第七章 卫星通信系统.ppt

第七章卫星通信系统 1 卫星通信原理卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站 转发或反射无线电波 在两个或多个地球站之间进行的通信 卫星通信可以分为延迟式和同步式 延迟式 接收 存储 延迟转发同步式 目前常用方式 7 1卫星通信系统基本概念参考书 孙学康张政微波与卫星通信 卫星通信 卫星通信指利用人造地球卫星作为中继站转发或反射无线电波 在两个或多个地球站之间进行的通信 地球站是设在地球陆地 海洋 空中的固定或移动无线通信站点 卫星通信又是宇宙无线电通信形式之一 而宇宙通信是指以宇宙飞行体为对象的无线电通信 它有三种形式 1 宇宙站与地球站之间的通信 2 宇宙站之间的通信 3 通过宇宙站转发或反射而进行的地球站间的通信 1 卫星通信的优点 通信距离远 且费用与通信距离 地理环境 气象条件无关 覆盖面积大 可进行多址通信 通信频带宽 传输容量大 信号传输质量高 与通信距离 地理环境 气象条件无关 通信线路稳定可靠 建立通信电路灵活 机动性好 卫星通信的特点 2 卫星通信的缺点 卫星的发射与控制技术比较复杂 设备需要具有高可靠性 长寿命 较大的发射功率以及低噪声接收的特性 有较大的信号传输时延 静止卫星为0 6秒 和回波干扰 存在星蚀和日凌中断现象 卫星轨道 LEO高度在500 1500Km MEO高度在10000 2000Km HEO距地最近点为1000 2100Km 最远点为3950 50600Km 静止轨道卫星高度约为35785 5Km 通常近似为36000Km 1 系统组成静止卫星通信系统如图所示的是卫星通信的示意图 卫星通信系统的组成 静止卫星的配置 目前国际卫星通信组织负责建立的国际卫星通信系统 INTELSAT 简称IS 就是利用静止卫星来实现全球通信的 三颗同步卫星分别位于太平洋 印度洋和大西洋上空 它们构成的全球通信网承担着大约80 的国际通信业务和全部国际电视转播业务 卫星通信示意图 静止卫星的运行轨道与观察参数 1 静止卫星的发射 要使卫星进入运行轨道 必须依靠运载火箭 要想使卫星绕地球运转 还必须使卫星的初始速度大于8km s 但单级火箭的速度只能达到2 5km s 因此 发射静止卫星必须采用带有捆绑技术的三级火箭 捆绑技术就是把几支小火箭捆在大火箭的第一级上 用以提高发射的飞行速度 卫星装在第三级火箭的前端 第一宇宙速度 7 9km s 地球 11 2km s v 7 9km s 所谓宇宙速度就是从地球表面发射飞行器 飞行器环绕地球 脱离地球和飞出太阳系所需要的最小速度 分别称为第一 第二 第三宇宙速度 要想使卫星绕地球运转 必须使卫星的初始速度大于8km s 但单级火箭的速度只能达到2 5km s 因此 发射静止卫星必须采用带有捆绑技术的三级火箭 捆绑技术就是把几支小火箭捆在大火箭的第一级上 用以提高发射的飞行速度 同步轨道卫星发射 发射过程 进入初始轨道进入转移轨道进入漂移轨道进入静止轨道 一颗自旋稳定的静止卫星的发射过程大体可分为如下几个阶段 开始发射后 依次点燃三级火箭的一 二级火箭 把卫星送到初始轨道 卫星在初始轨道上只飞行一小段 当卫星快要到达初始轨道与赤道平面的交点时 要点燃第三级火箭 以使卫星脱离初始轨道而进入转移轨道 卫星在转移轨道上运行了几圈 完成了上述各项准备工作后 当再次到达远地点时 就要启动远地点发动机 使卫星进入漂移轨道 图远地点的轨道变换 2 通信卫星的姿态控制 卫星上装有通信用的定向天线 要求定向天线的波束应指向地球中心或某覆盖区的中心 1 角度惯性控制 角度惯性控制也叫自旋稳定法 是早期静止卫星常用的姿态控制方法 采用自旋稳定法的卫星 如IS IS 等 卫星的天线要安装在一个平台上 2 三轴稳定法 三轴稳定法是指卫星的姿态是由稳定穿过卫星重心的三个轴来保证的 这三个轴分别在卫星轨道的切线 法线和轨道平面的垂线等三个方向上 分别对应叫做滚动轴 俯仰轴和偏航轴 三轴可以采用喷气 惯性飞轮或电机等来直接分别控制每个轴保持稳定 图三轴稳定法示意图 静止卫星的观察参数 若已知地球站A的几何关系 其中地球站A的经度和纬度分别为和 静止卫星S的星下点的经度和纬度分别和0经度差 纬度差 0 地面站仰角 地面站方位角 站星距离 在地球站的调测 开通和使用过程中 都要知道地球站天线工作时的方位角 a和仰角 e 此外 为了计算自由空间的传播损耗 还必须知道地球站与卫星之间的距离 站星距 静止卫星观察参数图解 静止卫星S与地球站A的几何关系 若地球站位于北半球 若地球站位于南半球 例1 1 亚太一号 卫星的星下点s 的经度为 2 138 00E 东经 北京地球站的参数为 1 116 45E 1 39 92 求北京地球站的仰角 方位角和站星距 解由已知条件得知 1 39 92 经度差 2 1 138 00 116 45 21 55 代入公式得仰角 Odyssey系统组成 空间段 地面段和用户单元3个部分Odyssey系统的空间段星座采用12颗高度约为10000km的卫星分布在倾斜55 的3个轨道平面上构成 使用L S Ka频段 1 中轨道卫星系统简介 Odyssey系统 中 低轨道卫星移动通信系统 Odyssey系统地面段包括卫星管理中心 服务运作中心 地球站 关口站 地面网络Odyssey系统的用户单元最主要的用户单元是手机 它将采用双模式 可以同时在Odyssey系统及蜂窝网中使用 并可自动切换 1 中轨道卫星系统简介 Odyssey 系统组成 卫星星座 关口地球站 系统控制中心 网络控制中心和用户单元等组成 1 铱 Iridium 系统简介 铱系统卫星星座的配置 2 低轨道卫星系统简介 中 低轨道卫星移动通信系统 2 低轨道卫星系统简介 Iridium 星座 共有66颗卫星 另外还有7颗空中备用星 这些卫星均匀分布在大致南北方向的6条轨道上 每条轨道上均匀分布11颗卫星 所有卫星均沿同一方向飞行 铱星系统的通信链路 2 低轨道卫星系统简介 Iridium 铱星系统的关口站关口站是控制用户终端接入并提供系统和公共交换电话网 PSTN 间接口的地球站 铱星系统的用户终端用户终端 ISU IridiumSubscriberUnit 以便携式话音单元为基础 有手持机 车载终端和半固定终端3种不同产品 2 低轨道卫星系统简介 Iridium 2 全球星 Globalstar 系统简介设计思想 利用LEO卫星组成一个连续覆盖全球的移动通信卫星系统 向世界各地提供话音 数据或传真 无线电定位业务系统组成 由空间段的卫星 地面段的关口站 星座控制设备和网络中心 NCC 以及用户终端组成 2 低轨道卫星系统简介 2 卫星通信系统的组成 1 卫星通信系统的组成通常卫星通信系统是由地球站 通信卫星 跟踪遥测及指令系统和监控管理系统4大部分组成的 2 卫星通信线路的组成两个地球站之间的卫星通信线路是由发端地球站 上 下行无线传输路径和收端地球站组成的 2 静止卫星 距离赤道上空35860公里处 同步轨道 的卫星 其公转周期与地球自转周期一致 从地球上看相对静止 优点 地面天线不动 可以提高通信质量一颗卫星24小时通信随机损耗小 辐射效率提高三 四颗覆盖全球缺点 衰减大 传输时延大 不能覆盖两极 3 低轨道卫星 1997年五月铱星公司在500 1500公里轨道上放置了34颗铱星实现了低轨道移动通信 传输衰减20 30dB 4 卫星通信种类 按卫星的制式分类 1 随机卫星 只能在共视卫星的时间才能通信 按卫星的覆盖范围分类 国际卫星通信系统 国内卫星通信系统 区域卫星通信系统 按用户的性质分类 公用卫星通信系统 专用卫星通信系统 军用卫星通信系统 5 卫星业务的频率分配 卫星业务的频率分配是在国际电信联盟 ITU 的管理下进行的 ITU将整个地球划分为三个区域 区域1 包括欧洲 非洲 前苏联和蒙古 区域2 南北美洲和格陵兰岛 区域3 亚洲 除区域1中的地区 澳大利亚和西南太平洋 卫星提供的业务 卫星固定业务 向电话网 有线电视网提供卫星链路 卫星广播业务 指直播到户 或称为卫星直播业务 卫星移动业务 陆地移动 海事移动或航空移动 卫星导航业务 全球定位系统 卫星气象业务 亦可用于搜救业务 卫星常用频率 Ku频段 直播卫星业务 某些固定卫星业务 14 12GHz 或14 03 11 73GHz C频段 固定卫星业务 不允许直播卫星业务使用该频段 6 4GHz 上行 下行 L频段 卫星移动业务及导航系统 ITU的频段表示法 2 小天线地面卫通系统用户自行组网和利用卫星通信VSAT系统特点 天线小一般小于2 4mG T值小于19 7dB K 设备紧凑 功耗小 价格低 用于2Mb s以下低速数据双向通信 6 卫星通信的发展现状 1 高速卫星数据传输技术与话音和图像通信相比 数据传输有两个特点 发送数据时间随机间断 业务种类繁多因此采用分组通信技术 又叫信息包技术 各个地面站共用一个卫星转发器的频段 各站随机发送各自的数据分组 如果出现碰撞 则该数据重新发送 3 星上卫星通信系统4 低轨移动5 移动卫通代表APMT系统亚太卫星移动通信系统 2 卫星通信的多址技术FDMA多址技术单址载波多址载波 单路单载波 SCPC TDMA多址技术CDMA多址技术 7 2卫星通信中的微波系统 卫星通信 卫星 增益88dB f 6GHz f 4GHz 接收信号电平 97 6dBW 6 5W 发射机有效全向辐射功率 EIRP Pt Gt Lr 20kW 114 6dBW 低噪放40dB中放44 6dB输出信号电平 30dBW 1mW Lr发射机到天线之间的馈线损耗 卫星通信线路载波功率的计算 1 天线增益G在卫星通信中 一般使用定向天线 把电磁波能量聚集在某个方向上辐射 设天线开口面积为A 天线效率为 波长为 天线直径为D 则天线增益为 4 1 2 有效全向辐射功率 EIRP 通常把卫星和地球站发射天线在波束中心轴向上辐射的功率称为发送设备的有效全向辐射功率 它是天线发射功率PT与天线增益GT的乘积 即 EIRP PTGTW 设发射机末级功放输出功率为Po 馈线损耗为LFT LFT 1 则上式还可写为 或用分贝表示 即 EIRP Po GT LFT dBW 式中 方括号表示取其dB值 3 载波接收功率卫星或地球站接收机输入端的载波功率一般称为载波接收功率 记作C C 以dBW 以1W为零电平的分贝 为单位 设发射机的有效全向辐射功率为 EIRP dBW 接收天线增益为GRdB 接收馈线损耗为LFRdB 大气损耗为LadB 自由空间损耗为LPdB 其它损耗为LrdB 则接收机输入端的载波接收功率 C dBW可以表示为 C EIRP GR La LP Lr LFR Po LFT GT GR La LP Lr LFR 4 5 例 已知IS 号卫星作点波束1872路运用时 其有效全向辐射功率 EIRP S 34 2dBW 接收天线增益GRS 16 7dB 又知某地球站有效全向辐射功率 EIRP E 98 6dBW 接收天线增益GRE 60 0dB 接收馈线损耗LFRE 0 05dB 试计算卫星接收机输入端的载波接收功率CS和地球站接收机输入端的载波接收功率CE 解若上行线路工作频率为6GHz 下行线路工作频率为4GHz 距离d 40000km 则利用式可求得上行线路传输损耗LU为 LU 200 04dB 下行线路传输损耗LD为 LD 196 52dB 忽略La Lr和LFRS 求得卫星接收机输入端的载波接收功率CS为 CS EIRP E GRS LU 84 74dBW 地球站接收机输入端的载波接收功率CE 忽略La和Lr 为 CE EIRP S GRE LD LFRE 102 37dBW 1 通信卫星的组成及其工作原理通信卫星各系统由通信分系统控制分系统遥测与指令分系统电源分系统温控分系统5个部分组成 通信卫星的组成 图通信卫星的组成 由各种可控的调整装置 如各种喷气推进器 各种驱动装置和各种转换开关等组成 由光电器件组成 硅 卫星上的电源除要求体积小 重量轻 效率高和可靠性之外 还要求电源能在长时间内保持足够的输出 为了使通信卫星在星蚀期间也能工作 一般常用可以充 放电的化学电池作为二次电池与太阳能电池并用 图通信卫星的组成 行波管功率放大器和电源系统等部分产生热而升温 地球上的控制站经常不断地需要了解卫星内部设备的工作情况 有时要通过遥测指令信号控制卫星上设备产生一定的动作 图卫星转发器组成的方框图 5 卫星上通信分系统又分为 转发器和星上天线两部分 单变频转发器 双变频转发器 星上处理转发器 处理转发器 增加解调 信号处理 调制可以避免噪声的积累 实现多个天线波束间信号交换 和对信号的变换 双频转发器 上行转中频然后转发单频转发器 低噪放 然后变频到下行频率放大发出又称微波式频率转发器射频带宽达500MHz 适于多址连接的大容量卫通系统 是目前使用最多的形式 1 通信分系统的转发器 通信分系统分为转发器和卫星天线两大部分 卫星上的信号处理大体包括三种类型 一种是对数字信号进行判决和再生 使噪声不积累 另一种是在多个卫星天线波束之间进行信号交换与处理 第三种是对信号进行更复杂的变换 交换和处理 2 通信卫星的天线系统 天线要求 体积小 重量轻耗电省便折叠和展开 重要技术指标 指向精度 频带宽度 形式转接能力 极化方式 为克服法拉第效应 工作频率低于10GHz一般采用圆极化 隔离度消旋能力 具有扫描能力 卫星天线有两种类型 一种是用于遥控 遥测和信标信号的全向天线 接收地面的指令及向地面发送遥测数据 这种天线常用鞭状 螺旋形 绕杆式或套筒偶极子天线 属于高频或甚高频天线 另一种是用于通信的微波定向天线 根据波束宽度不同 分为三类 全球波束天线 波束宽度约为17 18 增益15 18dB 一般通信用途 点波束天线 其波束比全球波束窄得多 故增益较高 但其辐射的区域比全球波束小得多 区域波束天线 如果地面要求覆盖的区域形状不规则 就要用区域波束天线 也称赋形波束天线 其覆盖区域可通过修改天线反射器的形状或使用多个馈源从不同方向照射天线反射器 由反射器产生多个波束的组合来实现 各种波束覆盖示意图 卫星天线系统示意图 2 地球站的组成如图所示的为国际卫星通信频分多址方式A型标准地球站的组成方框图 主要由天线分系统 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 1 对地球站的技术要求 一般来说 对地球站应有以下几方面的要求 发送的信号应是宽频带 稳定 大功率的信号 能接收由卫星转发器转发来的微弱信号 可以传输多路电话 电报 传真 以及高速数据 电视等多种业务的信号 性能稳定 可靠 维护 使用方便 建设成本和维护费用不应太高 2 有效辐射功率及其稳定度为了保证所传送信号的质量 要求地球站的发射机能够发射较大的功率 一般为几百瓦 十几千瓦 而且要求所发射的射频信号功率非常稳定 否则会造成卫星转发器的功放内交调分量增大 波动应小于0 5dB 1 地球站的性能指标 品质因数 G T G T是地球站接收天线的增益G与地球站接收系统的等效噪声温度T的比值 它表征了地球站对微弱信号的接收能力 称为地球站的品质因数 4 射频能量的扩散为减小交调干扰 必须对地球站在负载轻 即通话数少 的时候所发射的射频频谱能量密度加以限制 3 射频频率的稳定度地球站所发射的射频信号的频率必须很精确 如果有较大漂移 不但要影响卫星转发器频带的有效利用 还会在卫星转发器中产生交调噪声 话音信号是在150KHz内 图像在250KHz内 5 干扰波辐射的限制为防止干扰波对卫星转发器和其他微波通信系统形成干扰 规定地球站因多载波引起的交调干扰及带外总的有效全向幅射功率应小于限定值 2 地球站天线馈线系统的组成下图所示的为地球站的天线馈线系统方框图 它与视距微波通信天馈线系统相比 显然多了一套天线跟踪卫星的系统 即地球站天线的轴要始终对准卫星方向 地球站天线馈线系统的组成 3 发射机分系统由于发射卫星条件的限制 卫星转发器天线的口径和增益不能太大 发射机分系统由上变频器 自动功率控制电路 发射波合成装置 激励器和大功率放大器等组成 地球站发射机分系统的主要要求 发射的功率大 频带宽 从而保证通信容量以及发射多个载波所需的带宽 射频的频率稳定度高 放大器的线性好 增益稳定 对发射地球站的有效全向辐射功率要求保持在额定值的 0 5dB以内 以保证接收地球站的性能指标 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 对接收机分系统的主要要求 噪声温度低 接收机分系统的噪声温度很低 一般只有几十开尔文 K 工作频带宽 一般要求具有500MHz的带宽 增益稳定 4 接收机分系统 5 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 下行链路损耗一般200dB 2 3级参量放大器 后接晶体管放大器或场效应管放大器 参量放大器所用器件一般采用变容管或者泵源 甚至可以采用制冷方法 有时需要两次变频 第一中频可以用1GHz 1 4GHz或1 7GHz 7 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 6 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 1 考虑的主要因素选取工作频段时 考虑的主要因素有 1 天线系统接收的外界干扰噪声要小 2 电波传播损耗要小 3 适用于该频段的设备重量要轻 且体积小 4 可用频带宽 以便满足传输信息的要求 5 与其他地面无线系统 雷达系统 地面微波中继通信系统等 之间的相互干扰要尽量小 6 尽可能地利用现有的通信技术和设备 3 卫星通信频率配置 2 卫星通信的频率配置目前大多数卫星通信系统选择了如下频段 1 UHF 超高频 频段 400 200MHz 2 微波L频段 1 6 1 5GHz 3 微波C频段 6 0 4 0GHz 4 微波X频段 8 0 7 0GHz 5 微波Ku频段 14 0 12 0GHz和14 0 11 0GHz 6 微波Ka频段 30 20GHz 4 卫星通信电波传播的特点 1 影响卫星通信中电波传播的因素由于卫星通信的电波传播路径需要通过对流层中的云层和雨层以及再上面的同温层 中间层 电离层和外层空间 故电波传播都会受到它们的影响 2 地球站天线仰角与通信距离的关系地球站天线的仰角应始终跟踪卫星上的天线 以便使地球站的收信机得到较高的收信电平 3 云层和降雨影响云层损耗主要是由云层对电波吸收造成的 仰角 愈小 通信频率愈高 其损耗愈大 3 自由空间传输损耗及环境影响 1 卫星通信的自由空间传输损耗其计算公式与微波通信相同 只是损耗值要大得多 Ls 92 4 20lgd km 20lgf GHz dB 2 大气衰减损耗大气气体对卫星通信的电波产生的损耗既与星站间距离有关 也与地球站天线的仰角有关 4 闪烁衰落的影响 闪烁的概念 地球站与卫星间的无线电波通过电离层和对流层时 由于该层媒质小范围折射率不规则的起伏变化 使地面接收到的信号振幅与相位发生快速的起伏现象 这种起伏变化称为闪烁 电离层闪烁 频率较低时 如1 2GHz 以电离层闪烁为主 对流层闪烁 由于对流层的温度 湿度的逆变或湍流运动 引起折射指数的不均匀性 对电波产生散射 增益88dB f 6GHz f 4GHz 接收信号电平 97 6dBW 6 5W 发射机有效全向辐射功率 EIRP Pt Gt Lr 20kW 114 6dBW 低噪放40dB中放44 6dB输出信号电平 30dBW 1mW Lr发射机到天线之间的馈线损耗 卫星通信链路 5 卫星通信中的噪声与干扰 1 噪声 卫星通信系统是以大气作为传输介质来完成地球站与卫星转发器之间的信息交互的 由于其传输路径长 接收机所接收的信号功率非常弱 因此对噪声非常敏感 1 热噪声 系统中的任何器件和设备工作时 都会给系统引入热噪声 其功率为N KTB 与数字微波中的噪声功率的形式相同 K 波尔兹曼常数1 38 10 23 T 绝对温度 B 带宽 2 天线噪声 天线是完成射频信号的发送与接收工作的设备 根据噪声源产生的原因 噪声源大致可分为自然噪声源和人为噪声源两大类 自然噪声源包括宇宙噪声 太阳噪声 地面噪声 大气层吸收和降雨损耗等产生的噪声 由于噪声是通过接收机天线进入系统的 为了