1、21-1第21章 卫星通信系统卫星通信系统 学习目标学习目标n掌握卫星通信系统的基本组成掌握卫星通信系统的基本组成 n掌握卫星通信系统的基本工作过程掌握卫星通信系统的基本工作过程 n了解了解通信卫星类型通信卫星类型 n掌握通信卫星的组成，掌握通信卫星的组成，了解了解通信卫星通信卫星各分系统的作用各分系统的作用 n掌握地球站的组成，掌握地球站的组成，了解了解地球站地球站各分系统的作用各分系统的作用 21-221.1卫星通信系统的基本组成卫星通信系统的基本组成 一、组成一、组成 卫星通信系统卫星通信系统由空间设备通信卫星、地面设备地球站、跟由空间设备通信卫星、地面设备地球站、跟踪遥测及指令分系统和
2、监控管理分系统等四大功能部分组成踪遥测及指令分系统和监控管理分系统等四大功能部分组成。1）空间设备也就是通信卫星是由若干个转发器、数副天线与位空间设备也就是通信卫星是由若干个转发器、数副天线与位置和姿态控制、遥测和指令、电源分系统组成，其主要作用置和姿态控制、遥测和指令、电源分系统组成，其主要作用是转发各地球站信号。是转发各地球站信号。2 2）地球站由天线、发射、接收、终端分系统及电源、监控和地）地球站由天线、发射、接收、终端分系统及电源、监控和地面设备组成，主要作用是发射和接收用户信号。面设备组成，主要作用是发射和接收用户信号。3 3）地面的跟踪遥测及指令分系统、监控管理分系统并不直接用地面
3、的跟踪遥测及指令分系统、监控管理分系统并不直接用于通信，而是用来保障通信的正常进行。于通信，而是用来保障通信的正常进行。4 4）监控管理分系统对在轨卫星的通信性能及参数进行业务开道监控管理分系统对在轨卫星的通信性能及参数进行业务开道前的监测和业务开通后的例行监测与控制。前的监测和业务开通后的例行监测与控制。21-321.1卫星通信系统的基本组成卫星通信系统的基本组成二、卫星通信的网络结构二、卫星通信的网络结构 1.1.星形结构星形结构 2.2.网状结构网状结构 3.3.星形与网状的混合结构星形与网状的混合结构 21-421.2 21.2 卫星通信系统的基本工作过程卫星通信系统的基本工作过程 在
4、卫星通信系统中，各地球站要构成双工通信，要向卫星发射信号，也要接收从卫星转发来的其他地球站发给本站的信号。21-521.2 21.2 通信卫星通信卫星 一、通信卫星的轨道与类型一、通信卫星的轨道与类型 1.卫星的轨道卫星的轨道1 1）赤道轨道）赤道轨道（卫星运行轨道平面与赤道平面的夹角为（卫星运行轨道平面与赤道平面的夹角为0）2 2）极轨道（）极轨道（卫星运行轨道平面与赤道平面的夹角为卫星运行轨道平面与赤道平面的夹角为90）3 3）倾斜轨道）倾斜轨道（夹角在（夹角在0和和90之间）之间）4 4）低高度轨道（按离地面最大的高度）低高度轨道（按离地面最大的高度h5000kmh5000km）5 5）
5、中高度轨道（）中高度轨道（5000km h20000 km5000km h20000 km）6 6）高高度轨道（）高高度轨道（h20000 kmh20000 km）7 7）静止轨道（同步轨道）静止轨道（同步轨道）21-621.2 21.2 通信卫星通信卫星2.2.卫星的类型卫星的类型1 1）赤道轨道卫星）赤道轨道卫星2 2）极轨道卫星）极轨道卫星3 3）倾斜轨道卫星）倾斜轨道卫星4 4）低高度轨道卫星）低高度轨道卫星5 5）中高度轨道卫星）中高度轨道卫星6 6）高高度轨道卫星）高高度轨道卫星7 7）同步卫星（静止卫星：同步卫星（静止卫星：可覆盖地球表面积的可覆盖地球表面积的42%42%左右左右
6、 ）8 8）非同步卫星（卫星运转周期与地球自转周期不相同）非同步卫星（卫星运转周期与地球自转周期不相同）21-7二、二、通信卫星的组成通信卫星的组成 1.1.天线分系统天线分系统 n主要功能：定向发射和接收无线电信号。主要功能：定向发射和接收无线电信号。n天线类型：遥测、指令和信标天线和通信天线天线类型：遥测、指令和信标天线和通信天线1 1）遥测、指令和信标天线）遥测、指令和信标天线 一般是全向天线，以便在任意卫星姿态可靠地接收指令和向一般是全向天线，以便在任意卫星姿态可靠地接收指令和向地面发射遥测数据及信标；地面发射遥测数据及信标；2 2）通信天线）通信天线 主要是接收、转发地球站的通信信号
7、，都采用定向天线，通主要是接收、转发地球站的通信信号，都采用定向天线，通常按其天线波束覆盖区的大小分为球波束天线、赋形波束天线、常按其天线波束覆盖区的大小分为球波束天线、赋形波束天线、点波束天线。球波束天线覆盖地球表面积最大，可达地球表面积点波束天线。球波束天线覆盖地球表面积最大，可达地球表面积1/31/3；赋形波束天线覆盖地球表面的某一特定的区域，如某一国家；赋形波束天线覆盖地球表面的某一特定的区域，如某一国家的领土；点波束天线波束很窄，覆盖地球表面某一的小区。的领土；点波束天线波束很窄，覆盖地球表面某一的小区。21-8二、二、通信卫星的组成通信卫星的组成2.通信分系统通信分系统(通常所说的
8、转发器通常所说的转发器)n主要功能：主要功能：在通信卫星中直接起中继站作用，在通信卫星中直接起中继站作用，完成接收、完成接收、处理、发射信号作用。处理、发射信号作用。n对转发器的基本要求：以最小的附加噪声和失对转发器的基本要求：以最小的附加噪声和失真，以足够的工作频带和输出功率为各地球站真，以足够的工作频带和输出功率为各地球站有效而可靠地转发无线电信号。转发器通常分有效而可靠地转发无线电信号。转发器通常分为透明转发器和处理转发器两类。为透明转发器和处理转发器两类。21-9二、二、通信卫星的组成通信卫星的组成 3.跟踪、遥测与指令分系统跟踪、遥测与指令分系统 1)1)遥测设备遥测设备:用各种传感
9、器和敏感元件等器件不断测得有用各种传感器和敏感元件等器件不断测得有关卫星姿态及星内各部分工作状态等数据，如电压、关卫星姿态及星内各部分工作状态等数据，如电压、电流、温度等。这些数据经处理后，通过专用的发射电流、温度等。这些数据经处理后，通过专用的发射机和天线发给地面的跟踪、遥测指令系统。机和天线发给地面的跟踪、遥测指令系统。2)2)指令指令设备设备:接收地面跟踪、遥测指令系统发来的控制指接收地面跟踪、遥测指令系统发来的控制指令，处理后向控制分系统发出有关卫星姿态和位置校令，处理后向控制分系统发出有关卫星姿态和位置校正、星体内温度调节、主备用部件切换、转发器增益正、星体内温度调节、主备用部件切换
10、、转发器增益换档等控制指令信号。换档等控制指令信号。21-10二、二、通信卫星的组成通信卫星的组成 4.4.控制分系统控制分系统n主要功能：主要功能：在跟踪、遥测指令系统的指令控制下完成在跟踪、遥测指令系统的指令控制下完成对卫星对卫星的的各种控制，包括对卫星的位置控制、姿态控各种控制，包括对卫星的位置控制、姿态控制、温度控制、各种设备的工作状态控制及主备用设制、温度控制、各种设备的工作状态控制及主备用设备切换等。备切换等。n主要组成：一系列机械的或电子的可控调整装置组成，主要组成：一系列机械的或电子的可控调整装置组成，如各种喷气推进器、驱动装置、加热及散热装置，各如各种喷气推进器、驱动装置、加
11、热及散热装置，各种转换开关等等。种转换开关等等。21-11二、二、通信卫星的组成通信卫星的组成 5 5.电源分系统电源分系统n主要功能：主要功能：给卫星上的各种电子设备提供电能的。给卫星上的各种电子设备提供电能的。n对对电源分系统电源分系统的要求：的要求：体积小、重量轻、效率高，在卫星寿命期体积小、重量轻、效率高，在卫星寿命期间内保持输出足够的电能。间内保持输出足够的电能。n主要组成：主要组成：太阳能电池、化学电池及电源控制电路。太阳能电池、化学电池及电源控制电路。1 1）太阳能电池太阳能电池：把太阳辐射的光能直接转换为电能。太阳能电池有把太阳辐射的光能直接转换为电能。太阳能电池有光电器件组成
12、，大多采用光电器件组成，大多采用N NP P型单晶硅薄片贴在星体表面的绝缘型单晶硅薄片贴在星体表面的绝缘膜上或专用的帆板上，将各片的电极适当分组串、并联起来，构膜上或专用的帆板上，将各片的电极适当分组串、并联起来，构成输出功率较大的太阳能电池阵。但它的输出的电压很不稳定，成输出功率较大的太阳能电池阵。但它的输出的电压很不稳定，电压数值不一定满足要求，须经电压调节器后才能使用电压数值不一定满足要求，须经电压调节器后才能使用 。当卫星当卫星没有发生星蚀时，由太阳能电池提供电能，并通过充电控制器给没有发生星蚀时，由太阳能电池提供电能，并通过充电控制器给蓄电池充电；蓄电池充电；2 2）化学电池化学电池
13、：大多采用镍隔蓄电池，与太阳能电池并接。大多采用镍隔蓄电池，与太阳能电池并接。星蚀星蚀时，时，由蓄电池供电，以保证通信卫星正常工作。由蓄电池供电，以保证通信卫星正常工作。21-1221.3 地球站地球站组成n天线分系统n发射分系统n接收分系统n终端分系统n控制分系统n电源分系统21-13一、天线分系统 1.1.功能：完成发送信号、接收信号和跟踪卫星的任务，功能：完成发送信号、接收信号和跟踪卫星的任务，即将发射系统送来的大功率微波信号对准卫星辐射出即将发射系统送来的大功率微波信号对准卫星辐射出去；同时接收卫星转发来的微波信号送到接收系统。去；同时接收卫星转发来的微波信号送到接收系统。由于卫星转发
14、来的微波信号很微弱，所以天线尺寸做由于卫星转发来的微波信号很微弱，所以天线尺寸做得大一些，天线直径一般得大一些，天线直径一般20m到到30m，使接收弱信号的，使接收弱信号的本领强一些。本领强一些。2.2.组成组成：天线、馈线设备和跟踪设备。目前主要用性能：天线、馈线设备和跟踪设备。目前主要用性能较好的较好的卡塞格伦天线卡塞格伦天线。3.要求：要求：合乎规定工作频率范围；具有足够的带宽；具有合乎规定工作频率范围；具有足够的带宽；具有较高的增益；低的等效噪声温度；良好的旋转性能以较高的增益；低的等效噪声温度；良好的旋转性能以及足够的机械精密度等。及足够的机械精密度等。21-14二、发射分系统二、发
15、射分系统 1.1.功能：将终端分系统送来的基带信号调制为载功能：将终端分系统送来的基带信号调制为载波为中频的（如载波为波为中频的（如载波为70MHz70MHz）频带信号，然）频带信号，然后对该中频已调载波进行上变频变换成射频信后对该中频已调载波进行上变频变换成射频信号，并把这一信号的功率放大到一定值后输送号，并把这一信号的功率放大到一定值后输送给天线分系统向卫星发射。给天线分系统向卫星发射。2.2.组成组成：3.3.要求：发射功率大、频带宽度要求：发射功率大、频带宽度500MHz500MHz以上、增以上、增益稳定以及功率放大器的线性度高。益稳定以及功率放大器的线性度高。21-15三、接收分系统
16、三、接收分系统 1.功能：功能：将天线分系统送来卫星发回的射频信号进行低将天线分系统送来卫星发回的射频信号进行低噪声放大、分离、下变频为中频信号（载波般为噪声放大、分离、下变频为中频信号（载波般为70MHz）、再解调成基带信号，然后输送给终端分系）、再解调成基带信号，然后输送给终端分系统。统。2.要求：要求：高灵敏度，低噪声。高灵敏度，低噪声。3.组成：组成：21-16四、终端分系统 n功能功能 把一切经由地球站上行或下行的信号（电报、电把一切经由地球站上行或下行的信号（电报、电话、传真、电视、数据等）进行加工、处理，例如对话、传真、电视、数据等）进行加工、处理，例如对上行信号进行加入报头、扰
17、码、信道纠错编码等，对上行信号进行加入报头、扰码、信道纠错编码等，对下行的信号进行信道解码、去扰码、去报头，对接收下行的信号进行信道解码、去扰码、去报头，对接收国际电视节目的卫星信号可能还要进行制式转换等。国际电视节目的卫星信号可能还要进行制式转换等。21-17五、控制分系统五、控制分系统 功能功能 控制分系统是用来监视地球站的总体工作状态、控制分系统是用来监视地球站的总体工作状态、通信业务、各种设备的工作情况以及现用与备用设备通信业务、各种设备的工作情况以及现用与备用设备的情况、对地球站的通信设备进行遥测、遥控以及现的情况、对地球站的通信设备进行遥测、遥控以及现用、备用设备的自动转换、对各部
18、分电路进行测试等。用、备用设备的自动转换、对各部分电路进行测试等。21-18六、电源分系统六、电源分系统 n功能功能 供应地球站内全部设备所需的电能，通常供应地球站内全部设备所需的电能，通常设有设有应急电源设备应急电源设备和和交流不间断电源设备交流不间断电源设备。21-19本章小结本章小结 卫星通信系统由空间设备通信卫星、地面设备地球站、跟踪遥测及指令分系统和监控管理分系统等四大功能部分组成。跟踪遥测指令站是用来接收卫星发来的信标和各种数据，然后经过分析处理，再向卫星发出指令去控制卫星的位置、姿态及各部分工作状态。地面的跟踪遥测及指令分系统、监控管理分系统并不直接用于通信，而是用来保障通信的正常进行。通信卫星主要由天线分系统、通信分系统（转发器）、遥测与指令分系统、控制分系统和电源分系统五大部分组成。典型的国际国内A、B型大地球站由天线分系统、发射分系统、接收分系统、终端分系统、控制分系统和电源分系统等组成。21-20思考题与作业习题思考题与作业习题思考题：思考题：卫星信道分配方式有哪几类？它们分别卫星信道分配方式有哪几类？它们分别适用于什么场合？适用于什么场合？作业习题：作业习题：P201 20.4P201 20.4
