第4章1衛(wèi)星通信系統(tǒng)

第4章1衛(wèi)星通信系統(tǒng)第一頁，共69頁。按頻段分類0.1-0.3（GHz），VHF，移動(dòng)、導(dǎo)航業(yè)務(wù)；0.3-1.0，UHF，移動(dòng)、導(dǎo)航業(yè)務(wù)；1.0-2.0，L，移動(dòng)業(yè)務(wù)、指令傳輸；2.0-4.0，S，移動(dòng)業(yè)務(wù)、指令傳輸；4.0-8.0(4/6)，C，固定業(yè)務(wù)；8..0-12.0，X；12.0-18.0(12/14)，Ku，固定業(yè)務(wù)；18.0-24.0，K；24.0-30.0，Ka；33.0-50.0，Q；50.0-75.0，V。第二頁，共69頁。按重量分類大型衛(wèi)星，Large，>1000kg，>1億美元；小衛(wèi)星，Small，500-1000kg，0.5-1億美元；微小衛(wèi)星，Mini，100-500kg，500-2000萬美元；微衛(wèi)星，Micro，10-100kg，200-300萬美元；納衛(wèi)星，Nano，<10kg，<100萬美元；皮衛(wèi)星，Pico，<1kg。第三頁，共69頁。

下圖是靜止衛(wèi)星與地球相對位置的示意圖。由此可見，只需三顆等間隔配置靜止衛(wèi)星就可以實(shí)現(xiàn)全球通信。第四頁，共69頁。衛(wèi)星系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)第五頁，共69頁。衛(wèi)星的主要設(shè)備包括下列

七大系統(tǒng)位置與姿態(tài)控制系統(tǒng)；天線系統(tǒng)；轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)；遙測指令系統(tǒng)；電源系統(tǒng)；溫控系統(tǒng)；入軌和推進(jìn)系統(tǒng)。第六頁，共69頁。推進(jìn)系統(tǒng)的自旋控制第七頁，共69頁。鏈路傳輸工程概述星地鏈路傳播特性衛(wèi)星通信全鏈路質(zhì)量8第八頁，共69頁。概述星際鏈路：只考慮自由空間傳播損耗。星-地鏈路：由自由空間傳播損耗和近地大氣層的各種影響所確定；衛(wèi)星通信的電波要經(jīng)過對流層（含云層和雨層）、平流層、電離層和外層空間，跨越距離大，影響電波傳播的因素很多。9第九頁，共69頁。熱層（電離層）80-500km中間層50-80km

平流層

16-50km對流層

7-16km外逸層500-64,374km10第十頁，共69頁。衛(wèi)星通信系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)11第十一頁，共69頁。(1)天線增益G衛(wèi)星通信中所使用的喇叭天線、拋物面天線等面天線的增益可按下式計(jì)算：其中，A為天線口面面積，為波長，為天線效率，現(xiàn)代卡塞格倫天線的可達(dá)0.75(f=4GHz)或0.65(f=6GHz)左右。A?也稱為天線的有效接收面積Ae。12第十二頁，共69頁。(2)等效全向輻射功率（EIRP）定義：地球站或衛(wèi)星的天線發(fā)射的功率P與該天線增益G的乘積。表明了定向天線在最大輻射方向?qū)嶋H所輻射的功率。可表示為

EIRP=P·G

或[EIRP](dBW)=[P](dBW)+[G](dB)上行鏈路功率輻射能力通常用等效全向輻射功率（EIRP）來衡量。EquivalentIsotropicRadiatedPower13第十三頁，共69頁。(3)饋線損耗(L)實(shí)際的發(fā)射裝置中，發(fā)射機(jī)和天線之間有一段饋線，饋線損耗定義為其輸入端功率Pin與輸出端功率Pout的比值。

L=Pin/Pout通常用dB為單位，表示為

[L](dB)=[Pin](dBW)-[Pout](dBW)14第十四頁，共69頁。(4)傳輸損耗(L)衛(wèi)星通信中，電波在上行或下行鏈路中傳輸時(shí)，會(huì)受到各種因素的影響而產(chǎn)生損耗。最主要的是自由空間傳播損耗，此外，還應(yīng)考慮大氣損耗、天線跟蹤誤差、極化方向誤差等所產(chǎn)生的損耗。通常用dB為單位。15第十五頁，共69頁。(5)等效噪聲溫度（Te）和噪聲系數(shù)(NF)噪聲溫度是通信接收機(jī)中的一個(gè)重要概念，利用它可以衡量接收系統(tǒng)中產(chǎn)生的熱噪聲大小。噪聲功率為其中，k為波耳茲曼常數(shù)，1.38×10-23J/K；T為噪聲源的噪聲溫度，單位為K。B為系統(tǒng)帶寬為B，單位Hz。16第十六頁，共69頁。在實(shí)際衛(wèi)星通信中，其內(nèi)部總是會(huì)產(chǎn)生熱噪聲或其他噪聲。為了鏈路分析和設(shè)計(jì)的方便，把這些噪聲統(tǒng)統(tǒng)等效成熱噪聲來處理，因而引入等效噪聲溫度Te的概念。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部產(chǎn)生噪聲為N，如果一個(gè)輸入匹配電阻在溫度Te時(shí)產(chǎn)生的噪聲功率剛好等于N，則Te即為該網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲溫度。Te是一個(gè)等效溫度，不等于環(huán)境的物理溫度。17第十七頁，共69頁。除等效噪聲溫度外，通常噪聲系數(shù)也被用來表示系統(tǒng)的噪聲性能。噪聲系數(shù)定義為：室溫(290K)條件下，網(wǎng)絡(luò)的輸入信噪比和輸出信噪比的比值噪聲溫度(Te)與噪聲系數(shù)(NF)的關(guān)系為

[NF]=10lg(1+Te/290)dB18第十八頁，共69頁。(6)品質(zhì)因數(shù)（G/T

）下行接收系統(tǒng)的性能主要通過品質(zhì)因數(shù)G/T來體現(xiàn)。定義：接收天線增益與接收系統(tǒng)總的等效噪聲溫度的比值。

[G/T]=[G](dB)-10lgT

(dB/K)19第十九頁，共69頁。星-地鏈路傳播特性衛(wèi)星通信的電波在傳播中要受到損耗，其中最主要的是自由空間傳播損耗，它占總損耗的大部分。其它損耗還有大氣、雨、云、雪、霧等造成的吸收和散射損耗等。衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)還會(huì)因?yàn)槭艿侥撤N陰影遮蔽(例如樹木、建筑物的遮擋等)而增加額外的損耗，固定業(yè)務(wù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)則可通過適當(dāng)選址避免這一額外的損耗。20第二十頁，共69頁。1自由空間傳播損耗自由空間傳播，是指天線周圍為無限大真空時(shí)的電波傳播，它是理想傳播條件。電波在自由空間傳播時(shí)，其能量既不會(huì)被障礙物所吸收，也不會(huì)產(chǎn)生反射或散射。自由空間電波傳播是無線電波最基本、最簡單的傳播方式。自由空間是一個(gè)理想化的概念，為人們研究電波傳播提供了一個(gè)簡化的計(jì)算環(huán)境。21第二十一頁，共69頁。雖然電波在自由空間里傳播不受阻擋，不產(chǎn)生反射、折射、繞射、散射和吸收，但是，當(dāng)電波經(jīng)過一段路徑傳播之后，能量仍會(huì)受到衰減，這是由輻射能量的擴(kuò)散而引起的。電波在傳播過程中，能量將隨傳輸距離的增大而擴(kuò)散，由此引起的傳播損耗稱為鏈路的自由空間傳播損耗。22第二十二頁，共69頁。經(jīng)電磁場理論推導(dǎo)，自由空間傳播損耗Lf為其中，d為傳播距離，單位為km f為工作頻率，單位為GHz傳播距離d越遠(yuǎn)，自由空間路徑損耗Lf越大，當(dāng)傳播距離d加大一倍時(shí)，自由空間路徑損耗Lf就增加6dB。電波頻率f越高，自由空間路徑損耗Lf就越大，當(dāng)電波頻率f提高一倍時(shí)，自由空間傳播損耗Lf就增加6dB。23第二十三頁，共69頁。于是，若接收機(jī)與輻射源（發(fā)射機(jī)）相隔的距離為d，接收天線的有效面積為A，則所接收的信號(hào)載波功率pr為（假定輻射源是定向輻射，其天線增益為Gt）自由空間傳播損耗計(jì)算第二十四頁，共69頁。自由空間傳播損耗在不考慮發(fā)射與接收天線增益的情況下（即Gt、Gr都為1）發(fā)射功率與接收功率之比定義為自由空間傳播損耗，記作Lf。于是有（二）自由空間傳播損耗第二十五頁，共69頁。（二）自由空間傳播損耗式中，f為電波頻率；c為電波傳播速度，約為3×108m/s。第二十六頁，共69頁。（二）自由空間傳播損耗用分貝表示自由空間電波傳播損耗時(shí)，Lf為第二十七頁，共69頁。自由空間損耗與傳播路徑長度的關(guān)系28第二十八頁，共69頁。例：衛(wèi)星和地面站之間的距離為40,000km。計(jì)算6GHz時(shí)的自由空間損耗。解：29第二十九頁，共69頁。2鏈路附加損耗和噪聲衛(wèi)星通信系統(tǒng)涉及空間段和地面段，存在各種各樣的噪聲和干擾。信號(hào)傳播過程中除自由空間傳播損耗外，還有其它一些附加損耗。1、大氣吸收損耗在大氣各種氣體中，水蒸汽、氧氣對電波的吸收衰減起主要作用，稱為大氣吸收損耗。30第三十頁，共69頁。大氣吸收附加損耗與頻率的關(guān)系H2OO231第三十一頁，共69頁。如圖，總體上看，大氣吸收損耗隨頻率的增加而加大。由于在22GHz和60GHz處有較大的損耗峰存在，這些頻率不宜用于星-地鏈路，但可用于星間鏈路。在0.3-l0GHz的頻段，大氣損耗小，適合于電波傳播，這一頻段是當(dāng)前應(yīng)用最多的頻段。30GHz附近也有一個(gè)低損耗區(qū)，正式Ka頻段的“無線電窗口”。32第三十二頁，共69頁。2、雨衰和云霧雪的影響由降雨引起的電波傳播損耗的增加則稱為雨衰。雨衰是雨滴對微波能量的吸收和散射產(chǎn)生的，并隨著頻率的增高而加大。通常在Ku波段及其以上波段，雨衰的影響不容忽視。雨衰的大小與雨量大小，以及電波穿過雨區(qū)的有效傳輸距離有關(guān)。為保證可靠通信，在進(jìn)行鏈路設(shè)計(jì)時(shí)，通常先以晴天為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，然后留有一定余量，以保證降雨、下雪等情況仍然滿足通信質(zhì)量要求，這個(gè)余量叫降雨余量。33第三十三頁，共69頁。降雨衰減系數(shù)的頻率特性34第三十四頁，共69頁。3、大氣折射的影響在大氣層中，離地球表面越高，空氣密度越低，對電波的折射率也隨之減小，使電磁波在大氣層中的傳播路徑出現(xiàn)彎曲。由于折射的影響，這就使得電磁波到達(dá)衛(wèi)星站(或地球站)時(shí)偏離了原來的位置。因此，地球站對準(zhǔn)衛(wèi)星的仰角，衛(wèi)星的可視性都與在自由空間時(shí)不同且還產(chǎn)生附加損耗等。相比自由空間傳播，波束上翹一個(gè)角度增量。大氣折射在低仰角通信時(shí)比較嚴(yán)重。35第三十五頁，共69頁。36第三十六頁，共69頁。微波信號(hào)通過大氣層時(shí)產(chǎn)生折射37第三十七頁，共69頁。4、電離層、對流層閃爍的影響閃爍的概念：地球站與衛(wèi)星間的無線電波通過電離層和對流層時(shí)，由于該層媒質(zhì)小范圍折射率不規(guī)則的起伏變化，使地面接收到的信號(hào)振幅與相位發(fā)生快速的起伏現(xiàn)象，這種起伏變化稱為閃爍。38第三十八頁，共69頁。電離層閃爍形成多徑傳播39第三十九頁，共69頁。電離層閃爍：由電離層內(nèi)電子密度的隨機(jī)不均勻性，可使信號(hào)產(chǎn)生折射。主要對較低頻段(1GHz以下)的電波產(chǎn)生明顯的散射和折射，引起信號(hào)衰落。對流層閃爍：由于對流層的溫度、濕度的逆變或湍流運(yùn)動(dòng)，引起折射指數(shù)的不均勻性，對電波產(chǎn)生散射。主要影響低仰角和10GHz以上頻率，強(qiáng)度隨電波頻率的升高而增大。對閃爍深度大的地區(qū)，用編碼、交織、重發(fā)等技術(shù)來克服衰落，減少閃爍的影響；其它地區(qū)可用適當(dāng)增加儲(chǔ)備余量的方法克服閃爍的影響。40第四十頁，共69頁。5、多徑傳播電波在移動(dòng)環(huán)境中傳輸時(shí)，會(huì)受到地形、地物的影響而產(chǎn)生反射、繞射、散射等，從而使電波沿著各種不同的路徑傳播，到達(dá)接收天線時(shí)，已經(jīng)成為通過各個(gè)路徑到達(dá)的合成波，這稱為多徑傳播。各傳播路徑分量的幅度和相位各不相同，接收端多徑信號(hào)可能同相疊加，信號(hào)增強(qiáng)，也可能反相抵消，合成信號(hào)被減弱，由此形成的合成信號(hào)起伏不定，稱為多徑衰落。41第四十一頁，共69頁。地面反射形成的多徑傳播42第四十二頁，共69頁。6、系統(tǒng)熱噪聲熱噪聲，又稱白噪聲。只要傳導(dǎo)媒質(zhì)不處于絕對零度（-273C），其中的帶電粒子就存在隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生對信號(hào)形成干擾的噪聲，稱為熱噪聲。熱噪聲是由導(dǎo)體中電子的熱震動(dòng)引起的，它是溫度變化的結(jié)果，但不受頻率變化的影響。熱噪聲是在所有頻譜中以相同的形態(tài)分布，它是不能夠消除的。43第四十三頁，共69頁。熱噪聲功率k為波耳茲曼常數(shù)，1.38×10-23J/K；T為噪聲源的噪聲溫度，單位為K；B為系統(tǒng)帶寬，單位Hz。44第四十四頁，共69頁。7、宇宙噪聲宇宙噪聲來自于外層空間星體的熱氣體在星際空間的輻射，包括銀河系輻射噪聲、太陽輻射噪聲和月球、行星等射電源輻射噪聲，其中最主要的噪聲干擾源來自太陽。在太陽處于寂靜期時(shí)，只要接收機(jī)的天線不對準(zhǔn)太陽，太陽噪聲對系統(tǒng)的影響不大。但在每年的春分和秋分前后若干天，每天會(huì)有幾分鐘時(shí)間日凌中斷，造成嚴(yán)重干擾。干擾發(fā)生的具體時(shí)間與地球站位置有關(guān)。45第四十五頁，共69頁。8、大氣和降雨噪聲電波穿過電離層、對流層時(shí)，水蒸氣和氧分子的諧振會(huì)吸收電波能量而帶來附加損耗，同時(shí)產(chǎn)生電磁輻射形成噪聲，即大氣噪聲。降雨除了衰減信號(hào)以外還引起噪聲溫度的增加和去極化的發(fā)生，降雨引起的衰減對信號(hào)影響較明顯，因此，一般情況下都要考慮雨衰的影響，在進(jìn)行較精確的計(jì)算時(shí)也還要考慮降雨噪聲和去極化等因素。工程上，降雨噪聲和雨衰往往一并考慮，用留有足夠系統(tǒng)余量的方法來解決。46第四十六頁，共69頁。9、其它噪聲干擾衛(wèi)星通信系統(tǒng)內(nèi)的其他噪聲干擾主要包括系統(tǒng)間干擾、共道干擾、互調(diào)干擾、交叉極化干擾等。系統(tǒng)間干擾：如衛(wèi)星通信系統(tǒng)與地面微波通信系統(tǒng)之間的干擾。共道干擾：為了充分利用頻率資源，常采用空間頻率復(fù)用技術(shù)，相同頻道可能分配在指向不同地區(qū)的兩個(gè)波束覆蓋區(qū)，但波束間的隔離往往并不十分理想，從而產(chǎn)生共信道干擾。47第四十七頁，共69頁。交叉極化干擾：為了充分利用頻率資源，衛(wèi)星通信系統(tǒng)常采用極化隔離頻率復(fù)用技術(shù)，即兩個(gè)波束的指向區(qū)域可能是重疊的并且使用相同的頻率，通過使用不同的極化方式來實(shí)現(xiàn)信號(hào)間的隔離。由于極化的不完全正交可能造成干擾，即能量從一種極化狀態(tài)耦合到另一種極化狀態(tài)引起的干擾。這也是一種共道干擾。在微波和波長更短的波段，去極化主要產(chǎn)生于雨、冰晶。48第四十八頁，共69頁?；フ{(diào)干擾：衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中采用了高功率放大器(HPA,HighPowerAmplifier)，當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)器用于轉(zhuǎn)發(fā)多載波信號(hào)時(shí)，HPA可以同時(shí)放大多個(gè)載波信號(hào)(幾個(gè)、十幾個(gè)甚至幾百個(gè)載波)。目前衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的功放級大都采用行波管放大器(TWTA)，作為功放級的TWTA，是一個(gè)非線性放大器，它的幅度特性是非線性的，交調(diào)干擾主要是由放大器的非線性特性引起的。49第四十九頁，共69頁。傳播問題物理原因主要影響衰減和天空噪聲增加大氣氣體、云、雨大約10GHz以上頻率信號(hào)去極化雨、冰結(jié)晶體C和Ku頻段的雙極化系統(tǒng)（取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)）折射和大氣多徑大氣氣體低仰角跟蹤和通信信號(hào)閃爍對流層和電離層折射擾動(dòng)對流層：低仰角和10GHz以上頻率電離層：10GHz以下頻率反射多徑和阻塞地球表面及表面上物體衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù)傳播延遲、變化對流層和電離層精確的定時(shí)、定位、TDMA系統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的傳播問題50第五十頁，共69頁。3.3衛(wèi)星通信全鏈路質(zhì)量鏈路預(yù)算分析51第五十一頁，共69頁。PT：發(fā)射功率Pr：電波經(jīng)自由空間傳播后的接收信號(hào)功率Lt：發(fā)射機(jī)到發(fā)射天線的波導(dǎo)傳播損耗（饋線）Lr：接收天線到接收機(jī)的波導(dǎo)傳播損耗Lf：自由空間傳播損耗由此獲得功率平衡方程若功率單位為dBW，損耗單位為dB，則功率平衡方程可寫為52第五十二頁，共69頁。傳輸損耗(L)實(shí)際衛(wèi)星通信中，除自由空間傳播損耗，此外，還應(yīng)考慮大氣損耗、天線跟蹤誤差、極化方向誤差等所產(chǎn)生的損耗?？偟膫鬏敁p耗是各種損耗之和。定義發(fā)射機(jī)的等效全向輻射功率EIRP為：

[EIRP]=[Pt]-[Lt]+[Gt]由此，功率平衡方程可寫為53第五十三頁，共69頁。根據(jù)前面對熱噪聲的分析，接收機(jī)的輸入噪聲功率為k為波耳茲曼常數(shù)，1.38×10-23J/K；B為系統(tǒng)的帶寬；T為接收系統(tǒng)的等效噪聲溫度，它包括天線、饋線和接收機(jī)在內(nèi)的所有噪聲的等效噪聲溫度。以接收機(jī)輸入端為參考點(diǎn)，將天線、饋線的噪聲溫度折算到接收機(jī)輸入端，并與接收機(jī)內(nèi)部噪聲折算的等效噪聲溫度相加。54第五十四頁，共69頁。（地球站）天線噪聲主要包括了由天線主瓣進(jìn)入天線的宇宙噪聲、大氣噪聲，和由天線旁瓣進(jìn)入的地面噪聲、大氣噪聲和太陽噪聲。同時(shí)，下雨時(shí)還有雨的吸收噪聲。一般來說，晴天條件下天線噪聲溫度大約在30-50K的范圍，然而它與下列因素有關(guān)：仰角（仰角越大，噪聲越?。?；天線直徑（直徑越大，噪聲越?。?；天氣條件（雨天噪聲劇增，特別是10GHz以上的頻段）。55第五十五頁，共69頁。衛(wèi)星通信中，通常用載噪比來衡量整個(gè)鏈路性能。用C表示接收信號(hào)載波功率(相當(dāng)于前面的Pr)，G表示接收天線增益(相當(dāng)于前面的Gr)，N表示接收端的噪聲功率于是，接收信號(hào)的載噪比（載波功率與噪聲功率之比）C/N為56第五十六頁，共69頁。EIRP=PtGtL=LfLtLr

為系統(tǒng)總的傳輸損耗，G/T為接收系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)，于是，C/N化簡為以dB為單位57第五十七頁，共69頁。在進(jìn)行鏈路預(yù)算分析時(shí)，為了避免涉及接收機(jī)的帶寬，也常用載波功率與等效噪聲溫度之比C/T反映系統(tǒng)的性能式中，L=LfLtLr

為總的傳輸損耗，G/T為接收系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)，它是評價(jià)接收機(jī)性能好壞的重要參數(shù)，G/T越大，接收性能越好。58第五十八頁，共69頁。不同類型的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，對G/T的要求有較大差異。例如國際衛(wèi)星七號(hào)（IS-Ⅶ）的工作于全球波束的空間站G/T值為-11.5dB/K，天線仰角大于5度的A型標(biāo)準(zhǔn)地球站，在晴天的G/T值應(yīng)滿足：G/T≥40.7+20lg(f/4)。歐洲通信衛(wèi)星（EUTELSAT）是區(qū)域性波束覆蓋，空間站G/T值為-5.3dB/K，而對地球站G/T的要求為37.7dB/K+20lgf/4。衛(wèi)星移動(dòng)通信的地面移動(dòng)終端天線增益通常只有1~2dB，G/T在-22~-23dB/K左右。59第五十九頁，共69頁。例：假設(shè)衛(wèi)星鏈路的傳播損耗為200dB，余量和其它損耗總計(jì)為3dB，接收機(jī)的[G/T]值為11dB/K，EIRP值為45dBW。計(jì)算系統(tǒng)接收到的[C/N]值。（假設(shè)帶寬為36MHz）解：60第六十頁，共69頁。例：載波頻率12GHz，自由空間損耗206dB，天線指向損耗1dB，大氣損耗2dB，接收機(jī)的G/T值為19.5dB/K，接收機(jī)饋線損耗1dB。EIRP為48dBW。計(jì)算載噪比。（假設(shè)帶寬為10MHz）解：61第六十一頁，共69頁。例：已知IS-IV號(hào)衛(wèi)星工作在C波段，衛(wèi)星和地球站相距d=40000km，作點(diǎn)波束1872路運(yùn)用時(shí)，其有效全向輻射功率[EIRPS]=34.2dBW，接收天線增益GRS=16.7dB。又知某地球站有效全向輻射功率[EIRPE]=98.6dBW，接收天線增益GRE=60.0dB。接收饋線損耗LF=0.05dB。試計(jì)算衛(wèi)星接收機(jī)輸入端的載波接收功率Cs和地球站接收機(jī)輸入端的載波接收功率CE。62第六十二頁，共69頁。解：距離d=40000km，

C波段上行鏈路工作頻率為6GHz，下行鏈路工作頻率為4GHz，則上行鏈路自由空間傳播損耗為下行鏈路自由空間傳播損耗為63第六十三頁，共69