星和无源卫星两种 目前 所有的通信卫星都是有源卫星 即卫星上装载电子设备 能将接收到的来自地球站发射的信号进行放大 变频和其他处理 再发回地球 是一种有增益的可以部分地补偿传输损耗的中继 有源卫星 1 卫星的分类 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 1 卫星的分类2 卫星的摄动3 星蚀及日凌中断4 通信卫星的姿态稳定技术 按卫星离地面最大高度Hmax的大小 通常把卫星分成三类1 低高度卫星 2 中高度卫星 3 高高度卫星 1 卫星的分类 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 1 卫星的分类2 卫星的摄动3 星蚀及日凌中断4 通信卫星的姿态稳定技术 Hmax 20000KM 周期T大于12小时 5000KM Hmax 20000K 周期T约为4 12小时 Hmax 5000KM 周期T小于4小时 按倾角i的大小分 卫星可分为三类 赤道轨道卫星 极轨道卫星 倾斜轨道卫星 1 卫星的分类 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 1 卫星的分类2 卫星的摄动3 星蚀及日凌中断4 通信卫星的姿态稳定技术 按卫星同地球表面之间相对位置的关系 将卫星分成两大类 1 对地静止卫星 2 对地非静止卫星 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 1 卫星的分类2 卫星的摄动3 星蚀及日凌中断4 通信卫星的姿态稳定技术 1 卫星的分类 相对于地球表面任一点 卫星位置保持固定不变 相对地球表面任一点 卫星位置不断地变化 自然轨道 人工静止轨道 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 1 卫星的分类2 卫星的摄动3 星蚀及日凌中断4 通信卫星的姿态稳定技术 对地静止卫星的主要优点是 地球站天线易于保持对准卫星 不需要复杂的跟踪系统 通信连续 不必频繁地更换卫星 多卜勒频移可以忽略 对地面通信覆盖区面积大 便于实施广播和多址联接 信道的大部分在自由空间中 工作稳定 通信质量高 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 1 卫星的分类2 卫星的摄动3 星蚀及日凌中断4 通信卫星的姿态稳定技术 对地静止卫星的缺点 卫星的发射和在轨监控技术复杂 传输损耗和传输时延都很大 两极附近有盲区 有日凌中断和星蚀现象 自然的对地静止轨道只有一条 能容纳的卫星数量有限 在战时易受敌方干扰和摧毁 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 1 卫星的分类2 卫星的摄动3 星蚀及日凌中断4 通信卫星的姿态稳定技术 在理想条件下的人造地球卫星运动轨道应该是严格按照理论值运转的 但由于一些因素的影响 卫星运动的实际轨道不断发生不同程度偏离理想轨道的现象 这一现象称为摄动 引起人造卫星摄动的原因有如下几个方面 2 卫星的摄动 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 1 卫星的分类2 卫星的摄动3 星蚀及日凌中断4 通信卫星的姿态稳定技术 太阳 月亮引力的影响 低高度卫星 地球引力占绝对优势 太阳 月亮引力的影响可以忽略 对于高高度卫星 地球的引力仍是主要的 但太阳 月亮的引力已有一定的影响 这些力使卫星轨道位置每天发生微小摆动 从地球看去 这种摄动使 静止 卫星的位置主要在南北方向上缓慢地漂移 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 1 卫星的分类2 卫星的摄动3 星蚀及日凌中断4 通信卫星的姿态稳定技术 2 卫星的摄动 地球引力场不均匀的影响 由于地球并非理想的球体而是略呈椭球状 且表面起伏不平 这样就使地球四周等高度处的引力不保持为常数 即使在静止轨道上 地心引力仍然有微小起伏 显然地心引力的这种不均匀性 将使卫星的瞬时速度偏离理论值 从而在轨道平面内产生摄动 对静止卫星而言 瞬时速度的起伏 将使它的位置在东西方向上漂移 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 1 卫星的分类2 卫星的摄动3 星蚀及日凌中断4 通信卫星的姿态稳定技术 2 卫星的摄动 地球大气层阻力的影响 高高度卫星处于高度真空的环境中 故大气层阻力的影响可不考虑 低高度卫星 大气阻力可能有一定的影响 它将使卫星的机械能受到损耗 从而使轨道日渐缩小 例如椭圆形轨道的卫星由于受大气阻力的影响 其近地点高度和远地点高度都将逐渐减小 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 1 卫星的分类2 卫星的摄动3 星蚀及日凌中断4 通信卫星的姿态稳定技术 2 卫星的摄动 太阳辐射压力的影响 对于一般卫星来说 太阳辐射压力的影响均不予考虑 但对于表面积较大 如带有大面积的太阳能电池帆板 且定点精度要求高的静止卫星来说 就必须考虑太阳辐射压力引起的静止卫星在东西方向上的位置漂移 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 1 卫星的分类2 卫星的摄动3 星蚀及日凌中断4 通信卫星的姿态稳定技术 2 卫星的摄动 3 星蚀及日凌中断 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 1 卫星的分类2 卫星的摄动3 星蚀及日凌中断4 通信卫星的姿态稳定技术 太阳 地球 卫星共处一线 地球挡住阳光 卫星进入地球的阴影区 造成了卫星的日蚀即星蚀 星蚀期间 每天发生星蚀的持续时间不等 其持续时间最长为72分钟 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 1 卫星的分类2 卫星的摄动3 星蚀及日凌中断4 通信卫星的姿态稳定技术 3 星蚀及日凌中断 星蚀期间 卫星上的太阳能供电装置无法正常工作 而星载蓄电池又难以为各转发器提供充分的电能 因此我们调整星蚀发生时间使其发生在服务区的通信业务量最低的时间里 为调整星蚀发生时间 可以适当使卫星东移或西移 卫星位置西移1度 星蚀开始时间可推迟4分钟 东移1度则可提前4分钟 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 1 卫星的分类2 卫星的摄动3 星蚀及日凌中断4 通信卫星的姿态稳定技术 3 星蚀及日凌中断 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 1 卫星的分类2 卫星的摄动3 星蚀及日凌中断4 通信卫星的姿态稳定技术 3 星蚀及日凌中断 当卫星处于太阳与地球之间时 地球站天线在对准卫星的同时也会对准太阳 这时强大的太阳噪声使通信无法进行 这种现象称日凌中断 这种中断每年发生两回 每回延续约6天 对静止卫星系统来说 日凌中断一般是难以避免的 除非用两颗不同时发生日凌中断的卫星 在日凌中断出现前将信道转接到备用卫星工作 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 1 卫星的分类2 卫星的摄动3 星蚀及日凌中断4 通信卫星的姿态稳定技术 3 星蚀及日凌中断 通信卫星 不论是静止的还是非静止的 在轨道上运行时 都必须保持正确的姿态 以保证它的天线波束始终指向地面的服务区 对采用太阳能电池帆板的卫星 还应始终使帆板朝向太阳 实现这一要求的措施 称为姿态稳定技术 姿态控制的基本方法主要是自旋稳定法和三轴稳定法 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 1 卫星的分类2 卫星的摄动3 星蚀及日凌中断4 通信卫星的姿态稳定技术 4 通信卫星的姿态稳定技术 自旋稳定法 自旋稳定法的依据是陀螺旋转原理 此方法是使卫星围绕本身的对称轴按一定速度旋转 因此卫星的自旋轴要保持在空间某一方向上 自旋卫星的形状 大都是对称于自旋轴的圆柱形 自旋稳定法又可分为两种方式 一种是单自旋方式 另一种是双自旋方式 4 通信卫星的姿态稳定技术 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 1 卫星的分类2 卫星的摄动3 星蚀及日凌中断4 通信卫星的姿态稳定技术 采用单自旋方式时 卫星的天线同星体一起旋转 其波束应绕自旋轴成环形 功率浪费大 所以现在大多采用的是双自旋方式 在多数双自旋卫星中 天线和电子设备是安装在特制的消旋平台上的 星体自旋时 该平台作等速反向旋转 使天线固定地指向地球 因而可克服单自旋方式的上述缺点 4 通信卫星的姿态稳定技术 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 1 卫星的分类2 卫星的摄动3 星蚀及日凌中断4 通信卫星的姿态稳定技术 卫星在空间的姿态可由过卫星质心的三个轴来确定 这三根轴一般选在卫星轨道平面的垂线 轨道法线与切线三个方向上 分别称为俯仰轴 偏航轴 滚动轴 最典型的方法是在星体内分别安装以上述三轴为旋转轴的三个小型惯性飞轮 当卫星姿态正确时 各飞轮按规定速度旋转 一旦发现姿态变化 可改变飞轮转速以产生反作用来使卫星姿态恢复正常 三轴稳定法 4 通信卫星的姿态稳定技术 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 1 卫星的分类2 卫星的摄动3 星蚀及日凌中断4 通信卫星的姿态稳定技术 轨道 滚动轴 偏航轴 俯仰轴 X Z Y 指向地心 4 通信卫星的姿态稳定技术 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 1 卫星的分类2 卫星的摄动3 星蚀及日凌中断4 通信卫星的姿态稳定技术 二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 1 卫星通信的传输时延及其影响2 回波抑制和抵消 d1 d2 t1 2t 1 卫星通信的传输时延及其影响 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 1 卫星通信的传输时延及其影响2 回波抑制和抵消 A B 主站 在利用卫星进行通信时 由于卫星距离地面的距离较远 所以一次单跳传输所需的时间较地面传输系统的传输时间要大的多 如果利用静止卫星通信的话 单跳所需的传输时间为0 27秒 1 卫星通信的传输时延及其影响 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 1 卫星通信的传输时延及其影响2 回波抑制和抵消 传输时延大 是卫星通信的一个缺点 在电话线路中 大的传输时延 除了使双方通信重叠容易发生而感到有些不习惯 这是由于传输路径太远 对方的答话送回发话端时 很可能与后续的发话相重迭 影响对话的进行 的现象外 更主要的是会出现较严重的回波干扰 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 1 卫星通信的传输时延及其影响2 回波抑制和抵消 收 卫星 混合线圈 发射机 双工器 接收机 混合线圈 接收机 双工器 发射机 发 回波干扰发生过程示意图 由于二线四线耦合电路的不平衡等原因 接收的话音会有一些泄漏到发话端又经卫星返回到送话者耳中 在时延较长的卫星通信线路中 送话者会被自己发出话音的回波所干扰 即回波干扰 克服回波干扰的方法有两种 1 回波抑制2 回波抵消 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 1 卫星通信的传输时延及其影响2 回波抑制和抵消 2 回波抑制和抵消 回波抑制器是根据电话用户在发话时基本上不收听 在听话时不发话的特点而设计的 它的基本功能是 在收听对方的话音时将本地的话音发送通道断开 以防止接收信号经混合线圈泄漏又被发回对方 在本地发话时则将接收通道的衰减加大 使收到的回波大为减弱 1 回波抑制 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 1 卫星通信的传输时延及其影响2 回波抑制和抵消 2 回波抑制和抵消 回波抑制器的主要缺点是 双方同时讲话时回波抑制效果差 收 发通道的开关动作时往往可能产生话音剪切现象和 格达 干扰声 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 1 卫星通信的传输时延及其影响2 回波抑制和抵消 2 回波抑制和抵消 混合线圈 横向滤波器 反馈 2 回波抵消 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 1 卫星通信的传输时延及其影响2 回波抑制和抵消 2 回波抑制和抵消 回波抵消器比回波抑制器的性能完善 它用一个横向滤波器模拟混合线圈 使它的输出与接收话音信号相抵消 因此能有效的抑制回波干扰 且对发送与接收通道没有附加损耗 通常在相加器的输出端还加一级中心限幅器 使绝对电平低于门限电平时就没有输出 将剩余回波进一步抑制 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 1 卫星通信的传输时延及其影响2 回波抑制和抵消 2 回波抑制和抵消 三静止卫星的组成 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 太阳能电池 蓄电池 电源控制电路 传感器 姿态控制 天线控制 自旋 执行机构 轨道控制 指令译码器 遥测编码器 遥测发射机 指令接收机 双向器 本地振荡器 变频器 发射机 接收机 双向器 控制分系统 天线分系统 遥测指令天线 通信天线 遥测与指令分系统 通信分系统 电源分系统 1 天线分系统2 通信分系统3 电源分系统4 跟踪 遥测 指令分系统5 控制分系统 1 天线分系统 定向发射与接收无线电信号 卫星天线有两类 一类是遥测 指令和信标天线 它们一般是全向天线 以便可靠地接收指令与向地面发射遥测数据和信标 另一类是通信天线 按其波束覆盖区的大小可分为全球波束天线 点波束天线 赋形波束天线 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 1 天线分系统2 通信分系统3 电源分系统4 跟踪 遥测 指令分系统5 控制分系统 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 1 天线分系统 对静止卫星而言 其天线的波束恰好覆盖卫星对地球的整个视区 这类天线一般由圆锥喇叭加上45 的反射板构成 全球波束天线 1 天线分系统 1 天线分系统2 通信分系统3 电源分系统4 跟踪 遥测 指令分系统5 控制分系统 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 这种天线的覆盖区面积比较小 一般为圆形 天线结构通常用前馈抛物面天线 馈源为喇叭 可根据需要采取直照和偏照 点波束天线 1 天线分系统 1 天线分系统2 通信分系统3 电源分系统4 跟踪 遥测 指令分系统5 控制分系统 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 这种天线的覆盖区域不规则 视服务区的边界而定 为使波束成型 有的是通过修改反射器形状来实现 更多的是利用多个馈源从不同方向经反射器产生多波束的组合来实现 赋形波束天线 1 天线分系统 1 天线分系统2 通信分系统3 电源分系统4 跟踪 遥测 指令分系统5 控制分系统 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 星上的通信天线 除了波束覆盖区的形状和面积应满足整个系统的需要外 还应具有 一定的指向精度 足够的频带宽度 必要的星上转接功能 适当的极化方式 必要的消旋措施 1 天线分系统 1 天线分系统2 通信分系统3 电源分系统4 跟踪 遥测 指令分系统5 控制分系统 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 转发器是通信卫星的核心 是通信卫星中起中继站作用的部分 其主要功能是接收 处理并转发信号 对转发器的基本要求是 以最小的附加噪声和失真 并以足够的工作频带和输出功率来为各地球站有效而可靠地转发无线电信号 1 天线分系统2 通信分系统3 电源分系统4 跟踪 遥测 指令分系统5 控制分系统 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 2 通信分系统 转发器通常分为透明转发器和处理转发器两大类 1 透明转发器它收到地面发来的信号后 除进行低噪声放大 变频 功率放大外 不作任何加工处理 只是单独地完成转发的任务 因此 它对工作频带内的任何信号都是 透明 的通路 2 通信分系统 1 天线分系统2 通信分系统3 电源分系统4 跟踪 遥测 指令分系统5 控制分系统 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 2 处理转发器它除了进行转发信号外 还具有信号处理功能 星上信号的处理 主要包括 一是对数字信号进行解调再生 使噪声不会积累 另一类是在不同的卫星天线波束之间进行信号交换 再一类是进行其它更高级的信号变换和处理 如上行FDMA 变为下行TDMA信号等 2 通信分系统 1 天线分系统2 通信分系统3 电源分系统4 跟踪 遥测 指令分系统5 控制分系统 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 通信卫星的电源 除要求体积小 重量轻 效率高之外 主要应能在卫星寿命期内保持输出足够的电能 常用的卫星电源有太阳能电池和化学电池 1 天线分系统2 通信分系统3 电源分系统4 跟踪 遥测 指令分系统5 控制分系统 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 3 电源分系统 太阳能电池就是把光能直接变换成电能的装置 它大都是用N P型单晶硅做成的薄片 单片尺寸一般为1cm 2cm或2cm 2cm 贴满在卫星表面的绝缘膜上或专用帆板上 将各片的电极适当分组串 并起来就构成太阳能电池阵 太阳能电池阵输出的电压很不稳定 还须经电压调节器才能使用 1 天线分系统2 通信分系统3 电源分系统4 跟踪 遥测 指令分系统5 控制分系统 一通信卫星的基本知识二卫星信道的传输时延及回波的抑制和抵消三静止卫星的组成 3 电源分系统 化学电池化学电池大都采用镍镉 Ni Cd 蓄电池 与太阳能电池并接 非星蚀期间 蓄电池被充电 星蚀时 蓄电池供电保证卫星继续工作 另外 还有原子能电池 用作大功率通信卫星以及军用抗毁通信卫星的电源 1 天线分系统2 通信分系统3 电源分系统4 跟踪 遥测 指令分系统5 控制分系统 一通信