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一、衛星通訊簡介

一、衛星通訊簡介. 衛星運作. 行星 ： 繞著恆星 ( 如太陽 ) 運轉的星球 ( 如水星、金星、地球等 ) ， 而繞著行星運轉的星球稱為衛星 ( 如月亮 ) 。 人造衛星是指循一定軌道環繞地球運行的人造物體。 避免大氣的摩擦，衛星高度都遠超過大氣層頂 。 人造衛星的設計不像飛機需考慮外形是否流線，再加上太陽電池板 ， 因此人造衛星的外形大都是千奇百怪 。. 法國 SPOT 衛星. 前 言. 自一九五七年蘇聯第一顆衛星成功發射後， 衛星已迅速成為推動科技進步、經濟發展與國防建設之重要手段 。

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一、衛星通訊簡介

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  1. 一、衛星通訊簡介

  2. 衛星運作 • 行星：繞著恆星(如太陽)運轉的星球(如水星、金星、地球等)，而繞著行星運轉的星球稱為衛星(如月亮)。 • 人造衛星是指循一定軌道環繞地球運行的人造物體。 • 避免大氣的摩擦，衛星高度都遠超過大氣層頂。 • 人造衛星的設計不像飛機需考慮外形是否流線，再加上太陽電池板，因此人造衛星的外形大都是千奇百怪。 法國SPOT衛星

  3. 前 言 • 自一九五七年蘇聯第一顆衛星成功發射後，衛星已迅速成為推動科技進步、經濟發展與國防建設之重要手段。 • 五十年來，全世界共發射大約4500顆衛星，其中90%以上是美、蘇兩大強權所有，80%衛星被用於軍事用途。 • 衛星已融入人們生活之中，提供定位、導航、氣象、電信、廣播及多媒體等服務。 軌道現有約700~800枚衛星

  4. 人造衛星的應用與服務 通信網路 導航定位 服務與應用 寬頻服務 遙測探勘 電視廣播

  5. 不同應用之衛星分類 • 就應用方面來說，衛星約可分成下列幾類： • 偵察衛星(Surveillance Satellites) • 預警衛星(Early Warning Satellites) • 氣象衛星(Weather Satellite) • 天文衛星(Astronomical Satellite) • 導航衛星(Navigational Satellite) • 探測衛星(Remote Sensor Satellite) • 殺手衛星(Killer Satellite) • 通信衛星(Communication Satellite)

  6. 氣象衛星： 氣象衛星有兩種運行軌道。一種在地球的同步軌道上運行，恆定地觀測地表上大約三分之一的面積。另一種在極軌道上，以每12小時一次地覆蓋整個地球表面。氣象衛星可測量地表和大氣溫度，記錄風速和雲的移動，並預測降雨區域，以方便氣象學家預報準確天氣。

  7. 通訊衛星： 通訊衛星是長距離通訊的一個極佳中繼站，它能克服橫跨海洋和大陸的無線電通訊傳播時所遭遇的困難。大部分的通訊衛星都在地球同步軌道上運行（即同步衛星），看起來就像在地球上空的特定點上靜止不動一樣。

  8. 資源衛星： • 資源衛星能夠預報森林火災、管理水利資料、測繪地圖、估計農作物的產量、測量冰河的移動及大氣與海洋污染等。現今更可用於幫助動物學家觀測如北極熊等野生動物的生活習性。福衛二號便是一枚資源衛星，它的影像解析度將可達5公尺×5公尺。 • 目前國內較為常用的資源衛星資料有法國SPOT(史波特)衛星與美國的大地衛星。其中SPOT 的地面解析度彩色為20公尺，黑白則為10公尺。

  9. 導航衛星： • 美國及俄羅斯均有此類衛星。美國的全球定位系統(GPS)共有24顆導航衛星，飛行器可利用四顆衛星發出的信號來計算自己的位置、高度和速度。地表上空電離層的電子密度及中性大氣中水汽含量的改變，均會影響GPS的訊號。 • 由八顆微衛星所組成的福衛三號科學衛星，將可藉由分析GPS訊號的改變，用以研究大氣層及電離層的結構分佈情形。

  10. 衛星通信之意義 • 利用太空衛星「所裝載之通信酬載–轉頻器(Transponder)」作為無線電收發之中繼轉播站，用以達到各地面站台間的通信目的。

  11. 衛星在無線通信領域之定位 • 在無線通信領域中，衛星通信將提供全球、廣域之通連服務： 隨時、隨地提供寬頻、廣域、無縫隙之無線通信服務

  12. 衛星在電信網路之定位 • 衛星通主要係定位於國內或國際廣域之電信、數據及多媒體之通信網路運用。 電信應用領域

  13. 衛星通信主要之功能運用 • 衛星通信主要通訊功能運用： • 國際電信鏈路(International Telecommunication,如INTELSAT) • 電視節目傳送(TV Program Distribution) • 企業專用網路 (VSATs) • 軍事通信運用 (Military Communications) • 行動通信服務(Mobile satellite services , 如INMARSAT)

  14. 直接影訊廣播(Direct Video Broadcast, DVB) • 直接音訊廣播(Direct Audio Broadcast, DAB) • 緊急救難通信(Emergency Communication) • 全球手持大哥大(如銥計畫(Iridium)) • 網際網路幹線(Internet Backbone Services)

  15. 衛星通信之特點 • 衛星通信系統具有以下特徵與重要作用： • 獨具三度空間無縫隙覆蓋能力 • 獨特靈活性與普及服務能力 • 大區域的可機動性或可行動性通連 • 廣域網狀網路構連能力 • 廣域Internet交互連接能力 • 特有的廣域廣播與多點同時通連能力 • 對國際/區域/本地距離連接的不敏感性 • 對緊急救災及故障搶救的快速靈活

  16. 通信衛星軌道劃分 • 按軌道高度劃分： • 低軌道(LEO): 300 to 1,500 km • 中軌道(MEO): 8,000 to 12,000 km • 同步軌道(GEO): approx. 36,000 km • 按軌道形狀劃分： • 圓形軌道(Circular) • 橢圓軌道(Elliptical) 一般使用同步軌道(GEO)通信衛星進行傳輸中繼服務

  17. 低軌衛星(LEO)： • 低軌道(1000公里以內)衛星約二至三小時繞行地球一週，出現在收訊範圍之時間甚短，因此需要較多衛星以接力方式，始能提供全球全天候之服務。 • 通常間碟衛星就是屬於這一種位於高度較低的軌道，由於軌道限制較少，因此近年大為流行。 • 適合於通訊，因此如銥計劃(Iridium)等都是用低軌道衛星來做。銥計劃即採6個軌道面，各軌道含11顆衛星；Globalstar也是6個軌道面，各軌道面含8顆衛星。

  18. 中軌衛星(MEO)： • 在同步軌道與低軌道之間，以導航GPS衛星而言，採6個軌道面，各軌道面含4顆。

  19. 同步衛星(GEO)： • 距離地球表面約36000公里的高度。繞地球旋轉速度與地球自轉速度一樣，因此在地球上觀看該衛星時，好像靜止不動的停留在太空中。 • 做為通訊使用，因為Delay嚴重，會造成訊息傳送時間較長。同步軌道中之衛星，因與地球自轉同步，因此只需三顆(一顆可覆蓋42％地表)即可構成全球通信。

  20. 軌道資源有限(3600) ，ITU於1985年國際衛星會議，原規劃30一顆，已改成20一顆，經申請同意，才可佈放。 • 資源衛星、通訊衛星、軍事衛星、導航衛星…都喜好長駐。 • 東經1250至西經1250的範圍是太平洋上空，其同步靜止衛星較稀少。

  21. 不同軌道衛星比較 低軌衛星 LEO 中軌衛星 MEO 同步衛星 GEO 型態 300-1500 km 高度 8000-12000 km 36000 km 可用時間 15min 2-4hrs 24hrs 低成本 傳輸延遲低 訊號衰減低 中度成本 傳輸延遲低 地表覆蓋率42.2% 無都卜勒效應 優點 傳送延遲來回時間 100ms 15ms 250ms 生命週期短 衛星體系複雜 有都卜勒效應 衛星體系複雜 有都卜勒效應 傳輸延遲大 衛星成本較高 軌道為置有限 缺點

  22. 三種軌道的分界卻沒有很明確的標準，只能大致上用大氣圈的中氣層頂上，離地1000公里處作為低軌與中軌的分界；用25000公里的高度作為中軌與高軌的分界。三種軌道的分界卻沒有很明確的標準，只能大致上用大氣圈的中氣層頂上，離地1000公里處作為低軌與中軌的分界；用25000公里的高度作為中軌與高軌的分界。

  23. 衛星軌道繞行之參數 速度[ x1000 km/h] 24 衛星週期[h] 20 16 11000 km/h 12 8 4 同步軌道位置 35,786 km 10 20 30 40 x106 m 與地心之距離

  24. 衛星波束可覆蓋範圍 位 置 高 度 HF:2500-6500公里 GEO:16,960公里 最大可傳輸距離

  25. 地球同步軌道之通信衛星 台灣上空衛星 寬頻衛星92顆 239 顆 其他衛星147顆

  26. 35860 Km 35860 Km

  27. 備註：日本東京大學的皮級衛星使用商業用照相機，拍攝到地球和 太陽的影像。這顆命名 XI-IV 的衛星，自2003.06. 30日發射 升空，已經在太空中運轉一年。以前從來沒有這麼小的衛 星，能在軌道中運轉這麼久。這顆衛星所拍的影像畫素雖然 只有128 x 120 點，但已可以看出地球外形、雲圖及太陽。 它的下一代衛星，拍攝水準還到相當於130 萬像素照相機拍 出的品質。

  28. 衛星波束覆蓋類別 點波束覆蓋 區域覆蓋 全球覆蓋 • 全球覆蓋：衛星天線照射地球表面最大面積，約為17.4度。 • 區域覆蓋：典型的區域覆蓋天線之波束寬度為5度。 • 點波束覆蓋：天線的波束寬度為2度。

  29. 衛星通信使用頻段 • 衛星通信使用微波頻段(300MHz~300GHz)，其原因為： • 獲得較大頻寬、提供大通信容量。 • 衛星處於外層空間(即電離層之外)，電磁波必須能穿透電離層。 頻段越高、波束越窄、遭受干擾越小。 頻段越高、帶寬越大、傳輸速率越高。

  30. 衛星通信使用頻率 • 為避免上、下鏈路於傳輸空間相互干擾，需將上、下鏈路之頻帶錯開。 • 因應衛星酬載重量與壽命限制，上鏈使用較高頻率。 • 目前衛星通信常用之頻帶： 上鏈頻率 (GHz) 下鏈頻率 (GHz) 頻帶 備註 4 (3.7-4.2) 6 (5.925-6.425) 地面微波干擾 C 降雨衰減較大 地面微波干擾 11 ( 11.7-12.2) 14 (14.0-14.5) Ku 降雨衰減嚴重 射頻裝備成本高 使用頻寬很大 20 (17.7-21.7) 30 (27.5-30.5) Ka

  31. 衛星通信構成要素 通信衛星 衛星追蹤管制站台 地面波束 地面站台 大型地面轉接台 B2B Internet 網路 用戶

  32. 系統組成 • 衛星的組成基本可分為「衛星本體」及「酬載」兩部份。 • 酬載即是衛星用來做實驗或服務的儀器。 • 衛星本體為維持酬載運作的載具。

  33. 衛星的用途依其所攜帶的酬載而定 • 本體的組成包括:(1) 主結構體(三角柱、立方體、八角柱體、或 圓柱體等)。(2) 一或數片如翅膀般的太陽能電池板。(3) 碟型、錐形、或螺旋形的天線。(4) 噴射推進及姿態控制系統。 (5) 環境控制系統(溫度及壓力)。 • 酬載各種探測器、照相機、通訊設備等。

  34. 備註： • 人造衛星的內部，一般都裝有許多『高級』的精密科學儀器，所以在人造衛裏面還要充入定量的氣體，其目的一是保溫、一是調節壓力。

  35. 保溫 • 因為人造衛星每繞地球一周，就有差不多一半的時間在地球背後黑暗的影子裏移動，接觸不到陽光，這時候溫度可以降低到攝氏零下200多度，而在曬到陽光的另一半時間裏，溫度就急劇上升得很高，冷熱差異十分強烈，如果不利用氣體來保溫調節，人造衛星內所有的無線電儀器便不能準確工作了。

  36. 調節壓力 • 因為地面的儀器裝設都是在正常的地球大氣壓力下進行，一旦升到高空，因為沒有大氣壓力，許多儀器會失靈。為此，不但要在人造衛星裏充滿空氣，還要把人造星密封，並安裝『強制性』的氣體循環系統，以便保證人造衛星艙內的氣體壓力均衡，及時調節艙內的溫度。

  37. 衛星發射載具 • 衛星入軌方式： • 直接入軌方式-火箭發動機燃畢，最後一節火箭速度等於 衛星軌道速度，衛星與火箭脫離進入軌 道；一般低軌道衛星採用。 • 間接入軌方式-先進入無動力的自由飛行(暫駐軌道)，再 入軌。

  38. 發射載具發射升空程序：

  39. 衛星發射三要素： 發射方位角與軌道傾角、發射地點、發射窗。

  40. 衛星壽命 • 衛星在外太空除受地球引力外，尚有來自月球及太陽的引力，這些力量往往會使衛星在軌道上的位置產生偏離，若偏離超過標準時，衛星會自動啟動噴射系統而回到正確的位置，因此噴射系統的燃料量，為衛星壽命主因。 • 太陽能板及電池老化為次要因素。

  41. 一般衛星壽命 早期：3~5年左右；近期：7~14年左右； 未來：15年以上 • 有些軍事間諜衛星，為了搜集敵情清晰的影像，運行軌道離地面較低，壽命僅有兩、三個月，軌道較高的衛星，壽命可達數十年甚至更久。 • 衛星的燃料用完後會因軌道上極稀薄的氣體粒子的影響而減速，並墜入大氣中燒毀或墜落地表。有些衛星的設計是用殘存燃料將衛星推入極高的軌道（太空墓場）中。

  42. 我國太空衛星計畫 • 國家太空中心(NSPO) • 第一期計畫：1991~2004,福衛一號(科學實驗),福衛二號(高解析度科學衛星)，福衛三號(氣象微衛星)。 • 第二期計畫：2004~2018, Argo 衛星計畫、探空火箭、微衛星…等。

  43. Argo 衛星計畫-為達成自主設計發展小衛星之衛星本體。 • 探空火箭-50km以內的地球大氣層屬於探空氣球探測的範圍，300 km以外之太空的探測任務多由人造衛星來執行，而50km到300 km間的探測則由探空火箭來擔綱。 （探空六號2007.09.13發射）

  44. 蕃薯號衛星- • 每邊十公分，重量僅857公克。設計壽命為兩個月，衛星軌道高度為600~650公里。衛星的科學 儀器為應用微機電技術發展之微光譜儀以進行大氣成分分析。

  45. ROCSAT1(福一)地面 太空 探空五號火箭

  46. ROCSAT2(福二)地面 太空 ROCSAT3(福三)地面*6 太空*6

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