概论05：卫星通信概论.ppt

卫星通信系统 1 卫星通信概论 一、卫星通信的基本概况 二、卫星通信发展的历史 三、我国卫星通信发展史 四、卫星通信主要特点 五、卫星通信主要难点 六、卫星通信应用范围 2 一、卫星通信概述 、卫星通信概 念 、卫星通信可行性 、卫星通信组 成 卫星空间部分 卫星地球站 地面测控站 3 4 卫 星 通 信 原 理 示 意 图 1、卫星通信概念的提出 概念的产生： 时间1945年10月；人物英国物理学家 、空军雷达军官克拉克； 克拉克设想： 把中继站用火箭发射到赤道上空的静止轨道上 ，每隔120度设一个静止卫星这样不仅能够实现 远距离通信，甚至能够实现全球通信。 5 克拉克设想，把中继站克拉克设想，把中继站 用火箭发射到赤道上空用火箭发射到赤道上空 的静止轨道上，每隔的静止轨道上，每隔 120120度设一个静止卫星度设一个静止卫星 ，这样不仅能够实现远，这样不仅能够实现远 距离通信，而且还能够距离通信，而且还能够 实现全球通信。实现全球通信。 7 他十分精确的预 言，在1969年6月前 后，人类将完成登 月之壮举。他还预 言了电视电话的诞 生。这些幻想和预 言，今天都一一实 现了。 “空间通信之父” 阿波罗登月计划 起因与时间： 前苏联宇航员加加林进入太空。 时间：1961年4月12日乘东方一号 宇宙飞船。 人类登月成功： “阿波罗”11号飞船于1969年7月 20-21日首次 实现人登上月球 的理想。此后，美国又相继6次 发射“阿波罗”号飞船，其中5次 成功。总共有12名航天员登上月球。 8 加加林加加林 阿姆斯特朗阿姆斯特朗 阿波罗登月计划 对登月计划的质疑： 代表人物：著名物理学教授哈姆雷特。 质疑内容： 1、阿波罗登月照片纯属伪造 2、阿波罗登月录像带在地球上摄制 3、月球表面干燥脚印却非常清晰 4、阿波罗计划进展速度可疑 5、对土星五号火箭和登月舱的质疑 6、温度对摄影器材的影响 9 背景1：短波通信 短波通信： 当时远距离通信尤其是移动通信，主要采用短 波，短波通信是利用电离层的反射来实现信息 的传输。 缺点： 由于电离层的高度和反射率随季节、昼夜而变 化，因而短波通信信号不稳定。要求使用者具 有丰富的经验才能正常使用。 缺点： 可用频段有限，不足30MHz，且全球共用。 10 11 短 波 通 信 示 意 图 背景2：微波中继接力通信 微波通信 由于微波是直线传输的，地面对微波吸收很 严重，因此每隔50到80公里，需要架设很高 的铁塔（80100米）来建造中继站，进行逐 段接力通信，实现远距离通信。 优缺点： 微波通信较稳定、通信容量较大，但随着远 距的增加费用也成倍加大，有些地区不便架 设，超远距离通信困难很多。 12 13 微波中继通信 14 卫星通信 2、卫星通信的可行性 引起关注 克拉克的设想发表后，受到了各国科学家的重 视，尤其是二战后火箭技术已经达到了一定的 水平，纷纷开展了卫星技术的研究。 可行性 1957年10月，前苏联成功地发射了世界上第一 颗人造地球卫星，证实了上述理论的可行性。 15 2、卫星通信的可行性 二战后期的V-2火箭 设计者：德国科学家冯.布劳恩 性能指标：长13.5米，重13吨， 载荷1吨，射程322千米。 投入使用：1944年9月，目标伦敦。 冯.布劳恩 美国第一颗卫星的发射成功，以及第一艘载人 登月飞船“阿波罗11号”登上月球作出突出贡献， 而航天飞机的研制也是自他手中开始。 16 2、卫星通信的可行性 实现卫星通信的两个条件 1 1、运载工具、运载工具 具有足够推力和精度的多级火箭。 2 2、人造卫星、人造卫星 集电子、机械、控制等多学科综合能力 。 3 3、具备能力的国家、具备能力的国家 前苏联、美国、法国、日本、中国、英国（印度、 以色列、伊朗）朝鲜？ 17 18 监控管理 分系统 遥测跟踪指 令分系统 地球站 通信地球站分系统 通信 测控 、卫星通信、卫星通信 系统的组成系统的组成 控制管理分系统 卫星分系统 1）通信卫星（卫星分系统） 位置和姿态控制系统 天线系统 空间转发器系统 遥测指令系统 电源系统 温控系统 入轨和推进系统 19 20 转发器系统 位置与姿态 控制系统 遥测指令 系统 入轨和推进 系统 电源系统 温控系统 天线系统 通信卫星的基本组成 位置和姿态控制系统 功能： 它是卫星的“平衡器官”，用于保持和控制卫 星在轨道上的正确位置和姿态。 21 星上天线系统 天线的作用 它是卫星的“耳目”，收发 无线电信号的出入口。 天线分类： 根据通信需要，天线有全球 波束天线、区域波束天线、 国内波束天线和点波束天线等多种。 22 空间转发器 转发器功能 它是卫星的“喉舌”，用于 放大、变频进而转发天线收 到的无线电信号。 转发系统 一颗通信卫星上有几个到几十个转发器，每个 转发器能同时接收和转发多个地球站的信号。 23 遥测指令系统 报告卫星状态 用于将卫星工作情况及时 通知地面测控站。 接收控制指令 地面测控站发出的指令信号， 使星上设备按指令动作。 24 远望号测控船 星上电源系统 主要功能： 它是卫星的“心脏”，用于 提供星上设备工作所需的电能。 电源系统 有太阳能电池阵、蓄电池组等。 25 星上温控系统 主要功能： 它象卫星的“保姆”， 用于保证卫星表面温 度在正常范围之内。 26 入轨和推进系统 主要功能： 它有点象卫星的“拐棍”，用来保证卫星在太 空中的正确姿态。 在地面测控站的指挥下，星上轴向和横向两 个喷射推进器来控制卫星的姿态。 27 2）卫星地球站 28 天线与人 卫星地球站 地球站组成： 它一般由天线、馈线设备、发射设备、接收设 备、信道终端设备、电源设备、自动跟踪设备 以及临近设备等组成。 卫星天线： 抛物面天线，这种天线的抛物面反射器有把无 线电波集中成窄窄的一束的本事，即有很强的 方向性。 29 卫星地球站（续） 天线的作用： 它可以减小无线电波在空间传播时的损失，保 证通信卫星上的转发器和地球站设备接收正常 的信号。 自动跟踪设备： 能根据卫星遥测系统发出的信号，迅速判断天 线偏离卫星的位置，然后转动天线使它对准九 宵云外的卫星。 30 卫星地球站（续） 发射和接收设备： 高功率放大器、 低噪声放大器、 合路器、分配器、 上变频器、下变频器、 调制器、解调器 基带设备。 31 用 户 长途电话局 基带设备 调制解调 变 频 功率放大/低噪接收 天线 3) 地面遥测和监控站 （控制管理分系统 ） 测控内涵： 跟踪、遥测、指令和监测的简称。 测控站任务： 准确可靠地跟踪、测量卫星，对卫星进行轨道 修正、位置和姿态保持等控制。 测控站与卫星： 一个测控站可以测控多颗卫星，但一颗卫星在 同一时间只能由一个特定的测控站测控。 32 二、卫星通信发展简史 、试验阶段（19541964年） 、国际通信（19641974年) 、国内通信（19751980年） 、VSAT阶段（80年代以后） 、移动通信（90年代以后） 33 1、试验阶段无源卫星通信 通信试验： 1954年至1964年，美国曾先后利用月球、无源 气球作为中继站，进行了电话、电视传输实验 。 通信效果： 无源中继不能对信号进行放大，地面接收到的 信号质量不高，实用价值不大。 34 1、试验阶段早期卫星通信 前苏联1957年成功发射卫星，卫星通信的希望即 将成为现实。 美国宇航局在1958年12月发射斯科尔广播实验卫 星，进行了磁带录音信号的传输。 1960年8月美国发射“回声”（ECHO）卫星，首次 完成了有源延迟中继通信。 1962年7月美国AT&T公司发射了“电星一号”低轨 道通信卫星，实现了电话、电视和数据的传输。 1962年11月美国无线电公司发射了“中继一号”低 轨道卫星，实现了跨洋的电视转播。 35 1、试验阶段同步卫星通信 同步轨道卫星 1963年7月与1964年8月，美国先后发射三颗“ 辛康姆”卫星，最后一颗被射入近似圆形的静 止通信卫星。 利用它成功地进行了电话、电视和传真的传 输试验，并于1964年秋用它向美国转播了在 日本东京举行的奥林匹克运动会实况。 36 2、国际通信实用通信卫星 商业通信卫星 1965年4月，“国际卫星通信组织”发射“晨鸟”同 步轨道静止通信卫星。 两周后，前苏联也成功地发射了准同步通信卫 星“闪电-1” 。 国际通信业务 仅以国际卫星组织为例，在160个国家和地区之 间提供了4万条话路，并承担了几乎全部国际电 视业务的传输。 37 3、卫星技术的发展 海事卫星组织（INMARSAT） 利用同步卫星进行海上移动通信的卫星通信网 ，实现了以全球海上船只为主要服务对象的同 步卫星移动通信。 国内通信： 七十年代，地面通信卫星的天线是非常大，直 径为1030米，主要用于固定通信，大型舰船 的移动通信。 从国际通信逐渐扩展到国内。 38 4、VSTA通信概念 基本概念： VSTA (Very Small Aperture Terminal) 指终端天线口径小于2.5米的卫星通信系统。 创新企业： 80年代初最初由美国赤道通信公司 抓住了这一技术方向，推出了C100、 C120 VSAT卫星单向数据广播系统。 80年代中期，又推出了C200卫星双向交互通信 系统。 39 4、VSAT通信发展 大公司介入 80年代中期，纷纷投入人力和财力从事VSAT系 统的研制和开发，如美国的休斯、哈里斯、高 通，日本的NEC公司。 计算机联网： 远程联网大大推动了VSAT的发展。 VSAT意义： VSAT确定了卫星通信向小型化、多功能、智能 化发展方向。 40 4、VSAT通信应用 广播式分发业务广播式分发业务 播发气象、股票、债券、 商品等各种数据；播发 音乐、电视、新闻等各 种信号。 数据采集和监控数据采集和监控 对工业流程如输油、地质气象等实施数 据采集和传输。 双向交互业务双向交互业务 传输数据以提供信用卡确认、银行事务、预定 业务和数据库服务等。 41 5、移动卫星通信 海事移动卫星通信系统 MOTOROLA“铱”星系统 ICO全球通信系统 全球星（Globalstar）系统 Teledesic全球通信系统 42 通信卫星的轨道分类* 高轨道卫星 GEO 距地面 35800公里（同步卫星） 中轨道卫星 MEO 距地面 500020000公里 低轨道卫星 LEO 距地面 500 5000公里 43 通信卫星的轨道分类* 高轨道卫星优点 a)卫星寿命长 b)应用相对简单 c)覆盖面积大 高轨道卫星缺点 a)通信天线直径大 b)远距离传输造成时延 c)轨道资源紧张 44 通信卫星的轨道分类* 低轨道卫星优点 a)传输时间短 b)多卫星可实现全球覆盖 c)易实现个人手机通信 低轨道卫星缺点 a)卫星寿命短 b)发射投资高 c)设备技术复杂 45 通信卫星的轨道分类* 中轨道卫星兼顾了低轨道卫 星和高轨道卫星的特点。 46 （1）海事移动卫星通信 最早的GEO卫星移动通信系统 （美国通信卫星公司COMSAT的军用系统） 20世纪70年代应用于海上船只的安全保障 1985年决定把航空通信纳入业务范围之内 47 （1）海事移动卫星通信 移动汽车电话 1995年8月,INMARSAT研制并成功运行了世界上 第一个全球汽车电话系统,该系统的用户驾驶汽 车可在任何地方实现全球通信。 系统使用了4颗GEO卫星；12颗MEO卫星 系统设计提供14种服务项目，初期提供语音、 传真及数据业务，通话费为每分钟4.6美元。 48 海事卫星地面终端示意图 49 （2）“铱”星系统 该系统值得介绍的内容较多，既有 美好的初衷，又有悲壮的失败。在 下一讲将单独介绍 50 （3）ICO全球通信系统 名 称：中圆轨道系统 Intermediate Circular Orbit 投资者：国际海事卫星组织 经国务院批准1979年交通部代表我国加入 该组织 1993年通过了ICO卫星通信系统方案 20世纪90年代后期开始运行 51 （3）ICO全球通信系统 技术特点： 它属于中轨道卫星通信系统，因而只需卫星 12颗；该系统有12颗卫星分别在两个正交的 圆形地球轨道面上运行，每个轨道面上有6颗 卫星，其中一颗为备用。卫星离地球表面高 度为10350km，运行周期近6h。 52 （3）ICO全球通信系统 市场定位： ICO将服务的目光从商务旅行者身上扩散到更广 泛的人群中，它甚至特别强调为发展中国家服 务。 ICO的用户终端： 手持机及车载、机载、船载和半固定。 通信业务： 话音、2400bps双工数据通信业务；准实时三类 传真、定位业务、寻呼业务。 53 （3）ICO全球通信系统 初衷美好： 无论从市场定位还是使用者的广泛性方面，思 路正确。 失败原因： 受到铱星系统失败的影响，未能按时筹集到所 需资金。 造成影响： 使人们对移动卫星通信系统信心动摇。 54 （4）GlobalStar系统 全球星系统： 由美国劳拉公司和高通公司倡导和发 起的； 合作伙伴： 世界上主要电信业务提供商和制造商 投资： 在1991年，耗资30多亿美元 55 （4）GlobalStar系统 卫星网络： 48颗卫星，轨道高度1414公里,共有8个轨道平 面。 手持机价格 约为1000美元，通话费为0.30.5美元/分钟。 56 （4）GlobalStar系统 设计特点： Globalstar系统不是一个独立的通信网，而是对 现有的公用、专用、市话、长途网，地面蜂窝 移动通信网以及各种特殊通信网的延伸和补充 。 设计构思 以LEO新技术和包括采用码分多址技术的移动 电话技术为基础。为简化网路结构，不采用星 际链路交换信息的技术。 57 （4）GlobalStar系统 申请破产保护： 2002年2月19日全球星公司申请破产。 失败原因： 无法招揽足够的客户。 资不抵债（资产5.734亿，债务33.4亿） 希望奇迹发生： 卫星表现尚好，希望2010年再生 58 （5）Teledesic全球通信系统 投资者： 比尔盖茨和克雷格.麦考， 于1994年提出“满天星”计划。 系统组成： 把924（1/10备用）颗卫星发射到690公里的 轨道上，形成覆盖地球的互联网络。 基本想法： 世界大部分地方的通信事业并不发达，因此 利用卫星进行高速因特网接入则是一条捷径 。 59 Teledesic性能指标 旋转周期：小于100min。 通信业务： 话音、数据、视像、交互式多媒体及广域网络 信息。 接口速率： 一般用户16k2Mbps； 大容量用户为155M1.2Gbps； 用户天线：直径小于25cm 60 Teledesic性能指标 卫星设置： 9颗高轨道卫星，4颗覆盖美洲；5颗覆盖欧洲； 288颗低轨道卫星（1400公里）覆盖地球。 通信业务： 广播、多频道电视、数据传输和交互式多媒体 及广域网络信息。 系统结局： 因当时世界范围内移动卫星处于低潮，2002年9月 取消计划。 61 三、我国卫星通信发展历程 我国的第一颗人造地球卫星 时间：1970年4月24日 意义：打破垄断 振奋人心 人物：孙家栋院士 运载火箭、卫星技术 专家 62 东方红1号 三、我国卫星通信发展历程 1、引进地球站，开展卫星业务 2、研制地球站，建卫星试验站 3、实现租星建网和发星建网 4、卫星通信网现状 63 1、开展国际卫星通信业务 第一： 在1971年，我国就引进10M车载站和30M标准 地球站，首次利用通信卫星成功地进行国际通 信。 第二： 1972年，美国总统尼克松首次访华，有关部门 优选卫星通信作为主要通信手段，出色地完成 了这次重要的国际通信任务。 64 65 1972年2月 21日，尼克 松一行抵达 北京，对中 国进行为期 七天的历史 性访问。 历史的瞬间 66 亨利. 基辛格 叶海亚. 汗 齐奥塞斯库 2、研制和建立通信试验站 通信试验： 70年代末期，我国先后利用德国和法国联合研 制的“交响乐”以及国际卫星通信组织的IS IV-A、 IS V等通信卫星进行通信和广播试验。 国内卫星网： 在80年代初期，建立了北京、乌鲁木齐、拉萨 和昆明4座卫星通信地球站。 67 3、实现租星和发星建网 1984年 发射了第一颗试验同步通信卫星。 1986年 又发射了实用通信广播卫星。 1986年7月 以北京为主站，乌鲁木齐、呼和浩特、拉萨和 广州为区域中心站的国家公用卫星通信网建成 ，转发器为国际通信卫星IS V。 1988年3月7日和12月22日， 我国又分别发射了两颗实用通信卫星。 68 3、实现租星和发星建网 1990年2月， 我国又发射第5颗通信卫星。 1993年初， 原邮电部向美国GTE公司购买在轨通信卫星， 以“中星5号”命名加入国家公用卫星通信网。 该星拥有24部C波段和6部Ku波段转发器，传 输中央和地方的8套电视节目，同时还提供 5200路双向电话业务，并为若干个VSAT系统 提供专用网。 69 3、实现租星和发星建网 1994年11月30日： 东方红3号发射升空，由于太阳能电池泄漏， 该星未能送入同步轨道。 1997年5月12日： 我国采用“长征3号甲”运载火箭再次发射具有 24部C波段转发器的“东方红3号B”新型通信卫 星，于5月20日成功定点于东经125度的赤道 上空，并以“中星6号”命名正式进入我国国家 通信网通信卫星序列。 70 3、实现租星和发星建网 2011年9月29日： 我国“天宫1号”成功发射。 长度：10.4米；直径：3.35米； 分别与神8、神9对接成功，未来 可建立空间实验室。 71 4、卫星通信网现状 国际网： 上海、北京建成4座大型地球站，2000多条 线路。 国内网： 北京、广州、拉萨、乌鲁木齐、成都、呼和 浩特等30多个大站及数十个小站，拥有 20000多条单向电路。 VSAT总数： 1996年底，4000多个卫星单收站，9000多个 收发站。 72 四、卫星通信系统的特点 1、通信距离远，覆盖范围宽 2、不受地理等条件限制 3、多址通信和广播通信 4、通信容量大 5、大范围移动通信 73 1、通信距离远覆盖范围宽 通信距离： 一颗同步卫星18000公里左右。 覆盖范围： 卫星视区可达到全球表面积的42.4%。 其它特点： 建站成本与通信距离无关，这一点对国际通信 来说尤其重要。 74 2、不受地理等条件的限制 对于卫星通信来说，只要通信双 方的设备正常，就可以实现通信，不 会因为以下几种条件的限制： 75 vv不受地理条件的限制不受地理条件的限制 vv不受自然灾害不受自然灾害 vv人为事件的影响。人为事件的影响。 3、广播通信和多址通信 广播通信 在覆盖范围内，无论什么地方，都可以收到所 有的广播。 多址通信 既然地球站有发射机，也装有接收机，只要架 设起来，相互之间都可以同时通信，这种能同 时实现多方向、多地点通信的能力，称为“多址 联接”。 76 77 卫星广域网联网示意图卫星广域网联网示意图 卫星卫星 VSATVSAT终端终端 VSATVSAT终端终端 局域网局域网 4、通信容量大 提高容量的措施： 微波波段，转发器功率和新体制、新技术的不 断发展，卫星通信容量越来越大，传输的业务 类型越来越多样化。 现代卫星容量： 一颗卫星其通信容量就可超过33000条话路， 即6万多人可同时打电话。 78 5、通信灵活、机动 小型地球站： 2.43.6m天线； 机动地球站： 1.2或1.8m天线 海事卫星： 随身携带； 转播车： 传送电视节目的车载地球站。 手持终端： 低轨道手