同步卫星通信系统的研究与应用探析

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：图10.493颗同步卫星覆盖全球地球站1要与地球站3通信，由于地球站1、3不在同一颗星覆盖区内，因此必须通过卫星A、B覆盖的交叠区的地球站2进行中转。同步卫星通信系统的组成包括同步卫星、地球站和控制中心。图10.53星上处理转发器卫星电源分系统为了保证卫星的工作时间，必须有充足的能源，卫星上的能源主要来源于两部分：太阳能和蓄电池。

1.系统的组成

同步卫星通信系统是利用定位在地球同步轨道上的卫星进行通信的卫星通信系统，原则上只要3颗同步卫星就可以基本覆盖地球，如图10.49所示。

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图10.49　3颗同步卫星覆盖全球

地球站1要与地球站3通信，由于地球站1、3不在同一颗星覆盖区内，因此必须通过卫星A、B覆盖的交叠区的地球站2进行中转。

同步卫星通信系统的组成包括同步卫星、地球站和控制中心。

同步卫星的组成包括卫星天线分系统、控制分系统、卫星转发器、电源分系统、跟踪遥测指令分系统，如图10.50所示。

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图10.50　同步卫星

（1）卫星天线分系统

卫星天线有两类：遥测指令天线和通信天线。遥测指令天线通常采用全向天线，通信天线按其波束覆盖区大小可分为全球波束天线、点波束天线、区域（赋形）波束天线。

（2）卫星通信分系统

卫星通信分系统是通信卫星的核心部分，包括各种转发器。转发器的功能是将接收到的地球站的信号放大，然后通过下变频发射出去。转发器按照变频的方式和传输信号形式的不同可分为三种：单变频转发器、双变频转发器和星上处理转发器。

1）单变频转发器

单变频转发器（见图10.51）将接收到的信号直接放大，然后变频为下行频率，最后经功放输出到发射天线给地球站。这种转发器适用于载波数度、通信容量大的多址联接系统。

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图10.51　单变频转发器

2）双变频转发器

双变频转发器（见图10.52）先将接收到的信号变换到中频，经限幅后，再变换为下行频率，最后经功放由天线发给地球站。双变频方式的优点是转发增益高，电路工作稳定；缺点是中频带宽窄，不适合于多载波工作。它适用于通信容量不大、所需带宽较窄的通信系统。

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图10.52　双变频转发器

3）星上处理转发器

星上处理转发器（见图10.53）包括两类：一类是对数字信号进行解调再生，消除噪声积累；另一类是进行其他更高级的信号变换和处理，如上行频分多址变为下行时分多址等。

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图10.53　星上处理转发器

（3）卫星电源分系统

为了保证卫星的工作时间，必须有充足的能源，卫星上的能源主要来源于两部分：太阳能和蓄电池。当有光照时使用太阳能，并对蓄电池进行充电；当光照不到时采用蓄电池。卫星电源分系统必须提供给其他分系统稳定可靠的电源使用，并且保持不间断供电。

（4）跟踪遥测指令分系统

该系统包括遥测和指令两大部分，此外还有应用于卫星跟踪的信标发射设备。遥测设备用各种传感器不断测得有关卫星的姿态及星内各部分工作状态的数据，并将这些信息发给地面的控制中心。

控制中心根据接收到的卫星的遥测信息进行分析和处理，然后发给卫星相应的控制指令。卫星接收到指令后，先存储然后通过遥测设备发回控制中心校对，当收到指令无误后，才将存储的指令送到控制分系统执行。

（5）控制分系统

控制分系统由一系列机械或电子的可控调整装置构成，完成对卫星的姿态、轨道、工作状态的调整。

2.卫星电视广播

电视信号可以利用通信卫星进行转发，再经接收站所在地的电视广播系统和集体用户卫星接收站收转，也可以利用直播卫星直接向地面用户播送。当利用通信卫星转发时，由于通信卫星的发射功率较小，因此接收站往往需要高增益天线、高质量低噪声接收机才能正常接收；反之如果利用直播卫星直接向地面用户播送电视节目，为了使用户能使用小型天线进行接收，卫星必须具有很高的发射功率。目前卫星电视广播和直播采用的卫星都是基于地球同步轨道的。

（1）卫星电视广播

卫星电视广播的系统组成如图10.54所示。电视节目源通过通信线路传送到卫星电视转播站，通过卫星电视转播站发送到卫星，卫星将接收到的电视信号进行变频然后转发下去，各个卫星电视地面接收站将接收到的卫星电视信号解调下来，并通过有线电视（CATV）网络分送至各个用户。

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图10.54　卫星电视转播

模拟电视信号的转发采用的调制通常是调频方式，电视信号中的图像信号的带宽为6.5 MHz（PAL制），调频后整个图像信号的带宽在27 MHz左右（东方红卫星、日本BS-2 星等），一个36 MHz带宽的转发器只能传输一路模拟电视图像信号。电视伴音信号的传送可以有三种方式，即单路、副载波法和同步传声法，此外还有副载波多路音频方式。目前常用的是伴音副载波法，它是图像信号与已调伴音信号（即全电视信号）对中频载波进行调频，然后变频发送的一种方式。

（2）卫星电视直播

卫星电视直播是指通过卫星直接转发电视信号，供一般用户直接收看的电视系统，是一个可以替代有线电视的系统。直播卫星（DBS）提供类似有线电视的电视节目，节目接收者采用小碟形卫星接收天线（18～24英寸）。目前美国已经拥有1 000多万用户。

它与卫星电视转播不同的地方在于用户不须经过当地的电视转发中心经过分路系统接收电视信号，而是直接通过安装在家的小型卫星天线直接接收卫星电视节目。因此，卫星电视直播对卫星提出了较高的要求，它要求直播卫星具有高的发射功率，才能缩小接收卫星天线的尺寸。目前直播卫星的使用频段为Ku波段（12～18 GHz），由于频率高，接收天线的尺寸可以相应小一些。

DBS的用户必须拥有DBS接收机、碟形天线。由于DBS采用实时数字视频压缩技术，因此其接收机与普通的电视接收机不同，经过压缩后，一个卫星转发器可以直播十套左右的电视节目。由于DBS信号是作为数字包发送的，DBS用户可接收电视信号、图文电视、计算机数据等形式多样的信号。不过由于DBS系统是单向系统，因此用户反馈的数据必须经过其他网络传输到DBS服务中心，目前通常采用电话线传送。

同步卫星通信系统的研究与应用探析

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