《卫星通信与卫星网络》课件_第3章.pptx

第3章卫星;

3.1电源子系统;

卫星还必须携带蓄电池,用以在星蚀期间为卫星提供电能。对GSO卫星而言,一年会出现两次星蚀,大约出现在春分和秋分,此时卫星处于地球的阴影中。通常星蚀于春分和秋分前约23天开始,在其后约23天结束。星蚀开始后,其每天持续时间会增加几分钟,直到春分或秋分当天达到最大值70min,之后每天减少,见图3-1。;

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3.2姿态和轨道控制子系统;

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通常姿态控制发生在卫星上,即卫星自主进行姿态控制,但也有可能控制信号从地球站传送过来,这个控制信号基于来自卫星的姿态数据。当希望对卫星的姿态进行调整时,

就可以进行姿态机动,实现这个操作的控制信号可以由地球站直接发送。卫星在自由空间处于失重状态,此时保持卫星稳定的方法有两种,即自旋稳定和三轴稳定,分别见图3-3和图3-4。;

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3.2.1自旋稳定

自旋稳定往往由圆柱形的卫星来实现,卫星运行在一个特定的轴上以实现机械平衡,然后围绕这个轴旋转。对于对地静止卫星,自旋轴要调整到与地球的南北极轴相平行,如

图3-5所示。卫星标准的自选速度为50~100周/分钟,自旋是在发射时通过少量的气体喷射产生的。;

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当使用全向天线时,与俯仰轴同向的天线也和卫星一道旋转。当用定向天线时,该天线必须消旋,即要有一个双自旋结构,此时就需要电动机来使天线子系统消旋。图3-6说明了自旋式卫星利用红外线传感器控制天线指向的原理,图3-7给出了基于图3-6所示技术的一个典型控制环路。;

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3.2.2三轴稳定

与自旋稳定卫星相比,三轴稳定卫星控制系统更为复杂,其传感器数据和处理以及喷气机和动量轮的控制都利用计算机完成。在三轴稳定卫星系统中,不存在自旋稳定的力矩来对抗扰动力矩,它采用矫正力矩来响应扰动力矩。产生这种主动控制力矩的方法包括动量轮、电磁线圈和大量排气设备,如气体喷射器和离子推进器。

地球的电磁场会对通电线圈产生一个力矩,可以通过控制电流来控制这个力矩,以达到对抗扰动力矩的作用。显然,这种方法只适用于卫星,因为地球的电磁场在距离地球较远的宇宙空间极其微弱。;

可采用动量轮来稳定卫星。动量轮一般是一个由电机驱动的金属盘。动量轮既可以在每一个轴上都安装一个,也可以安装在平衡环上,产生一个关于任意轴转动的力矩。根据

角动量守恒定律,提高动量轮的速度可以使卫星向相反的方向运动。

电弧喷气机和离子推进器主要用于南北站点保持操作。南北站点保持操作是站点保持中最耗能的操作,Hughes/Boeing600系列卫星采用的就是此类推进器。虽然此类推进器的推力较小,不能快速移动卫星,但是其产生的连续推力可以满足NS和EW站点保持的要求。排气设备与动量轮组合起来构成三轴稳定系统,见图3-8。;

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以卫星为原点建立笛卡尔坐标系O-XRYRZR,如图3-9所示。ZR指向地心,位于卫星轨道面内经过星下点,O-XR轴与卫星轨道相切,位于轨道平面内,O-YR轴与轨道平面垂直。对于位于北半球的卫星而言,XR和YR方向就是东方和南方。通常将卫星关于O-XR、O-YR、O-ZR轴的旋转定义为关于O-XR轴滚动、关于O-YR轴俯仰和关于O-ZR轴偏航,与卫星沿X方向运动时的方向一致。只有当卫星相对于各轴都保持稳定时,天线波束才可能保持精确的指向。;

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3.2.3-轨道控制

除了姿态控制以外,卫星保持正确的运行轨道也十分重要。如前所述,椭圆形的地球会使对地静止卫星向着75°E和105°W两个固定点之一缓慢地偏移。为了应对这个偏移,

喷射器每2~3周启动一次,将一个反向速度分量施加在卫星上,使卫星恢复到它的标称轨道位置。这种操作被称为南北位置保持机动,工作于6/4GHz频带的卫星必须保持在标称经度位置的±0.1°范围内,14/12GHz频带的卫星在±0.05°范围内。;

若卫星轨道形状不是圆形,则其速度增量必须沿轨道变化,即沿O-X轴变化。自旋式卫星和三轴稳定卫星的变化方式不同:当自旋式卫星位于O-X轴上时,喷气机立即启动;而三轴稳定卫星通常采用两对方向相反的O-X喷气机,利用其中一对在预定时间内产生所需的速度增量。一般而言,对地静止卫星的轨道在大部分时间内的形状都是圆形,因而并不需要进行速度纠正来保持形状。从轨道高度控制方面来说,高度纠正一般是利用Z轴燃气喷气机来完成的。;

LEO和MEO卫星也需要采用姿态和轨道控制系统来保持正确的轨道和姿态。由于卫星在LEO轨道上受到的地球引力较大,其姿态稳定操作常采用一种由刚性材料制成的重

力梯度杆进行。重力梯度杆是一根指向地心的长杆,如图3-10所示。它主要利用杆两端重力场的势差来减小卫星关于Z轴的漂移。;

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