通信卫星系统在轨管理

1、1,通信卫星系统在轨管理 孙少华 2009-10-11,2,主要内容,什么是卫星通信 通信卫星分系统介绍 通信卫星在轨管理介绍 通信卫星管理的日常操作 通信卫星管理的重点操作 其他,3,什么是卫星通信？,卫星通信，就是以人造卫星作为无线信号传输的中继站，实现地面、海上、空中的无线电通信。卫星通信是地面微波通信向空间的延伸，是微波接力通信的一种特殊形式。,4,什么是卫星通信？,5,什么是卫星通信？,人造地球卫星的轨道有同步轨道、极地轨道和倾斜轨道三种。,6,什么是卫星通信？,移动通信卫星和导航卫星，多采用中轨、倾斜轨道，轨道倾角在0 到90 之间。 遥感观测卫星多使用极地轨道，低轨、轨道倾角为9

2、0。 通信卫星多数使用同步轨道，轨道倾角为0 ，卫星距离地面的高度约为35786.6公里。,7,什么是卫星通信？,卫星通信的业务种类包括：卫星固定业务、卫星移动业务、卫星广播业务。 卫星固定业务：地球站固定不动 卫星移动业务：地球站是舰船、飞机、车辆等移动体 卫星广播业务：电视广播和语音广播业务,8,什么是卫星通信？,卫星通信的特点： 通信距离远，最大通信距离达18000公里，建站成本与通信距离无关 。 以广播方式工作，便于实现多址联接。 系统的稳定性不受地面灾害性破坏的影响，能够在重特大灾难中发挥重要作用。,9,卫星操作介绍,卫星的典型示意图-中星9号,10,卫星操作介绍,卫星的典型示意图-

3、鑫诺3号,11,通信卫星通常由以下几个分系统组成： 结构分系统 电源分系统 热控分系统 测控分系统 推进分系统 星载计算机分系统 姿态控制分系统 有效载荷分系统,通信卫星的组成,12,结构分系统,结构分系统主要任务是：与火箭接口；支撑所有其它分系统。,13,结构分系统,结构分系统分为天线模块、通信模块和卫星平台(包括服务模块、推进模块和太阳电池阵模块等)。 卫星平台按其稳定方式又可分为： 单旋,如Syncom、INTELSAT-I和INTELSAT-II。 双自旋，如INTELSAT-III、INTELSAT-IV和INTELSAT-VI。 三轴稳定。,14,电源分系统,电源分系统的任务是负责

4、在卫星寿命期间给星上各分系统提供电能。 电源分系统由一次电源(包括太阳电池阵、蓄电池、电源控制器、分流调节器及蓄电池在轨再处理器等)、二次电源(DC/DC变换器)、配电器、火工品管理器和电缆网等组成。,15,电源分系统,电源分系统利用太阳电池作为主电源，蓄电池组作为储能装置，由电源控制设备对供电母线的功率实行调节和控制，完成供电任务。 在正常状况下，卫星帆板指向太阳，将接收到的光能转化成电能，一方面提供给星上负载，满足星上器件工作需求，另一方面将多余的电能储存在星上的化学电池里，一旦卫星进入星蚀期，太阳光线被地球或者月球遮挡时，电源分系统将控制化学电池进行放电，给负载进行不间断的能量供应。,1

5、6,热控分系统,热控分系统主要任务是：通过对星体内外的热交换进行控制，满足星上各分系统对热环境的要求，确保卫星上所有仪器、设备以及星体本身构件的环境温度都处在要求的温度范围之内。 对于通信卫星来说最重要的是： 维持电池温度在一个很窄的范围之内； 防止燃料冻结； 散发掉TWTA所产生的大量热。,17,热控分系统,空间热源： 太阳辐射。太阳辐射强度远日点(夏至)时小，近日点(冬至)时大； 地球反射太阳辐射(反照)。相当于太阳辐射的35%； 地球的红外辐射； 卫星自身产生的热。,18,热控分系统,热控分系统组成： 被动式热控： 多层隔热组件，作用为隔热、保温。 热管，作用为减小温差，可保证温差在几度

6、范围内。 热控涂层。 导热材料。 相变材料。 主动式热控技术有： 电加热器。 改变反射率的装置。 改变导热的装置。 对流回路。,19,测控分系统,测控分系统主要任务是： 接收地面测控站发来的指令 向地面测控站发送遥测信息 进行测距。 测控分系统由遥控接收机、指令译码器、遥测编码器、遥测发射机及遥测指令天线等组成。,20,推进分系统,21,推进分系统的主要任务是：完成远地点机动、同步轨道捕获、轨道调整、位置保持及作为姿态和轨道控制分系统的执行部件完成卫星各阶段的姿态控制和轨道调整。 推进分系统包括：燃料罐、压力调节器、燃料输送管路、阀门、喷管等。 推进系统按所用燃料不同可分为3种： 固体燃料推进

7、。 液体燃料推进，又可分为单组元推进、双组元统一推进。 电能推进。,推进分系统,22,引起卫星轨道发生变化的因素： 地球非球形，重力场不均匀造成卫星定点位置产生东西向漂移 由于太阳光压的作用，轨道偏心率e不等于0，造成卫星每天在定点位置附近东西振荡 太阳和月亮对卫星的引力使轨道倾角i发生积累性变化，轨道面法线倒向春分点，太阳造成的变化为0.269度/年，月亮造成的变化在0.674与0.478度/年之间,推进分系统,23,姿控分系统,姿控分系统主要任务是：将卫星的姿态控制在所需范围之内。,24,姿控分系统,卫星姿态的干扰源：太阳辐射压力(冬夏至较大)、推力器点火时产生的干扰力矩等。 姿控分系统包

8、括： 测量部件：太阳敏感器（SS）、地球敏感器（ES ）、星跟踪仪（Str） 、陀螺（Gyro）等 执行部件包括：动量轮（MW）、推力器（Thruster）。 决策机构：星载计算机（Obc）或地面分析,25,有效载荷分系统,有效载荷分系统主要任务：接收、放大和转发地面信号。 有效载荷分系统由通信天线和通信转发器组成。 通信转发器又由微波接收机、接收机预选器、输入多工器、步进衰减器、SSPA、TWTA、输出多工器及切换开关等组成。,26,卫星在轨管理,发射和早期轨道阶段 卫星被火箭送入转移轨道： 近地点 200 Km 远地点 50000 Km 轨道倾角: 24.3 星箭分离后，在转移轨道要进行4

9、次轨道调整，使卫星进入圆形静止轨道 3AMF + 1 PMF 帆板、天线反射面展开 完成在轨配置 IOT,27,卫星在轨管理,28,卫星在轨管理,在轨长期管理阶段 轨道管理（测轨、定轨、轨道机动、轨道事件预报、燃料管理） 卫星平台管理（姿态与动量保持、星载设备管理、特殊时期管理、异常情况处理） 有效载荷的管理 手段：遥测监视、数据分析、指令控制与数据上载、测距,29,通信卫星系统测控管理结构图,30,卫星操作介绍,卫星操作的分类： 日常操作：（Nominal Operation） 应急操作：（Contingency Operation）,31,日常卫星操作,日常操作是指： 飞行任务所需要的 卫

10、星平台操作要求的 设备正常运行或软件配置所需要的（周期性） 其他调整,32,电源分系统日常操作包括： 太阳帆板重定向操作 进入地影前的电池重整操作 星蚀期（地影或月影）的监视操作,日常卫星操作,33,测控分系统日常操作包括： 配置测距通道 测距 信标选择操作 信标发射机调整,日常卫星操作,34,日常卫星操作,推进分系统日常操作包括： 轨道机动操作 动量卸载,35,星载计算机分系统日常操作包括： 星载时钟校准操作 卫星（卫星管理单元）周期检查 授权密钥更换,日常卫星操作,36,日常卫星操作,姿态控制分系统日常操作包括： 轨道调动操作 星历表上载更新操作 地球敏感期日月干扰操作 姿态偏置操作 陀螺

11、仪定期检查操作,37,有效载荷分系统日常操作包括： 行波管开/关操作 线性通道放大器增益调整操作 接收机/下变频器切换操作 上行覆盖区切换操作（抗干扰功能）,日常卫星操作,38,重点操作讲解,最佳对星时间,39,重点操作讲解-最佳对星时间,两个较佳时机： 该时刻卫星通过升、降交点（过赤道）； 该时刻卫星瞬时经度经过定点中心经度（例如：115.5度）,40,重点操作讲解,日凌,41,重点操作讲解-日凌,日凌 太阳每年在春分和秋分的时候两次穿过赤道面， 此时卫星、地球和太阳共处在一条直线上，这种现象将导致两种卫星事件，即发生在卫星星下点当地时间子夜前后的星蚀和正午前后的日凌。,42,重点操作讲解-

12、日凌,43,重点操作讲解-日凌,日凌对地球站的通信造成干扰 由于太阳的噪声温度超过了25000K，当地球站的天线对准卫星，地球站天线也会接收到极强烈的太阳噪声，系统之信噪比降低到解调门限之下，导致通信中断。 对每个地球站，每年有2次连续数日都有日凌中断发生。日凌中断的日期与地球站的地理经纬度有很大关系。 位于卫星定点位置西边的地球站总是早于卫星定点位置以东的地球站发生日凌。,44,重点操作讲解-日凌,日凌对地球站的通信造成干扰 春分前后，当太阳由南往北穿过赤道面时，即北半球高纬度地区首先发生日凌现象；,45,重点操作讲解-日凌,日凌对地球站的通信造成干扰 秋分前后，当太阳由北往南穿过赤道面时，

13、日凌首先从南半球高纬度地区开始。,46,重点操作讲解-日凌,日凌干扰的计算 日凌中断的时长与地球站天线口径和频率密切相关。太阳的视角约为0.5度，太阳必须完全穿过天线波束投影区，日凌才结束。而天线在卫星距离处的波束投影范围可以用天线波束半功率角来表示，即:,为波长，c 为光速，f为天线频率，D为天线直径。,1 4分钟,47,重点操作讲解-日凌,日凌干扰的计算 例 如： 半径为1.2米，频率为4GHz的天线，其波束半功率密度为2.2度，加上太阳视角，日凌时长约为22分钟； 口径为1.2米，频率为12GHz的天线，其波束半功率密度为0.8度，加上太阳视角，日凌时长约为10分钟。 因而，天线口径越大

14、，频率越高，日凌中断持续的时间越短。,48,重点操作讲解-日凌,北京 经度：116.45度 纬度：39.92度 天线直径：1.2米 天线频率：4GHZ,49,重点操作讲解,星蚀（地影或月影） Eclipses,50,重点操作讲解-星蚀,当太阳进入地球阴影区（赤纬在+/-17.5以内），太阳光部分或全部被遮挡 地影出现的时间在卫星本地时间00:00 星蚀期出现在 春分（3月21日）前后 秋分（9月23日）前后 每次地影的持续时间大概45天左右,51,重点操作讲解-星蚀,部分地影发生在星蚀期的头一（两）天或最后一（两）天，时长为15分钟多些 其余95% 的星蚀都是全影 有50%的全影超过1 小时

15、最大地影发生在分点，为72分钟,52,重点操作讲解-星蚀,同样的情况也会发生月影： 当月亮挡住阳光造成卫星接收不到太阳光 月影没有地影这样强的年周期性，需要根据日、月、地的轨道关系来确定。,53,重点操作讲解-星蚀,星蚀期间需要执行专门的程序： 电源系统： 帆板不能产生电能，电池开始放电 监视电池放电参数 放电深度 放电能力 调整温控机制 调整温控软件 上自动执行指令序列完成调整，当 进星蚀 出星蚀 配置电池管理软件 星蚀结束后开始充电 充电结束（DOD = 0%），开始涓流（TRICKLE）充电 星蚀对卫星的姿态控制（IRES+STR）没有影响,54,主要卫星制造商,全球主要卫星制造商包括： Lockheed Martin :A210