卫星通讯 第1章 第2讲

地球站都有那几部分组成？简单描述卫星信号收发的一般过程。复问1.3.1卫星与轨道通信卫星是卫星通信系统中最关键的设备。本质：通信卫星是一个设在空中的微波中继站，功能；将上行信号进行低噪声放大、混频，混频后的信号再进行功率放大后转换为下行信号。※上行信号和下行信号载波频率是不同的，这是为了避免在卫星通信天线中产生同频率信号干扰。1.3通信卫星1.3通信卫星通信卫星间谍卫星1.3通信卫星1.3通信卫星亚洲七号卫星亚洲七号卫星简介发射时间：2011年11月26日发射地点：哈萨克斯坦的拜科努尔发射基地发射商：中国中信集团的亚洲卫星公司制造商：美国劳拉空间系统公司运载火箭：俄罗斯质子M火箭位置：105.5E1.3通信卫星相关参数波段：28个C波段及17个Ku波段转发器，并配备一个Ka波段波束，覆盖范围：C波段覆盖范围包括亚洲、大洋洲全境以及非洲和欧洲的部分地区；此外，还拥有功率强大的Ku波段覆盖，置有东亚、南亚及一个调转式波束，并可为亚洲四号卫星及亚洲五号卫星提供全面的备用支持。1.3通信卫星1.3通信卫星亚洲七号卫星覆盖范围开普勒三定理1.3通信卫星►第一定理（1602年）小物体（卫星）在围绕大物体（地球）运动时的轨道是一个椭圆，并以大物体的质心作为一个焦点►第二定理（1605年）小物体（卫星）在轨道上运动时，在相同的时间内扫过的面积相同►第三定理（1618年）小物体（卫星）的运动周期的平方与椭圆轨道半长轴的立方成正比关系1.3通信卫星开普勒定理的图形描述卫星轨道形状参数

►偏心率e：决定了椭圆轨道的扁平程度 ►轨道半长轴a

：远地点与椭圆轨道中心C的距离 ►轨道半短轴b：近地点与椭圆轨道中心C的距离 ►e、a和b满足关系:当e=0时，椭圆轨道退化为圆轨道1.3通信卫星卫星轨道形状参数

►半焦距：地心与椭圆轨道中心的距离 ►r：卫星到地心的瞬时距离，对椭圆轨道是个时变量，对圆轨道可看作常数 ►远地点(apogee)：地心与椭圆轨道中心的距离 ►近地点(perigee)：地心与椭圆轨道中心的距离

1.3通信卫星开普勒三定理的数学表达

第一定律(轨道定律)：卫星以地心为一个焦点做椭圆运动。

在极坐标中，卫星运动方程可写成：

式中：θ是瞬时卫星-地心连线与地心-近地点连线的夹角，是卫星在轨道面内相对于近地点的相位偏移量；p=a(1-e2)为椭圆半焦弦。1.3通信卫星

第二定律(面积定律)：卫星与地心的连线在相同时间内扫过的面积相等。

根据机械能守恒原理可以推出：

►

椭圆轨道上卫星的瞬时速度：

►

圆轨道上卫星的瞬时速度：1.3通信卫星第三定律(轨道周期定律)：卫星运转周期的平方与轨道半长轴的3次方成正比。

►

椭圆轨道：

►

圆轨道：1.3通信卫星例：某采用椭圆轨道的卫星，近地点高度（近地点到地球表面的距离）为1000km，远地点高度为4000Km。在地球平均半径为6378.137km的情况下，求该卫星的轨道周期T。 解：长轴为远地点和近地点之间的直线距离，在半长轴为a，地球半径为Re，近地点高度为hp和远地点高度为ha时，有： 所以，半长轴a=8878.137km，由此可计算轨道周期：1.3通信卫星地心坐标系►地心O为原点►X轴指向春分点方向►Z轴与地球的自转轴重合，指向北极点►X轴和Y轴确定的平面与赤道平面重合►X、Y、Z轴构成一个右手坐标系1.3通信卫星轨道参数

►在地心坐标系中，为完整地描述任意时刻卫星在空间中的位置，通常使用2组6个轨道参数

►第一组参数定义了轨道的方位，用于确定卫星相对于地球的位置

►第二组参数定义了轨道的几何形状和卫星的运动特性，用于确定卫星在轨道面内的位置1.3通信卫星确定轨道平面方位的三个参数为：

►右旋升交点赤道经度Ω：赤道平面内从春分点方向到轨道面交点线间的角度，按地球自转方向度量

►轨道倾角i：轨道平面与赤道平面间的夹角

►近地点幅角ω：轨道平面内，升交点与近地点间的夹角，从升交点按卫星运行方向度量1.3通信卫星确定轨道平面几何形状和卫星的运动特性的三个参数为：

►轨道偏心率e：反映了轨道面的扁平程度，取值范围[0,1)；

►轨道半长轴a：椭圆轨道中心到远地点的距离；

►平均近点角M或过近地点时间tp

：通过平均近点角M或过近地点时间tp可以计算卫星的真近点角ν。M和tp满足如下关系式（式中Ts为卫星轨道周期）。1.3通信卫星圆轨道参数 对圆轨道，通常认为轨道偏心率恒为0，近地点和升交点重合，只需4个参数就可以完整描述卫星在空间的位置：

►右旋升交点赤道经度Ω

►轨道倾角i

►轨道高度h

►初始时刻的真近点角ν（即初始幅角）1.3通信卫星卫星在圆轨道平面内的定位

►对圆轨道，以升交点代替近地点作为面内相位参考点

►卫星以近似恒定的速度Vs飞行，因此瞬时卫星与升交点间的夹角θ

1.3通信卫星卫星在椭圆轨道平面内的定位►通常采用右侧所示几何方法来间接计算卫星的瞬时真近点角►图中，E称为偏心近点角，θ是真近点角►根据开普勒第二定理，可以推导偏心近点角E与平均近点角M之间满足关系：1.3通信卫星卫星星下点轨迹

►卫星的星下点指卫星－地心连线与地球表面的交点

►星下点随时间在地球表面上的变化路径称为星下点轨迹

►星下点轨迹是最直接地描述卫星运动规律的方法假定0时刻，卫星经过其右升交点，则卫星在任意时刻t（>0）的星下点经度（用λs表示）和纬度（用φs表示）由以下方程组确定：1.3通信卫星一颗轨道高度为13892km，轨道倾角60º，初始位置（0ºE，0ºN）的卫星24小时的星下点轨迹如下图所示：1.3通信卫星2.卫星轨道的分类1）按形状：椭圆轨道和圆轨道2）按倾角：赤道轨道、极轨道和倾斜轨道1.3通信卫星3）按高度：低地球轨道（LEO）、中地球轨道（MEO）、静止/同步轨道（GEO/GSO）和高椭圆轨道（HEO）

1.3通信卫星轨道类型可用高度（km）LEO700～2000MEO8000～20000GEO/GSO35786HEO远地点可达400003.卫星轨道的摄动定义：卫星的实际轨道不断发生不同程度地偏离开普勒轨道的情况，产生一定的漂移，这种现象称为摄动。原因：(1)、太阳、月亮引力的影响。(2)、地球引力场不均匀的影响。(3)、太阳辐射压力的影响。(4)、地球大气阻力的影响。1.3通信卫星（1）位置保持定义：使卫星在运行轨道平面上的位置保持不变。方法：轴向喷嘴+横向喷嘴※静止卫星必须采取位置保持技术，其定点精度约为±0.1°，换算成位置精度约为±40km。1.3通信卫星4.卫星的位置保持与姿态控制（2）姿态控制控制卫星保持一定的姿态，以便使卫星的天线波束始终指向地球表面的服务区，同时，对采用太阳能电池帆板的卫星，还应使帆板始终朝向太阳。姿态控制的一般步骤：1.3通信卫星测定卫星姿态将测定结果与所需值进行比较，计算出修正量操作相应的发动机单元，引入修正量进行姿态修正方法：自旋稳定三轴稳定重力梯度稳定磁力稳定1.3通信卫星一颗椭圆轨道的卫星，近地点高度（近地点到地球表面的距离）为2000km，远地点高度为6000Km。在地球平均半径为6400km的情况下，求该卫星的轨道周期T。

作业亚洲七号通信卫星的位置在哪里？简单描述开普勒三大定律。复问1.3.2卫星覆盖与星座设计1、单颗卫星覆盖特性计算 单颗卫星对地覆盖的几何关系如下图所示：1.3通信卫星一般来说，星下点P′处于星上天线全球波束的立轴上。不难得出以下结论：

(1)卫星的全球波束宽度：

，式中q1/2为波束的半功率宽度，即卫星对地球的最大视角；R为地球半径；h为卫星离地面的高度。对于静止卫星来说，q1/2≈17.34°。

(2)覆盖区边缘所对的最大地心角：

对于静止卫星，a=81.3°。

(3)卫星到覆盖区边缘的距离：

对于静止卫星，d=41700km。1.3通信卫星(4)覆盖区的绝对面积S与相对面积S/S0分别为：对于静止卫星来说，理论值：S/S0＝42.4％，地球站天线对准卫星的仰角接近0°INTELSAT规定地球站天线的工作仰角≥5°，静止卫星的可通信区实际值：S/S0=38％。1.3通信卫星2.方位角、仰角和站星距的计算

站星距：AP地球站A（

f1、q1)星下点P′（f2、0

)经度差：f=f2－f1纬度差：q1－0=q11.3通信卫星1.3通信卫星1.3通信卫星1.3通信卫星主要参数：Freq：1.449GHzSpan：500kRB10kVB100LEVEL-40SWEEP1sCALCNormal1.3通信卫星3.星座设计卫星星座的定义： 具有相似的类型和功能的多颗卫星，分布在相似的或互补的轨道上，在共享控制下协同完成一定的任务1.3通信卫星星座设计时的基本考虑：仰角传输延时有效载荷的能量消耗链路干扰多重覆盖1.3通信卫星GPS1.3通信卫星北斗星座的覆盖方式星座种类：1.3通信卫星(a)星状星座；(b)网状星座星座覆盖的四种方式：1.3通信卫星持续性全球覆盖

持续性地带覆盖

持续性区域覆盖

部分覆盖设计最佳星座：标准：轨道高度尽可能低（路径损耗），卫星数量尽可能少（费用最省），最小仰角尽可能大（通信路径的各种衰减较小），指定区域进行全天候的持续性覆盖（24小时不间断的连续覆盖）。调整参数：轨道倾角升节点1.3通信卫星卫星覆盖带

►覆盖带是基于同一轨道面内多颗卫星的相邻重叠覆盖特性，在地面上形成的一个连续覆盖区域

►覆盖带半（地心角）宽度c

α为单颗卫星覆盖的半地心角宽度，S为每个轨道面内的卫星数量π/S为卫星之间的半地心角宽度1.3通信卫星星座的类型1.3通信卫星相位(Phasing)星座时间上具有相对固定位置的卫星组成要求对卫星进行轨道控制随机(Random)星座由轨道高度和倾角均不同的卫星组成没有轨道控制星座的表示及主要参数：轨道面数每个轨道面内的卫星数轨道平面的倾角轨道面的升节点位置初始相位角半长轴偏心率近地点幅角w1.3通信卫星1.3.3通信卫星的组成

1.3通信卫星空间平台结构分系统温控分系统控制分系统跟踪、遥测和指令分系统电源分系统远地点发动机有效载荷天线分系统通信转发器透明转发器处理转发器通信卫星的组成天线分系统通信分系统电源分系统跟踪遥测与指令分系统控制分系统温控分系统1.3通信卫星54通信卫星的组成该系统在地面测控站的指令控制下完成对卫星的姿态、轨道位置、工作状态、主备用部件切换等各项功能的调整。天线分系统的主要任务是定向发射和接收无线电信号。在通信卫星中直接起中继站作用，完成接收、处理、发射信号作用。主要包括遥测与指令两大部分。卫星上各种电子设备所需能量的源泉。天线（天线分系统）卫星天线有两种类型：

①全