电子科技大学：《卫星通信导论》课程教学资源（讲稿，共八章）.doc

《卫星通信导论》讲稿李兴电子科技大学信息所 2002 年 3 月 1 卫星轨道和星座设计图片 1：星座方案是卫星移动通信系统设计的重要课题，它直接关系到系统网络组成，链路传播特性，投资和服务方式与范围等几个重要方面。图片 2：（介绍学科内容）图片 3：图片 4：卫星测控系统首先要了解和测量卫星轨道．卫星绕地球运行一般是无动力飞行，其轨道近似为椭圆．由于地球不是理想的均匀圆球，此外卫星在运动中还要受到其它天体的引力(如月球和太阳)、太阳辐射压力的影响，近地卫星的运行则还要受到地球大气阻力，因此实际卫星的运动是很复杂的，轨道也不是一个椭圆．通常称轨道对椭圆的偏离现象为“摄动”，上述的这些力称为“摄动力”．人们应用卫星或飞船进行各项航天活动，必须先行设计特定的轨道，在其受到摄动力作用而改变时，则需对其进行控制并予以保持．另一方面，如在任务中需要故变飞行轨道(变轨)，亦须充分了解变轨前的轨道参数和新的目标轨道参数，才能对其进行正确的控制．我们将讨论各种轨道的基本参数、摄动因素、简单的轨道计算方法以及卫星寿命的估算方法等。图片 5：图片 9：在天体动力学中使用了许多的坐标系，但在研究卫星轨道时只用到其中的一部分，并且这些坐标系之间是可以相互转换的。 1．日心（Heliocentric）圆坐标系用来描述绕着太阳运动的行星的轨道，如图所示。坐标系的原点是太阳的中心，其 XY 基准平面与地球绕着太阳旋转的椭圆轨道面重合。X 轴定义为连接原点和椭圆面与地球赤道面的横断面的连线，其正方向指向春分点方向，所谓春分点方向是指在春季第一天连接地球和太阳中心的直线的方向。Y 轴的正方向指向 X 轴正方向的东方 S 轴的正方向指向原点的北方。图片 10：

图片太阳日日常生活中使用的时间都是以太阳作为基准来测量的,一个太阳日是指太阳连续经过当地子午线的时间间隔,即通常所说的一天。如果地球只是自转,而不绕着太阳转的话,一个太阳日就应该与地球自转一圈的时间相同。实际上,地球除了自转外,还要绕着太阳旋转(一年转一圈),因此,在一个太阳日中地球自转就超过了360°,平均说来在一个太阳日中地球要多自转0.986°,如图所示此计算方法对日常生活是足够精确了,但在卫星轨道计算中却会出问题,为此人了恒星日的概念。图片12 一个恒星日定义为地球绕其轴自转360需的时间,因此,一个恒星日要比一个太阳日短个太阳日为24小时,而一个恒星日约为23小时56分4.09秒。对于GSO卫星来说为了与地面上的一点保持相对静止,其轨道周期就必须是一个恒星日。图片13: 民用时间和世界时民用时间( Civil time)是指人们日常生活中使用的时间,它是在当地平均太阳时的基础上增加12小时得到的,因此是一种当地时间。为了在全世界范围内确定一个时间基准,选择英国格林尼治的民用时间作为世界时( Universal Tme,简记为UT),因此,世界时有时也叫格林尼治标准时间( Greenwich mean Tme,简记为GMT 与世界时对应的是当地时间,比如北京时间,它是在世界时的基础上再加上 8小时,即北京时间8点对应的世界时是0点。世界时与平均恒星时之间的关系比较复杂,根据所选择的时间基准不同,世界时与平均恒星时之间换算的关系式有不同的形式。如果以世界时1899年12 月31日12时作为时间基准,则平均恒星时(ST)与世界时(UT)之间的换算关系如下: ST=UT+6h38mn45836s+8640184542s×JC+0.0929s×JC2 式中JC是所需计算的世界时与1899年12月31日12时之间的儒略世纪数。如对于世界时1990年1月1日0时,它与1899年12月31日12时之间的儒略世纪数JC为0.9(计算过程见下页),则对应的格林尼治恒星时STo为: sTo=0+6h38min45836s+8640184542s×09+00929s×0.92 7800092.007S=2166692224h 对此作模24小时运算,得到STo=6692224(小时)。需指出的是,实际使用中,格林尼治恒星时ST常被折算为度,24h对应360°, 如前面计算得到的66922h就对应于1003830。图片14: 儒略日期( Julian date,简记为J)或者叫儒略历( Julian calendar)是天文计算中经常使用的一个时间标准,它是以公元前4713年1月1日12点作为开始计算的基准,世界时与儒略日期(JD)之间的换算关系如下:

图片 11：太阳日日常生活中使用的时间都是以太阳作为基准来测量的，一个太阳日是指太阳连续经过当地子午线的时间间隔，即通常所说的一天。如果地球只是自转，而不绕着太阳转的话，一个太阳日就应该与地球自转一圈的时间相同。实际上，地球除了自转外，还要绕着太阳旋转（一年转一圈），因此，在一个太阳日中地球自转就超过了 360O，平均说来在一个太阳日中地球要多自转 0．986o，如图所示。此计算方法对日常生活是足够精确了，但在卫星轨道计算中却会出问题，为此引人了恒星日的概念。图片 12： •一个恒星日定义为地球绕其轴自转 360”需的时间，因此，一个恒星日要比一个太阳日短，一个太阳日为 24 小时，而一个恒星日约为 23 小时 56 分 4．09 秒。对于 GSO 卫星来说，为了与地面上的一点保持相对静止，其轨道周期就必须是一个恒星日。图片 13：民用时间和世界时民用时间（Civil Time）是指人们日常生活中使用的时间，它是在当地平均太阳时的基础上增加 12 小时得到的，因此是一种当地时间。为了在全世界范围内确定一个时间基准，选择英国格林尼治的民用时间作为世界时（Universal Time，简记为 UT），因此，世界时有时也叫格林尼治标准时间（Greenwich Mean Time，简记为 GMT）。与世界时对应的是当地时间，比如北京时间，它是在世界时的基础上再加上 8 小时，即北京时间 8 点对应的世界时是 0 点。世界时与平均恒星时之间的关系比较复杂，根据所选择的时间基准不同，世界时与平均恒星时之间换算的关系式有不同的形式。如果以世界时 1899 年 12 月 31 日 12 时作为时间基准，则平均恒星时（ST）与世界时（UT）之间的换算关系如下： ST＝UT＋6h38min 45.836s＋8640184.542s× JC＋0.0929s×JC2 式中 JC 是所需计算的世界时与 1899 年 12 月 31 日 12 时之间的儒略世纪数。如对于世界时 1990 年 1 月 1 日 0 时，它与 1899 年 12 月 31 日 12 时之间的儒略世纪数 JC 为 0．9（计算过程见下页），则对应的格林尼治恒星时 ST0 为： ST0＝0＋6h38min45.836s＋8640184.542s×0.9＋0.0929s×0.92 ＝7800092.007S＝2166.692224h 对此作模 24 小时运算，得到 ST0＝6.692224（小时）。需指出的是，实际使用中，格林尼治恒星时ST常被折算为度，24h 对应360o，如前面计算得到的 6.6922h 就对应于 100.383o。图片 14：儒略日期（Julian Date，简记为 JD）或者叫儒略历（Julian calendar）是天文计算中经常使用的一个时间标准，它是以公元前 4713 年 1 月 1 日 12 点作为开始计算的基准，世界时与儒略日期（JD）之间的换算关系如下：

图片23:近地点 perigee远地点 apogee 图片25:下面将分别介绍同步轨道卫星通信系统(GEO)、中轨卫星通信系统 (MEO)、低轨卫星通信系统(LEO)各自的优劣点。传统的同步轨道卫星通信系统的技术最为成熟,已经有各种关于同步卫星通信系统的分析文献。自从同步卫星被用于通信业务以来,用同步卫星来建立全球卫星通信系统已经成为了建立卫星通信系统的传统模式。但是,同步卫星有一个不可克服的障碍,就是较长的传播时延和较大的链路损耗,严重影响到它在某些通信领域的应用,特别是在卫星移动通信方面的应用。首先,同步卫星轨道高, 链路损耗大,对用户终端的有效全向辐射功率(E/RP)和接收机品质因数(GT 值)的要求髙。这种系统星座难于支持手持机直接通过卫星进行通信,或者需要采用12m以上的星载天线(L波段);为了使手持式移动用户终端能够方便地通过卫星进行通信,对卫星星载通信有效载荷提出了较高的要求,不利于以小卫星技术在移动通信中的使用。其次,由于链路距离长,传播延时大,单跳的传播时延就达到250~270毫秒,加上语音编码器等的处理时间则单跳时延将达到350 毫秒左右,当移动用户通过卫星进行双跳通信时,时延将达到700毫秒,这是用户所难以忍受的。为了避免这种双跳通信就必须采用星上处理使得卫星具有交换功能,但这必将增加卫星的复杂度,不但增加系统成本,也有一定的技术风险轨道高度较低的中、低轨系统,由于链路损耗小,降低了对用户终端E/RP 和GT值的要求,可支持手持机直接通过卫星进行通信。同时,短的传播延时允许移动台到移动台的两跳通信而不必采用星上交换处理。中轨和低轨系统在时延和链路损耗等方面具有静止轨道系统无法比拟的优势,有利于低成本、小功率的便携式用户终端和小卫星的利用。此外,中、低轨卫星系统的星座不能象静止星座那样与用户保持相对固定的空间关系,系统采用星群互补工作的方式才能为用户提供连续的服务。这样可使系统能够带病工作,即在中低轨星座中有一颗或几颗卫星出现故障也不会给系统带来十分显著的影响,加之中、低轨小型卫星发射容易,卫星只需地面备份,在出现故障时进行补充,提高了系统的抗毁性低轨系统由于星座轨道低(2000公里以下),信号传播时延短,所以可支持多跳通信;链路损耗小可降低对卫星和用户终端的要求,可采用微型/小型卫星和手持机。但是低轨系统也为这些优势付出了较大的代价:由于轨道低,每颗卫星所能覆盖的范围比较小,要构成全球系统需要数十颗卫星,如 IRIDIUM有66 颗卫星。 GLOBALSTAR有48颗卫星、 Teledisc有288颗卫星。 Inmarsat和 Odyssey 的研究表明,轨道越低系统投资越大。同时,由于低轨卫星的运动速度快,卫星从地平线升起到再次落到地平线以下的时间较短,所以卫星间或波束间切换频繁。因此,低轨系统构成方案和控制复杂,技术风险大。中轨系统可以说是同步系统和低轨系统的折衷,中轨系统兼有这两种方案的优点,同时又在一定程度上克服了这两种方案的不足之处。中轨星座的高度选为

图片 23：近地点 perigee,远地点 apogee 图片 25：下面将分别介绍同步轨道卫星通信系统（GEO）、中轨卫星通信系统（MEO）、低轨卫星通信系统（LEO）各自的优劣点。传统的同步轨道卫星通信系统的技术最为成熟，已经有各种关于同步卫星通信系统的分析文献。自从同步卫星被用于通信业务以来，用同步卫星来建立全球卫星通信系统已经成为了建立卫星通信系统的传统模式。但是，同步卫星有一个不可克服的障碍，就是较长的传播时延和较大的链路损耗，严重影响到它在某些通信领域的应用，特别是在卫星移动通信方面的应用。首先，同步卫星轨道高，链路损耗大，对用户终端的有效全向辐射功率（EIRP）和接收机品质因数（G/T 值）的要求高。这种系统星座难于支持手持机直接通过卫星进行通信，或者需要采用 12m 以上的星载天线（L 波段）；为了使手持式移动用户终端能够方便地通过卫星进行通信，对卫星星载通信有效载荷提出了较高的要求，不利于以小卫星技术在移动通信中的使用。其次，由于链路距离长，传播延时大，单跳的传播时延就达到 250~270 毫秒，加上语音编码器等的处理时间则单跳时延将达到 350 毫秒左右，当移动用户通过卫星进行双跳通信时，时延将达到 700 毫秒，这是用户所难以忍受的。为了避免这种双跳通信就必须采用星上处理使得卫星具有交换功能，但这必将增加卫星的复杂度，不但增加系统成本，也有一定的技术风险。轨道高度较低的中、低轨系统，由于链路损耗小，降低了对用户终端 EIRP 和 G/T 值的要求，可支持手持机直接通过卫星进行通信。同时，短的传播延时允许移动台到移动台的两跳通信而不必采用星上交换处理。中轨和低轨系统在时延和链路损耗等方面具有静止轨道系统无法比拟的优势，有利于低成本、小功率的便携式用户终端和小卫星的利用。此外，中、低轨卫星系统的星座不能象静止星座那样与用户保持相对固定的空间关系，系统采用星群互补工作的方式才能为用户提供连续的服务。这样可使系统能够带病工作，即在中低轨星座中有一颗或几颗卫星出现故障也不会给系统带来十分显著的影响，加之中、低轨小型卫星发射容易，卫星只需地面备份，在出现故障时进行补充，提高了系统的抗毁性。低轨系统由于星座轨道低（2000 公里以下），信号传播时延短，所以可支持多跳通信；链路损耗小可降低对卫星和用户终端的要求，可采用微型/小型卫星和手持机。但是低轨系统也为这些优势付出了较大的代价：由于轨道低，每颗卫星所能覆盖的范围比较小，要构成全球系统需要数十颗卫星，如 IRIDIUM 有 66 颗卫星。GLOBALSTAR 有 48 颗卫星、Teledisc 有 288 颗卫星。Inmarsat 和 0dyssey 的研究表明，轨道越低系统投资越大。同时，由于低轨卫星的运动速度快，卫星从地平线升起到再次落到地平线以下的时间较短，所以卫星间或波束间切换频繁。因此，低轨系统构成方案和控制复杂，技术风险大。中轨系统可以说是同步系统和低轨系统的折衷，中轨系统兼有这两种方案的优点，同时又在一定程度上克服了这两种方案的不足之处。中轨星座的高度选为

10000Km左右,距离地面约为同步轨道的四分之一,链路损耗和传播时延都比较小,中轨卫星仍可采用简单的小型卫星。如果中轨和低轨系统均采用星际链路, 研究表明当用户进行远距离通信时,中轨系统信息通过卫星星际链路子网的时延将比低轨系统低。由于其轨道比低轨高许多,每颗卫星所能覆盖的范围比低轨系统大得多,每颗卫星可以覆盖地球表面的23.5%(10000Km),因而只要几颗卫星就可以覆盖全球,若有十几颗卫星就可以提供对全球大部分地区的双重覆盖,可以利用分集接收来提高系统的可靠性,同时系统投资比低轨系统少。因此,从定意义上说,中轨系统可能是建立全球或区域性卫星移动通信系统较为优越的方案。当然,如果需要为地面终端提供宽带业务,中轨系统有一定困难的,而利用低轨星座为髙速的多媒体卫星通信系统服务要优于中轨系统。 2第一章图片13:在人类已经发射的卫星中,通信卫星只占其中的一部分。目前围绕地球飞行的卫星中,大多数是有带有各种传感器的观察卫星,如气象卫星、电子侦察卫星、成像侦察卫星、海洋监视卫星、预警卫星、核爆炸探测卫星、资源卫星、天文观测卫星;其他的是通信卫星或是广播通信卫星,如亚太卫星、中星5号等。如果从1965年美国发射第一颗商用同步卫星 INTELSAT-1(晨鸟)算起,卫星通信已经走过了整整35年的历程。目前在轨道上运行的通信卫星有数百颗。在80年代和90年代初承担了国际通信业务量的70%。利用卫星进行通信的科学设想最早是在1945年10月由英国空军雷达专家阿瑟C克拉克提出的。他在《无线电世界》杂志上发表的一篇提为《地球外的中继站》的文章中,提出了在静态轨道(即倾角为0的同步轨道)上放置三颗卫星来实现全球通信的设想,形成了著名的“卫星覆盖通信说”。(早期人们的设想也许很容易变成现实,比如最早的自动电话交换机是在1892 由美国堪萨斯城的一个殡仪馆老板史端乔发明的。)但是这一设想直至1957年10月4日苏联发射世界上第一颗人造地球卫星 SPUTNIK,才使人们看到实现通信卫星的希望。1%62年 7月美国成功地发射了第一颗通信卫星 Telestar,实验了横跨大西洋的电视和电话传输。但是, Telestar并非在静止轨道上。第一颗静止轨道卫星则是1963年2月美国发射的 SYNCOM 实验卫星,它成功地转播了1964年东京奥运会的实况,使全世界看到了卫星通信的优越性和实用价值。80年代和90年代上半期是卫星通信的“全盛期”,通信卫星为我们接通越洋电话、传送电视节目和提供数据通信。1990年的海湾战争,美军利用2颗国防通信卫星和租用商业卫星线路迅速组建通信网,这些通信卫星承担了几乎所有的通信负荷。90年代初提出的各种通信卫星系统多至几十个,其中最著名的就是“铱”移动卫星通信系统和“全球星”系统。这两个系统可以提供覆盖全球的移动电话业务。在波黑执行任务的美军飞行员每人都配备了一部“铱”受机。这些卫星通信系统除了广播业务以外,基本上都只能提供话音业务。所以从叨7年以后,廉价的地面通信系统的发展如光纤通信系统、蜂窝移动通信系统的蓬勃发展,一下子大大压缩了卫星通信的市场,国内国际的骨干网通信负荷的80%以上改由光纤网络承担。获得技术上巨大成功的“铱”移动卫星通信系统也惨遭倒闭,数十颗卫星将燃烧在大气中。但是新的曙光出现了:军事通信的巨大需求和民用宽带卫星市场的急剧扩大

10000Km 左右，距离地面约为同步轨道的四分之一,链路损耗和传播时延都比较小，中轨卫星仍可采用简单的小型卫星。如果中轨和低轨系统均采用星际链路，研究表明当用户进行远距离通信时，中轨系统信息通过卫星星际链路子网的时延将比低轨系统低。由于其轨道比低轨高许多，每颗卫星所能覆盖的范围比低轨系统大得多，每颗卫星可以覆盖地球表面的 23.5%(10000Km)，因而只要几颗卫星就可以覆盖全球，若有十几颗卫星就可以提供对全球大部分地区的双重覆盖，可以利用分集接收来提高系统的可靠性，同时系统投资比低轨系统少。因此，从一定意义上说，中轨系统可能是建立全球或区域性卫星移动通信系统较为优越的方案。当然，如果需要为地面终端提供宽带业务，中轨系统有一定困难的，而利用低轨星座为高速的多媒体卫星通信系统服务要优于中轨系统。 2 第一章图片 13：在人类已经发射的卫星中，通信卫星只占其中的一部分。目前围绕地球飞行的卫星中，大多数是有带有各种传感器的观察卫星，如气象卫星、电子侦察卫星、成像侦察卫星、海洋监视卫星、预警卫星、核爆炸探测卫星、资源卫星、天文观测卫星；其他的是通信卫星或是广播通信卫星，如亚太卫星、中星 5 号等。如果从 1965 年美国发射第一颗商用同步卫星 INTELSAT-1（晨鸟）算起，卫星通信已经走过了整整 35 年的历程。目前在轨道上运行的通信卫星有数百颗。在 80 年代和 90 年代初承担了国际通信业务量的 70%。利用卫星进行通信的科学设想最早是在 1945 年 10 月由英国空军雷达专家阿瑟 C.克拉克提出的。他在《无线电世界》杂志上发表的一篇提为《地球外的中继站》的文章中，提出了在静态轨道（即倾角为 0 的同步轨道）上放置三颗卫星来实现全球通信的设想，形成了著名的“卫星覆盖通信说”。（早期人们的设想也许很容易变成现实，比如最早的自动电话交换机是在 1892 由美国堪萨斯城的一个殡仪馆老板史端乔发明的。）但是这一设想直至 1957 年 10 月 4 日苏联发射世界上第一颗人造地球卫星 SPUTNIK，才使人们看到实现通信卫星的希望。1962 年 7 月美国成功地发射了第一颗通信卫星 Telestar，实验了横跨大西洋的电视和电话传输。但是，Telestar 并非在静止轨道上。第一颗静止轨道卫星则是 1963 年 2 月美国发射的 SYNCOM 实验卫星，它成功地转播了 1964 年东京奥运会的实况，使全世界看到了卫星通信的优越性和实用价值。80 年代和 90 年代上半期是卫星通信的“全盛期”，通信卫星为我们接通越洋电话、传送电视节目和提供数据通信。1990 年的海湾战争，美军利用 2 颗国防通信卫星和租用商业卫星线路迅速组建通信网，这些通信卫星承担了几乎所有的通信负荷。90 年代初提出的各种通信卫星系统多至几十个，其中最著名的就是“铱”移动卫星通信系统和“全球星”系统。这两个系统可以提供覆盖全球的移动电话业务。在波黑执行任务的美军飞行员每人都配备了一部“铱”受机。这些卫星通信系统除了广播业务以外，基本上都只能提供话音业务。所以从 97 年以后，廉价的地面通信系统的发展如光纤通信系统、蜂窝移动通信系统的蓬勃发展，一下子大大压缩了卫星通信的市场，国内国际的骨干网通信负荷的 80%以上改由光纤网络承担。获得技术上巨大成功的“铱”移动卫星通信系统也惨遭倒闭，数十颗卫星将燃烧在大气中。但是新的曙光出现了：军事通信的巨大需求和民用宽带卫星市场的急剧扩大