电子科大 卫星通信系统概述(课件).ppt

1 卫星通信通向无缝覆盖全球移动通信系统之路 陈智副教授通信抗干扰技术国家级重点实验室2008 9 2 关于我 办公地址 电子通信大楼513房间电话 83208948Email chenzhi 研究方向 无线与移动通信技术 通信抗干扰技术 无线通信网络 通信信号处理担任课程 卫星通信 移动通信系统 信息论导论 3 关于本课程 本课程的学习目标卫星通信系统的一些基本概念卫星通信系统的一些基本特征卫星通信系统的通信技术卫星通信链路设计方法卫星基本覆盖特性和星座设计的计算方法卫星移动通信系统的网络特性和协议卫星定位与导航系统的基本原理 4 关于考试 开卷考试平时成绩 作业加点名 30分考试成绩 70分 5 卫星通信 通信 在两个或多个位置实现信息的传输 接收和处理 有线通信 光纤 电缆 无线通信 短波 超短波通信 微波中继通信 地面移动通信 卫星通信 6 卫星通信 卫星通信的概念卫星通信是指利用通信卫星转发器实现地球站 或手持终端 之间 或者地球站与航天器之间的无线通信 卫星通信是个人通信网的组成部分 是地面通信网的补充 7 8 9 第一章卫星通信系统概述 10 第一章卫星通信系统概述 1 1卫星通信的发展1 2卫星轨道1 3系统的组成1 4频率分配1 5卫星通信的特点1 6卫星通信系统的应用类型 11 1 1卫星通信发展简史 卫星通信之父ArthusClarke 1945年 WirelessWorld上发表论文 地球外的中继 卫星通信时代的开启 1957年10月4日 前苏联发射第一颗人造地球卫星SPUTNIK I1958年1月31日 美国发射其第一颗卫星Explorer I 发现范 艾伦电磁辐射带1963年 美国发射第一颗静止轨道卫星Syncom II第一批实用的通信卫星 美国的电星 Telstar 系列 12 1 1卫星通信发展简史续1 20世纪70年代 开始提供卫星广播业务20世纪80年代 开始提供海事卫星通信服务20世纪90年代 开始提供航空通信 陆地移动通信和个人卫星通信服务1998年11月1日 第一个也是目前为止唯一一个全球个人卫星移动通信系统 铱 Iridium 开始商业运营 13 1 2卫星轨道 开普勒定理假设地球是质量均匀分布的圆球体 忽略太阳 月球和其它行星的引力作用 忽略大气阻力 卫星运动服从开普勒三大定律 14 1 2卫星轨道 开普勒第一定理 1602年 小物体 卫星 在围绕大物体 地球 运动时的轨道是一个椭圆 并以大物体的质心作为一个焦点 15 1 2卫星轨道续1 开普勒第二定理 1605年 小物体 卫星 在轨道上运动时 在相同的时间内扫过的面积相同 其中 a是半长轴 开普勒常数 3 9861 105km3 s2 16 1 2卫星轨道续2 开普勒第三定理 1618年 小物体 卫星 的运动周期的平方与椭圆轨道半长轴的立方成正比关系 17 1 2卫星轨道续3 圆轨道卫星具有恒定的运动速度典型卫星通信系统的轨道高度 卫星速度和轨道周期如下表 18 1 2卫星轨道续4 从轨道形状进行分类圆轨道 GEO GSO MEO LEO椭圆轨道HEO 19 1 2卫星轨道续5 从轨道高度进行分类低地球轨道LEO LowEarthOrbit 700 2000km中地球轨道MEO MediumEarthOrbit 10000 20000km同步轨道GSO GeoSynchronousOrbit 35786km静止轨道GEO GEostationaryOrbit 35786km高椭圆轨道HEO HighlyEllipticalOrbits 最高点可达40000km 20 1 2卫星轨道续6 内范伦带 1500 5000km外范伦带 13000 20000km 21 1 2卫星轨道续6 22 1 2卫星轨道续7 GEO GSO的主要优势对地 球 位置相对固定几乎恒定的传输延时广阔的覆盖区域 单星覆盖面积约占地球表面1 3 GEO GSO的主要缺点大的传输延时和衰减仰角随着纬度的增高而降低 GEO 不能覆盖极地地区 GEO 轨位资源缺乏发射费用高 23 1 2卫星轨道续8 LEO的主要优势低传输延时和衰减 利于使用手持终端 灵活的系统设计 单星 发射费用低LEO的主要缺点对地的快速相对移动 大多普勒频移单星覆盖面积小 因此需要几十到上百颗卫星实现全球覆盖 LEO星座的延时抖动大LEO星座的管理复杂性高 24 1 2卫星轨道续9 MEO GEO和LEO的折中单星的中等覆盖面积 需要几颗到十几颗卫星实现全球覆盖 中等的传输延时和衰减中等的对地移动速度 即中等的多普勒频移 中等的星座延时抖动中等的星座管理复杂度 25 1 2卫星轨道续10 HEO的主要优势高纬度地区的仰角大单星覆盖范围大对地相对运动速度较慢 在服务时间内 HEO的主要缺点传输延时和衰减大穿越范 艾伦带 卫星寿命较短大的多普勒频移 26 1 2卫星轨道续11 从轨道倾角进行分类赤道轨道 零度倾角极轨道 90 倾角倾斜轨道顺行 prograde 轨道 倾角在0 到90 之间逆行 retrograde 轨道 倾角在90 到180 之间 27 1 2卫星轨道续12 28 1 2卫星轨道续13 卫星轨道摄动地球形状不规则卫星的轨道面绕地轴缓慢转动近地点位置变化大气阻力卫星轨道的远地点降低 长轴缩短 即运行周期缩短偏心率减小 轨道愈变愈圆太阳和月球引力 29 1 2卫星轨道续14 卫星轨道控制卫星姿态保持 30 1 3系统的组成 星际链路ISLInter SatelliteLink网络控制中心NCCNetworkControlCenter卫星控制中心SCC SOCCSatellite Operation ControlCenter用户信息管理系统CIMSCustomerInformationManagementSystem公用电话交换网PSTNPublicSwitchedTelephoneNetwork公用地面移动网PLMNPublicLandMobileNetwork 31 1 3系统的组成续1 空间段 卫星1 通信有效载荷天线分系统通信转发器星上处理器2 卫星公用舱遥测和命令分系统动力分系统姿态控制和助推分系统热控分系统结构分系统 32 1 3系统的组成续2 地面段由3个主要的网络单元构成 信关站Gateway 也称为固定地球站 FES 网络控制中心NCC卫星 运行 控制中心SCC SOCC用户信息管理系统CIMS跟踪 遥测和命令 TT C 站 33 1 3系统的组成续3 信关站天线 网络控制中心 韩国城南 地面中心 34 1 3系统的组成续4 信关站 完成本地交换服务 是卫星网络与已有核心网络 如PSTN和PLMN 的固定接入点 包括信关站收发子系统 GTS 和信关站配置控制子系统 GSC 35 1 3系统的组成续5 网络控制中心NCC1 网络管理功能网络业务结构管理系统资源管理和网络同步运行和维护 OAM 功能站内信令链路管理拥塞控制用户终端启动支持2 呼叫控制功能公用信道信令功能信关站选择功能信关站配置界定 36 1 3系统的组成续6 卫星 运行 控制中心SCC SOCC1 卫星控制功能生成并分发卫星星历表产生并传输对卫星有效载荷和公用舱的命令接受并处理遥测命令传输波束指向调整命令完成卫星距离校准2 呼叫控制功能 37 1 3系统的组成续7 用户信息管理系统CIMS负责维护信关站配置信息 完成系统记帐和计费 实现详细通话记录 38 1 3系统的组成续8 用户段 手持终端 掌上型终端 车 舰 机载终端 便携式终端 固定终端 39 1 4工作频段划分 两个权威组织国际电联ITUInternationalTelecommunicationUnion美国联邦通信委员会FCCFederalCommunicationsCommittee 40 1 4工作频段划分续1 ITU划分的频率区域划分 区域1 欧洲 非洲 前苏联地理区域 蒙古和西亚半岛 区域2 南北美洲和格陵兰岛 区域3 亚洲 除区域1部分 澳洲和西南太平洋 41 1 4工作频段划分续2 频段标识 42 1 4工作频段划分续3 43 1 4工作频段划分续4 ITU无线组定义的无线通信服务频段 通用 未指定使用区域 44 1 5卫星通信的特点 服务范围宽 不受地理条件限制 一颗GEO卫星覆盖全球表面的42 中低轨星座系统可实现全球覆盖 可用频段宽 从150MHz VHF频段 30GHz Ka频段 目前已开始开发Q V波段 40 50GHz 网络路由简捷 旁路复杂的地面 网络云 适合跨国公司专网 网络建设速度快 成本低 除建站外 无需地面施工 运行维护费用低 系统均匀服务 易引入新业务 统一的业务提供商 利于系统为各地区提供均匀的服务 45 1 5卫星通信的特点续1 卫星通信系统的定位由于卫星通信相对于地面通信网的综合造价成本高 终端贵 因此 卫星通信的市场定位应该是地面通信网的延伸 补充和备份 主要服务于地面通信网不能覆盖的区域及有特殊通信需求的人群 46 1 5卫星通信的特点续2 卫星覆盖区域广 可以较经济地为地面蜂窝网覆盖范围以外的用户 唯星用户 提供移动通信业务解决边远地区通信服务 企业专网 洲际通信 国防通信 与地面通信网结合解决广域无缝覆盖 47 1 5卫星通信的特点续3 卫星通信系统与地面移动通信系统卫星移动通信系统能扩大地面移动通信的地理和业务覆盖范围 除提供常规的移动通信业务外 还可向空中 海面和复杂地理结构的地面区域的各类移动用户提供服务 从应用来讲 地面移动通信网主要集中在高业务量的应用环境 而卫星移动通信系统最适合于低业务量的应用环境 并且在地面网络过载或发生故障时作为其迂回备份网络 48 1 5卫星通信的特点续4 卫星通信在中国的特殊地位幅员辽阔人口众多地区发展不平衡中国有60 左右的地区是地面网盲区 如海洋 高山 沙漠和草原等 通信的困难甚至成为人们生存的障碍 49 1 6卫星通信系统的应用 移动卫星服务MSS MobileSatelliteService陆地移动卫星服务LMSS LandMSS海事移动卫星服务MMSS MaritimeMSS航空移动卫星服务AMSS AeronauticalMSS固定卫星服务FSS FixedSatelliteService广播卫星服务BSS BroadcastSatelliteService无线定位服务RDSS RadioDeterminationSatelliteServicedefin