通信卫星简介
一、卫星通信和通信卫星区别
简单来说卫星通信重点在于通信，卫星只是通信的一个介质，就像在地面两部手机之间通信需要通过信号塔中转一样。通信卫星重点在于卫星，说的是这个卫星是用来通信的。下文详细介绍二者之间的区别：
1.卫星通信：是一种通信方式 ，它是地球上（包括地面和低层大气中）的无线电通信站之间利用人造地球卫星作为中继站而进行的通信。简单来说，就是通过卫星这个“中转站 ”来实现信息的传递，其涵盖了从信号的发射、卫星的转发到信号的接收等一系列过程 。例如，在偏远地区没有地面通信基站覆盖的情况下，通过卫星通信设备向卫星发射信号，卫星再将信号转发给其他地面接收站，从而实现远距离的通信，像海上船舶与陆地之间的通信很多时候就依赖卫星通信。
通信卫星：是一种人造地球卫星 ，专门用于转发无线电信号 ，是实现卫星通信的关键设备。它就像是太空中的一个信号“中转站”，其主要功能是接收来自地球站的信号，经过放大、变频等处理后，再转发给其他地球站 。比如“中星”系列通信卫星，它们在太空中接收地面发送的电视信号、电话信号等，然后将这些信号发送到其他需要接收的地区。
2. 卫星通信：其功能主要是实现信息的传输 ，包括语音、数据、图像等多种形式的信息。它能够跨越地理障碍，不管是海洋、沙漠还是高山等复杂地形，只要在卫星信号覆盖范围内，都可以进行通信。例如，在应急通信场景中，当发生地震等自然灾害导致地面通信设施损坏时，卫星通信可以迅速搭建起临时的通信链路，为救援工作提供通信保障。卫星通信还可以实现广播、多址通信等功能。例如，通过卫星通信可以将广播电视信号发送到广大的区域，实现大面积的信号覆盖。
通信卫星：主要作用是作为信号的转发器 。它需要有可靠的电源系统来保证长时间的工作，通常采用太阳能电池板供电，并配备蓄电池。例如，通信卫星在太阳光照充足时，太阳能电池板将太阳能转化为电能，为卫星的各个设备供电，同时给蓄电池充电；在地球阴影区时，蓄电池为卫星设备供电。通信卫星要有高效的通信天线和转发器系统。天线用于接收和发送信号，转发器则对信号进行处理，如将接收的信号频率转换为适合在下行链路传输的频率，并且对信号进行放大，以保证信号的质量和强度。
3. 卫星通信：是一个比较复杂的系统，包括空间段、地面段和用户段 。空间段主要就是通信卫星；地面段有地面站，包括固定地面站和移动地面站（如车载卫星通信终端、船载卫星通信终端等），地面站负责信号的发射和接收，还包括地面的通信网络与卫星通信系统的接口等；用户段就是使用卫星通信服务的各种终端设备，如卫星电话、卫星电视接收机等。
通信卫星：主要由卫星平台和有效载荷两部分构成 。卫星平台包括结构系统（为卫星提供机械支撑）、热控系统（保证卫星各设备的温度环境）、电源系统（如前面提到的太阳能电池板和蓄电池）、姿态和轨道控制系统（保证卫星在正确的轨道位置并保持合适的姿态，以便准确地接收和发送信号）等。有效载荷主要是通信系统，包括通信天线和转发器等设备，这些设备直接用于实现信号的转发功能。
二、通信卫星整星级试验
通信卫星整星级试验包括电磁兼容性试验、力学试验、模态试验、分离冲击试验、噪声试验、热真空和热循环试验、天线太阳翼收拢展开试验以及紧缩场测试等。其中电磁兼容试验和紧缩场测试是通信卫星整星级验证的重要环节，随着通信卫星有效载荷配置的复杂度提高，多频段、高集成度趋势明显，必须通过电磁兼容性试验验证卫星内部及外部的频率兼容性；为了在地面验证卫星天线的辐射特性，为卫星在轨测试提供判读依据，需要通过紧缩场测试得到卫星在轨运行状态下的无线辐射特性，包括天线指向、辐射方向图、辐射功率、接受品质、极化特性等。
1.噪声试验： 噪声在通信过程中会产生诸多不利影响。在模拟通信系统中噪声会叠加在通信信号上，当噪声强度较大时，会改变信号的幅度、频率或相位 等特征。在数字通信系统中，噪声可能会导致信号的电平发生变化。
三、空间环境及影响m
1.轨道摄动
除了地球引力外，位于地球空间的卫星还会受到其他天体引力的作用，主要是月球和太阳引力，日月影响地球轨道卫星的引力称为轨道摄动力，引起卫星轨道摄动 。尽管太阳质量巨大，但距离地球很远，它引起的轨道摄动比月球摄动小，月球的摄动约为太阳摄动的2.2倍，是最主要的天梯摄动力。其他行星的摄动影响要比月球摄动小几个数量级，一般情况下可以忽略。
2.地磁场
地球空间磁场的主要影响是作用在航天器上的磁干扰力矩 ，它会改变航天器姿态 。当航天器有剩余磁矩 或包围一定面积的回路 时，会受到磁力矩的作用而改变姿态；具有带电回路的自旋卫星在磁场中旋转时，回路会产生感应电流，地磁场对感应电流的作用会使卫星消旋 。在低地球轨道，由于磁场较强，磁干扰力矩的大小与气动力矩及重力梯度力矩相比，往往不可忽视。另一方面，地磁场对航天器的影响也有有利的一面。在几个地球半径内，磁场方向几乎是一定的，因此，可以利用地磁场方向确定卫星的姿态。
3.卫星陨落
高层大气对卫星轨道的阻力是地球轨道卫星主要的轨道摄动力。卫星在高层大气中运动时，大气的阻力和卫星运动速度方向相反，它使卫星动能减少、高度降低、轨道收缩，随后进入大气更稠密的区域，导致卫星所受阻力进一步增加，加快卫星下降的速度，直至陨落。在低轨道上各种环境影响中，高层大气的影响是唯一导致卫星陨落的因素。
当卫星沿着椭圆轨道运动时，在近地点附近受到的阻力最大 。一方面，是因为近地点的高度最低，遇到的大气密度最高；另一方面，是因为卫星的轨道速度，即相对于高层大气的速度在近地点最快。而大气阻力与大气密度成正比，与相对速度的平方成正比，因此卫星主要在近地点附近损失动能 。但其结果并不直接影响近地点的高度，而是在卫星运行到远地点时，由于它的总能量降低，不能达到原有的高度而造成远地点高度下降，轨道形状通过一系列的收缩椭圆逐渐变成圆形，在圆形轨道上卫星受到的阻力比较平衡，进一步均衡收缩直至陨落。
1）近地点情况分析
卫星在椭圆轨道近地点时，根据万有引力提供向心力
，可得
。此时卫星运行速度大于万有引力所需的速度，卫星做离心运动，逐渐远离地球（卫星动能降低，引力势能增加）。
当卫星在近地点动能降低时（受到阻力大），卫星不会立刻降低轨道，这是因为卫星的运动状态改变需要一定的时间和过程。卫星在近地点的速度方向是切向的，万有引力会使卫星的速度方向逐渐改变，而不是直接导致轨道降低。在这个过程中，卫星会逐渐向远地点运动，在向远地点运动的过程中，由于万有引力做负功，卫星的速度会进一步减小，动能继续降低，同时距离地球中心的距离r会增大。
2.）远地点情况分析
在远地点，卫星的速度最小（万有引力等于向心力）。当卫星的动能进一步降低（高层大气阻力力），此时卫星所需要的向心力
也进一步减小。万有引力
不变，由于此时万有引力大于卫星所需要的向心力（F万>F向），而且远地点处卫星的速度方向使得万有引力能够有效地将卫星向地球方向拉，导致卫星的轨道半径r减小，也就是轨道降低。这是因为在远地点，卫星的运动方向和万有引力方向的夹角使得万有引力在改变轨道半径方面的作用更加明显，而在近地点时，卫星的运动方向主要是使其向远离地球中心的方向运动，万有引力主要是改变速度方向而不是立刻降低轨道。
4.空间辐射环境对卫星影响
卫星运行的地球空间存在来自地球辐射带、太阳宇宙线、银河宇宙线、等离子体等带电粒子辐射环境，这些带电粒子与卫星所用的电子元器件及材料相互作用，可产生电离总剂量效应、位移损伤效应、单粒子效应、表面充/放电效应、内带电效应等空间效应。
1）总剂量效应
通常所说的总剂量效应一般指“电离总剂量效应”，即空间带电粒子入射到吸收体后，产生电离作用，吸收体通过原子电离而吸收入射粒子能量，从而对卫星电子元器件及材料产生总剂量损伤。电离总剂量效应具有长期积累的特点。
对低地球轨道而言，空间辐射总剂量的主要贡献者是辐射带捕获电子、捕获质子和太阳耀斑质子等。 总剂量效应可能导致卫星上各种电子元器件和功能材料的性能漂移、功能衰退，严重时会完全失效或损坏。例如，玻璃材料在严重辐照后可能会变黑、变暗，单极型器件跨导变低、阈电压漂移、漏电流升高，太阳电池短路电流、开路电压、输出功率下降。
2）位移损伤效应
入射高能粒子轰击吸收原子并使之在晶格中原有的位置发生移动，造成晶格缺陷，从而对卫星电子元器件和材料造成损伤。用等效粒子铜梁（质子、电子或中子）来描述电子元器件和材料的位移损伤程度。
对位移损伤效应比较敏感的电子器件主要是光电器件，如太阳电池、光电耦合器等。将导致太阳电池短路电流和开路电压下降，电池输出功率降低。
3）单粒子效应
单粒子效应是单个高能质子或重离子入射到电子器件上所引发的辐射效应，根据效应机理的不同，可分为单粒子翻转、单粒子锁定、单粒子烧毁、单粒子栅击穿和单粒子瞬时干扰等。
4）表面充/放电效应
5）内带电效应
当太阳耀斑爆发、太阳日冕物质抛射、地磁暴等，高通量能量大于1MeV的电子长时间持续存在，这些电子将可直接穿透卫星的蒙皮、卫星结构和仪器设备外壳，嵌入卫星内部的电路板、导线绝缘层等深层绝缘介质中，导致电路板、同轴电缆等绝缘介质深层处的电荷堆积，造成介质深层带电。
- 卫星蒙皮是卫星最外层的结构部分，就像给卫星穿上了一层 “外壳”。它的主要作用是维持卫星的外形，使卫星在太空环境中能够保持稳定的空气动力学或流体力学外形。同时，卫星蒙皮能够保护内部的电子设备、仪器和各种系统免受太空恶劣环境的侵害。例如，它可以阻挡微流星体的撞击，减少其对内部设备的损坏风险；还能抵御太空辐射，包括太阳辐射中的紫外线、X 射线等，防止辐射对卫星内部的敏感元件造成性能下降或损坏。通常由外层防护材料（铝合金、复合材料）、中间隔热层（聚氨酯泡沫、多层隔热材料）、内层电磁屏蔽和结构支撑材料（金属化塑料薄膜）组成。
5.发射窗口选择
卫星在同步转移轨道采用-Z轴对日的巡航姿态飞行，在某些时段（如远地点点火前一段时间内）要求巡航的同时还要满足其他要求，例如+Z面（对地面）测控天线覆盖地面站，太阳敏感器、星敏感器对太阳入射角的要求，卫星供电能力对地影长度的要求，卫星发射窗口就是满足上述要求可以发射卫星的时间集合，通常以运载火箭起飞的北京时间来表示。
1）地球公转和自转的影响
- 地球在围绕太阳公转的同时也在自转。地球公转轨道是一个近似椭圆的轨道，这使得地球在不同时间相对于太阳的位置是不断变化的。发射窗口的选择与地球的公转位置有关。
- 例如，在一年中的不同月份，地球在公转轨道上所处的位置不同。如果发射窗口处于地球公转轨道的某一特定位置，卫星进入轨道后，随着时间的推移和地球位置的变化，卫星在运行到远地点时，可能正好处于太阳直射的区域；而如果发射窗口改变，地球的公转位置不同，卫星在远地点时就可能处于阴影区域。
- 同时，地球的自转也会产生影响。地球表面的发射场随着地球自转，其相对于太阳的方向在不断改变。在不同的发射窗口，发射场的位置（经度和纬度）相对于太阳的角度不同。当卫星发射后进入轨道运行，这种初始的角度差异会导致卫星在远地点时太阳光照情况的不同。
2）轨道平面和太阳位置关系
- 卫星轨道平面与太阳 - 地球连线的角度是影响卫星光照情况的关键因素。发射窗口决定了卫星轨道平面的初始方位。
- 例如，对于地球同步转移轨道（GTO），如果卫星在某一发射窗口发射时，轨道平面与太阳 - 地球连线的夹角使得卫星在远地点运行方向是朝着太阳的，那么卫星在远地点时就会处于太阳直射区域。相反，如果轨道平面的初始方位使得卫星在远地点时背向太阳，那么就会处于阴影区域。
- 而且，卫星轨道平面在运行过程中还可能受到各种摄动因素（如地球扁率、月球和太阳引力等）的影响而发生变化。这些摄动会改变轨道平面与太阳 - 地球连线的夹角，但是发射窗口确定的初始夹角对卫星在远地点的光照情况有着基础性的影响。
四、通信卫星总体性能指标分析
通信卫星总体性能指标包括卫星通信服务性能指标 和卫星平台能力指标，同通信服务性能指标包括轨道指标 和有效载荷指标 ；平台能力指标包括姿态轨道控制指标、测控指标、供电指标、数据处理及存储指标等。卫星通信服务性能指标和平台测控体制是基于用户任务分析和其他大系统约束分析确定。
1.卫星刚度指标
为避免发射主动段卫星结构与星上设备/部件频率耦合共振，以及卫星在轨运行期间展开大部件与控制系统产生频率耦合，对卫星结构、星上各类设备/部件提出刚度分配。如果分配过低，会给设备使用带来风险；如果分配过高，会增加设备研制代价。安装设备的卫星结构板 一般要求基频高于卫星基频的
倍；一般电子设备 的基频需高于140Hz；太阳阵、天线等大部件在收拢状态时 基频需避开与卫星基频、安装结构板基频的耦合，一般要求高于卫星基频的
倍，或低于卫星基频一定值；太阳阵、天线等大部件在展开 状态的基频一般要求高于0.1Hz。
某通信卫星的刚度分配要求 | 部件/设备| 一阶频率 |
| --- | --- |
|---|---|
| 东/西板、南/北板（承载状态） | 垂直板面方向f > 25Hz，或f > 卫星横向一阶频率 倍 |
| 对/背地板，中板（承载状态） | 垂直板面方向f > 50Hz，或f > 卫星纵向一阶频率 倍 |
| 轻型组件支架（敏感器支架等） | fL < 100Hz，f为3~5fL；fL > 100Hz时，f为1.5~3fL（fL为支架负载的3个轴向频率中最低的一阶频率） |
| 太阳阵（收拢状态） | f > 70Hz（轴向）；f > 28Hz（横向） |
| 太阳阵（展开状态） | f > 0.05Hz |
| Ku主反射器（收拢状态） | f > 60Hz（Z向）；f > 30Hz（X向） |
| Ku主反射器（展开状态） | f > 2Hz（Z向）；f > 2Hz（Y向） |
| Ku天线馈源组件 | f > 110Hz |
| 一般电子设备 | f > 140Hz |
2.天线指向精度
天线指向精度是卫星的一项重要系统级指标，其涉及到天线射频性能、卫星结构精度维持能力、姿态控制部件（敏感器、执行机构等）的安装精度、姿态控制精度及卫星轨道漂移 等多种因素。
天线指向误差源按照作用时间不同，可分为a（常值误差）、b（长周期误差）、c（日变误差）、d（短周期误差）四类。没类误差又有不同的来源，主要包括机械安装误差、热变误差、姿态控制误差、轨道误差及其他残留误差 。除机械误差和残留误差外，其他误差都在随季节和卫星工作模式发生变化。在天线的指向误差分析中，要给出不同季节和不同工作模式下的预算结果 。