卫星通信导论习题答案解析之欧阳音创编.docx
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卫星通信导论习题答案解析之欧阳音创编
第1章题解
时间：
2021.03.11
创作：
欧阳音
1.2
①T=100.45minV=7.4623km/s
②T=114.08minV=7.1523km/s
③T=358.98minV=4.8809km/s
④T=718.70minV=3.8726km/s
⑤T=1436.1minV=3.0747km/s
1.4
①84231km，281ms
②160ms
337500km
第2章题解
2.1
（1）188.23dB,187.67dB
（2）200.00dB,195.97dB
（3）207.20dB,205.59dB
（4）213.98dB,209.73Db
2.2
d=37911km
=199.58dB
2.5
G/T=32.53dB/K
2.6
馈线输入端
=171°K
LNA输入端
=153°K
2.7
3×
W/Hz
217°K
2.8
EIRP=48dBW
G/T=2.4dB/K
2.9
（1）30.9dBi；39.4dBi；48.9dBi
（2）38.2dBi
4.8m（
）
2.10
3.0dB噪声系数的噪声温度为0.995
=288.6K（
）
3.1dB噪声系数的噪声温度为1.042
=302.2K（
）
2.11
44.6+31.5+100+3=179K
2.12
噪声温度为
199.8K
2.13
EIRP=47dBW
2.14
（1）
C/N=12.5dB
（2）
于是，所需的上行C/N=26.3dB
2.15
（1）链路损耗L=92.44+20lg37500+20lg6.1=199.6dB
（2）卫星转发器输入功率C=20+54-199.6+26=–99.6dBW
卫星转发器输出功率C=110–99.6=10.4dBW=11W
（3）N=–228.6+10lg500+10lg36M=–126.0dBW
（4）C/N=26.4dB
2.16
（1）卫星转发器发射的每路功率为–14dBW/路=0.04W/路
（2）地球站接收载波功率C=–14.0–206+30+40=–150Dbw
地球站输入端噪声功率N=–228.6+10lg150+10lg50K=–159.8dBW
载噪比C/N=9.8dB
（3）余量=9.8–6.0=3.8dB
2.17
（1）链路损耗L=92.44+20lg38500+20lg12.2=205.9dB
（2）接收天线增益G=10lg0.55
=33.5dBi
接收载波功率C=10lg200+34–3+33.5–205.9–1=–119.4dBW
（3）噪声功率N=–228.6+10lg110+10lg20M=–135.2dBW
（4）C/N=15.8dB
余量5.8dB
（5）强降雨时
接收载波功率C=–119.4–2=–121.4dBW
噪声功率N=–228.6+10lg260+10lg20M=–131.5dBW
载噪比C/N=10.1dB
余量0.1dB
2.18
（1）链路损耗L=92.44+20lg37500+20lg6.1+2=201.6dB
（2）噪声功率N=–228.6+10lg500+10lg36M=–126.0dBW
（3）转发器输入载波功率C=10lg100+54+26–201.6=–101.6dBW
载噪比C/N=24.4dB
（4）卫星发射功率110–101.6=8.4dBW或6.9W
2.19
链路传输损耗L=92.44+20lg2000+20lg2.5=166.4dB
地球站接收载波功率C=10lg0.5+（18–3）+1–166.4=–153.4dBW
地球站噪声功率N=–228.6+10lg260+10lg20K=–161.5dBW
载噪比C/N=8.1dB
第3章题解
3.2由图3-3得输入回退6dB；由图3-4得输出回退3dB。
3.3
（1）77.11dBHz
（2）41.51dBW
3.4
（2）一帧内：
1个参考突发，8个业务突发
一帧内开销比特：
560（参考突发）+9
120（9个保护时隙）+8
560（8个报头）=6120bit
效率=（40800−6120）/40800=0.85；
（3）承载的信息速率:
（40800−6120）/0.002=17.34Mb/s
承载的信道数:
17340/64=270.9
3.5
3.6
（1）
=12+63.11−10−228.6+212=48.51dBW
=48.51−46=2.51dBW（1.78W）
（2）
dBW（14.26W）（
提高8倍，使所需的EIRP提高9.03dB）
3.7
（1）C/N=34-201-75.6+228.6+35=21.0dB
由回退带来的允许接入的5MHz带宽的载波数为
（2）设36MHz带宽内最多容纳6个5MHz带宽的载波。
由图3-4可得:
输出回退6dB相当于输入回退8dB。
由图3-3得6载波时，输入回退8dB的载波-互调比约为16dB。
试算6载波时的下行载噪比:
回退6dB后，每载波EIRP=34-6-10lg5=21dBW
每载波的接收载噪比=21-201-67+228.6+35=16.6dB
考虑到6载波时的载波-互调比为16dB，因此接收总的信噪比（含互调噪声）约为13.2dB。
它比要求的12dB门限高些，可认为是带宽受限系统。
如果要求的接收信噪比门限为15dB，则为功率受限系统。
3.8
（1）TDMA地球站发射功率=13–105–63–22+200=23dBW=200W
地球站接收载噪比:
=
地球站接收（C/N）=28.4dB
（2）FDMA地球站发射功率:
一个FDMA地球站在转发器输出端的功率为13dBW（20W）–6dB（回退）–7dB（5个站功率叠加）=0dBW=1W
转发器接收的来自一个FDMA站的功率=-105dBW
FDMA地球站发射功率=-105+200–63–22=10dBW=10W
上行载噪比:
载波功率=10+63+22–200=-105dBW
噪声功率（噪声带宽36/5MHz）=27.4+68.6–228.6=-132.6dBW
上行载噪比=-105+132.6=27.6dB
下行载噪比:
载波功率=0+60+20–196=-116dBW
噪声功率（噪声带宽36/5MHz）=20+68.6–228.6=-140dBW
下行载噪比=-116+140=24dB
由图3-4可得:
输出回退补偿6dB相当于输入回退约8dB。
由图3-3可得:
输入回退8dB时，互调载噪比为16.5dB。
地球站接收（全链路）接收载噪比=15.5dB（若不考虑互调噪声干扰，载噪比为22.4dB）
3.9
（1）手持机解调后、判决前，只需在确定的时段内提取本站的数据信息，其接收噪声带宽较窄（单路）；而卫星接收10路信号（连续TDMA数据流），接收噪声带宽较宽。
（2）上行射频带宽：
=150KHz
下行射频带宽：
75KHz
（3）上行链路:
卫星接收载波功率=-7.0+18+1-161=-149dBW
星上接收端噪声功率谱密度=-228.6+27=-201.6dBW/Hz
卫星接收信噪比=-149-40+201.6=12.6dB
误码率为
，所需信噪比为8.4dB。
于是，链路电平衰落余量为4.2dB。
（4）下行链路:
用户接收载波功率=-7+18+1-160=-148dBW
用户接收噪声功率谱密度=-228.6+24=204.6dBW/Hz
用户接收信噪比=-148-40+204.6=16.6dB
BER=
所需信噪比为8.4dB，因此链路电平衰落余量为8.2dB。
3.10
无高斯噪声时，n=32
有高斯噪声时，n=16
3.11
此处
为信噪比
n=1023/
=64
每站信息比特率:
30Mc/s/1023=29.33Kb/s
转发器传输的总信息比特率为:
Mb/s
转发器带宽:
30M
（1+0.5）=45MHz
采用FDMA或TDMA方式，可提高卫星转发器的传输信息量，但需增加信息发射功率。
第4章题解
4.3
siny=sin0.875（35786+6378）/6378=0.1009,y=5.79º
地心角x:
x=5.79-0.875=4.915º
覆盖面积=4
4.4
D=0.154m
dB
4.5
所需的接收载波功率C=8.5+67.8-228.6+23=-129.3dB
L=92.44+20lg39000+20lg12+5=210.8dB
接收天线增益G=10lg[
]=33.4dB
EIRP=-129.3+210.8-33.4=48.1dB
4.6
下行（S/N），dB
7.2
8.0
9.0
11
14
16
18
20
上行（S/N），dB
20.4
13.9
11.3
9.2
8.0
7.6
7.4
7.2
4.7
全链路信噪比10lg（1/0.2585）=5.9dB
误码率约
4.8
信噪比为（8-1）=7dB时，误码率小于
4.9
信噪比4dB，（2，1，7）卷积码时，误码率约
4.12
一帧比特数:
200+8
100=1000
以1Kb/s速率传送一帧（即100个传感器一轮采样数据）的时间为1s。
一轮采样的时间为1s，40000km距离的传输时间为0.133s。
因此，当太空舱某传感器数据发生变化时，地面控制站可能要等待1.133s之后才能获得该信息。
第5章题解
5.2
（1）
偏离天线波束主轴线3°处所允许的最大EIRP
33–25lg3=21.1dBW
（2）
D（m）
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
G（dBi）
40.7
38.8
36.3
32.8
26.7
（3）
=1.5/D
D（m）
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
（º）
1.5
1.88
2.5
3.75
7.5
（4）
天线辐射特性（增益与方向偏离角的关系）
D（m）
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
–3dB波束宽（º）
1.5
1.88
2.5
3.75
7.5
–6dB波束宽（º）
2.25
2.82
3.75
5.63
11.25
–10dB波束宽（º）
3.0
3.76
5.0
7.5
15.0
偏离波束主轴3º时，天线增益的估值
D（m）
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
偏离3º的G下降值（dBi）
10
7.0
4.4
2.0
1.2
偏离3º的天线增益（dBi）
30.7
31.8
31.9
30.8
25.5
（5）
发射功率为1.0W、0.5W和0.1W时，波束轴线上的EIRP
D（m）
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
1.0W，EIRP（dBW）
40.7
38.8
36.3
32.8
26.7
0.5W，EIRP（dBW）
37.7
35.8
33.3
29.8
23.7
0.1W，EIRP（dBW）
30.3
28.8
26.3
22.8
16.7
（6）
发射功率为1.0W、0.5W和0.1W时，偏离波束轴线3º的EIRP
D（m）
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.5W，EIRP（dBW）
30.7
31.8
31.9
30.8
25.5
0.2W，EIRP（dBW）
27.7
28.8
28.9
27.8
23.5
0.1W，EIRP（dBW）
20.7
21.8
21.9
20.8
15.5
（7）
只有发射功率0.1W时能满足对相邻卫星干扰的要求，否则需采用其它辅助隔离措施，如正交极化隔离，频率隔离或参差。
5.3
（1）由于信道编码效率为1/2，每站链路传输速率为256Kb/s。
根据公式（3-1）有
（2）转发器可支持的最大地球站数目为
54/（0.1792+0.051）=234
（3）234个地球站接入时，每路信号的卫星发射功率将降低
10lg（234/100）=3.7dB
下行链路载噪比为19–3.7=15.3dB
（4）入站全链路载噪比为13.8dB
链路载噪比余量为4.8dB
5.4
（1）
每信道信号实际传输带宽
相邻信道间保护带宽为200–160=40KHz
转发器能容纳的上行最大信道数54/0.2=270
（2）
链路损耗L=92.44+20lg39000+20lg14+2=209.2dB
转发器1输入噪声功率C=3+40.7+34.0–209.2=–131.5dBW
上行C/N=18.1dB
（3）所需下行C/N
C/N=16.1dB
（4）
链路损耗L=92.44+20lg39000+20lg11.7+2=207.6dB
所需下行EIRP=16.1+207.6–228.6+10lg150+10lg160000–48.5=20.4dBW
所需卫星发射功率20.4–34=–13.6dBW=0.04365W
（5）
回退3dB后的卫星功率13–3=10dBW=10W
卫星功率可支持的信还道数10/0.04365=229
而转发器带宽可支持的信道数为270
为功率受限
（6）
链路损耗L=92.44+20lg39000+20lg14.1+2=209.2dB
地球站的EIRP10lg200+50–3=70.0dBW
卫星G/T=34/10lg500=7dB/K
对1Mb/s的上行载噪比C/N=70+7–209.2+228.6–10lg1M=36.4dB
（7）
卫星EIRP=34–1+10lg20=46dBW
链路损耗L=184.2+20lg11.8+2=207.7dB
地球站G/T=48.5/10lg150=26.7dB/K
对1Mb/s的下行载噪比C/N=46+26.7–207.7+228.6–60=33.6dB
（8）
出站全链路载噪比C/N=31.8dB
对10dB载噪比门限而言，有余量21.8dB，可用以支持151Mb/s的数据流传输。
因此为带宽受限系统。
若余量21.8dB用以支持54Mb/s速率传输，则载噪比为14.5dB
第6章题解
6.1计算LEO（轨道高度700-2000km）、MEO（轨道高度8000-20000km）和GEO（轨道高度35786）各典型高度值时的在轨速度和轨道周期。
解:
根据式（6-8）和式（6-10）可以计算各典型轨道高度值情况下卫星的在轨速度和轨道周期。
（1）轨道高度700km的LEO卫星:
在轨速度
27015km/hour
轨道周期
（2）轨道高度2000km的LEO卫星:
在轨速度
24831km/hour
轨道周期
（3）轨道高度8000km的MEO卫星:
在轨速度
18955km/hour
轨道周期
（4）轨道高度20000km的MEO卫星:
在轨速度
13994km/hour
轨道周期
（5）轨道高度35786km的GEO卫星:
在轨速度
11069km/hour
轨道周期
6.2在最小仰角为10º,系统工作频率为1.6GHz时，计算LEO、MEO和GEO的典型自由空间传播损耗和传播延时。
解:
为计算自由空间传播损耗和传播延时，需要知道传输距离。
根据（6-23）可以计算10仰角时的最大星地距离，再根据第二章公式（2-8）计算最大自由空间传播损耗。
（1）轨道高度700km的LEO卫星:
最大星地距离
km
自由空间传输损耗
传输延时
ms
（2）轨道高度2000km的LEO卫星:
最大星地距离
km
自由空间传输损耗
传输延时
ms
（3）轨道高度8000km的MEO卫星:
最大星地距离
km
自由空间传输损耗
传输延时
ms
（4）轨道高度20000km的MEO卫星:
最大星地距离
km
自由空间传输损耗
传输延时
ms
（5）轨道高度35786km的GEO卫星:
最大星地距离
km
自由空间传输损耗
传输延时
ms
6.3全球星系统的卫星轨道高度为1414km，在最小仰角为10º时，求单颗卫星的最大覆盖地心角，覆盖区面积和卫星天线的半视角。
解:
根据式（6-20）可以求解最大覆盖地心角；根据式（6-24）可以求解覆盖区半径，再通过球冠面积公式求解覆盖区面积；根据式（6-21）可以求解卫星天线的半视角。
最大覆盖地心角
最大覆盖半径
km
覆盖区面积
卫星天线的半视角
6.4某地面观察点位置为（120ºE，45ºN），卫星的瞬时位置为（105ºE，25ºN），轨道高度为2000km。
计算该时刻地面观察点对卫星的仰角。
解:
由已知条件，可以根据式（6-25）求得地面观察点与卫星间所夹地心角，再通过式（6-22）可以求解仰角。
地心角
仰角
6.5“铱”系统卫星的轨道高度为780km，在最小仰角为10º时，试计算单颗系统卫星能够提供的最长连续覆盖时间
。
解:
题解过程与例6.2一样。
最大地心角
卫星角速度
最长连续服务时间
6.6某星座系统的卫星轨道高度为1450km，每个轨道面上的卫星数量为8颗。
在最小仰角为10º时，计算每个轨道面上8颗卫星形成的地面覆盖带的宽度。
解:
首先根据式（6-20）确定单颗卫星的最大覆盖地心角
，再根据式（6-26）可以直接计算覆盖带宽度。
单颗卫星最大覆盖地心角
地面覆盖带的宽度
6.7已知全球星（Globalstar）星座的Delta标识为：
48/8/1:
1414:
52，假设初始时刻星座的第一个轨道面的升交点赤经为0º，面上第一颗卫星位于（0ºE,0ºN），试确定星座各卫星的轨道参数。
解:
根据6.3.3.1中Delta星座标识方式的描述可知：
相邻轨道面的升交点经度差：
360º/8=45º；
面内卫星的相位差：
360º/（48/8）=60º
相邻轨道面相邻卫星的相位差：
360º×1/48=7.5º
再根据已知的第一颗卫星的初始位置，可以得到所有卫星的初始轨道参数如下表。
轨道面
卫星编号
升交点赤经
初始弧角
轨道面
卫星编号
升交点赤经
初始弧角
1
Sat1-1
0
0
5
Sat5-1
180
30
Sat1-2
0
60
Sat5-2
180
90
Sat1-3
0
120
Sat5-3
180
150
Sat1-4
0
180
Sat5-4
180
210
Sat1-5
0
240
Sat5-5
180
270
Sat1-6
0
300
Sat5-6
180
330
2
Sat2-1
45
7.5
6
Sat6-1
225
37.5
Sat2-2
45
67.5
Sat6-2
225
97.5
Sat2-3
45
127.5
Sat6-3
225
157.5
Sat2-4
45
187.5
Sat6-4
225
217.5
Sat2-5
45
247.5
Sat6-5
225
277.5
Sat2-6
45
307.5
Sat6-6
225
337.5
3
Sat3-1
90
15
7
Sat7-1
270
45
Sat3-2
90
75
Sat7-2
270
105
Sat3-3
90
135
Sat7-3
270
165
Sat3-4
90
195
Sat7-4
270
225
Sat3-5
90
255
Sat7-5
270
285
Sat3-6
90
315
Sat7-6
270
345
4
Sat4-1
135
22.5
8
Sat8-1
315
52.5
Sat4-2
135
82.5
Sat8-2
315
112.5
Sat4-3
135
142.5
Sat8-3
315
172.5
Sat4-4
135
202.5
Sat8-4
315
232.5
Sat4-5
135
262.5
Sat8-5
315
292.5
Sat4-6
135
322.5
Sat8-6
315
352.5
6.8计算回归周期为4个恒星日，回归周期内的轨道圈数从5到21的准回归轨道的高度。
解:
根据准回归轨道的轨道周期可以确定相应的轨道高度。
对于回归周期为4个恒星日的准回归轨道，在其回归周期内的轨道圈数一定不是2的倍数。
因此，从5到21范围内的所有奇数值都是可以作为轨道圈数值的。
通常，卫星在M天内绕地球飞行N圈时，其轨道周期Ts与地球自转周期（即恒星日）Te之间满足关系
由圆轨道卫星的轨道周期与轨道高度之间的关系可以计算轨道高度
因此，回归周期为4个恒星日，回归周期内的轨道圈数从5到21的准回归轨道的高度如下表所示
M
N
轨道高度h（km）
4
5
29958
4
7
22657
4
9
18178
4
11
15103
4
13
12839
4
15
11090
4
17
9691.9
4
19
8543.4
4
21
7580.3
6.9根据式（6-35）计算：
轨道面数量为3，每轨道面卫星数量为8的极轨道星座，在最小用户仰角10º，连续覆盖南北纬45º以上区域时，卫星的最大覆盖地心角α和轨道高度，以及顺行轨道面间的升交点经度差∆1。
解:
式（6-35）没有解析解的，因此采用数值计算的方法，搜索近似解。
式（6-35）如下所示：
在式中，令P=3，S=8，φ=45º，利用计算机程序，将不同的α值带入到式子中，得到等式两端误差最小的最佳α值
顺行轨道面间的升交点经度差∆1
（注意：
由于星座仅在纬度45º以上区域连续覆盖，因此计算时的参考位置是在45º纬度圈上。
而升交点经度差是在与纬度圈平行的赤道平面上计量的，因此需要进行换算。
）
卫星轨道
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