电视广播卫星的发射与运行

2019-11-03 18:34:07

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供稿：网友

广州华南师范大学物理系吴腾奇　　1990年英国公众就已可直接收到广播卫星电视节目。一九八八年十月法国发射的高功率TDF-1广播卫星，同年十二月以卢森堡为基地Societe Europ'eenne des Satellites公司将其中功率的Astra广播卫星放入轨道。若一切都按计划进行，英国卫星广播公司将预计在今年八月份发射的宇宙飞船上发射另一颗高功率的电视广播卫星。在这些直接广播方式出现之前，我们所接收的所有卫星电视节目都是来自功率较低的通讯卫星。原先的想法是利用这些通讯卫星将电视信号从一个点发到另一个点，就像沿电缆传输一样。这种点至点的通讯有两个主要目的：世界不同地方广播组织之间互相交换电视节目，将电视信号送到有线电视台以便稍后在当地分发。但是由于来自这些通讯卫星的射束覆盖地球很大的面积，所以生活在该范围之内的每一个人都能接收到该信号，不管你愿不愿意。你可以说这是无意的广播，因此出现了一种小型的工业，专门为公众提供一种称为TVRO(只接收电视)的设备。

　　假如你想建立你自己的接收站用来接收低功率或直接广播(高功率)电视节目，请留意这篇文章的介绍。当然，这些不仅仅是读者可能想接收的卫星广播信号，还有其它广播如来自OSCAR业余广播卫星和气象卫星的信号。虽然来自这些卫星的广播在轨道、频率、功率、调制和编码系统等方面可能相差很大，但是基本原理是相同的。当然，它们都是基于物理定律。假如你能很好地掌握这些原理，则可将它应用于你想接收的任何卫星节目。

一、卫星的种类

　　绕地球轨道运行的卫星主要有两大类。最接近我们的那一类主要是通过各种仪器用来观察地球，用作科学、气象、地球物理、军事和其它研究用途。其高度约距地球200至300公里，绕低地球轨道LEO运行，约1.5小时一周，运行速度约为每秒钟8公里。由于这些LEO卫星出现和消失非常快，从地平线的一个地方到另一个地方只需约30分钟，因此不适于用作通讯和广播。但是它们所提供的光或其它物理信息必须通过无线电波讯号传送到地球。因此地面接收站必须在它们从头上经过时跟踪它们或特殊高度的中继卫星必须在它们从底下经过时拾起信号。图(1)示出低地球轨道绕过北极和南极极轨道。其优点是当地球自转时在该轨道之下观测卫星每90分钟扫描地球表面的一个南北带，因此以16个轨道覆盖整个表面。美国太空穿梭机在发射卫星和做其它工作时就是在LEO高度飞行，这时其是沿轨道运行而不是动力推动的汽车。假如：太空穿梭机发现号八八年九月在其成功的4天使命中就是在257KM的高度环绕地球飞行。估计苏联的太空穿梭机也大抵相同。

　　第二类卫星是在约36000公里的高度(参见图2)，以约每秒钟3公里的速度在赤道上空运行，需要24小时绕地球一周，也就是说其角速度与地球转动相同。因此从地面观测者的观点出发，每一个卫星似乎静止在赤道上空的某一点。所以，它们被称为与地球的相对位置保持不变的卫星:GEO通讯卫星。由于与地球表面相对位置保持不变，这种通讯卫星具有一种最宝贵的特性。其可用作空中工作站携带广播中继站(发送应答站)。另外，这种通讯卫星还可以用作对特定区域的广播(中继站的发射机功率比通讯卫星强)或观测地球的云层覆盖供气象研究和天气预报。在LEO和GEO卫星群之间还有各种位于中间高度和其它卫星。例如:在LEO和GEO之间的中间位置有一些导航卫星，通过这些卫星，轮船、飞机和汽车可通过其电子导航设备找到其本身的位置。最新发射的业余通讯卫星之一OSCAR13(亦称AmsatⅢc)其轨道高度是不断变化的。轨道的最低点(称为近地点)是36000公里。这种轨道亦称为椭圆形轨道(参见图3)。反之，所有GEO卫星和一些上述其它卫星都是在固定的高度上运行，因此具有圆形轨道。

二、地球轨道

　　现在我们来比较地详细研究一下轨道这个问题。一般来说轨道是指一个物体绕一个质量的中心运动的道路。供轨道运行的物体可以是自然卫星（如月球）或人造卫星（如本文所讨论的那些卫星）。质量的中心是在地球和卫星之间的某一点。系统的总质量(地球加上卫星)可以看成是集中在空间中的一个点。但是由于地球的质量远大于卫星的质量，因此其具有淹没效应，因而，质量的中心实际上非常接近地球的中心。严格来说，地球和卫星都是绕这个公共的质量中心运行。但是由于该公共的中心非常接近地球的物理中心，所以在实际应用中我们只把地球看成是固定的，而卫星绕其正常的中心运行。人造卫星一旦被发射进入轨道，就不再直接受马达或发动机的推动。那么，它怎样保持在那里呢?答案与月亮可停留在其轨道而不会撞入地球一样。卫星的运行是依靠作用在其质量上的两个力的合力效应。一个是发射火箭或穿梭机给它的原始力，就像板球具有由板球投球手给它的力并继续飞向板球打手一样，在物理学上来说这是物体的惯性。第二个力是地心引力，更准确地说是由于地球质量和卫星质量之间引力产生的力。正如牛顿所发现的一样，该力与两个质量的乘积成正比并与它们之间距离的平方成反比，暂且不考虑其它影响，发射器本身将使卫星直线脱离地球。但是引力通过将卫星拉回地球来阻止其脱离地球。从某种意义上来说绕轨道运行的卫星总是不断地朝地球方向下跌，但是实际上它永远也不会撞到地球，因为原始的发射力和卫星的惯性作用防止这种情况发生。这些力对卫星质量互相作用结果形成绕地心的轨道。

三、轨道的特性

　　首先我们已经知道，卫星具有一定的高度，对于圆形轨道来说该高度是固定不变的，对于椭圆形轨道来说该高度是不断变化的，有最低点(近地点)和最高点(远地点)。假如将该椭圆形轨道画在一个巨形的平面上，则该椭圆形轨道表面就形成一个所谓的椭圆面。该椭圆面与地球之间有一个特殊的角度，参见图1所示。该角度实际上是椭圆面与地球赤道之间的角度，称为倾角。例如:卫星OSCAR13是以57°的倾角沿椭圆形轨道运行。椭圆形轨道具有数学上椭圆的特性。其大小和形状是通过测量其半长轴和计算其偏心度来确定的。但是除了大小和形状之外，该椭圆与地球的径纬线之间还有一个空间相对位置。例如，在图(1)中椭圆面在墨西哥的南面约东经95°与赤道相切。另外为了能正确地确定椭圆轨道，我们还必须知道其远地点和近地点与地球的相对位置。还有一个卫星轨道规格需讨论，那就是绕轨道一周所需的时间、轨道周期。我们已经知道，LEO卫星的轨道周期约为1.5小时，而GEO卫星的轨道周期为24小时(准确地说是23小时56分又4.1秒)。OSCAR13的轨道周期为11小时左右。要知道任何时刻卫星的准确位置，我们必须知道其通过近地点的时间。

四、卫星的发射

　　由于下面我们要着重讨论如何接收来自通讯卫星的信号，因此我们先举个例子说明上述各种原理。所举的例子是Eutelsat1-F5通讯卫星的发射和注入轨道。和同一系列中早期的卫星一样，该卫星由European Space Ageucy(ESA)指定规格，并以ECS-5命名发射入轨道。将卫星放入轨道后EAS就将其移交给European Telecommunications Satellite Orgarization(简称Eutelsat)管理和操作。 Eutelsat1-F5是采用所谓相对静止转移轨道(GTO)放入轨道的。其轨道是椭圆形的，参见图(3)所示。该程序在使用火箭发射和卫星燃料方面都是最经济的，因而将发射和整个卫星系统的成本减至最低，因此被广泛采用。该卫星和印度通讯卫星Insat Ic都是由Ariane-3火箭在法属圭亚那的Arianespace公司发射场发射的。该发射场位于南美洲的大西洋沿岸，在亚马逊河出口的北面，参见图(1)。由于其只在赤道的北5°左右，因此能很好地利用地球转动的抛掷效应，地球转动的最快速度是在赤道。火箭中的卫星朝东向大西洋上空发射，由于自然抛掷效应使其可得到约4.5米/秒的额外速度，这也可节约火箭的燃料。图(4)示出火箭/卫星的发射轨道。Ariane-3号火箭最初是从发射台垂直上升，但不久控制器便使其向东倾斜。当其飞行约2000公里时开始接近水平并与地球表面平行。在该阶段火箭的轨道实际上是低地球轨道的一部分，高度约2000公里。该轨道约继续15分钟直至火箭接近非洲的西岸，这时火箭约飞行了5000公里。若该火箭是在低地球轨道，则其当然会在约200公里的恒定高度继续不断地绕地球运行。但是实际上其所有3个推进器现在都已经被触发，该火箭的速度已超过绕低地球轨道运行所需要的8公里/秒。该加速效应使火箭抛离地球向外，因此其从圆形轨道的一部分进入椭圆轨道，参见图(3)所示。在发射后约18分钟，即沿新轨道飞行约6000公里后卫星脱离火箭并沿同样的椭圆轨道继续运行。最初其速度约10公里/秒，但是逐渐减慢，几小时后到达远地点。在图(3)所示的远地点速度只有约1.7公里/秒。在距离地球36000公里的地方卫星绕椭圆轨道匀速运行不需很大的轨道速度，这是因为在这样大的距离，地球和卫星之间的引力非常小。当卫星朝地球方向返回时，随着引力的增加其速度会重新增加，大约在发射后10.5小时回到近地点，此时轨道速度约10.2公里/秒。这里需这样高的速度来抵消巨大的地心引力，因为此时卫星与地球相距只200公里。

　　卫星可按预定安排发射程序要求停留在该椭圆转移轨道。以Eutelsat1-F5为例该停留时间刚好超过36小时，即超过绕椭圆轨道3周，由于Kourou是在赤道的稍偏北处，参见图(1)，因此转移轨道平面不是准确地在赤道平面上而是倾斜7°，因此必须将其修正至0°。为了将卫星从椭圆转移轨道推入其最终的圆形位置相对静止的轨道，当卫星位于36000公里远地点时地面控制站通过遥控起动反应将其推进马达(称为远地点弹回马达)。对于Eutelsat1-F5来说弹回马达是在卫星绕椭圆轨道3周并第4次到达远地点时被起动。由此引起的加速度再一次使卫星向外抛，使其渐渐以3.1公里/秒的速度移入圆形的位置相对静止轨道(倾斜度=0)。这时整个发射工作已经完成。 Eutelsat1-F5实际发射时间是在1988年7月21日国际标准时间23点13分，其远地点弹回马达的起动时间是7月23日国际标准时间12点23分，用去推进剂的3.5公斤（卫星所携带的推进剂共122公斤）。该卫星在8月中旬到达其永久轨道的初始位置是16°E，稍后被移到10°E。

五、天体力学

　　卫星的高度、轨道速度和轨道同期之间的关系都与数字力学定律有关。这些定律是引自牛顿的著名三大运动定律和万有引力定律。虽然与高度、速度、周期有关的公式实际上是很简单的代数式，但它们非常通用，可应用于整个宇宙。将出自地球卫星系统的有关数值代入这些公式可得到有用的关系图，参见图(5)。从这些图可以看出两个点：第一，循迹体的高度越高，轨迹周期也越长。例如:假如将高度范围扩大至月亮离地球的距离(约384000公里)，则周期图将示出周期增为稍多于27天，月球绕球运转的自然周期。第二，从这些图可以看出高度越高，轨道速度越低。这是因为卫星距离地球越远，地球对其的引力越小。因此根据轨道力学的自然平衡作用，卫星不需要这样大的前向力去抵消引力。这种反作用力取决于轨道速度，与该速度的平方成正比。当轨道是圆形时所有这些条件都保持不变。但是若是椭圆形轨道，高度就会不断变化。因此当卫星运行越接近地球时其需要越大的轨道速度去抵消不断增加的地心引力。因而对于椭圆形轨道，轨道速度在近地点时最高，在远地点时最低。从理论上来讲，圆形轨道可看成是椭圆形轨道的一种特例，即椭圆的偏心等于零。例如:月球绕地球的轨道似乎是圆的，但是实际上是带点椭圆。其脱离圆周非常小，该椭圆的偏心度只有0.0549。简言之，任何卫星的轨道均可由6个数值来确定，这 6个值称为轨道要素。第一是椭圆半主轴的长度。第二是椭圆的偏心度。第三是椭圆面的倾斜度。第四是整个椭圆面与格林威治子午(0°经线)的相对位置。第五是近地点和卫星从南到北穿过赤道椭圆面上的点之间的夹角。第六是卫星通过其轨道的地点的时间。两次通过该点之间的时间间隔是轨道的周期。下面我们要研究如何接收来自卫星的信号以及建立接收站所需要的基本设施。

六、卫星信号的接收

　　要接收卫星信号，首先必须找到你所要接收的卫星。这并不像将普通电视天线对准当地电视正方向那样简单。因为卫星的发射机距离我们很远，以位置相对静止的卫星来说距离我们有36000公里或更远。由于卫星之间的间隔只有几度且微波发射并不很强，因此必须使用高方向性的接收天线收集尽可能多的电磁波辐射抛物面盘形天线。这种天线的接收束(天线辐射图)有些像探照灯的射束。实际上你必须用接收束去探找所要接收的卫星。若与正确的角度偏差2至3度，则可能完全接收不到信号或接收到另一个附近的卫星信号。这种相对静止卫星总共大约有150个，用作各种不同的用途：通讯、广播、导航、军事以及气象研究等等。但是这里只介绍接收卫星的电视广播信号。

七、信号分组

　　这意味着信号可分成两大组:来自通讯卫星的低功率电视信号和来自直接广播卫星(dbs)的高功率信号。在两种情况下接收到的微波信号(波长在25至27mm 之间)都必须转换成适于输到标准电视机天线插座的形式以使其显示出正常的电视图像。因此，我们感兴趣的电视信号可能来自多个不同的卫星。每一个卫星都配备一组微波中继站。该中继站基本上是一个接收机，将其输出输到一个发射机上。在低功率通讯卫星中有些中继站用作通讯(声音和数据等)，有些用作电视信号分配。对于后一组而言，有些电视讯号是供广播组织内部用的(如新闻发送或交换节目等等)，其余的是为有线电视公司和各系统提供电视节目，私人也可以利用他们自己的接收设备(TVRO)来接收这些节目。在高功率直接广播卫星中所有中继站都是用作对公众广播（主要是电视节目，但也有一些广播节目）。它们采用高功率是为了便于接收并使接收成本尽可能低廉。在这些卫星中包括新近发射的Astra卫星，虽然它是以中功率发射且频率是在通讯频道，但是它是专门为dps设计的。因为该卫星实际上只用作广播信号分派，所以它采用低功率。在这两组中每一中继站通常处理一个电视频道，因此这相当于来自当地电视台的电视频道。来自卫星的信号具有以下特性:空间位置，射频功率，频率和波长，波的极化载波调制和信息编码。下面着重研究两个主要的基本特性，轨道位置和射频功率。

八、可接收的卫星

　　在你决定所要接收的信号和节目之前，必须查清楚在你所居住的地方。微波的特性很像光波，这意味着在卫星和你的接收天线之间必须是直接的视线或完全没有阻挡的直接通道。假如你刚好住在赤道上的某一地方，则一些卫星将会位于你的上方，另一些将沿东西方向分布。许多卫星将是可见的，因为你居于地球上最靠近相对静止轨道的地方且没有东西阻挡你的天线视野。但是有许多人是住在北半球和南半球。例如住在英国，情况就会大抵相同，如图(6)所示。在图(6)所示的例子中接收位置是在北纬51°，西经1°。在该接收位置你必须向南看以便能直线看到相对静止轨道的一部份。显然该轨道的赤道平面是位于北半球的南方。对于该位置南方的卫星的IntelsatV-F2，接收天线的视线与地面的夹角是32°。以该点向东或向西看，天线还可以看到其它卫星，但仰角较低。向东或向西看的越远，仰角越低，直至75°的极点再也看不到相对静止轨道以及在其上面的卫星。这些极点出现截止是因为地球表面阻挡了直接视线。图(7)示出北纬51°和西经1°位置对于相对静止轨道各点所需要的盘形天线仰角以及两截止点之间可接收到的一些卫星。图(7)中的黑线(相当于GEO的一部分)在天线仰角为零处截止，即水平沿地面向前看。实际上天线束至少必须有5°的仰角，因为低于该水平(虚线所示)接收机会引起太多的人为电磁干扰和自然电噪声(如来自地面的热辐射)。利用相当于图(7)之类的图表结合卫星电视所提供的资料你可以找到在你所住的位置可接收到的卫星。

　　但是实际上能否接收到这些卫星的信号最终是取决于你能否找到适当的地方安装盘形天线。安装位置必须毫无阻挡地对着南方的天空，仰角为25°左右且有尽可能大的角度偏移。对于接收dbs系统这个问题就比较简单，因为发射功率较高，因而可用直径较小的盘形天线(30-90cm)，而接收转播卫星则需要90-180cm直径的盘形天线。由于接收 dbs的盘形天线较小、较轻，因此容易找到适当的位置安装。接收dbs和转播卫星所需要的设备大抵相同。

摘自《卫视周刊》

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