卫星通信系统.doc

通信系统实验报告卫星通信系统分析学 号4080834姓 名李 勋指导老师 王小平 1引言自 1945 年英国空军雷达军官、科学家亚瑟克拉克在“无线世界”杂志上 发表了地球外的中继一文，提出了三颗GEO卫星可按 120轨道间隔进行覆盖全球的通信这一革命性概念以来，卫星系统作为一种新兴的技术与业务手段，无论从越洋通信至区域、国内乃至个人通信，还是从 GEO/MEO/LEO 的固定、半移动、移动通信，DBS/DHT/DAB 广播，DVB-IP 多媒体，GPS/RNSS/RDSS 导航定 位，直至 GMDSS 应急援救，RSS 遥感乃至气象、地震预报、远程医疗、教育、 空间探测，科学试验等各行各业的各类应用，都为人类的发展做出了前所未有的贡献。由于卫星通信系统的作用如此巨大，从那以后卫星通信系统便有了长足的发展，各国纷纷开始对卫星通信系统的研究，甚至把发展卫星通信系统作为国家长远发展的战略目标。本文就卫星通信系统的研究现状，系统组成，特点及本人对卫星通信系统的理解进行阐述。2国内外的发展现状卫星通信系统在国际上正在朝着宽带卫星通信系统和卫星移动通信系统两个方向发展。2.1宽带卫星通信系统 宽带卫星通信是指利用通信卫星作为中继站在地面站之间转发高速率通信业务，是当前卫星通信的主要发展方向之一。宽带卫星通信系统是与互联网技术相联系的，运行TCP/IP协议族的卫星通信系统。它是数字多媒体、卫星广播、互联网的有机结合，为一系列新的应用提供了统一的服务平台，是卫星通信宽带化的一个方向。宽带卫星通信网络结构是地面宽带IP技术在通信领域内的演变和应用，是适应卫星分组业务和降低系统复杂性的一种尝试，目的在于廉价地提供用户满意的大流量分组数据业务，而无须ATM的干预。它以卫星系统为基础，以IP为网络服务平台，以Internet应用为服务对象。宽带是通信的发展方向，卫星通信在卫星产业中占主导地位，因此，宽带卫星通信对卫星应用产业来讲可为举足轻重。目前正在使用的宽带通信卫星，包括泰国的IPSTAR、美国的Wildblue1和SpaceWay3，加拿大的Anikf2/3，欧洲的宽带多媒体卫星通信系统Amerhis等。2.2卫星移动通信系统卫星通信系统是指利用卫星实现移动用户与移动用户或固定用户间相互通信的方式。利用静止轨道提供全球覆盖的卫星移动通信系统的有Inmarsat系统；提供区域覆盖的有MSAT系统ACeS系统、Thuraya系统。通过非静止轨道卫星提供全球覆盖的卫星移动通信系统有Globalstar、Orbcomm和Iridium系统等。Inmarsat系统的第四代业务BGAN系统可通过手持终端向全球同时提供话音和宽带数据业务，兼容3G系统，可以为全球任何地方的用户提供最高达492kb/s的网络数据传输、移动视频、视频会议、传真、电子邮件、局域网接入等多种业务。Thuraya系统是个区域性静止卫星移动通信系统，覆盖全球1/3的区域，系统终端整合了卫星、GSM、GPS三种功能。可以向用户提供语音、短信、数据、传真、GPS定位等业务。 2009年7月，最新一代静止轨道移动通信卫星“TerreStar1”发射升空。该星携带的S频段有效载荷天线展开直径达18m，星上利用地面波束成型技术产生点波束数量超过500个。另外，该星通过与“辅助地面组件”（ATC）相结合，融合了地面网络与卫星网络各自的优势，真正实现了移动通信的无缝覆盖。我国卫星通信技术发展趋势为：（1）开发新频段，提高现有频段的频谱利用率。使用频率向高端发 展，使用Ku、Ka、V(40/50GHz)波段。 （2）开展卫星通信网与其它异构网的互通、互联、网络同步与交换技术，完成卫通网与异构网协议变换，信令呼叫接口技术等；（3）移动卫星通信网将积极发展与同步轨道移动卫星通信系统相关 的技术，如同步卫星上的大天线的制造与展开、折收技术；小型多模卫星通信手持机技术；星上多波束切换技术和信关站技术，在中低轨道移动卫星系统中的星上交换、星上处理、星间链路技术、越区切换技术和信关站有关的技术。3卫星通信系统组成3.1 系统组成 图1：静止卫星通信系统的组成一个卫星通信系统是由空间分系统、通信地球站群、跟踪遥测及指令系统和监控管理分系统四大部分组成，如图2所示。其中有的直接用来进行通信，有的用来保障通信的进行。 图2：卫星通信系统的组成部分 从上图中我们可以看出，卫星通信系统各组成部分的作用。地球站是卫星通信的地面部分，用户通过它接入卫星进行通信。它对通信业务控制中心发送来的数据进行处理，转换成适合在无线信道传输，并能通过通信卫星转发的信号并利用天线将它发送出去，并且利用天线将通信卫星发送来的信号转换后送到通信业务的控制中心。通信卫星负责进行无线电中继（实际上就是一个中继器，不对信息做任何的改动，只是对它进行转发而已）。它是用来转发地球站发送过来的信息，同时接收监控管理系统发生的指令进行轨道的调整。遥测跟踪及监控管理系统由指挥控制中心，数据交换中心，各地监控站组成，是用来保证卫星通信系统正常运行的重要组成部分。它是为了保证通信卫星始终保持在正确的轨道上运行而设计的。遥测跟踪分系统要实时的跟踪，测量通信卫星的位置，并通过监控管理系统对通信卫星的位置进行调整，使得通信卫星总是处在正确的轨道上，防止其偏离轨道，以便信号的正常接收。 卫星通信的详细过程如下图所示： 图3：卫星通信线路的组成3.2 卫星通信系统各子系统的组成3.2.1 地球站的组成 图4：地球站的总体方框图 从图中可以看出，地球站是由天线分系统、发射机分系统、接收机分系统、通信控制分系统、信道终端设备分系统和电源分系统6个分系统组成。地球站的天线系统地球站天线采用的反射型面式天线，如抛物面天线，卡塞格林天线，改进型或修正型的抛物面天线及环焦天线天线系统的主要技术要求： 高增益 低噪声温度 宽频带特性 旋转性好 机械精度高a）天线系统由天线主体设备,馈电设备和跟踪设备三部分组成. 馈电设备接在天线主体设备与发射机，接收机之间它的作用是把发射机输出的射频信号馈送给天线，同时将天线接收到的电磁波馈送给接收机，即起着传输能量和分离收发电波的作用 典型的馈电设备由馈源喇叭(一次辐射器),波导元件(定向耦合器,极化变换器和双工器)以及馈线组成馈电设备的损耗必须足够小b) 发射机分系统 图5：发射机分系统的组成c) 接收机分系统 由于卫星转发器的发射功率较小，只有几瓦至几十瓦，而且天线的增益也不高，经200dB左右的下行线路损耗之后，到达地球站的信号极微弱。 低噪声放大器 在微波频段使用的低噪声放大器主要是低噪声晶体管放大器、场效应管放大器和参量放大器等。下变频器 经低噪声放大器放大的微波信号，要送到下变频器变换成中频，再经过中频放大后送到解调器d) 信道终端设备分系统信道终端设备分系统可以分为上行和下行两个部分。上行部分即发端信道终端设备:分别对多路电话,电视和勤务信号进行基带处理,用合成的基带信号对70MHz载波进行调制，成为调频信号，然后送到发射机系统进行变频（其中要预加重）下行部分 信道终端设备下行部分的任务是把从低噪声接收机送来的70MHz信号，经过中放、解调和基带处理后，输出基带信号，然后再送到终端接口设备，把基带信号进行分解。e) 通信控制分系统 地球站相当复杂和庞大，为了保证各部分正常工作，必须在站内集中监视、控制和测试。f)电源分系统 地球站电源分系统要供应站内全部设备所需用的电能，它关系到通信的质量及设备的可靠性。 当利用公用交流市电来对地球站供电时，通过电力传输线路，必然会同时引进许多杂波干扰，而且公用交流市电也会出现波动。3.2.2 通信卫星的组成 a)天线分系统 b)通信分系统 c)电源分系统 d)遥控指令分系统 e)控制分系统4卫星通信系统的特点4.1下行广播，覆盖范围广对地面的情况如高山海洋等不敏感，适用于在业务量比较稀少的地区提供大范围的覆盖，在覆盖区内的任意点均可以进行通信，而且成本与距离无关； 4.2工作频带宽可用频段从150MHz30GHz。目前已经开始开发0、v波段(4050GHz)。ka波段甚至可以支持l55Mbps的数据业务； 4.3通信质量好卫星通信中电磁波主要在大气层以外传播，电波传播非常稳定。虽然在大气层内的传播会受到天气的影响，但仍然是一种可靠性很高的通信系统； 4.4网络建设速度快、成本低除建地面站外，无需地面施工。运行维护费用低； 4.5信号传输时延大高轨道卫星的双向传输时延达到秒级，用于话音业务时会有非常明显的中断； 4.6控制复杂由于卫星通信系统中所有链路均是无线链路，而且卫星的位置还可能处于不断变化中，因此控制系统也较为复杂。控制方式有星间协商和地面集中控制两种