技職院校低空軌道衛星遙傳追蹤系統實務能力培育之研究(II)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

技職院校低空軌道衛星遙傳追蹤系統實務能力培育之研究

(2/2)

計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC94-2516-S-151-001- 執行期間： 94 年 08 月 01 日至 95 年 07 月 31 日 執行單位： 國立高雄應用科技大學電子工程系 計畫主持人： 蘇德仁 計畫參與人員： 蘇德仁、王崧任、林勝義、李昌祐、魏千評、林孝青 報告類型： 完整報告 報告附件： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 處理方式： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 95 年 9 月 18 日

技職院校低空軌道衛星遙傳追蹤系統實務能力

培育之研究

計劃類別：█個別型計劃 □整合型計劃

計劃編號：NSC93-2516-S-151-010

執行期間：94 年 8 月 1 日至 95 年 7 月 31 日

計劃主持人：蘇徳仁 教授

研究助理 ：王崧任、林勝義、李昌祐、

魏千評、林孝青

執行單位：國立高雄應用科技大學電子系

中 華 民 國九十五年七月三十一日

中文摘要

由於低空軌道衛星較接近地球表面(離地 600~1500 公里)，其具有往返傳輸 延遲較小、即時通訊、低損失與低傳輸功率而達成電池使用時間較長等優點。 本研究計畫主要目的在建立衛星遙傳與追蹤系統與相關課程設計，以提昇 技職教育體系於低空軌道衛星通訊之實務能力。本計畫擬於第一年完成追蹤系統 之模擬，其子系統含有X 頻段(8~12GHz)天線系統、控制法則驅動系統、標試信 號接收系統與衛星軌道追蹤軟體。第二年將完成電腦輔助教學與實務能力之互動 課程設計。 本計畫所執行之結果將有助於提昇技職院校於低空軌道LEO衛星之遙傳與 追蹤系統之實務能力。

關鍵詞：

衛星通訊，追蹤系統，遙傳系統，課程設計，實務能力

英文摘要

LEO (Low Earth Orbit) satellites are located near the earth (600~1500km), they have good properties, such as small round trip propagation delay that allows real time communications and a low propagation loss that permits to reduce transmitter power, and to achieve a long battery life.

The main aim of this project is to set up an LEO satellite telemetry tracking system and to design the related curriculums for uplifting the practice ability of the technology systems in two years. The telemetry & tracking system, including X-band (8~12GHz) antenna design, control algorithm research, driving system building, beckon signal receiving system and satellite tracking soft, are scheduled to simulate in the first year. In the second year, the related curriculums are designed by providing the CAI (computer aid instruction) and practical interactive environments.

Finally, we believe the proposed education methodology will uplift the practice ability in satellite communication field for technology education systems.

Keywords：satellite communication, tracking system, telemetry system curriculum design, practice ability

目 錄

一、前言...1 二、研究目的...1 三、文獻探討...2 四、研究方法...3 Part I：衛星通信基本概念 4.1.1 衛星通信系統基本概念...3 4.1.2 通信系統的組成...9 4.1.3 衛星通信系統量測參數...15 Part II：低空軌道衛星通信系統 4.2.1 低空軌道衛星通訊系統...27 4.2.2 衛星地面接收站之相關設備與訊號接收流程...36 Part III：低空軌道衛星遙傳追蹤系統之衛星軌道預測軟體 4.3.1 衛星地面站之衛星軌道預測軟體簡介與 Nova from windows 教學....45

4.3.2 衛星地面站之衛星軌道預測軟體 Satellite Tool Kit 教學一 ...53

4.3.3 衛星地面站之衛星軌道預測軟體 Satellite Tool Kit 教學二 ...66

4.3.4 衛星地面站之衛星軌道預測軟體 Satellite Tool Kit 教學三 ...77

4.3.5 衛星地面站之衛星軌道預測軟體 Satellite Tool Kit 教學四 ...85

4.3.6 衛星地面站之衛星軌道預測軟體 Satellite Tool Kit 教學五 ...94

4.3.7 衛星地面站之衛星軌道預測軟體 Satellite Tool Kit 教學六 ...106

圖 目 錄

圖4.1.1 LEO、MEO、GEO、HEO 軌道分佈圖 ...5 圖4.1.2 通信衛星工作之基本原理...8 圖4.1.3 衛星自旋穩定控制...10 圖4.2.1 衛星地面站追蹤系統之基本架構圖...37 圖4.2.2 發射機(Transmitter) ...38 圖4.2.3 接收機(Receiver)...39 圖4.2.4 X 頻段天線地面站追蹤站...40 圖4.2.5 方位角(Azimuth)、傾斜角(Tilt)和仰角(Elevation)之馬達驅動裝置...40 圖4.2.6 DC 伺服馬達剖面圖 ...41 圖4.2.7 馬達驅動裝置之內部構造...41 圖4.2.8 頻譜分析儀...42

圖 4.2.9 M&C(Monitor and control)軟體...43

圖4.2.10 天線追蹤流程 ...44

圖4.2.11 天線控制單元(Antenna Control Unit) ...44

圖4.3.1 地面追蹤站之位置設定...46 圖4.3.2 地面追蹤站之時間設定...47 圖4.3.3 遙傳追蹤指令站之系統方塊圖單元...48 圖4.3.4 Rectangular 觀測模式 ...49 圖4.3.5 Space View 觀測模式...51 圖4.3.6 Radar 觀測模式...51 圖4.3.7 Sky Noise 觀測模式...52 圖4.3.8 衛星軌道之資料更新...52 圖4.3.9 STK 說明檔頁面 ...53 圖4.3.10 STK Start 說明檔頁面 ...54 圖4.3.11 STK Training 說明檔頁面...54 圖4.3.12 STK basics 說明檔頁面 ...55 圖4.3.13 STK basics 說明檔內容 ...55 圖4.3.14 STK basics 說明檔載入範例圖 ...56 圖4.3.15 STK basics 範例圖示 ...56 圖4.3.16 STK 屬性瀏覽器 ...57 圖4.3.17 STK Time Period 時間設定頁面 ...57 圖4.3.18 STK Animation 時間設定頁面 ...58 圖4.3.19 Units 單位設定頁面...59 圖4.3.20 Descripion 專案敘述設定頁面...59 圖4.3.21 Insert 新增設定頁面 ...60

圖4.3.23 新增衛星後頁面...61 圖4.3.24 STK Orbit 衛星軌道設定頁面...61 圖4.3.25 Orbit Wizard 衛星軌道精靈設定頁面...62 圖4.3.26 Orbit Selection 衛星軌道選擇設定頁面 ...63 圖4.3.27 衛星軌道參數設定頁面...63 圖4.3.28 衛星軌道時間設定頁面...64 圖4.3.29 新增衛星軌道後結果...65 圖4.3.30 衛星移動結果...65 圖4.3.31 Pass 衛星軌道設定頁面 ...66 圖4.3.32 顯示衛星軌道號碼頁面...67 圖4.3.33 Pass 更改衛星軌道設定頁面 ...67 圖4.3.34 衛星軌道號碼且軌道不重疊顯示頁面...68 圖4.3.35 Pass 更改衛星軌道長度設定頁面 ...68 圖4.3.36 只顯示衛星當時的軌道路徑頁面...69 圖4.3.37 專案瀏覽器內 meo 衛星...69 圖4.3.38 Lighting 衛星軌道顏色設定頁面...70 圖4.3.39 顯示不同的衛星軌道顏色頁面...70 圖4.3.40 Lighting 日夜設定頁面...71 圖4.3.41 衛星與日光照射軌跡圖...71 圖4.3.42 新增一個地面站頁面...72 圖4.3.43 Position 設定地面站位置頁面 ...72 圖4.3.44 新增一個地面站頁面...73 圖4.3.45 Access 開啟衛星資料庫頁面 ...74 圖4.3.46 Associated Objects 選擇衛星資料庫頁面...74 圖4.3.47 衛星資料庫輸出頁面...75 圖4.3.48 衛星地面站屬性瀏覽頁面...75 圖4.3.49 Basic 基本衛星地面站設定條件頁面...76 圖4.3.50 有條件限制衛星資料庫輸出頁面...76 圖4.3.51 STK orbits 說明檔頁面...77 圖4.3.52 STK orbits 說明檔內容...78 圖4.3.53 STK orbits 說明檔載入範例圖...78 圖4.3.54 STK orbits 範例圖示...79 圖4.3.55 新增 LEO 衛星頁面...79 圖4.3.56 LEO 衛星軌道頁面...80 圖4.3.57 新增 MEO 衛星頁面...81 圖4.3.58 MEO 衛星軌道頁面...82 圖4.3.59 HEO 衛星軌道精靈設定頁面 ...82 圖4.3.60 新增 HEO 衛星頁面 ...83

圖4.3.61 設定 GEO 經度衛星頁面 ...83 圖4.3.62 新增 GEO 衛星頁面 ...84 圖4.3.63 STK access 說明檔頁面...85 圖4.3.64 STK access 說明檔內容...86 圖4.3.65 STK access 說明檔載入範例圖...86 圖4.3.66 STK access 範例圖示...87 圖4.3.67 leo satsensor 衛星涵蓋範圍頁面...87 圖4.3.68 開啟衛星資料庫頁面...88 圖4.3.69 Associated Objects 選擇衛星接收範圍頁面...88 圖4.3.70 衛星接收範圍資料庫輸出頁面...89 圖4.3.71 2D 畫面衛星接收範圍資料庫...89 圖4.3.72 Associated Objects 移除所選擇衛星頁面...90 圖4.3.73 設定衛星與地面站投影高度頁面...91 圖4.3.74 地面站與低空軌道衛星的資訊...91 圖4.3.75 地面站對中軌道衛星的資訊...92 圖4.3.76 leo 低空軌道衛星與 meo 中軌道衛星的資訊...93 圖4.3.77 STK sgp4 說明檔頁面 ...94 圖4.3.78 STK sgp4 說明檔載入範例圖 ...95 圖4.3.79 STK sgp4 範例圖示 ...95 圖4.3.80 orbits sgp4 衛星軌道設定頁面...96 圖4.3.81 TLE 衛星軌道資料載入頁面 ...97 圖4.3.82 TLE 衛星軌道資料輸出結果 ...97 圖4.3.83 手動更改衛星軌道資料載入頁面...98 圖4.3.84 手動新增 TLE 衛星軌道資料輸出結果 ...99 圖4.3.85 載入多個 TLE 衛星軌道資料 ...100 圖4.3.86 選取 STK 衛星軌道資料庫...100 圖4.3.87 設定 STK 衛星軌道資料庫...101 圖4.3.88 STK 衛星資料庫新增衛星選單...101 圖4.3.89 衛星 STK 資料庫新增衛星結果...102 圖4.3.90 2D 畫面中衛星顏色設定頁面...102 圖4.3.91 選取 TLE 衛星軌道資料庫新增衛星 ...103 圖4.3.92 選取欲載入的 TLE 資料庫新增衛星 ...103 圖4.3.93 TLE 資料庫新增衛星選單 ...104 圖4.3.94 STK 衛星資料庫與 TLE 資料庫結合後選單...104 圖4.3.95 STK 資料庫與 TLE 資料庫新增衛星結果...105 圖4.3.96 開啟 STK 軟體圖示...106 圖4.3.97 STK 軟體起始頁面 ...107

圖4.3.99 建立新的地面站...108 圖4.3.100 專案時間設定頁面...109 圖4.3.101 設定搜尋福爾摩沙衛星...109 圖4.3.102 新增福爾摩沙衛星二號...110 圖4.3.103 福爾摩沙衛星二號軌跡圖...110 圖4.3.104 產生資料庫，分別有時間、方位角、仰角、距離...111 圖4.3.105 線上更新衛星資料庫...112

一、前言

近年來由於中國大陸在衛星科技上的發展迅速，至今已發射許多不同類型的 人造衛星，可見其政府在相關衛星科技研究上投入相當多的時間與人力。而在台 灣方面，由於之前早已有福爾摩沙衛星一、二號的成功例子，也有相當成熟的經 驗與技術[1]，低軌衛星系統(LEO)與地球同步軌道衛星系統(GEO)衛星系統之最 大差異點在於 GEO 衛星系統離地球表面相當高(離地 35786 公里)，故傳送時會 產生延遲時間(約 238 ms)，且由於距離過長會有傳輸路徑失真的問題且需較大之 傳輸功率。低空軌道衛星較接近地球表面(離地 600~1500 公里)，其具有往返傳 輸延遲較小、低成本、即時通訊、低損失與低傳輸功率而達成電池使用時間較長 等優點。GEO 衛星相對於地球是靜止不動的，比較容易控制應用。而 LEO 衛星 一天僅繞行經過台灣上空數次(視各衛星高度而定)，故低軌衛星之追蹤較為困 難。 國內目前尚無大學院校於此方面做有關之技術發展與教育之培育。本計劃乃 將本系原有GEO 系統之發射與接收系統，於天線頻段、馬達控制系統及轉頻器 予以更新(原有 GEO 系統仍可轉換使用)，配合舊有數百萬設備即可轉換為「高 技術」之 LEO 衛星系統。對於技職教育體系而言，將理論與實務應用配合，此 乃教育之宗旨[2,3,4,5]。 而近期發射的福爾摩沙衛星 3 號是台灣太空科技發展計劃的第三枚人造衛 星。中華衛星3 號是一顆氣象衛星，軌道高度 700 ~ 800 公里，任務壽命 5 年。 觀測範圍涵蓋全球大氣層及電離層，每天提供全球平均 2500 點的輸入資料值。 這些資料均勻分佈於全球上空，且約每三小時可完成全球氣象資料蒐集及計算分 析，約每 90 分鐘更新一次。此衛星不僅提高氣象預報更新的頻率，使氣象報告 具有實際的效益外，本系統亦可用於長時間之氣候變遷現象之研究、對電離層進 行動態監測、進行全球太空天氣之預報、和提供地球重力研究等相關科學研究 [6]。

二、研究目的

本計劃的主要目的是為了配合中華衛星二號的發射及先期同步衛星GEO 計 畫之設備與成果繼續發展進階低空軌道 LEO 衛星系統，作相關方面的研究與教 學計劃，培育衛星高科技的人才，讓台灣能與高科技的世界先進國家並駕齊驅。 衛星通訊是通訊系統課程的延伸之一，一般的課程規劃是屬於通訊組的學生必修 習之課程。因此對學生的教育與訓練，不但需要理論知識的傳授，更需要一套能 將理論與實作相互應用的訓練課程，建立學生從衛星通信課程的基礎概念，了解 衛星運行方式並學習如何從衛星地面站做衛星的監控與追蹤方面的實務經驗與

三、文獻探討

[1]

”衛星通訊的技術的演進與展望”,http://www.cqinc.com.tw/grandsoft/cm/ 038/afo382.htm.

[2]

Timothy Pratt , Charles Bostian and Jeremy Allnutt ,”Satellite Communications”, 2th edition, John Willy&Sons,2003.

[3]

Michel C.Jeruchim, Philip Balaban , and K.Sam Shanmugan, “Simulation of Communication System Modeling，Methodology，and Technique” 2th edition, John Willy&Sons,2000.

[4]

Bhupendra Jasani , Gotthard Stein (editors) , “Commercial satellite imagery : a tactic in nuclear weapon deterrence” Published in association with Praxis Pub, 2002.

[5]

Ray E. Sheriff , Y. Fun Hu“Mobile satellite communication networks” , Willy , 2001.

[6]

“財團法人國家實驗研究院國家太空中心”, http://www.nspo.org.tw/

[7]

陳克任, “衛星通訊 NII 主角”, 儒林圖書有限公司, 1999

[8]

“中國科普博覽”, http://159.226.2.5:89/ gate/big5/www.kepu.net.cn/gb/ index .html.

[9]

D. Gordon, W. L. Morgan, “Principles of Communications Satellites”, New York: John Wiley & Sons, 1993.

[10]

P.R.K. Chetty, “Satellite Technology and its applications”, 2nd ed. McGraw-Hill, 1991.

[11]

“Transmit Earth Station Mandatory Requirements,” Issue 02 Rev 2, ASIA

SATELLITE TELECOMMUNICATIONS CO., LTD, May. 1999.

[12]

“Handbook on satellite communications” New York, NY , Wiley-Interscience ,

[13]

“Satellite Tool Kit 6.1 help files”,http://www.agi. com/resources/ download/ download.cfm

四、研究方法

本計劃之研究方法著重於地面站以低空軌道衛星遙傳追蹤系統之衛星軌道 預測軟體做模擬的追蹤與遙傳教學，所以先需了解衛星的軌道運行方式、衛星遙 傳追蹤站的結構，茲詳述其內容將在之後章節作介紹。

Part I：衛星通信基本概念

4.1.1 衛星通信系統基本概念

實驗一、衛星通信系統基本概念

實驗目的

本實驗的主要目的是要讓學生了解衛星通信系統的一些基本概念、衛星的種 類、衛星頻段的選擇，與使用衛星通信系統的優點。

實驗步驟

(一) 什麼是衛星通信 衛星通信是指利用人造地球衛星作中繼站轉發無線電信號，在多個地面站之 間進行的通信。 一顆通信衛星天線的波束所覆蓋的地球表面區域內的各種地面站，都可以通 過衛星中繼、轉發信號來進行通信。例如，A 站要與 B 站進行通信，首先 A 站 把信號發射給衛星；衛星把接收到的信號進行放大和頻率變換後再轉發給B 站， 這樣 B 站就能收到 A 站發來的信號。同理，A 站也能收到 B 站發來的信號。通 過上述通信程序可以看出，衛星通信是地面微波中繼通信的發展，是微波中繼通 信的一種特殊方式。 由於衛星通信具有之大區域涵蓋、單點對多點及裝設迅速等其他通信系統難 以比擬的特點，同時，其用途廣泛，不僅可將現有細胞式行動電話延伸至高山、 僻野、海事、航空，亦因具有較寬的頻寬與全面覆蓋的優點，可有效提升與整合 電信服務領域[7,8]。

近年來衛星行動通信與陸地行動通信整合網路，已逐漸成為通信業界之焦 點，希望藉由整合後的網路，提供一個不分時間、地點與空間，隨時隨地想通信 就可以通信之無縫隙的全球通信網，因此全球性、區域性與國內衛星已開始蓬勃 發展。1979 年世界無線電行政會議(WARC)規定宇宙無線電通信有三種方式： 1.太空站與地面站之間的通信。 2.太空站之間的通信。 3.透過太空站的轉發或發射而進行的地面站相互之間的通信。 這裏所說的太空站是指設在地球大氣層以外的太空飛行體或其它行星、月球 等天體上的通信站。地面站是指設在地球表面的通信站，包括陸地上、水面上、 大氣低層中、移動的或固定的地面站。衛星通信屬於太空無線通信中的第三種方 式；通信衛星就是離地球最近的一種太空站。 (二) 地球衛星的軌道 地球衛星的軌道有圓形或橢圓形兩種形狀，地心處在圓形軌道的圓心位置或 橢圓軌道的一個焦點上。 如果衛星的軌道平面與地球的赤道平面間的夾角為i。當 i=90°時，地球衛星 的軌道叫做極軌道，如有的氣象衛星的軌道就是極軌道；當i 為 0°～90°之間時， 衛星的軌道叫做傾斜軌道，一些高緯度國家，如蘇聯的“閃電”系列衛星就是傾斜 軌道；當i=0°時，衛星的軌道為赤道軌道，目前用的靜止衛星通信系統的衛星軌 道就是赤道軌道。 所謂靜止衛星，就是衛星的軌道是圓形的，而且軌道平面與地球赤道平面重 合，即i =90°，衛星離地球表面的高度為 35785.6Km，衛星的飛行方向與地球的 自轉方向相同。這時，衛星繞地球一周的時間恰好為24 小時，如果從地球表面 任何一點看衛星，衛星都是“靜止”不動的。這種對地面靜止的衛星叫做靜止衛星 或同步衛星，利用這種衛星來轉發通信信號的系統叫做靜止衛星通信系統。目前 的衛星通信絕大部分是靜止衛星通信系統[9,10]。 (三) 衛星通信系統的分類 從不同角度，可把衛星通信系統分成以下幾類： 1. 按衛星運動方式分類：靜止衛星通信系統、低軌道行動衛星通信系統,圖 4.1.1。

2. 按通信覆蓋區分類：國際衛星通信系統、區域衛星通信系統、 國內衛星通信 系統。 3. 按使用者分類：公用衛星通信系統、專用衛星通信系統。 4. 按通信業務分類：固定地面站衛星通信系統、移動地面站衛星 通信系統、廣 播業務衛星通信系統、科學試驗衛星通信系統。 5. 按多重進接方式分類：分頻多重進接(FDMA)衛星通信系統、分時多重進接 (TDMA)衛星通信系統、空間分隔多重進接(SDMA) 衛星通信系統、分碼多 重進接(CDMA)衛星通信系統、混合多重進接衛星通信系統。 6. 按基頻信號分類：類比衛星通信系統、數位衛星通信系統。自從 1957 年蘇聯 成功地發射了第一顆人造地球衛星以來，目前世界上已發射了許多通信用的 衛星。 (四) 衛星通信系統工作頻段的選擇 衛星通信工作頻段的選擇十分重要，會影響衛星通信系統的容量、品質、可 靠性、設備的複雜程度、成本以及與其它通信系統的協調。因此，在選擇衛星通 信的工作頻段時，應考慮以下因素： 1.頻帶足夠寬，能滿足所傳輸資訊的要求。 2.電波傳播時產生的衰耗應盡可能小。 3.天線系統接收到的外部雜訊應盡可能小。 4.盡可能利用現有的通信技術和設備。 5.與其它通信或雷達等微波設備之間的干擾盡可能小。 a. 頻率的分配 由於太空通信是超越國界的，如果工作頻率不給以分配與控制，會發生相互 干擾。國際電信聯盟(ITU)主持召開的 1963 年特別無線電行政會議(EARC)和 1971 年有關太空通信的世界無線電行政會議(WARC)，分配過太空使用的頻率。為瞭 解決各個系統之間的協調，還作了一系列的規定，例如各系統允許干擾量的規 圖4.1.1、 LEO、MEO、GEO、HEO 軌道分佈圖 HEO

無線電有關規定中將世界劃分為三個區域：Ⅰ區包括歐、非、蘇聯和亞洲部 分， 蒙古人民共和國、伊朗中部邊界以西的亞洲國家；Ⅱ區包括南、北美洲、 格陵蘭、夏 威夷；Ⅲ區包括亞洲的其它部分，澳大利亞、新西蘭。 衛星通信使用的頻段，國際電信聯盟在1979 年的「世界無線電行政大會最 後法案 」檔案中有詳細規定。 b. 衛星通信服務頻率分配的大致特點是： 分配給靜止通信衛星的頻率中，大約有 3/5 的頻率分配給固定通信服務；約 有2/5 分配給行動通信服務，包括航空行動通信服務及航海行動通信服務，二者 各佔1/5。 低於 2.5GHz 頻率的分配，大部份是用於行動衛星(非同步的)，或有特殊任 務的衛星，或用該頻段向靜止衛星發送指令。由於該頻段的電子設備有較高的頻 率，設備結構較簡單可靠，都卜勒頻移小、費用低，傳輸損耗小等優點。所以將 該頻段用在車輛、船舶和飛機上，採用一些小的天線以進行戰術衛星通信。 國際上分配的頻段要由國家有關部門再次分配給該國的各種應用。例如分配 給政府、民用及軍用。 衛星通信發展的初期，靜止衛星通信系統從傳輸損耗和雜訊兩方面考慮，使 用頻率選在0.3～10GHz 無線電視窗中的 6/4GHz 頻段。上行線路頻率用 5.925～ 6.425 GHz，下行線路用 3.7～4.2GHz 頻段。衛星轉頻器的頻寬可達 500MHz。為 了和上述民用衛星通信系統互不干擾，許多國家的軍用和政府用衛星的通信使用 8/7GHz 頻段，上行線路 為 7.9～8.4，下行線路為 7.25～7.75GHz。 由於通信衛星的服務量大量增加，0.3～10GHZ “天線電視窗”日益擁擠，從 而開始使用了14/11GHz 頻段。即上行線路用 14～14.5GHz，下行線路採用 10.95 ～11.2GHz、11.45～11.7GHz 或 11.7～12.2GHz 等頻率。 行動衛星通信系統中的海事衛星通信系統岸站和衛星之間使用 C 波段，岸 站到衛星上行為6417.5～6425.0MHz；衛星到岸站下行為 4192.5～4200.0MHz。 船站和衛星之間使用L 波段。船站到衛星上行為 1635.5～1644.0MHz，衛星到船 站下行為1535.0～1447.5MHz。 低軌道行動衛星通信系統使用的頻段為K 波段。Ka 波段和 L 波段。“銥”系 統預計 L 波段上下行頻率為 1610～1626.5MHz，轉接站用的下行線路頻率為 K 波段的18.8～20.2GHz 上行線路的頻率為 Ka 波段和 27.5～30GHz。星際鏈路使 用的頻段為22.55～23.55GHz。 與6/4GHz 頻段相比，14/11GHz 頻段具有以下特點： 1.由於微波地區中繼線路較小使用該頻段，因此與衛星通信系統之間的干擾較 小。這樣地面站就可建在內，並把地面站的天線安裝在樓頂上，接收的資訊 不需較長距 離傳輸就可直接送到使用者。因此，傳輸設備較簡單，費用也降 低。而 6/4GHz 頻段與 地面微波中繼使用相同頻段而存在嚴重干擾，所以 6/4GHz 地面站一般建在遠離市區的地方。

2.當地面站和衛星的天線尺寸不變時，14/11GHz 頻段的波束寬度小於 6/4GHz 頻 段波束的一半。這樣，在赤道上排列的衛星密度可以增大一倍，以緩解日益擁 擠的赤道靜止衛星軌道。顯然14/11GHz 頻段還更有利於多波束工作。 3.當天線的尺寸相同時，在 14/11GHz 的天線的接收增益為 6/4GHz 時的 5.33 倍， 發射增益為 9.15 倍。兩者合在一起可改善約 16.9 分貝。這個改善可用來補償 因降雨而增加的吸收損耗和雜訊，或者用於補償因採用低成本衛星或小口徑天 線地面站而出現的性能下降。 4.採用 14/11GHz 頻段的主要缺點是在暴雨、密集的雲霧情況下，接收系統的 C/T 值 要 比 採 用 6/4GHz 頻段時因傳輸損耗增加很大而下降很多。因此採用 14/11GHz 頻段工作的地面站，應位於天線仰角較大的地面區域內。 5.在上述頻段內，盡管採用了頻率重複使用技術，使衛星通信系統的有效頻寬成 倍增加，但已使用的頻段仍然顯得越來越擁擠，因此30 /20GHz 頻也開始試用， 上行線是頻率為 27.5～31GHz，下行線路頻率為 17.7～21.1GHz，可用頻帶為 3.5GHz 是 6/4、14/11 GHz 波段可用頻帶的 7 倍，因此有很大吸引力，但降雨 的影響相當嚴重。 (五) 衛星通信的特點 衛星通信與其它通信方式相比，有以下主要特點。 1.通信距離遠、覆蓋面積大： 一顆靜止通信衛星的天線波束，可以覆蓋地球表面積的42.4%。在這個覆蓋區 域內，兩個相距18000 公里的地面站可以進行遠距離通信。在靜止軌道上等間 隔(120 度)配置三顆衛星，就可建立起除地球兩極地區以外的全球通信。 2.組網路靈活，便於多重擷取聯接： 在衛星天線波束的覆蓋區內，衛星通信網路所屬的地面站可以同時和其它地面 站建立各自的通信路線，形成一種多方向，多地點的通信。這種衛星通信特有 的性能，叫做多重擷取聯接。另外，各種形式的地球站，可以不受地理條件的 限制，無論是固定站還是移動站，各種不同的業務種類，都可以組織在一個通 信網路內，電路的建立十分靈活方便。 3.通信品質高、容量大： 衛星通信工作在微波頻段，再加上各種頻率的重複利用，使得近代一顆通信衛 星可用頻帶寬度達幾千兆赫與之相應的通信容量超過了33000 條話路。在衛星 通信中，電波主要在接近真空的外層太空傳播。因而可以很大地減小大氣折射 和地面反射的影響，傳播特性比地面微波接力線路明顯穩定，所以通信品質高。 (六) 通信衛星的工作過程 利用通信衛星和廣播衛星傳輸廣播電視節目是衛星應用技術的重大發展。

的。在這一系統中，通信衛星實際上就是一個懸掛在空中的通信中繼站。它居 高臨下，視野開闊，只要在它的覆蓋照射區以內，不論距離遠近都可以通信， 透過它轉發和反射電報、電視、廣播和數據等無線信號。 通信衛星工作的基本原理如圖 4.1.2 所示。從地面站發出無線電信號，這個 微弱的信號被衛星通信天線接收後，首先在通信轉發器中進行放大，變頻和功率 放大，最後再由衛星的通信天線把放大後的無線電波重新發向其他地面站，從而 實現兩個地面站或多個地面站的遠距離通信。舉一個簡單的例子：如台北市某用 戶要透過衛星與大洋彼岸的另一用戶打電話，先要透過長途電話局，由它把用戶 電話線路與衛星通信系統中的北京地面站連通，地面站把電話信號發射到衛星， 衛星接到這個信號後透過功率放大器，將信號放大再轉發到大西洋彼岸的地面 站，地面站把電話信號取出來，送到受話人所在的城市長途電話局轉接用戶。 電視節目的轉播與電話傳輸相似。但是由於各國的電視制式標準不一樣，在 接收設備中還要有相應的制式轉換設備，將電視信號轉換為本國標準。電報、傳 真、廣播、數據傳輸等業務也與電話傳輸過程相似，不同的是需要在地面站中採 用相應的終端設備。 隨著航太技術日新月異的發展，通信衛星的種類也越來越多。按服務區域劃 分，有全球、區域和國內通信衛星。按用途分，有一般通信衛星、廣播衛星、海 事衛星、跟蹤和數據中繼衛星以及各種軍用衛星。 圖4.1.2、 通信衛星工作之基本原理

4.1.2 通信系統的組成

實驗二、通信系統的組成

實驗目的

本實驗的主要目的是要讓學生了解衛星通信系統組成的方式、包含衛星內部 主要的設備，與靜止衛星通信系統的組成，一些衛星通信的程序。

實驗步驟

(1) 衛星的主要設備包括下列七大系統： 1.位置與姿態控制系統 從理論上講，靜止衛星的位置相對於地球說是靜止不動的，但是實際上它並 不是經常能夠保持這種相對靜止的狀態。這是因為地球並不是一個真正的圓球形 狀，使得衛星對地球的相對速度受到影響。同時當太陽、月亮的輻射壓力發生強 烈變化時，由於他們所產生的對衛星的干擾，也往往會破壞衛星對地球的相對位 置。這些都會使得衛星漂移出軌道，使得通信無法進行。負責保持和控制自己在 軌道上的位置就是軌道控制系統的任務之一。僅僅使衛星保持在軌道上的指定位 置還遠遠不夠，還必須使它在這個位置上有一個正確的姿態。因為星上定向天線 的波束必須永遠指向地球中心或覆蓋區的中心。由於定向波束只有十幾度或更 窄，波束指向受衛星姿態變化的影響相當大，再加上衛星距離地球表面有 36000KM，姿態差之毫釐，將導致天線的指向謬之千里。再者，太陽電池的表 面必須經常朝向太陽，所有這些都要求對衛星姿態進行控制[11,12]。 2.天線系統 通信衛星的天線系統包括通信天線和遙測指令天線。要求兩種天線體積小、 重量輕、可靠性高，壽命長、增益高、波束永遠指向地球，分別採用消旋天線和 全向天線。 3.轉發器系統 空間轉發器系統是通信衛星的主體。實際上是一部高靈敏度的寬帶收發信 機。其智慧就是以最小的附加噪聲和失真以及盡可能高的放大量來轉發無線信

4.遙測指令系統 遙測指令系統的主要任務是把衛星上的設備工作情況原原本本地告訴地面 上的衛星測控站，同時忠實地接收並執行地面測控站發來的指令信號。 5.電源系統 現代通信衛星的電源同時採用太陽能電池和化學電池。要求電源系統體積 小、重量輕、效率高、壽命長。 6.溫控系統 溫控系統能使衛星內部和表面溫度保持在允許的範圍內，否則將影響星上的 電子設備的性能和壽命，甚至會發生故障。另外，在衛星殼體或天線上溫差過大 的時候，往往產生變形，對天線的指向以及感測器精度以及噴嘴的方向性等都會 帶來不良影響。 7.入軌和推進系統 靜止衛星的軌道控制系統主要是由軸向和橫向兩個噴射推進系統構成的。軸 向噴嘴是用來控制衛星在緯度方向的漂移，橫向噴嘴是用來控制衛星因環繞速度 發生變化造成衛星的在經度方向的漂移。噴嘴是由小的氣體（一種氣體燃料）火 箭組成的，它的點火時刻和燃氣的持續時間由地面測控站發給衛星的控制信號加 以控制的。推進系統的另一職能是採用自旋穩定、重力梯度穩定和磁力穩定等方 法對衛星進行姿態控制。圖 4.1.3、所示的姿態控制方法就是自旋控制。這種衛 星被送上天時，在與火箭分離之前由火箭中的一個旋轉裝置使它以每分鐘10～ 100 轉的速度旋轉。旋轉的衛星好像陀螺一樣，旋轉軸始終指向一個方向，就不 會隨意翻滾了。但是裝在衛星軸上的天線，卻不能隨著星體轉，所以要裝上一個 消旋裝置，使天線穩穩地瞄準地球。 圖4.1.3、 衛星自旋穩定控制

(2)靜止衛星通信系統的組成： 一個衛星通信系統是由太空分系統(通信衛星)、地面站、追蹤遙測及指令分 系統和監控管理分系統等四大部分組成。 1.追蹤遙測及指令分系統(測控系統)： 它的任務是對衛星進行追蹤測量，控制其準確進入靜止軌道上的指定位置； 待衛星正常後，要定期對衛星進行軌道修正和位置保持等控制。 2.監控管理分系統： 它的功能是對定點的衛星在業務營運前、後進行通信性能的監測和控制，例 如對衛星轉頻器(Transponder)功率、衛星天線增益以及各地面站發射的功率、射 頻頻率和頻寬等基本通信參數進行監控，以保證正常通信。 3.太空分系統(通信衛星)： 通信衛星內的主體是通信裝置，其必要部分有衛星本體上的遙測指令、控制 系統和能源(包括太陽能電池和蓄電池)裝置等設備。 通信衛星主要是起無線電中繼站的作用，它是靠衛星上通信裝置中的轉頻器 (微波收、發信機)和天線來完成的。每個轉頻器能同時接收和轉發多個地面站的 信號。顯然，當每個轉頻器所能提供的功率和頻寬一定時，轉頻器越多，衛星通 信容量就越大。 4.地面站： 地面站的主要作用有兩個：一是向衛星發射信號；二是接收經衛星轉發的， 來自其它地面站的信號。 a.地面站的組成： 地面站由天線、饋線(Feed Line)設備；發射設備；接收設備；頻道終端設備； 追蹤和伺服設備；電源設備；通信控制設備組成。 b.天線、饋線設備： 基本作用是將發射機送來的大功率微波信號變成電磁波向衛星方向輻射出 去；接收衛星轉發來的微波信號，並且送到接收設備的第一線低雜訊放大器。通

常，地面站的天線是收發共用的，因此要有收發開關(或稱雙工器)。從雙工器到 收、發信機之間，有一定長度的饋線連接。 由於衛星通信大都工作於微波波段，所以地面站天線通常是碟型天線，目前 一般都採用性能較好的卡塞格倫天線；對天線的要求是，天線增益高。雜訊溫度 低，頻帶寬，天線應具有500MHz 以上的頻寬。旋轉性能好。機械精度高，由理 論分析可知天線半功率點的波束寬度可用(4.1)式表示： D / 70 2 1 λ θ = (4.1) λ 為工作波長，D 為天線直徑。通常要求天線的指向精確度應小於波束寬度的 1/10。 例如已知 λ=7.5cm、D=27.5m 時，用(公式 1-1)式可求得波束寬度 0 2 1 =0.2 θ 。 由饋源(Feed)、拋物面主反射器和雙曲面副反射器構成。饋源位於副反射器 的實焦點處，主反射器的焦點與副反射器的虛焦點相結合。卡塞格倫天線的工作 程序是：發射時，大功率的微波信號能量從饋源輻射出來，射向副反射器。副反 射器把信號的 能量反射回來，射向主反射器。主反射器再次對信號的能量進行 反射，形成天線的波束射向衛星。接收時，電磁波的行進程序與發射時相反。 由於地面站天線部分的建設費用很大，約佔全站的 1/3，天線口徑的尺寸越 大， 地面站性能越好、容量越大。地面站類型系列往往以天線口徑來劃分。例 如，國際衛星通信系統中，規定A 類標準站天線口徑為 30～32 米；B 類站為 11 ～13 米左右；C 類站為 16～18 米，而 D 類站天線口徑則分別為 4.57 米和 3.05 米等。其中A、B、D 類站工作於 4/6 GHz，而 C 類站工作於 11/14 GHz。此外 還有E、F 等類標準站。 一般來說，工作頻段一定，當折算到地面站饋線輸入端的總等效雜訊溫度一 定時，天線口徑越大，地面站接收靈敏度就越高，通常用地面站品質因數 G/T 來描述，它是地面站最重要功能規範之一。 當地面站天線向衛星發射的功率一定時，若天線增益越高，則發射機需輸出 的功率越小。但天線口徑越大，則造價越高並且機動性能變差。 c.追蹤和伺服設備 由於各種原因，靜止衛星總有一定的漂移，為了保證地面站天線的波束始終 對準衛星，就需要有一套追蹤和伺服設備，控制天線時時對準衛星。

地面站天線追蹤衛星的方法有三種：第一種方法是手動追蹤，根據預知的衛 星軌道位置數據隨時間變化的規律，用人工按時調整天線的指向。第二種辦法是 程度追蹤，即把預知的衛星軌道位置數據和天線指向的角度數編成時間程式，輸 入電腦，用電腦來調整天線的指向。由於各種因素影響，預先計算出的軌道位置 數據不會很精確，因而上述二種方法追蹤精度較差。第三種方法是自動追蹤。 這種方法的基本原理是：衛星向地面站發射一個低電位信號標記，地面站用 追蹤接收機接收信號標記。當天線軸對準衛星時，追蹤接收機沒有錯誤信號輸 出。如果天線軸偏離了指向衛星的方向，在天線控制系統中就會產生一個與偏離 角度大小成正比的錯誤信號。偏離角度分為方位角和仰角兩部分。追蹤接收機把 從天線送來的錯誤信號進行放大、檢波，變成方位的和俯仰的兩個直流控制信 號，分別控制天線的方位、俯仰驅動裝置，從而調整天線 的指向、直到天線軸 對準衛星為止。 由於自動追蹤能使天線連續地追蹤衛星，並且精度較高，所以在大型標準地 面站中，通常都以自動追蹤為主，手動和程式追蹤為輔。 d.發射設備 發射設備主要任務是將已調變的中頻(一般為 70MHz)信號變換為射頻信 號，並將功率放大到一定電位，經饋線送到天線向衛星發射。 發射設備的組成由上變頻器、自動功率控制電路、發射波合成裝置、激勵器 和功率放大器組成。 對地面站的主要要求有： 發射功率大，發射功率決定大功率放大器輸出功率和天線增益的乘積，即 EIRP=PT．GT，稱為地面站有效全向輻射功率；頻頻寬度寬，應與天線分系統 相同，載頻的精度高，載波頻率的相對精確度應優於6×10−6；放大器的線性度 好；增益穩定，對發射的有效全向輻射功率要保持在 規定值的±0.5dB 以內。 e.接收設備 接收設備的主要任務是把天線收集來自衛星轉頻器的有用信號，經加工變換 後送給解調器。 對接收設備的主要要求是：雜訊溫度低，接收設備的雜訊溫度一般只有幾十 K；工作頻寬一般要求具有 500MHz 的頻寬；增益穩定。

接收設備由低雜訊放大器、下變頻器、接收波轉換分離裝置、解調器等組成。 為了降低饋線的損耗雜訊，低雜訊放大器一般裝在一個小盒子裏，放在天線背後。 f.通信終端設備 頻道終端設備可以分上行(發送)和下行(接收)兩個部分，這兩部分都工作在 70MHz 中頻以下。 終端設備的作用是：發射端頻道終端將使用者送來的消息加以處理，變化適 合所採用的衛星體制要求的信號形式；在接收端則應進行與發端相反的處理，使 收到的信號恢復為原來的消息。 g.通信控制設備 地面站相當複雜和龐大，為了保證各部分正常工作，使管理自動化，必須在 站內集中監視、控制和測試。為此，各地面站都有一個中央控制室，通信控制設 備就配置在中央控制室內。通信控制設備主要由監視設備、控制設備和測試設備 等組成。 監視設備安裝在中心控制台上，用於監視地面站的總體工作狀態、通信業 務、各種設備的工作情況以及現用與備用設備的情況等。 控制設備用來對地面站的通信設備進行遙測、遙控以及現用、備用設備的自 動轉 換等。控制設備由發射控制設備和接收控制設備兩部分組成。 h.電源設備 地面站電源設備供應站內全部設備所需的電力。為保證99.8%以上的通信可 靠性，對能源系統提出了很高的要求。地面站設備，尤其是大功率發射機所需要 的電源， 必須是穩定電壓穩定頻率、高可靠性的不中斷電源。 為了滿足地面站的供電要求，通常應設有兩種電源設備，即交流不中斷電源 設備和應急電源設備。另外，為了確保電源設備安全以及減少雜訊，交流聲的來 源，所有電源設備都應良好地接地。

4.1.3 衛星通信系統量測參數

實驗三、衛星通訊系統量測參數

實驗目的

本實驗的主要目的是要讓學生了解衛星通訊系統的性能，與常用的衛星通訊 系統幾個主要量測參數，並介紹衛星壽命的計算，與衛星的可靠度跟接收範圍。

實驗步驟

(1)常用系統量測參數介紹 1.衛星線路 C/N 比 人造衛星接收系統，輸入端的載波功率與雜訊功率之比，稱為衛星載波雜訊 比，簡稱雜載比(C/N)。它是表示衛星通訊線路傳輸品質的主要參數，各種通訊 線路所需的 C/N 比，隨系統的用途不同而變化，國際無線電委員會已對各種衛 星系統，制定了各別的建議值。C/N 比(Carrier To Noise Ratio)代表載波的信號功 率與雜訊功率的比值，用dB 分貝表示。在到達衛星接收機時的 CN 比，應該為 14dB。C/N 比可用(4.2)式表示，其中P 是載波功率，C P 是雜訊功率。 N C/N 比=10 log N C P P (4.2) 2.天線增益 G 通過天線的聚焦作用，使功率獲得的相對增加，被稱為天線增益G。天線如 能向自由空間各方面均勻輻射電磁波的天線，稱為各向同性天線。因此定向天線 的增益 G 可定義(4.3)式所示 G= 各向同性天線輻射強度 定向天線最大輻射強度 (4.3) 也可以定義此增益為(4.4)所示 G= 接收機收到的功率 各向同性天線輻射時， 機收到的最大功率 定向天線輻射時，接收 (4.4) 在(4.4)式中，可以用下列近似式表達，如(4.5)式所示。 η π η λ π _{• = •} = ₂ 2 2 4 4 c f A G (4.5) 在(4.5)式中，A 為天線開口面積 (_{m )，}2 λ 為工作波長(m)，_f =_c/λ_{為載波頻率，} c=2.99×10 8 m /s (光速)，η為天線效率，一般為0.55 ~ 0.7。由(4.5)式可知，

要獲得同樣的天線增益，採用的載波率越高，所需天線尺寸越小。這是衛星通訊 載波頻率，向高頻段發展的因素之一。 3.有效全向輻射功率 EIRP 衛星通訊中，地面站或衛星的發射能力，使用EIRP(Effective Isotropically Radiated Power)來表示，定義成(4.6)式所示。 ) (W G P EIRP= r r (4.6) 在(4.6)式中，Pr為地面站(或轉頻器)高功率放大器的發射功率(W)，Gr為發射天 線增益，實際上EIRP 表示定向天線在最大輻射方向，實際所輻射的功率，因此 還應考慮到天線和發射機之間的饋線損耗L_FT，並用分貝值表示為(4.7)式所列。 ) (dBW G L P EIRP= r − FT + r (4.7) 4.等效雜訊溫度 為對通訊線路傳輸品質進行計算，須計算接收機輸入端的雜訊功率。通常設 備產生的雜訊功率，用雜訊因子(NF)來表示，而對低雜訊接收機。採用等效雜訊 溫度 (TE)比，可使得 NF 具有更高的計算精度。等效雜訊溫度是將 NF，”等效” 成電阻元件，在相應溫度下的熱雜訊，他們的關係如(4.8)式所示 ) ( ) 290 / 1 log( 10 T dB NF = + E (在室溫 17 度) (4.8) 在(4.8) 式中，TE 以 絕 對 溫 度(K) 計 。 衛 星 接 收 機 的 雜 訊 溫 度 為 700~1000K (NF=7dB)，地面站接收機的典型雜訊溫度在 20K~1000K 範圍內。接收機輸入端 的雜訊功率，除了接收機內部引入的雜訊外，主要還有天線引入的外部雜訊，隨 天線的仰角、氣候條件和天線直徑的不同而變化。一個仰角15 度的大型天線的 雜訊溫度約為 30K，接收機輸入端的雜訊功率 N 與總雜訊溫度 T 之間的關係如 (4.9)式所示。 N=kBT (W) (4.9) 在(4.9)式中，k 是波爾兹曼常數(1.39×10 −23 焦耳/K)，B 是接收機的雜訊頻寬 (Hz)，T 為總雜訊溫度(K)，他包括了接收機內部和外部天線引入的全部雜訊溫度。 5.接收系統品質因數 G/T 接收天線增益與接收系統總和等效雜訊溫度之比G/T (dB/K)，稱為接收系統 的品質因數，他是測量接收系統性能優劣的重要指標。故也稱接收系統性能指 數，如 G/T 值越大，得到的 C/N 越高，接收系統性能就越好。實際上天線直徑 為30m 的 A 標準站，其典型 G/T 值為 40.7 dB/K。

6.傳輸損耗 在靜止衛星通訊系統中，衛星和地面站相距約35786 公里，因此傳輸損耗是 巨大的(將近 200db)。因為信號主要在大氣層以外的自由空間傳輸，所以傳輸損 耗，主要是自由空間損耗。其他如大氣損耗、極化損耗、天線方向誤差損耗等， 相對要小得多。這裡本書只討論自由空間傳輸損耗，用(4.10)式表示之。 2 4 ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ = λ πd L_p (4.10) 在(4.10)式中，d(公里)是通訊距離，λ 是工作波長，實際是用頻率 f(GHz)來代替， 實際上Lp 使用分貝值(db)表示，為(4.11)式所列。

f

d

dB

L

_p

(

)

=

92

.

45

+

20

log

+

20

log

(4.11) 注意(4.11)式中，d 是取用公里，f 是使用 G 級，因此根據式(4.11)，對於上鏈頻 率為6GHz，下鏈頻率為 4GHz 的衛星通訊系統，當 d=35786 公里時，則自由空 間傳輸損耗分別為(4.12)式和(4.13)所列。 上鏈之L_p(dB)=92.45+91.13+15.56 =199.14 (4.12) 下鏈之L_p(dB)=92.45+91.13+12.04=195.62 (4.13) 可見在衛星通訊系統中傳輸損耗很大，信號在傳輸中要減小約10 倍 20 7.理想線路方程 設衛星通訊系統中，發射機的發射功率為Pr(W)，發射和接收天線增益分別 為 Gr和GR，在僅考慮自由空間損耗LP的理想情況下，接收天線接收到的功率 為(4.14)式所示。 P R r r R r r R L G G P d G G P P = ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ = 2 4π λ (4.14) 在(4.14)式中即為理想線路方程，它代表衛星通訊的線路的極限特性，對上鏈和 下鏈線路均適用。

(2)衛星的壽命： 衛星壽命的長短，決定衛星通訊之年限以及預估成本的重要因素。早期通訊 衛星的壽命，一般約介於三到五年之間，目前駐留於軌道上的衛星，其壽命多屬 於十年左右，預計今後所發射之衛星，其壽命均超過18 年以上。決定衛星壽命 的因素，主要控制燃料的數量、電源系統(太陽能蓄電池)的壽命設計，以及搭載 設備之可靠性來決定。即使是靜止衛星，若進入軌道後即置之不理，則其位置及 姿勢，必將逐漸漂移，故須利用氣體噴射動力定期執行控制，以保持其位置及姿 勢的正確。一旦燃料用完，無法執行控制時，則衛星之移動範圍逐漸擴大，有時 會對其他衛星通訊系統構成干擾，或衛星上之天線的波束，自有效通訊區漂移， 進而造今正常通訊上的困難。因此空制燃料用完時，即為其使用壽命的終期。 然而衛星並非只須大量存積控制燃料，即可使壽命無限延長。為了使在衛星 上之通訊設備能正確動作，當然需要充分的電源。一般所使用之電源則為太陽能 電池，太陽電池在太空中受輻射線長期照射時，發電能力會逐漸惡化趨於惡劣， 同理蓄電池也是如此，在反覆充放電過程中，其能量之存儲能力也隨之逐漸降 低。因此衛星電源系統之設計，必須先就此類可能發生的劣化預先評估，即使瀕 臨壽命末期，仍能執行必要之電源供應。總之為了使衛星壽命增加起見，必須增 加電源系統的容量。為了增加衛星的使用壽命，凡搭載衛星上的設備，也須能與 其壽命期限配合，一起保持充分的可靠性。 如衛星設備之單體無法充分獲得可靠性時，就必須搭載備用設備，以確保整 體系統的可靠性。為了使衛星的使用壽命加長，必須提供高效能之推進設備，以 及劣化較少且重量之太陽能電池，缺乏突破性進展之前，勢必相對增大衛星重 量。衛星之整體重量，因受發射火箭之限制，應在不可超出容許重量的範圍內， 衛星壽命得以加長，其原因必須仰賴通過火箭發射能力的增強，高性能推進設備 以及電源設備等之開發，衛星設備之重量的減輕與高可靠性等各項因素。 依據INTELSAT 衛星資料得知，從 1 號至 7 號衛星之平均設計壽命如下，1 號為1.5 年、2 號為 3 年、3 號為 5 年、4 號為 7 年、5 號為 7 年、5 號 A 為 7 年、 6 號則為 10 年、7 號長達 15 年以上。自西元 1965 年發射 1 號(晨鳥)至西元 1993 年發射 7 號為止，約三十年間衛星之設計壽命，從 1.5 年之短命延長到 17 年較 長壽命。探討衛星之有關因數，可由下列幾點說明。 1.太陽電池之逐年劣化，人造衛星從發射升空後，即時使用衛星之太陽電池群， 無論是圓筒形成或三軸姿勢穩定方式之衛星，矽質二極體太陽電池隨歲月久 遠，必定發生特性劣化現象。通常約使用7 年後，輸出電動率降低為最初電功 率之65%左右，這足以引起電路電壓之降低，以致發生故障之主因。

2.地球同步衛星必須停留赤道高空 35786 公里的指定經度上。同步衛星經常發生 一些漂流。同步衛星必須裝設液體燃料的副推進系統。但是N₂H₄化學液體推 進器(Hydrazine Thruster)槽裡面的燃料連續使用 7 年後即將用盡。同步衛星無 法控制衛星在軌道上隨便漂流，而失去同步之功能。衛星之有效可利用率，因 基於可靠度(Reliability)不足，而發生故障較多。 (3)衛星追縱管制： 當衛星發射至軌道上後，並非置之不理即可長期維持原狀。必須隨時執行追 蹤，正確掌握衛星之內部操作因子，包括電壓、電流、溫度、電源之ON/OFF， 開關之轉換狀態等，以及軌道與姿勢狀態等，統稱之為衛星追蹤管制業務，具有 此項功能之地面台，又稱為追蹤管制台，衛星追蹤管制台的功能如下所述。 1.遙測功能 遙測(Telemetering)是除了兼有遠距離之測定及遙控監視，尚包括可執行遠離 地面達 35786km 高軌道衛星狀態，監控在衛星內部資訊，是利用遙測編碼器轉 換為PCM 數位資訊，可利用遙測發射，傳送至地面站。管制台接收此項信號後 立即執行解調，並執行每一資訊的單位，分段執行即時處理，再輸入於電腦內。 此項電腦將PCM 碼之遙測資訊，恢復為人所了解之電壓、電流以及溫度等 之原先的物理量，並在顯示裝置上顯示外，更核對是否落在預定之界限值的範圍 內。此外執行衛星追蹤管制時，必須據有能向衛星發射指令信號的功能。指令信 號也須與遙測相同，皆須與指令內容配合，以構成完整之PCM 之數位碼，而指 令發射器是可產生此PCM 碼的設備。 衛星測距時通常採用單音測距(Tone Ranging)法。此法可將測距設備所發出 之單音正弦波(10Hz~10KHz)發射到衛星上，再依據衛星之指令接收機與遙測發 射機兩者之折返信號，算出兩者之間的距離。測距資料與測角資料均供衛星估測 軌道之用。依據所算出之軌道數值，從事軌道之操縱、所需週期以及控制量之計 算。

(4)衛星可靠度 一個副系統或一個機件之可靠性(RELIABILITY)可以定義成(4.15)式所示。 0 ) ( N N R= st (4.15) 量。 開始測試時零件之總數 數量。 時間後尚無故障零件之 經 : : 0 ) ( N t N_st 在總共零件數量No 中，其一個零件發生故障之機率與平均故障時間 MTBF (Mean Time Before Failure)有關。假設繼續測試，等到所有零件發生故障，再設 第i 個零件經過時間 ti 後發生故障者可得(4.16)式

∑

= = 0 10 0 1 N i ti N MTBF (4.16) 平均故障率λ 是 MTBF 之倒數。R 最終可化成(4.17)式所列。 t e R= −λ (4.17) 當時間延長到無窮大時(t →∞)，可靠率就接近零(R→0)。事實上零件之壽 命不會無窮大，大約 10 至 17 年之間。換言之可靠率從開始的 R=1.0(=100%)逐 漸降低。假設獲知 MTBF 時可計算出零件之可靠率。事實上一枚衛星裡採用的 零件種類頗多，而且每一零件之 MTBF 又不相同。某個零件之故障，可能導致 整個系統之停止甚至毀滅。為避免類似故障之發生，常採用串聯、並聯或串並聯 接法等，附加備份Redundancy 設施及開關等周邊設備。 1.串聯法 串聯接法可靠度，由N 個零件串聯組成。很明顯的其中有一個零件故障時， 整個系統就發生故障。假設每一零件之可靠度等於 R1，R2，R3……Rn 時，系 統之總可靠度則等於(4.18)式所表示。

∏

= ⋅⋅ ⋅⋅ ⋅⋅ = = N i N i R R R R R R 1 3 2 1 (4.18) 因本接法可靠度不高，平常很少採用。由(4.18)得知，如果每一零件之可靠度相 同而等於R 時，總可靠度由(4.19)式表示。 C N C R R= (4.19)

2.並聯法 並聯接法時，所有零件都開路或其中有一個零件是短路時，系統就發生故 障。故並聯接法之可靠度R_P則於(4.20)式所列。 ∏ − ∏ − = = = N i oi N i si Q Q R 1 1 ) 1 ( (4.20) 上式內Q 為短路的機率，oi Q 為開路的機率。 oi 3.串並聯法 通訊衛星若發生任何故障，因其價值昂貴及高度複雜系統，無法修理，因此 可靠性極為重要。通常可靠性可解釋為，系統或其零件在規定之條件及期限內， 工作正常之或然率。為求衛星有高可靠率，所有零件及裝備之設計全部採複式裝 置，為達成複式目的，可考慮使用串聯與並聯式(Series And Parallel Type)。

(5)衛星通訊電磁波 1.傳播特性 衛星通訊的品質，與接收信號的強度有關，接收信號的強度，要考慮發射機 的功率、天線的增益和方向性、傳播距離及電磁波傳播過程中穿過的介質的狀 況。在衛星通訊中，由於電磁波在接收、發射天線之間通過的距離為35786 公里 (靜止衛星)，低軌衛星也有幾百至幾千公里。而大氣層的厚度一般約 16 公里， 因為電磁波主要在大氣層以外的自由空間傳播。 所以通常把衛星通訊的電磁波，當作在自由空間中傳播來討論。可先考慮電 磁波在大氣層中傳播時所受的影響，再對自由空間傳播中的衰減加以修正。電磁 波可以視為從一個起點，發出後在自由空間內傳播，傳播距離越遠，能量分佈散 開得越廣，因而能量密度越小，換言之電場強度越弱。P_R接收點的信號功率， 可以用(4.21)式描述。 P R T T R L G G P P = (4.21) R P ：發射功率。 T G ：發射天線增益。 R G ：接收天線增益。 P L ：為自由空間的傳播損耗。

(4.21)式就是所謂的傳播方程式，LP可用(4.22)式表示之。 λ πd L_P = 4 (4.22) λ ：載波波長。 d ：傳播距離。 在晴天時，地面站之天線仰角大於 5 度時，衛星到地面站的傳輸損耗，在 1G 到 10GHz 頻段內，等於自由空間傳播損耗。例如用得最多的上鏈頻段是 6GHz 時，傳輸損耗LP =200.05dB，下鏈頻段為196.53dB。 除自由空間傳輸損耗外，電磁波在大氣中傳輸時，還要受到電離層中自由電 子和離子的吸收。受到對流層中氧分子、水蒸氣分子、雲、霧、雨、雪等的吸收 和散射，因而形成損耗。這種損耗與電磁波的頻率、波束的仰角，以及氣候好壞 是密切相關。如晴天時的大氣損耗，根據實測的結果，若知道載波頻率和地面站 天線仰角時，就可查到大氣損耗。國際衛星通訊組織規定，設計6GHz 發射系統 時，考慮到暴雨的影響，要有增加功率輸出(不超過 2 分貝)的能力。 2.衛星頻道的傳輸時間延遲與回波 靜止衛星通訊的缺點是傳輸時間延遲大。即任意兩個同一衛星波束覆蓋區內 的地面站，經靜止衛星傳送的時間延遲約為 0.54 秒。時間延遲大產生兩個主要 問題： a.使雙方通話重疊而感到有些不習慣，那是由於傳輸路徑太遠，發生答話送回發 話端時，與後續的發話相重疊，影響通話的進行。 b.出現較嚴重的回波干擾，由於耦合電路的不平衡等原因，接收的語音會有信號 洩漏到發話端，又經衛星返回到送話者的耳中。這種問題在地面電話線路中雖 然也同樣存在，但因時間延遲很短，不會被送話者察覺到。在長時間延遲的衛 星通訊線路中，發話人就會被自己語音的回波所干擾。 3. 回波的抑制或抵消 在電話信號基頻電路中，裝置回波抵消器或回波抑制器，可以有效克服回波 干擾，常用的方式有下列兩種： a.回波抵消器 回波抵消器比回波抑制器的性能完善，主要是使用橫向濾波器類比合線圈， 使濾波器的輸出與接收時洩漏的語音信號相互抵消，因而防止回波干擾。但不影 響語音信號的正常傳輸。

b.回波抑制器 由於回波抑制器，能在收聽對方語音時，把接收方的語音傳送通路斷開，從 而防止接收信號，因混合線圈的洩漏，而再次被發送回發話方。回波抑制器還能 同時把發話方的接收通路衰減加大，以使收到的回波減少。 (6)衛星天線涵蓋範圍 架設在衛星上之天線所涵蓋地球的範圍(Coverage)，依天線的設計，可分為 半球形或全球形。天線的設計現在可以同時涵蓋地球表面好幾個區域或國家。此 種設計允許頻率再使用(Frequency Reuse)，其中相同的頻帶，可在天線的波束中 重複使用。此重複使用能有效的增加衛星轉訊器的頻寬，達重覆使用數倍之多。 衛星天線最大增益約略計算為(4.23)式所示。 A d G _a 2 2 0 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = λ π ρ (4.23) a ρ ：天線效率(≤ 1) λ ：波長。 A ：孔徑面積。 對直徑d 的圓形孔徑天線上，上式變成(4.24)式所列 2 0 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = λ π ρ d G _a (4.24) 以弳度表示的半功率波束寬度約為(4.25)式所表示。 a dB d ρ λ φ₃ = (4.25) 對小角度偏移之拋物面反射器天線，其天線圖型的一種近似為(4.26)式所示。 ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = 2 3 2 ) ( 76 . 2 exp ) ( dB a d G φ φ λ π ρ φ (4.26) 考慮衛星通訊的單向通路，由地面站而來之發射信號，以功率P 傳給衛星，其us 中下標 u 表示上鏈。衛星輸入之雜訊的功率為P 。信號及雜訊之和經衛星中繼un 器放大後，得從衛星射出的功率為(4.27)式所示。 ) ( us un T G P P P = + (4.27) 其中G 為衛星轉頻器的增益。地面接收站由衛星所收到信號功率為(4.28)所列。

us TOT rs GG P P = (4.28) 其中GTOT 表下鏈的系統總損益，可寫成(4.29)式所列。 p a r t TOT L L G G G = (4.29) t G ：衛星發射天線的增益。 a L ：下鏈的大氣耗損。 p L ：下鏈的傳播耗損。 r G ：地面站接收天線的增益。 由衛星轉頻器所發射，並出現在地面輸入的上鏈雜訊功率為(4.30)所式。 TOT un ru GP G P = (4.30) 由地面站本身所產生的額外雜訊，加上在地面站的雜訊。P 對總雜訊的比為下ru 鏈的載波對雜訊比，其表示式為(4.31)式所列。 dn ru rs t P P P CNR + = ) ( (4.31) 將先前所得之各式代入(4.31)式，右側所出現的各項功率中，可以得出(4.32)式與 (4.33)式。 1 1 _{( )} ) ( 1 1 ) ( _{− −} + = + = + = d u us TOT dn us un dn TOT un us TOT t CNR CNR P GG P P P P G GP P GG CNR (4.32) 其中 un us u P P CNR) = ( ，上鏈的載波對雜訊功率比。 (4.33) dn us TOT d P P GG CNR) = ( ，下鏈的載波對雜訊功率比。 (4.33)式中注意到兩項 CNR 中，較弱者影響整體載波對雜訊功率比最大，N 為₀ 輸出雜訊功率，為了求載波對雜訊比與ES N₀的關係，以求得錯誤機率，(4.34) 式是CNR 之另一種表示方式。

RF C B N P CNR 0 = (4.34) C P ：平均載波功率。 0 N ：雜訊功率頻譜密度。 RF B ：調變信號(射頻)頻寬。 (4.34)式中將分子與分母乘上符號持續時間T ，並且已知S PCES =TS為符號能量， 而得(4.35)式。 S RF S T B N E CNR 0 = (4.35) 在(4.35)式之ES N₀可化為(4.36)式所示。 S RF S T B CNR N E ) ( 0 = (4.36) 由(4.36)式得知 CNR 與ES N₀間有一些常數BRFTS的關係，所以(4.32)式可寫成 (4.37)式。

(

)

(

)

1 0 1 0 0 1 − − ₊ = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ d S u S r S N E N E N E (4.37)

(

ES N0

)

u：上鏈之符號能量對雜訊功率密度比。

(

ES N0

)

d：下鏈之符號能量對雜訊功率密度比。 在此考慮1 個衛星系統連線，衛星採用數位調變，而且檢波在衛星上，將檢 測出的位元，以下鏈載波再調變，接著在地面站進行解調和檢波。此種情況可用 位元錯誤表示，設通道使1 和 0 產生錯誤的機率一樣，另外也假設下鏈的錯誤與 上鏈的錯誤為統計獨立，而且上下鏈的錯誤彼此獨立。傳送數位碼1 且不產生錯 誤的總機率為(4.38)式與(4.39)式所示。 d u d uq p p q C P( 1)= + (4.38) u p ：上鏈有錯誤之機率。 u q ：上鏈無錯誤之機率。 d p ：下鏈有錯誤之機率。 d q ：下鏈無錯誤之機率。

⎩ ⎨ ⎧ − = − = d d u u p q p q 1 1 (4.39) 已知透過通道正確傳送數位碼0 時的機率為P(C0)因此正確接收1 及 0 的平均機 率為(4.40)式所列。

( ) ( )

1 0 ) (C PC PC P = = (4.40) 而錯誤的平均機率為(4.41)所示。 d u d u d u d u d u d u E p p p p p p p p p p q q C P P 2 ) 1 )( 1 ( 1 ) ( 1 ) ( 1 − + = − − − − = + − = − = (4.41)

Part II：低空軌道衛星通信系統

4.2.1 低空軌道衛星通訊系統

實驗四、低軌道衛星系統

實驗目的

本實驗的主要目的是要讓學生了解低軌道衛星系統的發展，和組成的方式， 並說明銥計畫，與本國發展的福爾摩沙三號的計畫。

實驗步驟

(1)低軌衛星行動通信系統 衛星通信發展的初期，用低軌道行動衛星做過通信實驗，但由於當時太空技 術和電子技術的水準較低，通信效果不理想。1964 年美國完成靜止衛星發射和 通信實驗後 ，由於靜止衛星通信系統具有一系列優點，從 60 年代中到現有衛星 通信集中用靜止衛 星通信，包括上面介紹的行動衛星通信。但靜止衛星通信也 有局限性，其一是靜止衛 星離地面高度高(35786.6 公里)傳輸損耗大(6GHz 頻 段，損耗達200dB 左右)。這就限制 了地面站的小型化，地面站不可能做到像地 面行動通信手機的水準。其二是傳輸時間延遲長，通話不適之感，並不可克服。 由於太空技術的發展和電子技術的發展，利用低軌行動衛星通信的時機已經 成熟。美國提出用77 顆衛星組成的低軌衛星行動通信系統，蘇聯也提出了用 32 顆衛星組成稱之為“COSCON”的低軌道行動衛星通信系統。利用低軌道行動衛星 實現全球個人通信，很快就會變成現實(美國的“銥”系統計劃 1994 年發射頭 7 顆 衛星，1997 年系統全部運行)。 低軌道衛星離地面高度僅幾百至幾千公里，其傳輸損耗是靜止衛星的幾千分 之一，傳輸時間延遲大大減小。所以，經過低軌衛星轉接進行全球通信的地面站 可以做成地面蜂巢式行動通信手機那樣大小。這樣任何人、在任何地點、任何時 間都能夠利用手機與任何地點的另一個人進行通信或通話。對於人口稀少，不能 大量投資建設傳統通信設施的地區，低軌道行動衛星通信系統是適合的通信系 統。低軌道行動衛星通信系統、地面蜂巢式行動通信系統、靜止衛星通信系統、 地面有線公用網路、行動衛星通信系統等連網路，就能實現全球個人通信。

1.系統的構成 一個典型的低軌道衛星行動通信系統是美國摩托羅拉公司在1991 年提出用 77 顆“ 靈巧型”衛星來覆蓋全球的行動通信系統。由於銥原子外圍包含 77 個電 子，所以把這個系統叫做“銥系統”。從通信的角度出發可以給它一個這樣定義： 銥系統是一種全球性的數位化衛星個人通信系統，用電池供電的小型可攜式終 端，可以在世界任何地方接打電話和收發數據。各終端通過77 顆低地球軌道衛 星構成的星座進行通信，供全世界範圍內數百萬使用者使用。 2.銥系統由太空段和地面段組成 a.銥系統太空段 太空段由77 顆靈巧型衛星組成。這 77 顆衛星分成 7 個組，每組 11 顆，分 佈在圍繞地球上空，經度上距離相等的7 個平面的極軌道上，從而使衛星天線的 波束能覆蓋全地球表面。於是，在地球表面上任何地點、任何時間總有一顆衛星 在視線範圍內，以此來達成全球個人通信。 每顆衛星使用的頻率範圍分為 L 和 K 兩個頻帶。其中，L 頻帶是衛星直接 與行動電話使用者設備進行連接的頻帶，具體採用的頻率為1.6～1.7GHz。由於 這個頻率是電波視窗範圍中最低的，所以傳播損耗較小。而 K 頻帶則用於衛星 之間直接連接的通路工作頻率、以及衛星與地球上出口局(Outgoing Station)、入 口局(Incoming Station)、匯接局(Tandem Office)等之間的連接通路工作頻率，標 準的頻率範圍為18～30GHz 之間的某頻段。 衛星上L 頻帶的波束是用相控陣列天線(Phased-Array Antenna)發出的，可以 形成48 個互不重疊的點波束，即在地面上形成 48 個覆蓋小區。其中，每個波束 都是獨立工作的，可以覆蓋的地面小區直徑約為689km，能為 236 個同時使用行 動電話的使用者服務。整個衛星行動通信系統共佔用頻頻寬度為14MHz ，在這 個頻頻寬度內，可以提供283000 個頻道。由此可見頻帶的利用率是很高的，這 是因為採用了頻率重複使用技術的緣故。 因為這種系統中的衛星離地球表面高度較低，約為765km，所以叫做低軌道 衛星。由於衛星離地面較近，每顆衛星能覆蓋的地球表面就比靜止衛星的覆蓋區 要小得多，但仍比地面上行動通信基地台能覆蓋的面積大得多。從而使系統中衛 星的覆蓋區能佈滿整個地球的表面。這時，衛星與行動通信的使用者之間的最大 通信距離不會超過 2315km。這樣的距離，就可以使用小天線、小功率、重量輕 的行動電話機，通過衛星直接通話。

低軌道衛星行動通信系統與地面蜂巢式行動電話系統的基本原理相似，都採 用劃分小區和重複使用頻率的方法來進行通信。不同的是低軌道衛星行動通信系 統相當於把地面蜂巢式行動電話系統的基地台安裝在天空上，一個衛星就相當於 一個基地台，由於形成覆蓋小區的天線和無線電中繼器等都安裝在衛星上，所以 隨著衛星的運轉，基地台、天線等都是不停地移動著的。 為了便於達成“銥”系統計劃和提高系統性能，摩托羅拉所屬的銥公司以後又 提出了一些改進措施。其中一個改進措施是1992 年 12 月提出的，把全系統包含 的77 顆衛星減為 66 顆，仍然是每 11 顆一組，但這時全球經度上距離相等的極 軌道就只有6 個了。另一個改進措施是把原 37 個點波束增加成 48 個點波束，以 使系統能把通信容量集中 在通信業務需求量大的地方。也可以根據使用者對語 音或尋呼業務的特殊需要而重新分配頻道。另外，新的波束圖還能減少干擾。 b.銥系統地面段 地面段由系統控制中心(SCS)、轉接(Gateway)地面站(匯接設備站)(GWS)和 使用者單元部分(使用者地面站)(ISU)組成。 系統控制中心主要功能是控制衛星、監視和控制網路節點、控制衛星的通信 資源等。主要又分三項功能：衛星管理－包括衛星的軌道控制、故障排除，星上 測試、衛 星脫離星座更換新星等。網路管理－主要是監視和管理功能，如與網 路結構變更有關的功能，包括路由選擇表的更新、節點的啟用和撤鎖等。還有記 費、報告網路狀態等功能。通信管理－主要是為保證通信管理系統與所有衛星之 間不間斷聯絡所必需的功能等。轉接地面站主要功能是：控制使用者接入、完成 與地面公眾電話交換網路的互連。 轉接站由二大系統組成，一是供使用者接入“銥”網路的地球終端站，二是負 責呼叫處理和與地面公眾網路系統互連的交換設備。地球終端工作在 K 波段。 它有三個射頻前端。一個射頻前端用於建立它與提供服務衛星之間的上行和下行 線路。第二個射頻前端與下一個接受服務的衛星之間保持通信聯絡。第三個射頻 前端備份用或提供太空分集用。轉接端的兩副主天線追蹤最近的兩顆衛星，保持 通信的連續性。 每個射頻前端(射頻單元)由 K 波段天線收、發信機、調變解調器和分時多重 擷取 (TDMA)緩衝器等組成。射頻單元由地球端終端處理機控制。該處理機根 據系統控制中心提供的衛星位置數據發出天線旋轉方向的指令。 轉接站的交換設備的主要作用是在Ka 頻段鏈路的通信負荷和公眾電話交換