1、 2章章 卫星运动轨道和通信卫星组成卫星运动轨道和通信卫星组成 2.1 卫星运动轨道卫星运动轨道 2.2 卫星和地球的几何关系卫星和地球的几何关系2.3 卫星星座和系统概念卫星星座和系统概念 2.4 通信卫星设计和有效载荷通信卫星设计和有效载荷2.5 卫星公用平台和寿命卫星公用平台和寿命图图2-1 不同高度不同高度不同倾斜角轨道平面上通信卫星的运动不同倾斜角轨道平面上通信卫星的运动 2.1卫星运动轨道卫星运动轨道 2.1.1 椭圆和圆形轨道椭圆和圆形轨道 图图2-2 卫星与地球坐标卫星与地球坐标 由万有引力定律，可以导出卫星相对于地球运动的运动方程 332122)(rrrrmmgdtrd轨道定
2、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。此定律用地心在一个焦点上的椭圆极坐标，可以表示为：)cos1(erp图图2-3 卫星的运动轨道及符号意义卫星的运动轨道及符号意义 面积定律面积定律 卫星的位置矢量r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：pdtrdr轨道周期定律轨道周期定律 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。2/32 aT 2.1.2卫星运动速度和轨道周期卫星运动速度和轨道周期 在转移轨道上卫星的运动速度在转移轨道上卫星的运动速度 对圆形轨道ar，公式可以简化为.)12(arVrV由转移轨道改变为同步轨道由转
3、移轨道改变为同步轨道 转变的方法是将轨道远地点调整到适当距离时，再次启动火箭发动机，让卫星得到加速度，离开原来的椭圆形转移轨道，沿着以地心为圆心以rA为半径的圆形轨道运动。从同步轨道转移到静止轨道从同步轨道转移到静止轨道 如同步轨道是在赤道平面上，卫星运行方向与地球表面旋转方向相同，则从地球上任一点看那颗卫星都是静止不动的，这种轨道就是静止轨道。广泛采用静止轨道的原因广泛采用静止轨道的原因 1.大大地降低了建站所需的成本2.多普勒频移小 3.当地球站天线采用最小仰角为50时，静止卫星可以覆盖几乎38%的地球表面。2.1.3 静止轨道上卫星的定位静止轨道上卫星的定位1.远地点速度增量远地点速度增
4、量2.倾斜轨道的校正（在节点处进行）倾斜轨道的校正（在节点处进行）3.静止轨道上卫星的定位精度静止轨道上卫星的定位精度 2.1.4 轨道平面取向和轨道参量轨道平面取向和轨道参量倾角倾角 上升节点右旋升仰角上升节点右旋升仰角 近地点幅角近地点幅角 2.2 卫星和地球的几何关系卫星和地球的几何关系图图2-12 在平面在平面STO上的几何图形上的几何图形 地心角、仰角、和星下角之间关系地心角、仰角、和星下角之间关系,)sin(sin)cos(cos211eeRrEErRE)cos(cos1tan)cos(sin211eeRrErR)sin(coscos1)(costan121eeRrrRE由地球坐标
5、看星下角、仰角、和地心角由地球坐标看星下角、仰角、和地心角之间的关系之间的关系)cos(coscossinsincosSLSLSL)cos(coscosSLL与时间的关系与时间的关系 由于非静止卫星相对一个固定地球站是移动的，所以几何关系随时间变化。利用卫星跟踪的方程可以计算得随时间变化的距离和仰角。图图2-13 一颗最大仰角为一颗最大仰角为700的的MEO卫星、卫星、和一颗最大仰角为和一颗最大仰角为400的的LEO卫星在天上通过时，仰角随时间改变时的图形卫星在天上通过时，仰角随时间改变时的图形 2.2.2 从地球站看向卫星的从地球站看向卫星的方位角、仰角和极化角方位角、仰角和极化角 如果一个
6、地球站是处于这颗卫星所覆盖的区域内，它只需将它的天线对准卫星，就可以进行通信。图图2-14 北半球地球站：卫星在南偏东，；卫星在南偏西，。南半球地球站：卫星在北偏东，；卫星在北偏西，按照地球站与星下点相对位置的不同，方按照地球站与星下点相对位置的不同，方位角位角A应当用下列关系式计算：应当用下列关系式计算：0180AA0180AAAA 0360AA仰角的计算仰角的计算)cos(cos1)cos(costan21SLLeSLLrRE极化角极化角 经过数学推算，可以得出极化角与卫星、地球站的经纬度，有下述关系：)tansin(tan1LLS图图2-15 卫星的位置和地球站天线极化角的调整卫星的位置
7、和地球站天线极化角的调整 2.2.3 最小仰角给定时最小仰角给定时一定高度卫星的覆盖面积一定高度卫星的覆盖面积 图图2-16 1.最小仰角给定时一定高度卫星的覆盖面积最小仰角给定时一定高度卫星的覆盖面积覆盖(或球冠)面积可以用下列公式计算：).cos1(2max2eRA2.高度高度H一定时用那颗卫星能通信的最大距离一定时用那颗卫星能通信的最大距离覆盖面积的最大弧长Lmax（即依靠这颗卫星能进行卫星通信的最大距离）给出为:eRLmaxmax2图图2-17 不同类型轨道，在一些最小仰角情况下卫星的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 2.2.4 长时延的影响和消除长时延的影响和
8、消除1.往返传输时延的计算，和它对电话通信往返传输时延的计算，和它对电话通信的影响的影响 2.长时延消除的时延抵消器长时延消除的时延抵消器3.长时延对高速数据传输的影响长时延对高速数据传输的影响2.2.5 星蚀现象与日凌中断星蚀现象与日凌中断1.日蚀日蚀)/2sin(4.23)(0Tttie 2.日凌中断日凌中断 地球赤道平面相对太阳光方向的正弦变化地球赤道平面相对太阳光方向的正弦变化倾斜角每年的周期性变化倾斜角每年的周期性变化图图2-21 一年中星蚀时间分布图一年中星蚀时间分布图 2.3 卫星星座和系统概念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
9、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：24eeRAhA)3(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(2max2eRA)cos1(42.2maxN图图2-22 不同轨道高度和最小仰角情况下，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
10、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：max3eRmax32eRP 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/F 2.3.1 Walker倾斜星座倾斜星座图图2-23 Walker 9/3/1星座星座 图图2-24 高度为高度为1414 km的全球星系统的全球星系统(Walker 48/8/1星座星座)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 极星座极星座图图2-26 相同旋转方向轨道相同旋转方向
11、轨道,接缝处相反旋转方向的轨道；接缝处相反旋转方向的轨道；和轨道平面之间的角度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(P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(/cosminminEERHe在一个极星座中需要的卫星数可以近似用下式得出：)cos1(/4maxN2.3.3 非同步极星座非同步极星座在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。2.3.4 GEO、LEO、MEO、和和HEO系统概念系
12、统概念 2.LEO系统概念系统概念GEO卫星用于移动通信的主要缺点是长的信号传播时延。为了克服这个缺点，可以使用低轨道卫星。3.MEO系统概念（或系统概念（或ICO系统）系统）LEO和MEO之间的折衷是中地球轨道（MEO）卫星，具有的高度H 约在10000 km左右，可以用10-15颗卫星达到全球覆盖。2.4 通信卫星设计和有效载荷通信卫星设计和有效载荷 2.4.1 通信卫星设计考虑通信卫星设计考虑1.通信考虑通信考虑 2.环境条件环境条件 2.4.2 通信卫星壁有效载荷通信卫星壁有效载荷 一般的商用通信卫星，主要由卫星有效载荷和公用平台(或称公用舱)两部分组成，如图2-30所示。图图2-30
13、 通信卫星的组成框图通信卫星的组成框图 1.1.天线分系统天线分系统 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。图图2-31 中星中星6号卫星天线波束覆盖图号卫星天线波束覆盖图 图图2-33 INTELSAT第第7代卫星多波束天线覆盖图代卫星多波束天线覆盖图 图图2-34 双极化通信卫星天线双极化通信卫星天线 2.一般通信分系统一般通信分系统 透明型卫星转发器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
14、目，从而减小交调噪声；也便于卫星上功率放大器的制造。图图2-36 输输入入去去复复接接器器原原理理框框图图图图2-37 固态高功率放大器固态高功率放大器(SSPA)原理图原理图 图图2-38 INTELSAT-6代卫星有效载荷原理框图代卫星有效载荷原理框图 3.近年来发展的通信分系统近年来发展的通信分系统 再生型转发器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、基带信号处理和交换、和重新调制的功能，如图2-39所示。图图2-39 再生型转发器的原理框图再生型转发器的原理框图 4.星上处理再生型转发器的两个实例星上处理再生型转发器的两个实例(1)ITALSAT卫
15、星卫星(2)ACTS卫星卫星(3)第二代再生型转发器第二代再生型转发器 2.5 卫星公用平台和寿命卫星公用平台和寿命 2.5.1 卫星公用平台卫星公用平台 公用平台的主要任务是在卫星整个工作期间，保证通信有效载荷能可靠地运行。它的组成决定于：卫星有效载荷的要求；空间环境的特征和影响；推进装置的性能和所加的限制。公用平台由多个分系统组成，它使得有效载荷能够能够正常地运行。1.姿态和轨道控制分系统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。图图2-42 卫星坐标系统上定义的側航、滚动、
16、俯仰轴卫星坐标系统上定义的側航、滚动、俯仰轴 图图2-43 图图2-44 卫星姿态控制：卫星姿态控制：(a)固定地球传感技术固定地球传感技术 图图2-44 卫星姿态控制：卫星姿态控制：(b)太阳传感器太阳传感器 2.推进器分系统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)推进器装置原理图推进器装置原理图 (b)自旋稳定卫星上的推进器装置外形自旋稳定卫星上的推进器装置外形 图图2-45 (c)推进器装置示意图推进器装置示意图 3.电源分系统电源分系统图图2-46(a)电源分系统的组成电源分系统的组成 图图2-46(b)不同卫星电池阵
17、重量对直流功率的关系比较。不同卫星电池阵重量对直流功率的关系比较。(c)太阳能电池输出直流功率随时间的变化情况太阳能电池输出直流功率随时间的变化情况 4.遥测、指令和单音定位分系统遥测、指令和单音定位分系统图图2-47 (a)遥测分系统的主要元件遥测分系统的主要元件 图图2-47(b)指令分系统指令分系统 图图2-47 (c)单音定位分系统单音定位分系统 5.热控制和机械结构分系统热控制和机械结构分系统(1)影响热状态的因素影响热状态的因素(2)热控制系统的设计原理热控制系统的设计原理(3)热控制技术热控制技术(4)机械结构机械结构2.5.2 卫星的寿命和可靠性卫星的寿命和可靠性1.卫星的寿命卫星的寿命2.卫星的可靠性卫星的可靠性 一个部件的可靠性一个部件的可靠性R可表示为可表示为：tdteR0图图2-49 卫星部件损坏模型卫星部件损坏模型 图图2-50 (a)通信卫星可靠性模型通信卫星可靠性模型;(b)卫星通信分系统可靠性模型卫星通信分系统可靠性模型
