通信导论第六章卫星通信教材课程

,第六章 卫星通信,卫星通信系统,一.通信卫星 二.同步通信卫星组成 三.卫星通信系统特点 四.卫星通信系统的组成与原理 五.数字卫星通信系统 六.卫星地球站 七.典型数字卫星通信系统介绍,一.通信卫星,地球卫星都有自己的运行轨道，这种轨道有圆形，也有椭圆形，轨道所在的平面称为轨道面，轨道面都要通过地心。 当卫星的轨道平面与赤道平面的夹角为0时，地球卫星的轨道称赤道轨道。当卫星轨道平面与赤道平面夹角为90时，卫星的轨道为极轨道。当卫星轨道平面与赤道平面夹角在090之间时，称卫星轨道为倾斜轨道。当赤道轨道呈圆形，且离地面高度为35786.6km时，此轨道称为同步轨道。那么同步卫星是怎么进入同步轨道的呢？,地球同步通信卫星,用三颗同步卫星就可以实现全球通信,同步通信卫星的通信范围,卫星通信示意图,二.同步通信卫星组成,同步通信卫星主要由: 1.控制分系统 2.通信分系统 3.遥测指令分系统 4.电源分系统 5.温控分系统等组成,1.控制分系统,控制分系统主要由各种可控的调整装置、驱动装置（喷气抵进器）及各种转换开关等组成。它在地面遥控指令下，主要完成对卫星姿态、位置、工作状态，主、备用设备切换等控制功能。,2.通信分系统,通信分系统是通信卫星的关键，主要由天线和转发器两大部分组成。 1）天线：要体积小、重量轻、馈电方便、易折叠、易展开；电器特性好、增益高、效率高、宽频带等。目前使用的星载天线有喇叭型、抛物面反射型和相控阵列型三类。与数字信号处理密切相关的相控阵列天线得到越来越广泛的应用，其波束可根据地面控制站的指令重新赋形或动态地进行调节。 2）转发器:卫星通信转发器（星载转发器）工作在通信卫星平台上，要求在没有维修和更换器件的条件下稳定工作（由卫星寿命确定）。星载转发器有三种，即双、单变频转发器和处理转发器。,天线部分组成原理,星载转发器有三种,（1）单变频转发器。此转发器是目前用得较多的转发器。这种转发器较简单，实现容易。 （2）双变频转发器。现在用得很少。 （3）处理转发器。处理转发器，主要具有处理信号的功能。在卫星上的信号处理主要指经下变频后，对信号进行解调后的处理，然后重新调制、上变频、功放后发向地面站。卫星上的信号处理一般分三种情况：第一种是对数字信号进行判决、再生，使噪声不积累；第二种是多个卫星天线之间的信号交换处理；第三种为更复杂的星上处理系统，它包括了信号的变换、交换和处理等。,星载转发器的功率放大器,星载转发器的功率放大器通常采用行波管放大器（TWTA）。典型的TWTA可将直流电源的60%转换为RF输出。近年来的TWTA可工作15年甚至更长时间。为了供给TWTA较高的工作电源电压，转发器还有电源控制器，能高效地将直流低电压转换为直流高电压。 为了提高星载转发器的可靠性，一些容易失效的模块或器件都有冗余配置，并配有各种切换开关，以便在工作单元失效时切换至备用单元 。,3.遥测指令分系统,l）遥测部分 此部分主要收集卫星上设备工作的数据，如电流、电压、温度、传感器信息、气体压力指令证实等信号。这些数据经处理后送往地面监测中心站。 2）遥控指令部分 地球上收到卫星遥测的有关数据时，要对卫星的位置、姿态进行控制。设备中的部件转换，大功率电源开关等，都要由遥控指令来进行。地面控制中心把指令发向卫星，在卫星上经处理后送往控制设备，控制设备根据指令的准备、处理、执行几个阶段来完成对卫星上各部分设备的控制和备用部件的倒换等。,4.电源分系统,卫星上设备工作的能源，主要由太阳能电池提供，辅助以原子能电池和化学电池。对电池的要求高，除要求体积小、重量轻、高效率、高可靠性外，还要求提供电能的时间长而稳定。为保证卫星上的设备供电，在卫星上特别设置了电源控制电路，在特定情况下进行电源的控制。,5.温控分系统,通信卫星里的设备都是在密闭环境下工作的。电器设备工作，特别是行波管功率放大器（TWTA）产生的热量及卫星受太阳照射等使温度会发生变化，而电器设备工作对温度有要求，特别是本振设备，要求温度恒定，因此就必须对星上温度进行控制。在卫星上的温度传感器，随时监测卫星的温度并把信号送回监控站，如发生异常，地面通过遥控指令进行控制，以恢复保持预定的温度。,三、卫星通信的特点,卫星通信系统以通信卫星为中继站，与其它通信系统相比较，卫星通信有如下特点： (1)覆盖区域大，通信距离远。一颗同步通信卫星可以覆盖地球表面的三分之一区域，因而利用三颗同步卫星即可实现全球通信。它是远距离越洋通信和电视转播的主要手段。,(2)具有多址连接能力。地面微波中继的通信区域基本上是一条线路，而卫星通信可在通信卫星所覆盖的区域内，所有四面八方的地面站都能利用这一卫星进行相互间的通信。我们称卫星通信的这种能同时实现多方向、多个地面站之间的相互联系的特性为多址连接。,卫星通信的特点(续上),(3)频带宽，通信容量大。卫星通信采用微波频段，传输容量主要由终端站决定，卫星通信系统的传输容量取决于卫星转发器的带宽和发射功率，而且一颗卫星可设置多个（如IS-有46个）转发器，故通信容量很大。例如，利用频率再用技术的某些卫星通信系统可传输30000路电话和4路彩色电视。,卫星通信的特点(续上),(4) 通信质量好，可靠性高。卫星通信的电波主要在自由（宇宙）空间传播，传输电波十分稳定，而且通常只经过卫星一次转接，其噪声影响较小，通信质量好。通信可靠性可达99.8%以上。 (5) 通信机动灵活。卫星通信系统的建立不受地理条件的限制，地面站可以建立在边远山区、海岛、汽车、飞机和舰艇上。,卫星通信的特点(续上),(6)电路使用费用与通信距离无关。地面微波中继或光缆通信系统，其建设投资和维护使用费用都随距离而增加。而卫星通信的地面站至空间转发器这一区间并不需要投资，因此线路使用费用与通信距离无关。 (7)对卫星通信系统也有一些特殊要求：一是由于通信卫星的一次投资费用较高，在运行中难以进行检修，故要求通信卫星具备高可靠性和较长的使用寿命；二是卫星上能源有限,卫星通信的特点(续上),卫星的发射功率只能达到几十至几百瓦，因此要求地面站要有大功率发射机、低噪声接收机和高增益天线，这使得地面站比较庞大；三是由于卫星通信传输距离很长，使信号传输的时延较大，其单程距离（地面站A卫星转发地面站B）长达80000km，需要时间约270ms；双向通信往返约160000km，延时约540ms，所以，在通过卫星打电话时，通信双方会感到很不习惯。,四、卫星通信系统的组成及原理,根据卫星通信系统的任务，一条卫星通信线路要由发端地面站、上行线路、卫星转发器、下行线路和收端地面站组成，如图所示。 其中上行线路和下行线路就是无线电波传播的路径。,卫星通信线路组成框图,为了进行双向通信，每一地面站均应包括发射系统和接收系统。由于收、发系统一般是共用一副天线，因此需要使用双工器以便将收、发信号分开。地面站收、发系统的终端，通常都是与长途电信局或微波线路连接。地面站的规模大小则由通信系统的用途而定。转发器的作用是接收地面站发来的信号，经变频、放大后，再转发给其它地面站。卫星转发器由天线、接收设备、变频器、发射设备和双工器等部分组成。,卫星通信系统的组成,卫星通信系统的组成,在卫星通信系统中，各地面站发射的信号都是经过卫星转发给对方地面站的，因此，除了要保证在卫星上配置转发无线电信号的天线及通信设备外，还要有保证完成通信任务的其它设备。,1.天线系统 天线系统包括通信用的微波天线和遥测遥控系统用的高频（或甚高频）天线。微波天线根据波束的宽、窄又可分为覆球波束天线、区域波束天线和点波束天线。对静止卫星来说卫星覆球波束天线的波束宽度约为1718，其增益可达18dB；点波束天线因波束较窄而具有较高的增益，用来把辐射的电磁波功率集中到地球上较小的区域内。,通信微波天线的波束应对准地球上的通信区域。但是，对于采用自旋稳定方式以保持姿态稳定的静止卫星，由于卫星是旋转的，故要采用消旋天线，才能使波束始终对准地球。常用的有机械消旋天线和电子消旋天线，其消旋原理是用机械的方法或电子的方法，让天线的旋转方向与卫星自旋方向相反，而两者的旋转速度相等，以保证天线波束始终朝着地球上需要通信的区域。 遥测指令天线用于卫星进人静止轨道之前和之后，能向地面控制中心发射遥测信号和接收地面的指令信号。这种天线为甚高频全方向性天线，通常采用倾斜式绕杆天线和螺旋天线等天线。,2.通信系统（转发器） 静止卫星的通信系统又称为通信中继机，通常由多个（可达24个或更多）信道转发器互相连接而组成。其任务是把接收的信号放大，并利用变频器交换成下行频率后再发射出去。 它实质上是一组宽频带收、发信机，对其要求是工作稳定可靠，附加的噪声小。卫星转发器是通信卫星中最重要的组成部分，它能起到卫星通信中继站的作用，其性能直接影响到卫星通信系统的工作质量。,对卫星转发器的基本要求是附加噪声和失真小，要有足够的工作频带，有足够大的总增益，频率稳定度和可靠性尽量高。卫星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 这类转发器接收到地面站发来的信号后，除进行低噪声放大、变频、功率放大外，不作任何处理，只是单纯地完成转发任务。也就是说，它对工作频带内的任何信号都是“透明”的通路。,透明转发器有双变频和单变频两种，前者的优点是中频增益高（可达80100dB），电路工作稳定，曾用于国际通信卫星ISI。其缺点是中频频带窄，不适于多载波工作，已很少使用。单变频转发器是先将输人信号直接放大，再变频为下行频率，经功率放大后转发给地面站。单变频转发器实际上是微波放大式转发器，射频带宽可达500MHz，且由于其输入、输出特性的线性良好，允许多载波工作，适于多址连接，因此得到广泛使用。,(2)处理转发器 指除了信号转发外，还具有信号处理功能的转发器。与上述双变频透明转发器相比，处理转发器只是在两级变频器之间增加了信号的解调器、处理单元和调制器。先将信号解调，便于信号处理，再经调制、变频、功率放大后发回地面。,3 卫星通信地面站 在前面已经讲过，任何一条卫星通信线路都包括发端和收端地面站、上行和下行线路以及通信卫星转发器。可见，地面站是卫星通信系统中的一个重要组成部分。 地面站的基本作用是向卫星发射信号，同时接收由其它地面站经卫星转发来的信号。根据卫星通信系统的性质和用途的不同；可有不同形式的地面站。例如，按站址的固定与否、G/T值的大小、用途、天线口径以及传输信号的特征等多种方法来分类。,(1)按站址特征分类：可分为固定站、移动站（如舰载站、机载站和车载站等）、可拆卸站（短时间能拆卸转移地点的站）。 (2)按G/T值分类：地面站性能指数G/T值是反映地面站接收系统的一项重要技术性能指标。其中G为接收天线增益，T为表示接收系统噪声性能的等效噪声温度。GT值越大，说明地面站接收系统的性能越好。,目前，国际上把G/T35dB/K的地面站定为A型标准站，把G/T31.7dB/K的站定为B型标准站，而把G/T31.7dB/K的站称为非标准站。 (3)按用途分类：可分为民用、军用、广播、航海、实验等地面站。 (4)按天线口径分类：可分为1米站、5米站、10米站以及30米站等等 (5)按传输信号的特征分类：可分为模拟通信站和数字通信站。,地面站种类繁多，大小不一，所采用的通信体制也不同，因而所需的设备组成也不一样，但基本组成大同小异。典型的地面站由天线系统、发射系统、接收系统、终端系统、监控系统、电源系统、地面接口及传输分系统等组成，如图所示。,地面站设备组成,天线系统完成发送信号、接收信号和跟踪卫星的任务，是决定地面站容量与通信质量的关键组成之一。天线系统只包括天线、馈线和跟踪设备三个部分。 发射系统的主要作用是将终端系统送来的基带信号进行调制，再经过上变频和功率放大后馈送给天线发往卫星。 接收系统的主要作用是将天线系统收到的由卫星转发下来的微弱信号进行放大、下变频和解调，并将解调后的基带信号送至终端系统。,终端系统有两个作用：一个是对经地