卫星通信系统2fjx

2卫星通信结构组成2.1卫星运动轨道2.2卫星和地球的几何关系2.3卫星星座和系统概念2.4卫星通信网的结构与组成2.5信号传输与处理技术不同高度﹑不同倾斜角轨道平面上通信卫星的运动基本概念轨道:卫星在空间运动的轨迹；轨道平面：卫星在空间运动所在的平面；轨道倾角：轨道平面与赤道平面夹角；运行周期：卫星环绕地球运动一周所用的时间。赤道轨道：轨道面与赤道面重合。极轨道：轨道面穿过地理的南北极，即与赤道面垂直。倾斜轨道：轨道面倾斜于赤道平面。低轨道(LEO):h5000km;T4hour中轨道(MEO):5000kmh20000km;4hourT12hour高轨道(HEO):h20000km;T12hour赤道轨道倾斜轨道极轨道赤道面不同高度﹑不同倾斜角轨道平面上通信卫星的运动2.1卫星运动轨道2.1.1椭圆和圆形轨道卫星运动速度和轨道周期卫星运动速度和轨道周期地球中心坐标系地球中心坐标系卫星相对于地球运动的运动方程轨道平面坐标系轨道平面坐标系轨道平面坐标系2.1.2开普勒定律--轨道定律卫星的运动轨道一般是一个椭圆，地球的中心位于椭圆的一个焦点上。)cos1(00ferp+=2.1.2开普勒定律--面积定律位置矢量在单位时间内扫过的面积一定。此定律的数学表示式导出为：pdtrdrm=×rr2.1.2开普勒定律--轨道周期定律卫星围绕地球运动一圈的周期T，与轨道的半长轴a的2/3次方成正比。mp2/32aT=2.1.2开普勒定律--轨道周期定律2.1.3卫星的定位中心异常角和平均异常角卫星定位具体步骤地心赤道系统中的定位地心赤道系统中的定位确定t时刻卫星的绝对坐标需要6个已知参量：偏心率、半长轴、近地时刻、上升极点的右上升角、倾角、近地点变量例-低地球轨道例-椭圆轨道例-椭圆轨道2.2卫星和地球的几何关系在平面STO上的几何图形2.2.1仰角的确定星下点的确定仰角的计算仰角的计算仰角的计算例-GEO卫星仰角与覆盖面积不同类型轨道，在一些最小仰角情况下卫星的覆盖面积2.2.2卫星发射停泊轨道：卫星按惯性转弯进入低高度的倾斜圆形轨道;转移轨道/霍曼：远地点和近地点都在赤道平面上的椭圆轨道，且远地点与同步轨道相交;飘移轨道：赤道平面附近的一条圆形、接近同步轨道的轨道；静止轨道/同步：卫星与地表相对位置同步的轨道；速度矢量轨道高度2.2.3轨道摄动轨道摄动-经度变化平面内变化轨道摄动-倾角变化平面间变化2.2.4轨道对通信系统的影响—开普勒频移2.2.4轨道对通信系统的影响--星蚀一年中星蚀时间分布图2.2.4轨道对通信系统的影响--日凌中断2.3卫星星座和系统概念一颗卫星只能够提供有限面积的业务。为了扩展覆盖，一个卫星系统可能要使用多颗卫星。在这样的系统中，所有卫星的组合称之为星座。在一个星座中，通常卫星具有相同的轨道类型，但是也有某些系统，它是由不同轨道类型的混合组成的。全球覆盖时卫星和轨道平面的数目由地球表面面积和一个六角形面积，可得出要求卫星的最小数目N为：24eeRAp=hA[][])3(pbp-==heAAN利用球冠的表面积，并考虑21%面积的重叠，可以导出另一个近似结果N为：)cos1(2max2qp-=eRA)cos1(42.2maxq-≈N不同轨道高度和最小仰角情况下，一次到二次全球覆盖时要求的卫星数目每个轨道平面提供两颗卫星用于赤道覆盖，覆盖的一段弧长为因此，在一个星座中要求轨道平面的最少数目P为：max3qeR[]max32qpeRP=为描述星座情况还需要另外三个参数，典型地用三个数字构成的一个数字组来表示，称为：Walker符号：N/P/F2.3.1Walker倾斜星座Walker9/3/1星座高度为1414km的全球星系统(Walker48/8/1星座)当最后一个轨道平面与第一个轨道平面相遇时，一定有一个轨道的邻近轨道以相反方向旋转。两个相反方向旋转轨道之间的区域称为接缝。2.3.2极星座相同旋转方向轨道,接缝处相反旋转方向的轨道；和轨道平面之间的角度全球覆盖条件可以用公式表示为：.2))(1(Δ+Δ+-=qpP为了达到给定的最小仰角Emin，按照地心角调整轨道高度，它可以由平面数得出：}.1)]cos(/{[cosminmin-+=EERHeq在一个极星座中需要的卫星数可以近似用下式得出：)cos1(/4maxq-≈N2.3.3非同步极星座在LED系统中要使用大量卫星，控制每颗卫星的相位这时可能是困难的。为此，可采用非同步LEO极星座。即只在同一个轨道平面上控制卫星轨道相位，而对不同轨道平面上的相位不进行控制。2.4卫星通信网的结构与组成2.4.1拓扑结构点对点方式(Unicast,又叫单播)点对多点方式(Broadcast,又叫广播)多点对多点方式(Multicast,又叫组播)2.4.2数据传输方式2.4.3通信卫星的系统组成天线分系统卫星上使用的天线有定向天线和全向天线天线系统的选择决定于地面覆盖区的大小和形状。卫星的通信覆盖区，通常用地面上相对下发天线波束中心，具有固定接收功率的轮廓线来表示。中星6号卫星天线波束覆盖图通过采用赋形波束天线，可以按要求覆盖区地形获得更加精确的覆盖，这种赋形波束天线，是用一组阵列馈源喇叭，在不同方向将电磁波投射到反射面上、产生的多个波束合成的。INTELSAT第7代卫星多波束天线覆盖图双极化通信卫星天线通信分系统–透明型卫星转发器一般卫星上的通信分系统有多个卫星转发器，这种信道化的方法，既有利于降低通过同一个功率放大器的载波数目，从而减小交调噪声；也便于卫星上功率放大器的制造。输入去复接器原理框图固态高功率放大器(SSPA)原理图INTELSAT-6代卫星有效载荷原理框图通信分系统–再生型转发器再生型转发器的基本部件，除对信号进行放大和频率变换外，还提供解调、基带信号处理与交换、和重新调制的功能。再生型转发器的原理框图姿态和轨道控制分系统姿态和轨道控制分系统的主要功能，是保持准确的卫星位置和通信天线指向；在转移轨道和静止轨道运行时，控制卫星的飞行动作，保持轨道运动的稳定性。卫星坐标系统上定义的側航、滚动、俯仰轴卫星姿态控制：(a)固定地球传感技术卫星姿态控制：(b)太阳传感器推进器分系统由推进器组成的反应控制分系统，功能是提供所需的推进力，以执行卫星速度和姿态控制等飞行动作。(a)推进器装置原理图(b)自旋稳定卫星上的推进器装置外形推进器装置示意图电源分系统电源分系统的组成不同卫星电池阵重量对直流功率的关系比较。太阳能电池输出直流功率随时间的变化情况遥测、指令和单音定位分系统遥测分系统的主要元件指令分系统单音定位分系统卫星部件损坏模型热控制和机械结构分系统(a)通信卫星可靠性模型;(b)卫星通信分系统可靠性模型2.5信号传输与处理技术编码、复接、调制和多址联接卫星通信中大量使用脉冲编码调制和自适应差分脉冲编码调制及其数字调制；卫星通信广泛使用时分复接（TDM）技术，其它如码分复接、空分复接等应用不多；侧重BPSK和QPSK调制器；多址联接：完成一点对多点的通信。脉冲编码调制(PCM)将模拟语音信号变换为数字信号，人们常用的技术是脉冲编码调制，这种方法主要包括有取样、量化和编码三个过程。自适应差分脉冲编码调制自适应脉冲编码调制是一种随输入信号幅度变化，而改变其量化阶梯尺度大小的一种编码方法；差分脉冲编码调制，是相对前一个抽样值去估计后一个将要进行量化的予测值，并只对实际信号值与予测值之差进行量化编码。参量编码渉及的语音参量主要有清音和浊音判决、平均基音周期、幅度和增益控制等。主要参量编码方案有线性予测编码(LPC)、编码激励线性予测(CELP)、矢量和激励线性予测(VSELP)等多种方案，它们的速率目前已降到2.4-4.8kb/s，而且语音质量评分好的已达到3.3-4.0分。时分复接32路PCM信号时分复接成一次群SDH(STM-1)时分复接结构多址联接多波束天线覆盖