地球同步轨道之通信卫星

一、衛星通訊簡介2衛星運作行星：繞著恆星(如太陽)運轉的星球(如水星、金星、地球等)，而繞著行星運轉的星球稱為衛星(如月亮)。人造衛星是指循一定軌道環繞地球運行的人造物體。避免大氣的摩擦，衛星高度都遠超過大氣層頂。人造衛星的設計不像飛機需考慮外形是否流線，再加上太陽電池板，因此人造衛星的外形大都是千奇百怪。法國SPOT衛星3前言自一九五七年蘇聯第一顆衛星成功發射後，衛星已迅速成為推動科技進步、經濟發展與國防建設之重要手段。五十年來，全世界共發射大約4500顆衛星，其中90%以上是美、蘇兩大強權所有，80%衛星被用於軍事用途。衛星已融入人們生活之中，提供定位、導航、氣象、電信、廣播及多媒體等服務。軌道現有約700~800枚衛星4人造衛星的應用與服務服務與應用導航定位寬頻服務電視廣播通信網路遙測探勘5不同應用之衛星分類就應用方面來說，衛星約可分成下列幾類：偵察衛星(SurveillanceSatellites)預警衛星(EarlyWarningSatellites)氣象衛星(WeatherSatellite)天文衛星(AstronomicalSatellite)導航衛星(NavigationalSatellite)探測衛星(RemoteSensorSatellite)殺手衛星(KillerSatellite)通信衛星(CommunicationSatellite)氣象衛星：氣象衛星有兩種運行軌道。一種在地球的同步軌道上運行，恆定地觀測地表上大約三分之一的面積。另一種在極軌道上，以每12小時一次地覆蓋整個地球表面。氣象衛星可測量地表和大氣溫度，記錄風速和雲的移動，並預測降雨區域，以方便氣象學家預報準確天氣。通訊衛星：通訊衛星是長距離通訊的一個極佳中繼站，它能克服橫跨海洋和大陸的無線電通訊傳播時所遭遇的困難。大部分的通訊衛星都在地球同步軌道上運行（即同步衛星），看起來就像在地球上空的特定點上靜止不動一樣。資源衛星：資源衛星能夠預報森林火災、管理水利資料、測繪地圖、估計農作物的產量、測量冰河的移動及大氣與海洋污染等。現今更可用於幫助動物學家觀測如北極熊等野生動物的生活習性。福衛二號便是一枚資源衛星，它的影像解析度將可達5公尺×5公尺。目前國內較為常用的資源衛星資料有法國SPOT(史波特)衛星與美國的大地衛星。其中SPOT的地面解析度彩色為20公尺，黑白則為10公尺。導航衛星：美國及俄羅斯均有此類衛星。美國的全球定位系統(GPS)共有24顆導航衛星，飛行器可利用四顆衛星發出的信號來計算自己的位置、高度和速度。地表上空電離層的電子密度及中性大氣中水汽含量的改變，均會影響GPS的訊號。由八顆微衛星所組成的福衛三號科學衛星，將可藉由分析GPS訊號的改變，用以研究大氣層及電離層的結構分佈情形。10衛星通信之意義利用太空衛星「所裝載之通信酬載–轉頻器(Transponder)」作為無線電收發之中繼轉播站，用以達到各地面站台間的通信目的。11衛星在無線通信領域之定位在無線通信領域中，衛星通信將提供全球、廣域之通連服務：隨時、隨地提供寬頻、廣域、無縫隙之無線通信服務12衛星在電信網路之定位衛星通主要係定位於國內或國際廣域之電信、數據及多媒體之通信網路運用。INDOOR/LOCALREGIONAL/NATIONALINTERNATIONALTELEPHONYDATA/InternetVideo/MultimediaFixedWireless(WirelessLocalLoop)PrivateMobileCordlessPublicCellularMobileData/PagingWirelessLANMobileSatelliteFixedSatellitePCSBroadcastSatelliteMMDS/LMDSINDOOR/LOCALREGIONAL/NATIONALINTERNATIONALTELEPHONYDATA/InternetVideo/MultimediaFixedWireless(WirelessLocalLoop)PrivateMobileCordlessPublicCellularMobileData/PagingWirelessLANMobileSatelliteFixedSatellitePCSBroadcastSatelliteMMDS/LMDS電信應用領域13衛星通信主要之功能運用衛星通信主要通訊功能運用：國際電信鏈路(InternationalTelecommunication,如INTELSAT)電視節目傳送(TVProgramDistribution)企業專用網路(VSATs)軍事通信運用(MilitaryCommunications)行動通信服務(Mobilesatelliteservices,如INMARSAT)14直接影訊廣播(DirectVideoBroadcast,DVB)直接音訊廣播(DirectAudioBroadcast,DAB)緊急救難通信(EmergencyCommunication)全球手持大哥大(如銥計畫(Iridium))網際網路幹線(InternetBackboneServices)15衛星通信之特點衛星通信系統具有以下特徵與重要作用：獨具三度空間無縫隙覆蓋能力獨特靈活性與普及服務能力大區域的可機動性或可行動性通連廣域網狀網路構連能力廣域Internet交互連接能力特有的廣域廣播與多點同時通連能力對國際/區域/本地距離連接的不敏感性對緊急救災及故障搶救的快速靈活16通信衛星軌道劃分按軌道高度劃分：低軌道(LEO):300to1,500km中軌道(MEO):8,000to12,000km同步軌道(GEO):approx.36,000km按軌道形狀劃分：圓形軌道(Circular)橢圓軌道(Elliptical)一般使用同步軌道(GEO)通信衛星進行傳輸中繼服務17低軌衛星(LEO)：低軌道(1000公里以內)衛星約二至三小時繞行地球一週，出現在收訊範圍之時間甚短，因此需要較多衛星以接力方式，始能提供全球全天候之服務。通常間碟衛星就是屬於這一種位於高度較低的軌道，由於軌道限制較少，因此近年大為流行。適合於通訊，因此如銥計劃(Iridium)等都是用低軌道衛星來做。銥計劃即採6個軌道面，各軌道含11顆衛星；Globalstar也是6個軌道面，各軌道面含8顆衛星。18中軌衛星(MEO)：在同步軌道與低軌道之間，以導航GPS衛星而言，採6個軌道面，各軌道面含4顆。19同步衛星(GEO)：距離地球表面約36000公里的高度。繞地球旋轉速度與地球自轉速度一樣，因此在地球上觀看該衛星時，好像靜止不動的停留在太空中。做為通訊使用，因為Delay嚴重，會造成訊息傳送時間較長。同步軌道中之衛星，因與地球自轉同步，因此只需三顆(一顆可覆蓋42％地表)即可構成全球通信。20軌道資源有限(3600)，ITU於1985年國際衛星會議，原規劃30一顆，已改成20一顆，經申請同意，才可佈放。資源衛星、通訊衛星、軍事衛星、導航衛星…都喜好長駐。東經1250至西經1250的範圍是太平洋上空，其同步靜止衛星較稀少。21不同軌道衛星比較250ms100ms15ms傳送延遲來回時間傳輸延遲大衛星成本較高軌道為置有限衛星體系複雜有都卜勒效應生命週期短衛星體系複雜有都卜勒效應缺點地表覆蓋率42.2%無都卜勒效應中度成本傳輸延遲低低成本傳輸延遲低訊號衰減低優點24hrs2-4hrs15min可用時間36000km8000-12000km300-1500km高度同步衛星GEO中軌衛星MEO低軌衛星LEO型態NameFullNameAttitude(Km)Amountneededtocovertheearth同步衛星(GEO)GeostationaryOrbit約35860公里3中軌衛星(MEO)MediumEarthOrbit1000~25000公里10低軌衛星(LEO)LowEarthOrbit500~1000公里48三種軌道的分界卻沒有很明確的標準，只能大致上用大氣圈的中氣層頂上，離地1000公里處作為低軌與中軌的分界；用25000公里的高度作為中軌與高軌的分界。23衛星等級英文名稱質量實例大衛星LargeSatellite一千公斤以上中星一號通訊衛星小衛星SmallSatellite五百公斤至一千公斤福爾摩沙衛星二號迷你衛星Mini-Satellite一百公斤至五百公斤福爾摩沙衛星一號微衛星Micro-Satellite十公斤至一百公斤福爾摩沙衛星三號微小衛星(奈米級衛星)Nano-Satellite一公斤至十公斤史丹福地震衛星(QuakeSat)微微衛星(皮米級衛星)Pico-Satellite一公斤以內正方體衛星(CubeSat)蕃薯號衛星(YamSat)24衛星軌道繞行之參數10203040x106m2420161284衛星週期[h]速度[x1000km/h]同步軌道位置35,786km與地心之距離11000km/h25衛星波束可覆蓋範圍HF:2500-6500公里GEO:16,960公里位置高度最大可傳輸距離26地球同步軌道之通信衛星寬頻衛星92顆其他衛星147顆239顆台灣上空衛星35860Km備註：日本東京大學的皮級衛星使用商業用照相機，拍攝到地球和太陽的影像。這顆命名XI-IV的衛星，自2003.06.30日發射升空，已經在太空中運轉一年。以前從來沒有這麼小的衛星，能在軌道中運轉這麼久。這顆衛星所拍的影像畫素雖然只有128x120點，但已可以看出地球外形、雲圖及太陽。它的下一代衛星，拍攝水準還到相當於130萬像素照相機拍出的品質。衛星波束覆蓋類別全球覆蓋：衛星天線照射地球表面最大面積，約為17.4度。區域覆蓋：典型的區域覆蓋天線之波束寬度為5度。點波束覆蓋：天線的波束寬度為2度。全球覆蓋區域覆蓋點波束覆蓋31衛星通信使用頻段衛星通信使用微波頻段(300MHz~300GHz)，其原因為：獲得較大頻寬、提供大通信容量。衛星處於外層空間(即電離層之外)，電磁波必須能穿透電離層。頻段越高、波束越窄、遭受干擾越小。頻段越高、帶寬越大、傳輸速率越高。32衛星通信使用頻率為避免上、下鏈路於傳輸空間相互干擾，需將上、下鏈路之頻帶錯開。因應衛星酬載重量與壽命限制，上鏈使用較高頻率。目前衛星通信常用之頻帶：降雨衰減嚴重射頻裝備成本高使用頻寬很大30(27.5-30.5)20(17.7-21.7)Ka降雨衰減較大地面微波干擾14(14.0-14.5)11(11.7-12.2)Ku地面微波干擾6(5.925-6.425)4(3.7-4.2)C備註上鏈頻率(GHz)下鏈頻率(GHz)頻帶33衛星通信構成要素地面站台通信衛星大型地面轉接台Internet網路B2B用戶衛星追蹤管制站台地面波束34系統組成衛星的組成基本可分為「衛星本體」及「酬載」兩部份。酬載即是衛星用來做實驗或服務的儀器。衛星本體為維持酬載運作的載具。3536衛星的用途依其所攜帶的酬載而定本體的組成包括:(1)主結構體(三角柱、立方體、八角柱體、或圓柱體等)。(2)一或數片如翅膀般的太陽能電池板。(3)碟型、錐形、或螺旋形的天線。(4)噴射推進及姿態控制系統。(5)環境控制系統(溫度及壓力)。酬載各種探測器、照相機、通訊設備等。備註：人造衛星的內部，一般都裝有許多『高級』的精密科學儀器，所以在人造衛裏面還要充入定量的氣體，其目的一是保溫、一是調節壓力。38保溫因為人造衛星每繞地球一周，就有差不多一半的時間在地球背後黑暗的影子裏移動，接觸不到陽光，這時候溫度可以降低到攝氏零下200多度，而在曬到陽光的另一半時間裏，溫度就急劇上升得很高，冷熱差異十分強烈，如果不利用氣體來保溫調節，人造衛星內所有的無線電儀器便不能準確工作了。39調節壓力因為地面的儀器裝設都是在正常的地球大氣壓力下進行