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 而且还能够实现全球通信 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 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 80 100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 运载工具具有足够推力和精度的多级火箭 2 人造卫星集电子 机械 控制等多学科综合能力 3 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 1954 1964年 国际通信 1964 1974年 国内通信 1975 1980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10 30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 VerySmallApertureTerminal 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 C120VSAT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5000 20000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IntermediateCircularOrbit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 3 0 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16k 2Mbps 大容量用户为155M 1 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ISIV A ISV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ISV 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 不受地理条件的限制不受自然灾害人为事件的影响 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 VSAT终端 VSAT终端 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 4 3 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 低轨道手持式卫星通信终端 79