第1章 卫星通信概述PPT课件

(1)卫星通信，(2)课程要求和出勤：休假必须附有辅导员签署的说明。无故旷课四次以上者不得参加期末考试。两次迟到等于一次旷课。作业：按时独立完成，逾期不改。考试：期末考试成绩占总成绩的80%，其余为作业和出勤成绩。3、教材和参考书，教材夏，卫星通信。西安电子科技大学出版社，2008年参考书籍泰晤士报，卫星通信(英文版)。电子工业出版社，2003。朱立东、武艳勇、卓永宁。卫星通信系统(第三版)。电子工业出版社，2011，4，课程介绍。第1章卫星通信概述第2章卫星通信基本技术第3章卫星通信链路设计第4章卫星通信网络第5章移动卫星通信系统第5章第1章卫星通信概述1.1卫星通信的基本概念和特征1.2卫星通信地球站1.3通信卫星1.4卫星通信工作频率的选择和无线电波传播特性1.5卫星通信的发展， 1.1卫星通信的基本概念和特征，1卫星通信的基本概念，2卫星通信的特征，3卫星通信系统的组成和分类，7，1卫星通信的基本概念，卫星：指在行星轨道上运行的自然或人工天体。 通信：指带有信息的信号从一点传送到另一点的过程。广义地说，它指的是信息通过任何媒介以任何方式在任何两个地方之间相互传递的过程。现代通信是指在任何时间、任何空间、任何地点和任何物体之间以任何方式交换信息的过程。卫星通信的基本概念，通信系统：指传输信息所需的所有技术设备的总和，包括信息源、发送设备、传输介质、接收设备和接收器等。卫星通信：指两个或两个以上的地球站之间利用人造地球卫星作为中继站发射无线电波的通信。无线电频率使用微波频段。卫星通信的基本概念是微波通信：微波是指频率范围从300兆赫到300千兆赫的电磁波。微波频率用作载波，通过无线电波空间传送信息和中继(中继)通信。卫星通信可以理解为一些特殊的微波中继通信。卫星通信卫星通信系统的基本概念：使用人造地球卫星在地球站之间进行通信的通信系统称为卫星通信系统。通信卫星：用于通信目的的人造卫星称为通信卫星。它相当于一个高出地面的中继站。卫星通信是陆地微波中继通信的继承和发展，是微波中继向太空的延伸。11，卫星通信过程，图1-1卫星通信过程示意图，12，空间通信和空间通信的概念：以航天器或通信转发器为目标的无线电通信称为空间通信，它包括三种形式：(1)地球站和空间站之间的通信；(2)空间站之间的通信；(3)通过空间站的转发或反射在地面站之间进行通信。上面提到的第三种空间通信形式叫做卫星通信。卫星通信上行链路：信号从地面站传输到通信卫星的通信路径。下行链路：通信卫星向其他地面站转发信号的通信路径。当卫星轨道高时，卫星轨道高时的通信方式：两个相距很远的地球站可以同时看到卫星。即时转发卫星通信系统：仅通过一颗卫星进行即时转发的通信方式。这个系统被称为即时转发卫星通信系统。通信链路由始发地球站、上行链路、通信卫星转发器组成延迟卫星通信系统：通过延迟转发方法进行通信。17、静止卫星(同步卫星)，当卫星在赤道平面内轨道运行时；高度为35786公里；这颗卫星和地球运行在同一个方向。围绕地球的旋转周期等于地球的旋转周期(24小时)；夹角为17.34，两条切线之间的弧长为18100公里。如果三颗卫星以120等间隔排列在地球静止卫星轨道上，地球表面的其他区域在卫星覆盖范围内，除了南极和北极的盲区，有些区域是两个卫星波束的重叠区域。因此，不同卫星覆盖区域中的地球站之间的通信可以通过重叠区域中的地球站中继来实现(称为双跳)。18，图1-3地球同步卫星与地球相对位置示意图，卫星通信的特点(优势)，(1)通信距离长，成本与通信距离无关。(2)覆盖区域大，可以进行多址通信。(3)通信频率带宽，传输容量大。(4)灵活性。(5)通信链路稳定可靠，传输质量高。由于上述突出的优势，卫星通信发展迅速，成为一种强大的现代通信手段。(1)通信卫星使用寿命短。(2)存在太阳冰破裂和恒星侵蚀。(3)电波传播延迟大，存在回波干扰。(4)卫星通信系统技术复杂。(5)地球同步卫星通信在地球高纬度地区通信效果不佳，极地地区是通信的盲区。21，图1-4地球静止卫星的太阳冰中断和星蚀，卫星通信系统的组成和分类，卫星通信系统的组成：卫星通信地球站子系统的跟踪、遥测和命令子系统监控和管理子系统，图1-5卫星通信系统的组成，卫星通信系统的组成和分类，以及(1)通信卫星由一个或多个在空中中继、放大和转发信号的通信卫星组成。每颗通信卫星包括接收和发射天线、通信中继器、跟踪和遥测命令、控制系统和电源系统。根据卫星的结构，通信卫星可分为主动卫星和被动卫星。根据卫星的运动方式，它们可以分为静止卫星(同步卫星)和运动卫星(非同步卫星)，包括相位卫星和随机卫星。根据卫星的重量，它们可分为巨型卫星(3500公斤以上)、大型卫星(1000 3500公斤)、中型卫星(500 100 500公斤)、小型卫星(100 500公斤)、微型卫星(10 100公斤)、纳米卫星(1 10公斤)、微微卫星(0.1 1公斤)、飞行卫星(20000公里)和地球同步轨道卫星(h=35，786公里)。卫星通信系统的组成和分类，(2)通信地球站子系统：包括地球站和通信服务控制中心，包括天馈、发射机、接收机、信道终端、跟踪和伺服系统等。(3)跟踪、遥测和指挥子系统：跟踪和测量卫星，控制卫星准确进入地球静止轨道的指定位置，监测和校正卫星的轨道、位置和姿态。(4)监测管理子系统：监测和控制服务开通前后在轨卫星的通信性能和参数，包括转发器功率、天线增益、地球传输功率、射频和带宽等。确保通信卫星的正常运行和工作。卫星通信系统的组成和分类(2)通信地球站子系统：包括地球站和通信服务控制中心，包括天馈、发射机、接收机、信道终端、跟踪和伺服系统等。(3)跟踪、遥测和指挥子系统：跟踪和测量卫星，控制卫星准确进入地球静止轨道的指定位置，监测和校正卫星的轨道、位置和姿态。(4)监控和管理子系统：监控和控制通信卫星通信系统的组成和分类，空间部分：包括通信系统中地球外层空间的所有卫星，其功能是中继、放大和转发来自地面或空中其他卫星的信号。地面部分：主要由承担不同服务的多个地面站组成。控制部分：由所有地面控制和管理设施组成。它不仅包括用于监测和控制(跟踪、遥测和指挥系统)这些卫星的地面站，还包括用于商业和机载资源管理的地面站。卫星通信系统也可以分为三个部分：空间、地面和控制。根据卫星系统，卫星通信系统可分为随机、相位和静止卫星通信系统。按照覆盖区域，它可以分为国际、国内和区域地球静止卫星通信系统。根据用户的性质，卫星通信系统可分为公共(商业)、私人和军事类型。根据服务，卫星通信系统可分为固定服务(FSS)、移动服务(MSS)、广播服务(BSS)、科学实验和其他服务。根据多址接入方式，可分为5种卫星通信系统：频分多址、时分多址、码分多址、空分多址和混合多址。根据基带信号系统，它可以分为数字和模拟卫星通信系统。根据使用的频带，它可以分为四种类型的卫星通信系统：超高频(UHF)、超高频(SHF)、超高频(EHF)和激光。根据安装方法和设备规模，地面站可分为固定站、移动站和移动站。根据天线反射面的直径，地球站可分为20m、15m、10m、7m、5m、3m和1m等类型。根据发射信号的特点，地球站可分为模拟站和数字站。根据目的，地球站可分为民用、军用、广播、航空、导航、气象和实验地球站。根据服务性质，地球站可分为遥控站、遥测跟踪站、通信参数测量站和通信服务站。根据地面站天线孔径的大小和地面站性能因数G/T的值(即地面站接收天线增益G与接收系统等效噪声温度T的比值)，地面站分为a、b、c、d、e、f、G、z和其他类型。a、b和c被称为国际通信的标准站。表1-1天线尺寸、各种地面站的性能指标和服务类型、地面站的组成、图1-6卫星通信地面站框图、天馈功能：通过天线从发射机向卫星发射射频信号，同时接收卫星发射的信号并发送给接收机。接收器和发射器共用一对天线。为了隔离接收和发送信号，并确保接收和发送能够同时正常工作，必须连接一个双工器。原则上，地面站可以采用抛物面天线、喇叭天线、喇叭抛物面天线等形式。卡塞格伦天线通常用于大中型天线，偏馈(聚焦)抛物面天线用于小口径天线。34，35，图1-7卡塞格林天线结构图，36，发射机，上变频器和功率放大器，其主要功能是通过上变频器将调制的中频信号转换成射频信号并放大到一定的电平，然后通过馈线送至天线进行卫星传输。目前，大中型地面站一般使用行波管和调速管，而小型地面站一般使用固态砷化镓场效应晶体管。上变频器主要有一次变频和二次变频两种模式。一次变频：直接从中频(如70兆赫)转换到微波射频(如6千兆赫)。其优点是设备简单，组合频率干扰小，缺点是中频带宽有限，不利于宽带系统的实现。次级频率38、信道终端设备、信道终端设备：主要由基带处理和调制解调器、中频滤波器和放大器组成。主要功能是将用户终端发送的信息处理成基带信号并调制中频。对接收到的中频调制信号进行解调，并对始发端进行相反的处理，将基带信号输出到用户终端。39、天线跟踪设备，手动跟踪：根据卫星轨道位置数据随时间的预测变化规律，通过手动及时调整天线方向，接收到的卫星信号最强。程序跟踪：根据卫星预报数据和天线测角仪采集的天线位置值，通过计算机处理计算出角度误差值，然后输入伺服回路驱动天线，消除误差角。自动跟踪：根据卫星发送的信标信号，检测到误差信号，驱动跟踪系统自动将天线对准卫星。天线跟踪设备主要用于校正地球站天线的方位角和仰角，以便使天线与卫星对准。跟踪通常有三种类型：手动跟踪、程序跟踪和自动跟踪。根据应用情况和要求决定使用哪一种。供电设备地球站的供电设备应提供站内所有设备所需的电能，因此供电设备的性能将影响卫星通信的质量和设备的可靠性。为了满足地球站的供电需要，一般有两种供电设备，即交流不间断电源设备和应急电源设备。卫星通信的基本原理，图1-8多信道电话信号的传输，42，1.3通信卫星，1卫星和轨道，2卫星覆盖和星座设计，3通信卫星的组成，4通信卫星的例子，43，1卫星和轨道，卫星轨道的基本定律，卫星轨道的分类，卫星位置保持和姿态控制，44卫星运动的基本定律，卫星轨道：卫星围绕地球的轨道可以是圆形或椭圆形。轨道平面：轨道位置都在穿过地球中心的平面上。卫星在其上移动的平面称为轨道平面。基本定律：假设地球是一个质量分布均匀的球体，忽略了太阳、月亮和其他行星的引力效应，卫星运动遵循开普勒三定律。45、开普勒第一定律(轨道定律)，卫星以地球中心为焦点作椭圆运动。在极坐标中，卫星运动方程可以表示为：图1-9地球卫星轨道(a)椭圆轨道(b)圆形轨道。46，开普勒第一定律(轨道定律)，如果是这样，轨道是圆形的；如果是这样，轨迹是一条椭圆线；如果是这样，轨道是抛物线；如果是这样，轨道就是双曲线。开普勒第二定律(面积定律)卫星在同一时间连接到地球中心所扫过的面积是相等的。卫星在椭圆轨道上的瞬时速度是：开普勒第二定律图。48，开普勒第三定律(周期定律)。卫星运行周期的平方与轨道半长轴的立方成正比。卫星绕地球飞行的周期如下：49、【例】已知地球静止卫星的周期T=24恒星时，即2356分钟4.09054秒，地球半径为6378公里，因此可以计算卫星离地面的高度和瞬时速度。椭圆轨道卫星的近地点高度(从近地点到地球的距离)为1000公里，远地点高度为4000公里。在地球平均半径为6378.137公里的条件下，计算了卫星的轨道周期、近地点和远地点速度。51，地心赤道坐标系，几个天文术语：上升节点：卫星从地球南半球飞向北半球时穿过地球赤道平面的点。春分：假设地球不动，太阳围绕地球转。当太阳从地球的南半球移动到北半球时，穿过地球赤道面的点称为春分点。地心赤道坐标系：坐标52，图1-10地心赤道坐标系，53，卫星轨道参数，轨道平面的倾角I，即卫星轨道平面与赤道平面夹角的半长轴a轨