第3章广播卫星与上行站

第2章内容的回顾上行站广播卫星接收站第3章广播卫星与上行站3.1上行站3.2同步卫星3.3日凌与卫星蚀3.4卫星广播使用的频率范围3.5广播卫星3.6广播卫星的电参数3.7大气层对电波传播产生的影响3.8极化旋转效应3.9雨致衰减3.1上行站1.主要作用2.组成框图3.工作过程3.1上行站------主要作用在数字卫星广播系统中，上行地球站是一个十分重要的组成部分。它担负着把节目中心传送来的信号发送给广播卫星的任务。同时还要随时监测卫星下行信号的质量；有些上行地球站还承担着对卫星进行遥测、跟踪和遥控的任务。3.1上行站------组成框图(1)•图3.1是一个比较典型的数字卫星上行地球站的组成框图。•在这个卫星上行地球站内为了保证可靠性，采用了双机备份的工作方式，一路为主机，另一路为副机，主副机之间是可以自动切换的，一旦主机发生了故障，就自动切换到副机上，从而保证了工作的不间断性。图中高功率放大器采用了主副机，调制器和上变频器也采用了主副机。•图中显示的输入信号有两路，也就是说这个数字卫星上行地球站采用的是MCPC工作方式，若采用SCPC工作方式，将图中的另一路信源编码器略去就可以了。信源编码V1A1信源编码V2A2复接器Data信道编码QPSK调制上变频(主)信源编码V1A1信源编码V2A2复接器Data信道编码QPSK调制上变频(副)功放器高功放(主)高功放(副)图3.1数字卫星上行地球站的框图3.1上行站------组成框图(2)上行站的室内部分上行站的室外部分•数字卫星电视的输入信号有三个，它们是音频信号(A)、视频信号(V)和数据信号(Data)。(1)模拟的音频信号和视频信号先送入信源编码器，生成经过压缩的数字信号。•信源压缩编码的标准称为MPEG—2，该标准是由国际上的“运动图象专家组”制订的，目前得到了广泛地应用，如在数字卫星广播、高清晰度电视、数字电视、DVD等领域。信源编码器的作用是对经过采样和量化后形成的数字信号进行压缩，未经压缩的数字信号由于数据量太大，因此是不能传输的，难以储存的。3.1上行站------工作过程(1)•信源编码器输出的是压缩后的数字信号，称为传输码流(TS,TransportStream)，其中视频信息和音频信息都被打成一定格式的数据包(分组)，每个数据包的长度都是188字节，其中包括一个同步字节。数据信号也要按照这个格式打包。(2)复接器将音频数据包、视频数据包和数据数据包按一定规律组合在一起，形成一个整体的数据信号。•显然由于视频信号的信息量最多，因此视频数据包的数目也就最多，而数据数据包的数量则最少。•采用MCPC方式时，多路音频／视频信号形成的数据包也是混合在一起的。3.1上行站------工作过程(2)(3)复接器的输出送入信道编码器。•信道编码器的作用是尽量减少在传输过程中形成的误码。当误码率大于一定的数值之后，数字接收机就不能正常地对数字信号进行解码，因此在屏幕上就会出现所谓的“马赛克”现象，再严重一些接收机就要“死机”，这是数字卫星接收机与模拟卫星接收机的区别之一。在传输信道中出现的噪声和各种干扰是产生误码的原因，而这些干扰又是不可避免的，因此人们就要想办法对误码进行纠正，这些工作就要靠信道编码来解决，由此我们可以看出信道编码环节的重要性。•信道编码器主要由能量扩散、外码编码、卷积交织、内码编码等几部分组成。3.1上行站------工作过程(3)(4)经过信道编码之后，信号进入QPSK调制器。•目前，各种数字卫星广播方式均采用QPSK调制方式，其主要原因在于QPSK调制特别适合于弱信号的场合，也就是说在输入的载噪比比较低的情况下，能够获得比较低的误码率。由于卫星信号的传输距离在40000km左右，信号当然是比较弱的，通常地面的场强在15~30dBμV／m的范围之内，在这样的信号强度的条件下，采用QPSK调制方式能够得到足够的信噪比。•QPSK调制属于中频调制，一般中频的频率为70MHz。需要说明的是，经过QPSK调制的载波信号又成为了模拟信号，数字卫星广播地球站其后的设备与模拟卫星广播地球站的情况就很相近了。3.1上行站------工作过程(4)(5)中频信号直接送入上变频器，上变频器输出的频率就是卫星的上行频率，C波段卫星的上行频率为6GHz，Ku波段卫星的上行频率为14CHz。在图3.1所示的地球站系统中，上变频器共有两个，一个为主机，另一个为副机，两个的输出接到一个切换开关上，以便自动切换，这样作的目的就是提高工作的可靠性。3.1上行站------工作过程(5)(6)上变频器输出的信号经过切换之后送入高功率放大器，以便获得足够的功率。模拟卫星地球站的输出功率可达100W以上，而数字卫星地球站的输出功率一般不超过100W。高功率放大器往往采用速调管放大器，速调管也是一种微波电子管，它有两个或两个以上的谐振腔。它的工作是利用电子的渡越时间，并采用速度调制的方式来完成的。高功率放大器也有备份。(7)高功率放大器输出大功率射频信号通过天线发送到位于同步轨道的广播卫星上去。•通常卫星地球站的天线都是大口径天线，直径在6~20m的范围内。天线的形式大多为双反射面天线，有些采用卡赛格伦天线，有些采用格里高利天线，采用后者的好处是收发可以共用一副天线。3.1上行站------工作过程(6)3.2同步卫星1.卫星的分类2.同步卫星轨道3.同步卫星的摄动4.卫星接收天线的俯仰角和方位角卫星的图片3.2同步卫星------卫星的分类(1)根据运行轨道的高度h、运转周期T、倾斜角度v的不同，可将人造地球卫星分为几种类型。•1.按轨道高度（指卫星距其正下方的星下点的高度）划分•(1)低高度卫星：h＜5000km，T＜4小时。•(2)中高度卫星：5000km＜h＜20000km，T=4~12小时。•(3)高高度卫星：h＞20000km，T＞12小时。3.2同步卫星------卫星的分类(2)•2.按运转周期划分•(1)同步卫星：T＝24恒星时。•(2)准同步卫星：T＝24／N恒星时或T=24N恒星时，N＝2，3，4，5……。•(3)非同步卫星：其它情况。•恒星时是完全以地球自转周期为基准的时间计量系统，它与我们日常生活中使用的平太阳时有所区别。由于地球在自转的同时，还围绕着太阳公转，地球的公转周期约为365.25天，因此地球的公转速度大约是59秒／天。根据精确的测量，l恒星日(24恒星时)=23小时56分4.0905秒(平太阳时)。也就是说，按照我们日常使用的时间单位，同步卫星的运转周期为23：56：04.0905。•由于同步卫星的运转周期与地球本身自转周期完全相同，所以从地面上看，同步卫星在天空中是固定不动的，因此又被称为对地静止卫星，简称静止卫星。静止卫星的运动3.2同步卫星------卫星的分类(3)•3.按轨道平面的倾斜角度划分•(1)赤道轨道卫星：v=0度，卫星轨道平面与地球赤道平面重合。•(2)极轨道卫星：v＝90度，卫星轨道平面与地球赤道平面垂直。•(3)倾斜轨道卫星：v＝其它，卫星轨道平面与地球赤道平面有倾角。•同步卫星属于高高度卫星，同时它又是赤道轨道卫星。同步卫星无疑是最适合作为广播之用的，与其它的卫星相比，它有如下的优点：•(1)接收天线容易对准卫星，同时天线的跟踪系统比较简单。•(2)由于卫星的位置固定，因此不存在多普勒频移现象。•(3)服务区域比较大，一颗同步卫星大概可以覆盖地球表面的42％。•(4)广播信道大部分处于真空之中，因此工作相对稳定，信号质量高。•当前，卫星广播系统中都采用同步卫星。3.2同步卫星------卫星的分类(4)1842年，奥地利科学家多普勒,发现声源与接收体发生相对运动时,接收体所接收到的频率,与声源发射频率间能产生频移现象,即移动声源由远到近,接收体所获频率由低转高。现实生活中最有代表意义的例子,就是迎面驶来的火车汽笛声由低到高;当远离我们而去时汽笛声调变低。此种频移现象就是著名的多普勒现象,或称多普勒效应。3.2同步卫星------同步卫星轨道(1)分析方法:根据力学理论，地球和行星围绕太阳的旋转运动以及月亮围绕地球的旋转运动均可以归结为两体问题；同样，人造地球卫星围绕地球的旋转运动也可以按两体问题来分析。在两体问题中，将太阳与行星、地球与其卫星均看作是两个质点，两者在万有引力的作用下运动。德国著名的天文学家开普勒(JohannesKepler，1571~1630)，仔细地分析和研究了前人对天体运动的观测资料，特别是丹麦天文学家布拉赫(TychoBrahe，1546~1601)记录下来的大量精确观测数据后，在17世纪初，开普勒提出了科学史上有名的行星运动三定律，称为开普勒定律。开普勒定律为牛顿日后发现万有引力定律打下了良好的基础。3.2同步卫星------同步卫星轨道(2)•开普勒定律的具体表述如下：•(1)行星沿椭圆轨道绕太阳运行，太阳位于椭圆的—个焦点上。•(2)对于任一行星来说，其位置矢量(太阳中心至行星中心的矢量)在相等时间之内扫过的面积相等。•(3)行星绕太阳运动周期的平方和椭圆轨道的半长轴的立方成正比。•人造地球卫星围绕地球的运动也遵循开普勒定律，我们在此处要解决的是同步卫星轨道参数问题。3.2同步卫星------同步卫星轨道(3)•开普勒第三定律的数学表达式为：(3—1)•其中，T为卫星的周期，a为椭圆轨道的半长轴，G为引力恒量，它是与物体性质无关的普遍常数，ME为地球的质量。根据对称的要求，同步卫星的轨道应该是一个圆形轨道，(3—1)式中的椭圆半长轴应改为圆的半径RS，同时引力恒量与地球质量的乘积又称为地球引力常数，其数值为：•GME=3.98603×1014m3/s2(3—2)3.2同步卫星------同步卫星轨道(4)•由(3—1)式可以解出同步卫星轨道的半径RS，(3—3)•将地球的自转周期T＝86164s带入上式，便可得到同步卫星的轨道半径数值，•RS=42164km(3—4)•地球的半径为：•RE=6378km(3—5)•故同步卫星的高度为：•h＝RS—RE＝35786km(3—6)3.2同步卫星------同步卫星轨道(5)•同步卫星轨道的示意图见图3.2，其中卫星的偏航轴(Yaw)指向地心，滚动轴(Roll)指向卫星前进的方向，俯仰轴(Pitch)则垂直于卫星轨道平面。•由于同步卫星是赤道轨道卫星，卫星位置的纬度为00，因此表明一颗同步卫星的位置仅使用经度就可以了。•例如，1100E表明卫星位于东经1100的赤道正上方，56.60W则表明卫星的位置在西经56.60的赤道正上方。在本课程中，卫星的位置记为ΦS。3.2同步卫星------同步卫星轨道(6)RE=6378kmNSSatelliteRollPitchYawh=35786km图3.2同步卫星轨道3.2同步卫星------同步卫星的摄动(1)摄动产生的原因有：(1)太阳的引力(2)月球的引力(3)地球引力的不均匀性(4)太阳的辐射压力由于受到各种因素的影响，实际的同步卫星相对地面来说并不是绝对静止不动的，而是在其指定位置附近作小幅度的飘动，应该说绝对静止是一种理想的情况。同步卫星偏离理想同步轨道的现象称为摄动。1.含义2.原因3.2同步卫星------同步卫星的摄动(2)3.结论为了保证卫星电视的连续性，必须对卫星的摄动加以校正，使卫星位置的误差始终保持在允许的范围之内。目前，同步卫星位置误差范围的典型数值在0.250左右。3.2同步卫星------卫星接收天线的俯仰角和方位角(1)为了将接收天线对准广播卫星，在每一个卫星接收地点都要确定该点接收天线的仰角和方位角。计算天线仰角和方位角时，一般是采用球面三角和解析几何的方法，在本课程中则使用矢量代数法，其特点是概念明确，几何关系清楚，同时可以推广到其它一些与卫星有关的问题，如日凌问题、极轴式天线问题、天线的极化角问题等。仰角和方位角的定义3.2同步卫星------卫星接收天线的俯仰角和方位角(2)•设接收地点的纬度为ξ，经度为ΦR，卫星的经度为ΦS。为了便于分析，引入相对经度（即接收