《卫星通信与卫星网络》课件-第3章

第3章卫星3.1电源子系统3.2姿态和轨道控制子系统3.3-遥测、跟踪、遥控和监测子系统3.4通信子系统3.5热量、温度控制子系统3.6本章小结

3.1电源子系统

所有的通信卫星都利用太阳能电池供电。其中大部分电能用于确保通信系统的正常运行,特别是确保信号发射器的正常工作,小部分电能用于维持星上其他子系统的运行。

卫星还必须携带蓄电池,用以在星蚀期间为卫星提供电能。对GSO卫星而言,一年会出现两次星蚀,大约出现在春分和秋分,此时卫星处于地球的阴影中。通常星蚀于春分和秋分前约23天开始,在其后约23天结束。星蚀开始后,其每天持续时间会增加几分钟,直到春分或秋分当天达到最大值70min,之后每天减少,见图3-1。

图3-1星蚀时间与一年中的天数之间的关系

3.2姿态和轨道控制子系统

赤道上有两个稳定点,其位置在105°W和75°E。卫星会朝着赤道上两个稳定点中的一个加速运动,造成卫星晃动。同步卫星受力分析见图3-2。

图3-2同步卫星受力分析

通常姿态控制发生在卫星上,即卫星自主进行姿态控制,但也有可能控制信号从地球站传送过来,这个控制信号基于来自卫星的姿态数据。当希望对卫星的姿态进行调整时,

就可以进行姿态机动,实现这个操作的控制信号可以由地球站直接发送。卫星在自由空间处于失重状态,此时保持卫星稳定的方法有两种,即自旋稳定和三轴稳定,分别见图3-3和图3-4。

图3-3-自旋稳定卫星

图3-4三轴稳定卫星

3.2.1自旋稳定

自旋稳定往往由圆柱形的卫星来实现,卫星运行在一个特定的轴上以实现机械平衡,然后围绕这个轴旋转。对于对地静止卫星,自旋轴要调整到与地球的南北极轴相平行,如

图3-5所示。卫星标准的自选速度为50~100周/分钟,自旋是在发射时通过少量的气体喷射产生的。

图3-5对地静止卫星的自旋稳定(自旋轴沿俯仰轴方向,与地球极轴平行)

当使用全向天线时,与俯仰轴同向的天线也和卫星一道旋转。当用定向天线时,该天线必须消旋,即要有一个双自旋结构,此时就需要电动机来使天线子系统消旋。图3-6说明了自旋式卫星利用红外线传感器控制天线指向的原理,图3-7给出了基于图3-6所示技术的一个典型控制环路。

图3-6采用红外线传感器的自旋式卫星的南北向(NS)控制原理

图3-7自旋式卫星典型星载控制系统

3.2.2三轴稳定

与自旋稳定卫星相比,三轴稳定卫星控制系统更为复杂,其传感器数据和处理以及喷气机和动量轮的控制都利用计算机完成。在三轴稳定卫星系统中,不存在自旋稳定的力矩来对抗扰动力矩,它采用矫正力矩来响应扰动力矩。产生这种主动控制力矩的方法包括动量轮、电磁线圈和大量排气设备,如气体喷射器和离子推进器。

地球的电磁场会对通电线圈产生一个力矩,可以通过控制电流来控制这个力矩,以达到对抗扰动力矩的作用。显然,这种方法只适用于卫星,因为地球的电磁场在距离地球较远的宇宙空间极其微弱。

可采用动量轮来稳定卫星。动量轮一般是一个由电机驱动的金属盘。动量轮既可以在每一个轴上都安装一个,也可以安装在平衡环上,产生一个关于任意轴转动的力矩。根据

角动量守恒定律,提高动量轮的速度可以使卫星向相反的方向运动。

电弧喷气机和离子推进器主要用于南北站点保持操作。南北站点保持操作是站点保持中最耗能的操作,Hughes/Boeing600系列卫星采用的就是此类推进器。虽然此类推进器的推力较小,不能快速移动卫星,但是其产生的连续推力可以满足NS和EW站点保持的要求。排气设备与动量轮组合起来构成三轴稳定系统,见图3-8。

图3-8多种动量轮稳定系统

以卫星为原点建立笛卡尔坐标系O-XRYRZR,如图3-9所示。ZR指向地心,位于卫星轨道面内经过星下点,O-XR轴与卫星轨道相切,位于轨道平面内,O-YR轴与轨道平面垂直。对于位于北半球的卫星而言,XR

和YR方向就是东方和南方。通常将卫星关于O-

XR、O-YR

、O-ZR轴的旋转定义为关于O-

XR

轴滚动、关于O-YR轴俯仰和关于O-

ZR轴偏航,与卫星沿X方向运动时的方向一致。只有当卫星相对于各轴都保持稳定时,天线波束才可能保持精确的指向。

图3-9卫星坐标系示意图

3.2.3-轨道控制

除了姿态控制以外,卫星保持正确的运行轨道也十分重要。如前所述,椭圆形的地球会使对地静止卫星向着75°E和105°W两个固定点之一缓慢地偏移。为了应对这个偏移,

喷射器每2~3周启动一次,将一个反向速度分量施加在卫星上,使卫星恢复到它的标称轨道位置。这种操作被称为南北位置保持机动,工作于6/4GHz频带的卫星必须保持在标称经度位置的±0.1°范围内,14/12GHz频带的卫星在±0.05°范围内。

若卫星轨道形状不是圆形,则其速度增量必须沿轨道变化,即沿O-X轴变化。自旋式卫星和三轴稳定卫星的变化方式不同:当自旋式卫星位于O-X轴上时,喷气机立即启动;而三轴稳定卫星通常采用两对方向相反的O-X喷气机,利用其中一对在预定时间内产生所需的速度增量。一般而言,对地静止卫星的轨道在大部分时间内的形状都是圆形,因而并不需要进行速度纠正来保持形状。从轨道高度控制方面来说,高度纠正一般是利用Z轴燃气喷气机来完成的。

LEO和MEO卫星也需要采用姿态和轨道控制系统来保持正确的轨道和姿态。由于卫星在LEO轨道上受到的地球引力较大,其姿态稳定操作常采用一种由刚性材料制成的重

力梯度杆进行。重力梯度杆是一根指向地心的长杆,如图3-10所示。它主要利用杆两端重力场的势差来减小卫星关于Z轴的漂移。

图3-10重力梯度稳定卫星

通过精心选择卫星的发射轨道,可以利用引起轨道倾角变化的惯性力来延长卫星的站点从而保持寿命。首先,将卫星发射到轨道倾角不为零的轨道上,然后利用惯性力的作用,

使轨道倾角自动变为零。在此期间,卫星是完全满足EW站点保持容限的。一旦倾角变为零,常规站点保持操作便自动启动,从而在两轴之间保持严格的轨道控制。采用该方法,初始倾角每增加一度便将卫星的寿命延长一年。有些通信系统由于可以利用地面站对卫星进行准确跟踪,或者根本就无需跟踪(例如采用全向天线),所以并不需要十分严格的站点保持。对这些系统中的GEO卫星而言,其倾角容限可以适当放宽,但不得超过EW站点保持容限,否则会对其他卫星系统造成严重干扰。

3.3-遥测、跟踪、遥控和监测子系统

遥测功能可以被理解为“远距离测量”,包括产生电信号、信号编码后传送到一个远站点,对于卫星来说,这个站点是某个地球站。遥测信号传送的数据包括从太阳、地球传感器获得的姿态信息(如磁场强度、空间方向等环境信息)以及温度、电源电压、存储燃料压力等航天器信息。

地面站对卫星的跟踪是通过卫星发送信号和TT&C地球站接收信标信号来实现的。很明显,卫星跟踪在轨道转移和漂移阶段很重要。一旦卫星到达站点,对地静止卫星的位

置将会移动,这个移动是各种扰动力的结果。因此,必须跟踪卫星运动,并发送所需的正确信号。用于跟踪的信标信号可以在遥测信道上发送,通过在主要通信信道之一上的导频信号或者专门的跟踪天线来实现。卫星和各个地球站的距离也需要知道,这个可以通过测量信号(特别是用于测距的信号)的传播时延计算得到。除了卫星上的TT&C子系统,还需要地面的设施,系统框图见图3-11。

图3-11TT&C卫星控制系统

一般来说,遥控和遥测链路与通信系统是分开的,尽管两者可以采用相同的工作频段(6GHz和4GHz)。例如,Intelsat卫星采用两级指挥系统:主系统的工作频段为6GHz,链路频率在两个相邻通信信道的频率之间;遥测主系统的工作频段为4GHz,链路间隔与主系统相似。由于这些天线为喇叭天线,因而只有在卫星姿态保持正确时,主系统才能正常工作。在卫星发射以及进入轨道阶段,由于卫星还不具备正确的姿态,或者太阳能电池板还没有展开,因此TT&C系统不能正常工作。

3.4通信子系统

通信卫星为语音、视频和数据通信提供了一个中继平台。卫星上其他子系统均是为通信子系统服务的(区别于特殊用途的侦察、气象、遥感等资源卫星),它们所占的体积、质量和成本只占整颗卫星的一小部分。对于卫星系统的运营商来说,其主要收入均来源于卫星上的通信系统,那么设计卫星时的主要目标就是尽可能地提高卫星的业务容量。

早期的通信卫星转发器带宽为250MHz或者500MHz,天线增益较低,发射机输出功率也只有1~2W。当使用全带宽传输时,由于地面接收机无法获得足够高的信噪比,因而当时的系统是一个功率受限系统。此后,通信卫星的转发器功率得到提高,如DBSTV卫星的输出功率可达200W,而且频带利用率也在不断稳步提高。以工作在6/4GHz(一般上行链路发射频率较高)频段、带宽为500MHz的卫星为例(其转发器的频率规划见图3-12),要提高其信道容量,只能依靠增加带宽和频带复用的方法。目前,大容量的通信卫星均向着频带复用的方向发展,即采用的是同频有向波束(空间复用)以及同频极化波(极化复用)。

图3-126/4GHz频段内转发器的频率规划

当转发器内有多路信号时,使用频分多址(FDMA,FrequencyDivisionMultipleAccess),功率放大器的输出功率必须低于最大输出功率,以保持放大器的线性特性,从而减少交调产物。发射机的输出功率与其峰值功率的差值称为输出补偿。

3.4.1转发器

卫星采用区域波束天线和点波束天线共同接收地面站发射的信号。区域波束天线可以接收来自于覆盖区域内任何发射机的信号,而点波束天线的覆盖区域有一定的限制。图3-12所示为6/4GHz频段内转发器的频率规划。

1.透明/线性转发器

多数6/4GHz卫星采用透明/线性转发器,采用这种转发器的卫星也被称为弯管卫星,转发器简化框图见图3-13。

图3-13-6/4GHz单变频透明转发器简化框图

14/11GHz转发器采用如图3-14所示的双变频方案。由于制备中频(IF,IntermediateFrequency)频段(如1100MHz)的器件(如滤波器、放大器、均衡器)比高频频段(14GHz或11GHz)的器件容易得多,所以往往选择在中频频段对信号进行处理,即首先将频率为14GHz的输入载波下变频为1GHz的信号,经过中频放大后,再将信号上变频为11GHz,最后送入高功率放大器放大输出。

图3-1414/11GHz单变频透明转发器简化框图

2.星上处理转发器

星上处理转发器可用于加速上行链路接入技术与下行链路接入技术的转换,从而使多个地面站可以通过卫星相互连接。星上处理转发器可以提供交换波束系统所需要的数据存

储,也可以对上行和下行链路分别进行纠错处理。采用星上处理转发器的卫星的通信系统框图如图3-15所示。

图3-15星上处理转发器

3.4.2天线

卫星上的天线用于发射和接收射频信号,它是增强发射和接收信号强度的基本单元,可对信号进行放大、处理和转发。一般而言,衡量天线性能的最重要参数是天线增益、波

束宽度和旁瓣功率。大多数卫星通信都采用方向性强(高增益、窄束宽)、旁瓣可以忽略的天线。卫星系统中常见的天线类型有线性偶极子天线、喇叭天线、抛物面反射天线和阵列天线。

对于卫星通信,阵列天线的使用越来越受到重视。通过组合来自若干个偶极子、螺线或喇叭的设备,可以形成一个可转动的聚焦波束。波束形成可以通过对每个阵元处的信号

进行电子相移来实现。适当选择各个阵元间的相位特性,可以在天线系统没有物理运动的情况下对方向和波束宽度进行控制。阵列天线的增益与阵元数的平方成正比。利用阵列天

线可以实现与抛物面反射天线相当的增益和波束宽度。

1.半波偶极子天线

尽管半波偶极子天线的使用场合有限,但在卫星通信中它被看作一种基本的天线类型。除了沿着偶极子轴自身方向外,辐射还指向其他方向,其接近全向的辐射特性便于卫星上、下行的遥测与遥控信号的发射和接收。在卫星发射阶段,由于不能直接部署方向性强的天线,因此半波偶极子天线便作为一种基本的天线类型。

图3-16(a)展示了半波偶极子天线,图3-16(b)和(c)分别描述了它在XY平面和任一子午面内的辐射方向。因为无线电波沿着电线方向的相速度略小于无线电波在自由空间的传播速度,波长相应也小一些,因此天线的实际尺寸大概是自由空间半波长的95%,见图3-16(a)。这个调整使得天线恰好共振。半波偶极子天线的特性如下:

(1)阻抗为73Ω。

(2)方向性系数为1.64(或者2.15dB)。

(3)有效孔径为0.13λ2。

(4)-3dB波束宽度为78°。

图3-16半波偶极子天线

假定天线效率是1(ηA=1),其功率增益仍为1.64。如图3-16(b)所示,在XY平面内的辐射是最大的,归一化值为1。偶极子的对称性意味着在这个平面内辐射方向图是单位圆。对称也意味着包含偶极子轴(Z轴)的所有平面内方向图是相同的。因此,辐射方向图仅仅是θ的函数,表达式为

2.喇叭天线

喇叭天线是孔径天线的一个例子,它提供了从波导管到与空间更有效耦合的平滑过渡。喇叭天线直接应用于卫星上,作为发射器以照射相当大的地球区域,也广泛用作反射类型天线的主馈。图3-17给出了典型的三种喇叭天线。

角锥喇叭主要用于线性化设计。一般来说,该角锥喇叭的横截面为a×b的矩形,其工作模式为TE10波导管模式。一般而言,角锥喇叭天线在H和E平面的波束宽度是不等的。

但是,可以选择合适的孔径尺度使其相等。角锥喇叭可以同时工作在水平和垂直极化两种模式下,从而产生双线性极化。

图3-17喇叭天线

3.反射天线

反射天线一般由几个喇叭天线组成,可以提供比单个喇叭天线更大的孔径。要获得最大增益,必须在反射体的孔径中产生平面波。通常选择与馈源到孔径段路径长度相同的反

射天线,从而使馈源辐射的能量和反射端反射的能量到达孔径时有相同的相角,产生统一的波前。这种天线一般是以馈源为焦点的抛物面天线,抛物面天线是多数反射天线的基本形式,通常作为地面站天线。

对于反射型天线,连接馈源喇叭和收发装备的馈线必须尽量短,以减小路径损耗,这对大型地球站特别重要,因为它要发射大功率,而且需要非常低的接收噪声。双反射器天

线(馈源通过主反射器顶点的一个口子安装在它的背面,使得天线易于操作,且易于进行保养;安装在主反射器前面的副反射器通常比馈源喇叭小,产生的阻挡很小)主要有两种类型:卡塞格伦(Cassegrain)天线和格里高利(Gregorian)天线,见图3-18。

图3-18卡塞格伦天线和格里高利天线

4.相控阵天线

卫星上也采用相控阵天线从单一孔径产生多个波束,如Iridium和全球星LEO移动电话系统采用的就是相控阵天线,其单一孔径产生的波束数达16个。相控阵天线具有自适应

波束成形、超分辨率测向等功能,能在复杂的电磁环境中分别测出工作频带内信号和干扰的数量、强度、超分辨率测向,估计各信号之间的相干性,根据需要选择一个或多个有用

信号,并将其分离,抑制各种干扰,能达到最佳接收效果。

在同一个信号多径到达的情况下,可以判断出多径信号的数量和各自的强度,或者选择最强的一路信号,或者将各路信号同相叠加来增强信号。此外,它还具有自校验、天线元失效检测功能,并能对由此引起恶化的方向图进行修正,还能形成超低旁瓣。

相控阵天线技术是天线技术与数字信号处理技术相结合的产物,其抗干扰性能优越,容易实现多波束,并且波束数量几乎不受限制,这种天线很适合卫星移动通信的需要。

5.其他天线

赋型波束天线方向性图的主波束形状与用以覆盖的地理区域相吻合,通常要求赋型波束覆盖区内增益电平较为平坦,覆盖区域外增益电平迅速下降,远处无显著旁瓣。赋型波束天线的增益与其覆盖范围密切相关,为了使整个覆盖区内获得最佳EIRP,要求赋型波束的形状尽量与要覆盖的地域轮廓相一致。多馈源照射抛物面反射天线通常由反射面和多个馈源喇叭组成,可以用来产生多个不同指向的波束。

多波束天线利用同一口径面同时产生多个不同指向波束的天线,但也有每个波束使用一个独立天线结构的多波束天线。卫星配置多波束天线具有下述优点:进行有效的计划隔

离和空间隔离,实现频谱复用,从而使通信容量成倍增加;可使原先区域波束或国内波束的大面积覆盖变为由数十个、数百个点波束蜂窝状覆盖,从而显著提高卫星发射的EIRP和接收品质因数(G/T)值;可以根据需要实现波束扫描或波束重构,以适应对地覆盖区域的变化,从而使系统具有更大的灵活性。

反射面多波束天线和透镜多波束天线的工作原理基本相同,都是把馈源阵列置于反射面或透镜的焦平面,通过控制馈源与焦点的相对位置,由偏焦的各个馈源形成多个相互覆盖的点波束,可以在空间区域实现最佳覆盖,两者的差别是使用的材料不同。阵列多波束天线通过控制天线辐射单元阵列的馈电信号的幅度和相位来形成多个波束,这种天线还能灵活地实现波束扫描和快速跳变,并具有良好的空间分辨力。

3.5热量、温度控制子系统

卫星受到大的热量梯度的影响,一侧接收太阳辐射,另一侧面对太空。除此之外,来自地球和地球返照(albedo)的热辐射(这是落入地球且被地球反射的一部分辐射)虽然对于对地静止卫星可以忽略,但对于低纬度的地球轨道卫星是需要注意的。卫星上设备产生的热量也需要消除,考虑到卫星的仪器应该尽可能在一个稳定的温度环境下工作,通常使用保温垫、防护层来提供这种隔离环境。反射镜经常用来转移通信负载产生的热量。

镜面热量反射器/反射镜围绕在通信设备隔板周围,为所产生的热量提供了很好的反射途径。自旋稳定卫星相对于三轴稳定卫星有一个优点:自旋提供了两种极限温度的平衡,这两种极限温度分别来自太阳辐射流和深空冰冷环境。为了保持恒定的温度条件,当卫星转发器关闭时,可以接通加热器。

3.6本章小结通信卫星是一个能够在卫星轨道上提供稳定通信或信息中继的平台。大型GEO卫星设计的使用年限一般不会超过10年,其携带的燃料可以供卫星运行15年以上。为了开展通信业务,卫星携带多个子系统:姿态和轨道控制子系统用于将卫星以正确的姿势保持在正确的轨道和站点上;遥测、跟踪和遥控子系统使得地面站对卫星上的子系统