《卫星通信讲义》PPT课件.ppt

卫星通信导论,一、 卫星通信系统综述； 二、 卫星通信系统的结构、特点； 三、 通信系统的多址技术； 四、卫星通信传输工程； 五、 VSAT系统简介； 六、 GPS系统简介； 七、铱系统简介；,目前全球无线通信技术的热点,3G,MMDS,WLAN,WiMAX,UWB,全球移动通信系统,全球卫星通信系统,卫星通信系统的特点,覆盖区域大，通信距离远，三颗同步卫星即可 覆盖全球； 频带宽，容量大； 机动性好，不受地理条件限制； 通信可靠性高，质量好而稳定； 费用与距离无关； 有多址能力，组网灵活； 可实现区域及全球个人移动通信。,通信卫星的分类,按轨道分：赤道轨道，极轨道，倾斜轨道，同步卫星，移动卫星，GEO，MEO，LEO； 按通信范围分类：国际通信卫星，区域性通信卫星，国内通信卫星； 按用途分类：综合业务通信卫星，军事通信卫星，海事通信卫星，电视直播卫星，气象卫星等； 按转发能力分类：无星上处理能力，有星上处理能力；,按频段分类,0.1-0.3（GHz），VHF，移动、导航业务； 0.3-1.0，UHF，移动、导航业务； 1.0-2.0，L，移动业务、指令传输； 2.0-4.0，S，移动业务、指令传输； 4.0-8.0(4/6)，C，固定业务； 80-12.0，X； 12.0-18.0(12/14)，Ku，固定、DSS业务； 18.0-24.0，K ；24.0-30.0，Ka； 33.0-50.0，Q ； 50.0-75.0，V。,按重量分类,大型卫星，Large，1000kg，1亿美元； 小卫星，Small，500-1000kg，0.5-1亿美元； 微小卫星，Mini，100-500kg，500-2000万美元； 微卫星，Micro，10-100kg，200-300万美元； 纳卫星，Nano，10kg，100万美元； 皮卫星，Pico ，1kg。,世界卫星通信发展简史,1000AD中国发明火箭 1945AutherC Clarke 提出三颗同步卫星覆盖全球 1957前苏联发射世界上第一颗卫星SPUTNIK 1963美国发射世界上第一颗同步卫星SYNCOM 1964INTELSAT建立 1965第一颗商用同步卫星INTELSAT-1 1979INMARSAT（海事）建立 1970中国发射第一颗卫星DFH-1,世界卫星通信发展简史,截止1999年底全球有300颗同步通信卫星提供60洲际通信和100国际电视转播全球在轨转发器4467个正在建造的转发器1793个 1997年世界卫星市场售业额512亿美元 2007年预计达1900亿美元 20042010年将发射350颗同步通信卫星,中国卫星通信的发展史,1000AD中国发明火箭； 1970中国发射第一颗卫星DFH-1 ； 1984年4月，发射了第一颗试验用“同步通信卫星” STW-1（即东方红二号）； 1986年2月于我国西昌发射场，用长征3号火箭成功发射第二颗“实验通信卫星”STW-2； 1988年3月，又于西昌发射场，用长征3号火箭发射成功第一颗“实用通信卫星”，即“东二甲”卫星； 到2002底中国共发射约60颗卫星。,卫星通信在中国的特殊地位,地域辽阔，960万平方公里，东西南北跨度均超过5000公里，地形复杂，山区占31%，高原26%，丘陵10%，平原仅占31% ； 人口众多，13亿人口，8亿农村人口，全国1/5以上行政村尚无电话； 经济增长迅速，西部和农村经济发展尤为重要。,空间站,卫星系统的结构,卫星的主要设备包括下列 七大系统,位置与姿态控制系统 ； 天线系统 ； 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。,推进系统的自旋控制,我国自制卫星的发展情况,1970年4月24日东方红一号 1975年11月26日返回式遥感卫星 1984年4月8日试验通信卫星 1986年2月1日东方红二号甲 1988年3月7日东方红二号甲 1988年12月22日实用通信卫星 1990年2月4日实用通信卫星 1997年5月12日东方红三号甲,1970年4月24日发射的第一颗人造地球卫星。 星上的仪器舱装有电源、测轨用的雷达应答机、雷达信标机、遥测装置、电子乐音发生器和发射机、科学试验仪器等。 卫星的主要任务是向太空播放“东方红”乐曲，同时进行卫星技术试验，探测电离层和大气密度。 星上采用银锌蓄电池作电源，电池寿命有限，卫星运行20天后，电池耗尽，“东方红”乐曲停止播放，卫星结束了它的工作寿命。,东方红一号,微小卫星的应用,国际空间站,总质量423吨、长108米、宽88米，密封舱容积达1202立方米 运行高度397KM，倾角51.6度 空间站由多个模块组合而成 第一舱“曙光”号功能货舱和服务舱已于发射成功,国际空间站,建造分三个阶段 1994-1998试验航天飞机与俄“和平”号空间站对接 1998-2000初期装配阶段，建立空间站核心部分，第一批宇航员登上空间站 2000-2004最后装配阶段 我国参与了其中“阿尔法”磁谱仪的研制 主要用于微重力科学、空间材料加工、对天地观测等活动,通信系统的多址技术,正交性原理,发射机1,发射机2,发射机N,信 道,接收机,多址系统的信道容量,理想AWGN的信道容量：,多址系统的信道容量：,N0AWGN的功率谱密度,通信系统的多址技术,FDMA TDMA CDMA SDMA ALOHA,FDMA,采用FDD的双工模式,FDMA的信道容量,单用户的信道容量：,对于固定的带宽W，随着用户数量K的增加，总的容 量是增加的，但是分配给每个用户的容量和带宽却逐渐减 少，因此实际上总的信道容量不可能无限的增加。,总的信道容量：,TDMA,1.TDD的双工模式： 2.子帧的捕获和同步,GSM的帧长为4.6ms， 每帧8个时隙。,TDMA的信道容量,TDMA的信道容量与FDMA相同，但是从应用的 观点来说，TDMA中当K很大时，对发送机来说， 保持发送机功率为K*S是不可能的。因此，用户 的数量在实际应用中存在限制。,单用户的信道容量：,CDMA,逻辑信道2,逻辑信道1,逻辑信道3,逻辑信道N,码字（伪随即序列）,频率,时间,CDMA的信道容量,每个用户的容量,由于系统使用同样的频段，因此在极端状况有可能 其他所有的（K-1）个用户成为噪声。,CDMA移动通信技术,关键技术： 1.扩频通信； 2.软切换； 3.功率控制技术； 4.多径分集接收；,CDMA的主要技术特点,大容量； 单一无线信道； 软切换； 话音激活技术； 具有所有扩频技术的特点；,SDMA,空分多址是通过空间的分割来区别不同的用户 （达到正交性），目前主要采用自适应阵列天 线来实现。它的主要参数包括：工作频点、波 束夹角和波束覆盖的半径。,随即多址技术,1、概念； 2、分类： ALOHA，CSMA，PRMA 3、ALOHA的性能指标： 通过量； 分组平均延时； 信道利用率；,第四章 卫星通信系统的链路传输工程,1、卫星通信系统的信道模型； 2、卫星移动通信的链路特性； 3、星地链路损耗； 4、卫星通信全链路质量,多径信道模型,是接收端接收到的信号； 是由于多径效应产生的 不同衰落的衰落系数，对应于时变系统，衰落系数是随时间 变化的, 是时间的函数；在时不变系统中，衰落系数为一组 固定的常数。 是系统的时延； 是频偏； 是信道中 的噪声；L是信道中的路径数目；A是整体信道对信号幅度的 增益。,与多径信道等效的FIR滤波器,卫星通信的链路特性,1.频率选择性失真： 由信道相干带宽和发送信号带宽之差 引起的不同频率下的增益和相位变化； 通过 来分析。 2. 衰落失真： 由信道的时变引起的，主要是多普勒 频移。,噪声与干扰 P39,系统热噪声 1、等效噪声温度 噪声功率谱密度： 输出噪声功率：,其中：,宇宙噪声 外部环境干扰 其他干扰,2、有耗无源网络的等效噪声温度 3、级联网络的等效噪声温度,星地链路损耗,1、自由空间传播损耗：,馈线（波导）损耗 P40,LF：馈线损耗，dB； T0：环境温度； k： 波耳兹曼常数； B：带宽；,级联网络的噪声,N级网络的级联总噪声,星地链路损耗,2、链路附加损耗： 大气吸收损耗； 雨衰； 大气折射干扰； 电离层的闪烁与多径；,卫星通信全链路质量,一、链路预算分析：,发射机,信道,接收天线,发射天线,接收机,馈线损耗,馈线损耗,信噪比的预算,接收系统的等效噪声温度,卫星通信全链路传输质量,链路预算的案例,一、上行链路的载波噪声温度比； 二、下行链路的载波噪声温度比；,5. GPS系统,5.1 GPS的发展； 5.2 GPS系统结构； 5.3 GPS定位的基本原理； 5.4 GPS信号结构和接收机基本工作原理； 5.5 GPS功能模块的应用案例。,5.1 GPS的发展历史,一、早期的卫星三角测量技术； 已知A,B两点的坐标位置，通过在三点的卫星 摄影图片，利用立体几何的简单原理对C点的坐标 作出估计。 5米的点位精度。 二、基于多普勒定位的NNSS（海军卫星导航系统）； 利用开普勒效应测量地面观测站与卫星的距离 或距离差，得到观测点的坐标。,5.1 GPS的发展历史,1958年12月开始，U.S.和Hopkins大学研制。 到1961年11月，先后发射了6颗用于试验的“子 午卫星（极轨道卫星）”。卫星高度9501200km， 每隔2小时可观测到一次。它由三部分组成：子 午卫星、地面跟踪网和用户接收机。 地面跟踪网：跟踪站、计算中心、注入站、 海军天文台和控制中心。它们的任务是测定各 卫星的轨道参数，并定时将这些数据和时间信 号注入到相应的各颗卫星上，以便卫星可以按 时向地面播发。,5.1 GPS的发展历史,用户接收机：用来接受卫星发射的信号、测量多 普勒频移、解译轨道参数和计算接收机三维地心 坐标。 1967年7月，美国政府将解密的子午卫星部分 电文给予民用。70s中期，我国引进该系统接收机， 并进行了几次大规模 的多普勒定位项目：联合测 设的全国卫星多普勒大地网、西北地区卫星多普勒 定位网、全国陆地海洋卫星定位网、南极长城测量 等。点精度可达到分米级。 缺陷是： 无法真正实现实时性。,5.1 GPS的发展历史,三、GPS系统： 特点：高精度、全天候、高效率、多功能、 易操作、应用广等。成为当今世界上最实用，也 是应用最广泛的全球精密导航、指挥和调度系统。 利用卫星星历和载波信号传播时间差测距， 并通过坐标转换算法（WGS-84大地坐标系地 面网坐标）。 1973年12月美国国防部立项，投资200亿美 元，于1989年完成实验系统测试并正式投入运营，,5.1 GPS的发展历史,1994年建成完整的GPS系统，国防部于1996年12月 31日停止了之前提供全球定位、导航和测量用的 NNSS系统，正式进入GPS时代。 另外，有前苏联研制开发成功了GLONASS系统 （Global Navigation Satellite System），欧洲空间局 正在发展以民用为主的NAVSAT系统。,5.1 GPS的发展历史,GPS提供的主要业务： 海陆空运动目标的导航、监控、管理、报警 和救援； 大地测量、工程测量、变形检测、地籍测量、 航空摄影测量和海洋测绘； 森林火灾定位、提供精密标准时间、物理探 矿及检测地壳运动等。,5.2 GPS的系统结构,空间星座部分：包括GPS工作卫星和备用 卫星； 地面监控部分：控制整个系统和时间，负 责轨道检测和预报； 用户设备部分：各种兼容的接收机。,一、空间星座部分,21颗工作卫星和3颗备用卫星均匀分布在6个轨道 面上； 迄今为止，设计了三代卫星：Block1、Block2和 Block3； 功能： 1、向广大用户连续发送定位信息； 2、接受和存储地面站发来的卫星导航电文等信息； 3、接受地面监控站的控制； 4、通过星载的高精度“铷”钟和“铯”钟，提供精密 的时间标准。,二、地面站,1、主控站：1个 设在美国本土的科罗拉多州斯本斯，主要用来 产生参数和控制卫星等； 2、检测站：5个 数据自动采集中心，分布在美国本土和三大洋 的美军军事基地； 3、注入站：3个 将主控站的导航电文注入到相应卫星的存储器。,三、用户端设备,包含各种兼容GPS系统的不同公司的产品； 设备由GPS接收机及其天线、CPU、电源 和终端设备等部分构成； 目前主要有徕卡（Leica）公司、天宝（Trimble） 公司、阿士杰（Ashtech）公司、Koden、Garmin。,5.3 GPS基本工作原理,通过接受（只需接受无需发送）来自至少4 颗工作卫星的导航电文，利用其中的时间信号 （或者载波相位偏移）计算接收点与卫星的距离， 在得到卫星星历的情况下接收点的位置（纬度、 经度和高度）就可以精确地确定。卫星作为测量 位置标记并利用一个时间标记，通过三角关系来 确定纬度、经度和高度（基于WGS-84大地坐标 系），然后转换为各个国家大地坐标系，然后根 据不同的业务进行信息处理。,5.3 GPS基本工作原理,卫星星历 每一颗卫星都会广播其星历表，该星历表 包含用来计算其轨道位置的轨道要素，由地面 控制站不断地更新和修正。 时间系统 1、作为原子级时间基准； 2、 利用时间计算传输延迟。 载波相位偏移 即多普勒频移,5.3. 不同的定位方式,一、单点定位和相对定位； 单点定位采用延迟时间定位方式。 相对定位（差分定位），还可以使用载波 相位观测定位方式。 二、动态定位和静态定位； 三、精准定位服务（PPS）和标准定位服务（SPS）,5.3 美方的SA政策,SA：Selective Availability，选择可用性认为的 施加误差以降低GPS卫星的星历精度和星载时 钟频率精度，以限制民用和他国利用GPS进行 实时（或快速）和较高精度的定位。在SA信号 的影响下，SPS的单点定位精度从2030m降到 100m（水平）和150m（垂直） 削弱SA的策略： 1、建立独立的GPS卫星测轨系统； 2、开发多系统兼容的接收机； 3、发展差分定位技术； 4、开展传输工程技术的研究。,日本区域性导航卫星系统计划,日本科学与技术厅于1996年提出建立一个区域性 导航卫星系统，拟通过在通信卫星上搭载导航载荷来 实现，其星座由1颗地球静止轨道卫星和3颗或8颗低轨 道卫星组成。这一建议虽因美国的反对而搁浅，但日 本并未彻底放弃原来的打算。日本科学与技术厅于 1997年3月要求日本宇宙开发事业团用7年时间开发导 航卫星的关键技术，如研制星载高精度氢原子钟和精密 定轨技术、卫星轨道保持技术等。日本计划在1999年 以后发射“多功能运输卫星”(MTSAT)。该卫星服务于国 际民航组织提出的通信导航监视空中交通管理系统， 并建立基于MTSAT卫星的GPS增强系统，包括增发GPS格 式的测距信号。,中国民间卫星导航应用的情况,按照美国的经验，开展导航军事应用的同时开发 民间应用，可广泛带动导航产品市场。美国政府部门 在2000年5月宣称，其GPS设备全球范围有用户400万以 上，有关GPS商品和服务的应用市场在今后3年内将翻 一番，即由80亿上升至160亿美元以上。欧洲导航市场 估计在2025年间用户设备收益为880亿欧元，服务收益 为1120亿欧元，由伽利略引起的欧洲设备工业出口为 700亿欧元，总和为2700亿欧元。其中新兴的最有希望 的道路交通应用占77，海运占1，民航和铁路各占 不到1，其他如精细农业、海上勘探、大地测量和精 密时间同步等占21。伽利略计划投资为35亿欧元，,中国民间卫星导航应用的情况,预计20052025年间（相当于两代伽利略卫星）民 用经济效益为900亿欧元，返回政府的直接与间接税 收是450亿欧元，提供10万个高新技术就业机会。 中国民用卫星导航市场广阔，潜在经济效益巨 大，是今后可持续发展的重要因素。在本国自主卫 星导航系统正式运行以前，中国民用卫星导航目前 主要集中于对GPS的应用.,中国自主研制的第一代 卫星导航定位系统,2000年10月31日和12月21日中国相继成功发射 第一颗和第二颗导航定位试验卫星。报道称中国将 自行建立第一代卫星导航定位系统 北斗星导航系统。,5.4 GPS的信号结构,GPS卫星信号包括：载波、测距码和数据码 测距码包括：C/A码（粗捕获码）和 P码（精密测距码） 时钟基本频率为：10.23MHz。 调制方式为：BPSK （0度的幅值为1，代表逻辑“1”，180度代表逻辑“0”）,测距码的产生,测距码的产生,C/A码和P码的产生,两种码字都由最长线性一位寄存器码序列 （m序列）产生的复合码。 m序列：由多级反馈移位寄存器电路产生。 编码电路范例如下图：,噪声通信理论,M序列,统计特性是（每个周期内）： 1、“0”、“1”出现的次数基本相等（只相差一次）； 2、长度为n的游程出现的次数比长度为n+1的 游程出现的次数多一倍； 相关特性：具有非常好的相关特性。 互相关函数的定义：,自相关函数的定义：,M序列的自相关特性,一个周期,R,m,GPS卫星的数据码（导航电文）,导航电文是用户来定位和导航的数据基础。 主要包括：卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、工作状态信息以及由C/A码捕获P码的信息。,6 sec,1个主帧,1个子帧,1个字码,子帧4、5含25页,30 sec,数据码结构,遥测码（TLW，Telemetry Word） 转换码（HOW，Hand Over Word） 1、第一数据块（第1帧） ：标示码、时延差 改正，星期序号，卫星的健康状况，数据 龄期，卫星时钟改正系数； 2、第二数据块（第2、3帧） ：开普勒六参数， 轨道摄动九参数，时间两参数； 3、第三数据块（第4、5帧）：包括所有系统 内的卫星的历书数据。,接收机分类,1、按用途分类： 导航型接收机：车载型、航海型和航空型； 测地型接收机： 授时型接收机 ： 2、按接收机的载波频率分类： 单频接收机； 双频接收机；,接收机分类,3、按接收机通道数分类： 多通道接收机； 序贯通道接收机； 多路复用通道接收机； 4、按接收机工作原理： 码相关型接收机； 平方型接收机； 混合型接收机； 干涉型接收机；,接收机的组成,一、接收机的天线单元： 包括天线和前置放大器； 天线类型：单板天线、四螺旋形天线、微带 天线、锥形天线。 二、接收机主机： 1、变频器 2、信号通道 3、存储器 4、微处理器 5、显示器和控制部分,5.4 接收机定位工作原理,GPS单点定位结果参考于WGS-84坐标系，电 子地图的制作一般是以原始的地形图或地籍图为基 础，通过数字化来实现的。为了与电子地图的当地 坐标系或高斯坐标相一致，将目标位置显示在屏幕 上，还需进行坐标转换。 大地坐标 到平面坐标 的直接转 换公式为：,在以上所建立的两种坐标系间的直接转换关系式中没有考虑高程，当地图上不同区域的高程发生变化时，利用这样的直接转换必然会产生投影误差，由此而得的转换结果也会存在一定的误差，所以这种转换公式只适用于城市或者平原丘陵地区，这时计算得的平面坐标与实际的平面坐标误差很小，对于实现系统的功能并无大碍。 GPS接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距 离，由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故 称为伪距。对C/A码测得的伪距称为C/A码伪距，精度约为 20米左右，对P码测得的伪距称为P码伪距，精度约为2米 左右。,接收机定位工作原理,GPS应用实例 基于嵌入式系统的便携式GPS跟踪系统的设计,摘要：随着嵌入式系统的发展，GPS、电子地图 同便携式设备相结合的技术具有广阔的应用前景， 本系统将GPS接收板与JingWei，充分利用JingWei 板资源，实现了全球定位系统与电子地图相结合的 目标定位跟踪，它可以对静态目标定位和动态目标 追踪、显示追踪路径，并能将当前目标所在位置的 经纬度数据根据POCSAG协议进行编码，通过发送 模块实时发送出去，供监控设备接收。 关键词：JingWei;GPS；电子地图；定位跟踪；,1. 设计目标,接收功能； 定向功能； 地图显示及操作功能； 跟踪功能； 发送功能；,2. 设计方案,2. 设计方案,本设计方案考虑到GPS和电子地图的实时性， JingWei板的高性能，将GPS和电子地图结合在 一起，完成目标的跟踪功能。 2.1 硬件结构,GPS25-LVS 接收板,JingWei 嵌入式系统,发射机,2.2 软件流程,2.3 系统界面,3. 系统的实现,3.1 电子地图,3.2 GPS与嵌入式系统的数据交换,目前许多GPS厂商遵循NMEA0183协议对PDA 掌上电脑开发了多种导航型GPS接收机。这些接收 机提供了串行通信接口，串行通信的参数为： 波特率4,800bps，8位数据位，1位停止位，无 奇偶校验。GPS接收机与掌上电脑通信时，通过串 口每秒钟发送1组数据，包括大约10条语句。通信过 程为： 打开串口配置串口设置串口超时读写串口关闭,3.3 跟踪的基本原理,本系统通过GPS接收机得到目标(携带GPS的目 标)当前的经纬度信息，经过坐标转换得到目标在电 子地图上的坐标，并且在地图上将相应的位置显示 标记，使观测者能够清楚地知道目标的当前位置。 从GPS接收机不断地得到目标的当前位置，并不断 地刷新其在地图上的标记，这样就能够清楚地观察 到目标经过的路径，从而实现跟踪目标的功能。 运用不同的方法，有不同的跟踪的方式。在本 系统中可以实现两种跟踪方式。,3.3.1 图板跟踪,1)显示点。 (对应于Trace菜单)在PDA的屏