基本介紹
基本知識,定義,相關公式,衛星發射,缺點,接收天線調整,注意問題,
基本知識
定義
地球同步衛星是人為發射的一種衛星，它相對於地球靜止於赤道上空。從地面上看，衛星保持不動，故也稱靜止衛星，從地球之外看，衛星與地球以相同的角速度轉動，角速度與地球自轉角速度相同，故稱地球同步衛星。在平常的計算中，我們認為這是勻速圓周運動，運轉周期約為24小時，地球同步衛星距赤道的高度約為36000千米，線速度的大小約為每秒3.08公里。
相關公式
同步衛星的高度可通過克卜勒(J. Kepler)第三定律H + E = R = AP2/3來計算，其中周期P = 0.99727，比例常數A = 42241，地球半徑Er = 6378公里，故可算出同步衛星的高度為H = 35,786公里。
衛星發射
發射同步衛星需要較高的技術，一般先用多級火箭，將衛星送入近地圓形軌道，此軌道稱為初始軌道；當衛星飛臨赤道上空時，控制火箭再次點火，短時間加速，衛星就會按橢圓軌道（也稱轉移軌道）運動；衛星飛臨遠地點時，再次點火加速，衛星就最後進入相對地球靜止的軌道。
若把三顆同步衛星，相隔120°均勻分布，衛星的直線電波將能覆蓋全球有人居住的絕大部分區域（除兩極以外），可構成全球通訊網。
衛星圖片
衛星圖片截止2012年，已有十幾個國家和組織發射了100多顆同步衛星。1984年4月，中國的同步衛星發射成功。
缺點
同步衛星的缺點是空間有高度的限制、因距離太遠造成電波傳遞時間的遲延，例如同步衛星約需要250ms(= 2*3.5*104/3*105)的傳遞時間及因距離太遠造成電波傳遞的功率要相當大。
接收天線調整
自1965年人類利用靜止衛星實現全球通信以來，同步衛星通信技術得到了飛速發展。隨著電視技術的進步，衛星電視作為一種先進的廣播形式，因其收視質量高、覆蓋範圍廣等諸多優點已深受大眾喜愛。不少單位和個人都安裝上了衛星電視接收天線。然而，調整天線使其處於最佳工作狀態卻不是一件容易的事情，沒有必備的工具和技術參數則幾乎是不可能的。這裡介紹一種使用羅盤儀調整同步衛星接收天線的簡易方法。
準備工作
在正式調整衛星接收天線開始之前，尚有許多準備工作要做。首先要擁有一隻能測量傾角的羅盤儀，這是必備工具，其次必須知道天線所在地的經緯度和預收衛星的經度，這幾個參數決定了天線的仰角和方位角。再次，了解衛星信號的強度也很重要，它有助於確定該使用多大口徑的天線接收。這些均可從相關資料和其他地面站的記錄中得到。最後，還要知道這顆衛星上預收節目的下行頻率、極化方式。他們是調整天線的依據。準備工作完成後，可著手下一步驟。
設備調整
衛星接收機參數的調整
若衛視節目是模擬制式，則最好選用帶有調諧頻率指示的衛星接收機。衛星接收機的調諧頻率可按下式計算：
fIF=fOSC-fIN式中：fIF為調諧頻率；fIN為衛星信號下行頻率。
若衛視節目是數字制式，則希望所用的數字衛星接收機反應時間儘量快些。另外，接收機的較高的靈敏度也很重要。
調整數字衛星接收機的參數比調整模擬機稍複雜些，除調諧頻率fIF的計算與模擬接收方式一樣外，還有符號率、糾錯方式（部分接收機可自動識別）等，均必須正確設定，否則將一無所獲，這一點與接收模擬信號是完全不同的。
極化變換器的調整
電磁波的傳播具有兩種類型、四種極化方式，即圓極化和線極化兩種類型，左旋圓極化、右旋圓極化、垂直線極化和水平線極化四種方式。天線接收線極化波是不用極化變換器的，而接收圓極化波時則需要將圓極化波轉換成線極化波以適應于波導的傳輸。
線極化波是指電磁波中電場矢量端點的運動軌跡為一條直線。電磁波中電場矢量方向與衛星軌道平面垂直，即為垂直極化波；電場矢量方向與衛星軌道平面平行，即為水平極化波，右旋極化波是符合右 手定則的電磁波，左手圓極化波是符合左手定則的電磁波。
極化變換器的作用就是將線極化波變為圓極化波或將圓極化波變為線極化波，也稱為移相器。對圓極化波而言，前饋天線和後饋天線是有區別的，該類型波每經反射一次，極化方向要反轉一次，而前饋天線和後饋天線的反射次數是不同的，至於線極化波，反射是不會改變其方向的。
有了這些知識，就可以將天線的極化變換器調至所需的狀態。目前我國的衛星信號多使用線極化波，接收這些信號只需轉動圓矩變換波導和高頻頭的方向即可，無需使用極化變換器。
天線方位角及仰角的調整
如何調整天線的仰角及方位角這一問題對許多人來說卻是一件難事。這裡介紹兩種行之有效的方法：相對值法與絕對值法。
1、相對值法：此法是先計算出接收當前衛星與接收預收衛星時天線仰角與方位角的差值，然後對天線進行相應的調整。舉例來說，在武漢市調整原接收中星五號(115.5°E)的天線至接收亞太1A號(134°E)，天線的方位角及仰角分別為：
中星五號 AZ=177.6°；EL=54.3°
亞太1A號 AZ=144.9°；EL=48.3°
顯然方位角應減少即向東轉177.6°-144.9°=32. 7°，仰角應下調54.3°-48.3°=6.0°
由於在調整中是取相對值進行的，測量位置本身的偏差在計算中已經被消除了，因此對羅盤的測量位置要求不高，只要保持測量位置不變即可。此法較適合於天線換星操作和偏饋天線。
2、絕對值法：此法只需計算出天線最終仰角及方位角，而無需考慮當前狀態。以羅盤讀數作參考也能較快將天線調至所需位置，但在使用羅盤時一定要嚴格選擇測量位置，儘量減小由於測量位置選擇不當引起的誤差。
這兩種方法各有優缺點，可根據具體情況選擇使用或結合使用。
天線仰角及方位角的調整對於接收C波段模擬電視信號或許不算太困難，但對於接收數位電視信號特別是Ku波段電視信號就沒有那么簡單。筆者建議務必按以下步驟進行，除非條件不具備。
1）、首先接收該衛星上C波段模擬電視信號，以求將天線大致對準衛星，在多數情況下這一條件都能得到滿足。
2）、其次接收C波段數位電視信號或者改換Ku波段高頻頭接收該波段模擬電視信號，這一條件不一定能滿足。
3）、最後接收Ku波段數位電視信號。有些Ku波段天線不能換C波段高頻頭，但也應儘可能從第二步做起。
微調
經過以上幾個步驟，大多數情況下是能收到衛星信號的，但接收效果不一定理想，為此必須進行微調。
1、仰角、方位角的微調：反覆微調仰角及方位角，注意監視器上圖像、伴音的變化情況，直到圖像、伴音信號達到最佳狀態。在微調期間，一定要注意分清天線的主瓣和旁瓣，以主瓣接收信號，收視效果明顯要優於旁瓣。
2、饋源及極化的調整：完成仰角及方位角的微調後應將其稍微固定，然後適當移動饋源的位置，調整焦距。同時由於我國衛星廣播採用線極化方式傳送，因此務必對極化進行細心的調整。最終的目標是使模擬接收機的輸入信號電平最強，數字接收機的誤碼率最低，以保證監視器上信號最佳。
3、調試完畢後，整個衛星接收系統已處於最佳工作狀態，可將饋源、極化器、仰角和方位角等固定好。
記錄
對天線的各種狀態、參數、接收信號情況等做好詳細記錄並不複雜，但對今後的工作大有好處。
至此，衛星接收天線的調整工作才算全部完成了。
測算高度
同步衛星是指與地球相對靜止的衛星，這種衛星繞地球轉動的角速度與地球自轉的角速度相同，做勻速圓周運動的圓心就是地心。因此，它的軌道平面必須與赤道平面重合，並且它必須位於赤道上空一定的高度上。下面我們計算同步衛星離地面的高度。
已知地球的質量M=5.98*10^24 kg，半徑R=6.37*10^6 m ，自轉周期T=24h。G=6.67*10^-11 N·m^2/kg^2 。設同步衛星離地面的高度為h ，質量為m 。則由向心力公式可得： GMm/(R+h)^2=m(2π/T)^2 *(R+h)。 化簡後可得 h=3√(GMT*2 /4π^2)-R。將以上數值代入可解得 h=3.6*10^7 m。
注意問題
同步衛星運轉的周期與地球自轉周期相同，相對於地球靜止不動，有關同步衛星的知識在高考中多次出現，成為考查的熱點之一。很多學生對它的理解較為模糊，為了使學生加深理解,在教學中要向學生講清以下問題：
1 同步衛星軌道為什麼是圓而不是橢圓
地球同步衛星的特點是它繞地軸運轉的角速度與地球自轉的角速度相同，靜止在赤道上空某處相對於地球不動的衛星，這一特點決定了它的軌道只能是圓。因為如果它的軌道是橢圓，則地球應處於橢圓的一個焦點上，衛星在繞地球運轉的過程中就必然會出現近地點和遠地點，當衛星向近地點運行時，衛星的軌道半徑將減小，地球對它的萬有引力就變大。衛星的角速度也變大;反之，當衛星向遠地點運行時，衛星的軌道半徑將變大,地球對它的萬有引力就減小，衛星的角速度也減小，這與同步衛星的角速度恆定不變相矛盾。所以同步衛星軌道不是橢圓,而只能是圓。
2 為什麼同步衛星的軌道與地球赤道共面
由於該衛星繞地軸做圓周運動所需的向心力只能由萬有引力的一個分力提供，而萬有引力的另一個分力就會使該衛星離開B點向赤道運動，除非另有一個力恰好與F2平衡，,所以衛星若發射在赤道平面的上方(或下方)某處，則衛星在繞地軸做圓周運動的同時，也向赤道平面運動,它的運動就不會穩定，從而使衛星不能與地球同步，所以要使衛星與地球同步運行,必須要求衛星的軌道與地球赤道共面。
如果將衛星發射到赤道上空的A點，則地球對它的萬有引力F全部用來提供衛星繞地軸做圓周運動所需要的向心力，此時衛星在該軌道上就能夠以與地球相同的角速度繞地軸旋轉，此時該衛星才能夠“停留”在赤道上空的某點，實現與地球的自轉同步,衛星就處於一種相對靜止狀態中。
3 為什麼所有同步衛星的高度都是一樣的
在赤道上空的同步衛星,它受到的唯一的力——萬有引力提供衛星繞地軸運轉所需的向心力.當衛星的軌道半徑r(或離地面的高度h)取某一定值時,衛星繞地軸運轉就可以與地球自轉同步,兩者的周期均為T=24h.
設地球質量為M,地球半徑為R0,衛星質量為m,離地面的高度為h,則有
將R0=6400km,G=6.67×10-11N·m2/kg2,M=6.0×1024kg,T=24h=86400s代入上式得h=3.6×10^4km，即同步衛星距離地面的高度相同(均為h=3.6×10^4km)，必然定位於赤道上空的同一個大圓上.赤道上空的這一位置被科學家們喻為“黃金圈”,是各國在太空主要爭奪的領域之一。
