第6章-卫星通信系统分解.ppt

现代通信技术概论 2 第6章卫星通信系统 6 1概述6 2卫星运行轨道6 3卫星通信的多址方式6 4VSAT系统6 5卫星导航定位系统 3 6 1概述 6 1 1卫星通信发展简史6 1 2卫星通信的特点6 1 3卫星通信的工作频段6 1 4卫星通信系统的组成6 1 5卫星通信系统的分类 4 6 1概述 卫星通信是指设置在地球上 包括地面 水面和低层大气中 的无线电通信站之间利用人造地球卫星作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 卫星通信是在地面微波中继通信和空间电子技术的基础上发展起来的一种通信方式 它是宇宙无线通信的主要形式之一 也是微波通信发展的一种特殊形式 5 6 1 1卫星通信发展简史 卫星通信的起源 6 6 1 1卫星通信发展简史 1957年10月 前苏联成功发射了世界上第一颗低轨人造地球卫星Sputnik 1958年 美国宇航局发射了 SCORE 卫星 并通过该卫星广播了美国总统圣诞节祝词 1962年 美国电话电报公司发射了 电星 它可进行电话 电视 传真和数据的传输 1964年8月 美国发射了首颗静止轨道的通信卫星 辛康姆3号 SYNCOM 3 并利用它成功地进行了电话 电视和传真的传输试验 1965年4月 INTELSAT把原名为 晨鸟 的第1代 国际电信卫星 射入地球静止轨道 1970年4月24日 我国在酒泉卫星发射中心成功地发射了第一颗人造地球卫星 东方红一号 7 6 1 2卫星通信的特点 通信时延较长通信链路易受外部条件影响存在星蚀和日凌中断现象 8 6 1 3卫星通信的工作频段 选择工作频段时考虑的因素工作频段的电磁波应能轻易穿透电离层 电波传播损耗应尽可能地小 天线系统引入的外部噪声要小 有较宽可用频带 与地面现有的通信系统的兼容性要好 且相互间的干扰要小 星上设备重量要轻 消耗的功率要小 尽可能地利用现有的通信技术和设备 与其他通信 雷达等电子系统或电子设备之间的相互干扰要小 9 6 1 3卫星通信的工作频段 卫星通信的频段范围卫星通信的频率范围一般选在微波频段 300MHz 300GHz 微波频段的特点是 有较宽的频谱 可以获得较大的通信容量 天线增益高 尺寸小 现有的微波通信设备稍加改造就可以利用 此外 考虑到卫星处于电离层之外的外层空间 而微波频率恰恰能够较容易地穿透电离层 10 6 1 3卫星通信的工作频段 11 6 1 4卫星通信系统的组成 12 6 1 4卫星通信系统的组成 空间段 13 通信卫星的组成 14 6 1 4卫星通信系统的组成 通信分系统卫星上的通信分系统又称为转发器 它实际上是一个提供卫星发射天线和接收天线之间链路连接的设备 是构成卫星通信的中枢 其功能是使卫星具有接收 处理并重发信号的能力 转发器按照变频方式和传输信号形式的不同可分为单变频转发器 双变频转发器和星上处理转发器 15 6 1 4卫星通信系统的组成 单变频转发器 16 6 1 4卫星通信系统的组成 双变频转发器 17 6 1 4卫星通信系统的组成 星上处理转发器 18 6 1 4卫星通信系统的组成 天线分系统天线分系统承担了接收上行链路信号和发射下行链路信号的双重任务 卫星天线分为遥测指令天线和通信天线两类 19 6 1 4卫星通信系统的组成 跟踪 遥测和指令 TT C 分系统跟踪设备用来为地球站跟踪卫星发送信标 遥测部分用来对所有的卫星分系统进行监测 获得有关卫星姿态及星内各部分工作状态等的数据 经放大 多路复用 编码 调制等处理后 通过专用的发射机和天线发给地面的TT C站 指令部分专门用来接收和译出TT C站发给卫星的指令 控制卫星的运行 20 6 1 4卫星通信系统的组成 控制分系统控制分系统 CS 由一系列机械的或电子的可控调整装置组成 在TT C站的指令控制下完成对卫星轨道位置 姿态 工作状态等的调整与控制 CS需要完成两种控制 即姿态控制和位置控制 姿态控制主要是保证天线波束始终对准地球 同时确保太阳能电池帆板始终对准太阳 位置控制用来消除天体引力产生的摄动影响 使卫星与地球的相对位置保持固定 21 6 1 4卫星通信系统的组成 电源分系统通信卫星的电源除要求体积小 重量轻 效率高之外 最主要的还应在其寿命期内保持输出足够的电能 在宇宙空间 阳光是最重要的能源 在有光照时 主要使用太阳能电池产生功率 当卫星处于发射状态或处于地球阴影区时 使用蓄电池来保证电源功率 22 6 1 4卫星通信系统的组成 地面段 23 6 1 5卫星通信系统的分类 按照卫星的运动状态 制式 可分为静止卫星通信系统和非静止卫星通信系统 非静止卫星通信系统又可进一步分为随机运动卫星通信系统和相位运动卫星通信系统 按照卫星的通信覆盖区范围 可分为全球卫星通信系统 国际卫星通信系统 国内卫星通信系统和区域卫星通信系统 24 6 1 5卫星通信系统的分类 按照卫星的结构 可分为无源卫星通信系统 被动卫星通信系统 和有源卫星通信系统 主动卫星通信系统 按照多址方式 可分为频分多址卫星通信系统 时分多址卫星通信系统 码分多址卫星通信系统 空分多址卫星通信系统 混合多址卫星通信系统等 按照所传输信号的体制 可分为模拟卫星通信系统和数字卫星通信系统 25 6 1 5卫星通信系统的分类 按照用户性质 可分为商用卫星通信系统 专用卫星通信系统和军用卫星通信系统 按照通信业务种类 可分为固定业务卫星通信系统 移动业务卫星通信系统 广播电视卫星通信系统 科学实验卫星通信系统以及教学 气象 导航 军事等卫星通信系统等 按照工作频段 可分为特高频卫星通信系统 超高频卫星通信系统 极高频卫星通信系统和激光卫星通信系统 26 6 2卫星运行轨道 6 2 1卫星运动的基本规律6 2 2卫星轨道分类6 2 3卫星轨道的摄动 27 6 2 1卫星运动的基本规律 开普勒第一定律 轨道定律卫星运动的轨道一般是一个椭圆 一个椭圆有两个焦点 双体系统的质量中心称为质心 它始终处在其中一个焦点上 质心与地球中心是重合的 即地球的中心始终位于该椭圆的一个焦点上 28 6 2 1卫星运动的基本规律 开普勒第二定律 面积定律在单位时间内 卫星的地心向径 即地球质心与卫星质心间的距离向量 扫过的面积相等 29 6 2 1卫星运动的基本规律 开普勒第三定律 轨道周期定律卫星围绕地球运动一圈的周期为 其平方与轨道椭圆半长轴的立方之比为一常数 而该常量等于地球引力常数的倒数 30 6 2 2卫星轨道分类 按轨道高度分类低轨道 LEO LowEarthOrbit 距离地球表面大约为700 1500km 中轨道 MEO MediumEarthOrbit 距离地球表面10000km左右 高椭圆轨道 HEO HighlyEllipticOrbit 距离地球表面的最近点为1000 21 000km 最远点为39 500 50 600km 同步轨道 GEO GeostationaryEarthOrbit 距离地球表面35 786km 31 6 2 2卫星轨道分类 按轨道形状分类圆形轨道 e 0 椭圆形轨道 1 e 0 按轨道平面倾角分类赤道轨道 i 0 轨道面与赤道面重合 倾斜轨道 0 i 90 轨道面与赤道面成一个夹角 倾斜于赤道面 极轨道 i 90 轨道面穿过地球的南北两极 与赤道面呈垂直状 32 6 2 3卫星轨道的摄动 引起卫星轨道摄动的主要力学因素地球引力场的不均匀性地球大气层阻力太阳 月亮引力的作用太阳光压 33 6 3卫星通信的多址方式 6 3 1频分多址6 3 2时分多址6 3 3码分多址6 3 4空分多址 34 6 3 1频分多址 35 6 3 2时分多址 36 6 3 3码分多址 37 6 3 4空分多址 38 上述四种多址方式的比较 参见表6 2 39 6 4VSAT系统 6 4 1VSAT网的组成6 4 2VSAT的工作过程 40 6 4 1VSAT网的组成 41 6 4 1VSAT网的组成 主站 中心站 主站又称中心站 中央站 或枢纽站 是VSAT网的重要组成部分 主站使用大型天线 其天线直径一般约为3 5 8m Ku波段 或7 13m C波段 并配有高功率放大器 低噪声放大器 上 下变频器 调制解调器及数据接口设备等 主站内设有一个网络控制中心 对全网运行状况进行监控和管理 主站的设备皆设有备份 42 6 4 1VSAT网的组成 小站 VSAT VSAT小站由小口径天线 室外单元和室内单元组成 VSAT天线有正馈和偏馈两种形成 正馈天线尺寸较大 而偏馈天线尺寸小 性能好 且结构上不易积冰雪 因此常被采用 室外单元主要包括GaAsFET固态功放 低噪声场效应管放大器 上 下变频器和相应的监测电路等 室内单元主要包括调制解调器 编译码器和数据接口设备等 43 6 4 1VSAT网的组成 空间段VSAT网的空间部分是C频段或Ku频段同步卫星转发器 44 6 4 2VSAT的工作过程 在VSAT网中 小站和主站通过卫星转发器连成星型网络结构 所有的小站可直接与主站互通 小站之间的通信以双跳方式来完成 即由小站首先将信号发送给主站 然后由主站转发给其它小站 在VSAT网中 一般采用分组传输方式 任何进入网络的数据在网内发送之前首先要进行格式化 即每份较长的数据分解成若干固定长度的 段 每 段 再加上必要的地址和控制信息并按规定的格式进行排列作为信息传输单位 通常称之为 分组 45 6 4 2VSAT的工作过程 出站 outbound 传输在VSAT网中 主站向外方向发送的数据 也即从主站通过卫星向小站方向传输的数据称为出站传输 出站信道通常采用时分复用 TDM 或统计时分复用 STDM 技术组成TDM帧 通过卫星以广播方式发向所有远端小站 46 6 4 2VSAT的工作过程 TDM帧结构 47 6 4 2VSAT的工作过程 入站 inbound 传输各远端小站通过卫星向主站传输的数据称为入站传输数据 在VSAT网中 各用户终端可以随机地产生信息 由此入站数据一般采用随机方式发射突发性信号 采用信道共享协议 一个入站信道可以同时容纳许多小站 48 6 4 2VSAT的工作过程 TDMA信道帧结构 49 6 5卫星导航定位系统 6 5 1全球定位系统 GPS 6 5 2Galileo全球卫星导航定位系统6 5 3 北斗一号 卫星导航定位系统 50 6 5 1全球定位系统 GPS GPS构成空间部分 GPS星座 控制部分 地面监控系统 用户部分 GPS信号接收机 51 6 5 1全球定位系统 GPS 52 6 5 1全球定位系统 GPS 空间部分 空间段 由运行在20 200km高空的24颗GPS工作卫星组成的卫星星座 其中包括21颗用于导航的卫星和3颗在轨备用卫星 24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内 轨道倾角为55 各个轨道平面之间夹角为60 每颗卫星的正常运行周期为11h58min 若考虑地球自转等因素 将提前4min进入下一个周期 53 6 5 1全球定位系统 GPS 控制部分 控制段 由分布在全球的若干个跟踪站组成的监控系统构成 具有跟踪 计算 更新及监视功能 用于控制系统中所有的卫星 根据跟踪站作用的不同 又可将其分为主控站 监控站和注入站 54 6 5 1全球定位系统 GPS 用户部分 用户段 所有用户装置及其支持设备的集合 典型的用户设备包括一部GPS接收机 处理器 一部天线 计算机和CDU 控制和显示单元 四个主要部件 55 6 5 1全球定位系统 GPS GPS定位GPS的定位原理就是利用空间分布的卫星以及卫星与地面点的距离交会得出地面点位置 简言之 GPS定位原理是一种空间的距离交会原理 GPS的定位方法若根据定位模式的不同 可分为绝对定位和相对定位 若根据用户接收机在定位中的运动状态不同 可分为静态定位和动态定位 56 6 5 2Galileo全球卫星导航定位系统 空间部分VSAT网的空间部分是C频段或Ku频段同步卫星转发器 57 6 5 2Galileo全球卫星导航定位系统 Galileo系统组成全球设施部分区域设施部分局域设施部分用户接收机及终端 58 6 5 2Galileo全球卫星导航定位系统 全球设施部分Galileo系统的空间段由30颗MEO导航星组成 距离地面约23 616km 分布在三个轨道倾角为56 的等间距的轨道上 地面段由Galileo控制中心 Galileo上行链路站 Galileo监测站网络和Galileo全球通信网络组成 具有卫星控制和任务控制功能 卫星控制通过使用TT C上行链路进行监控来实现对星座的管理 任务控制是指对导航任务的核心功能 如定规 时钟同步 以及通过MEO卫星发布完好性消息进行全球控制 59 6 5 2Galileo全球卫星导航定位系统 区域设施部分区域设施部分由完好性监测站网络 完好性控制中心和完好性注入站组成 区域范围内服务的提供者可独立使用Galileo系统提供的完好性上行链路通道发布区域完好性数据 这将确保每个用户能够收到至少由两颗仰角在25 以上的卫星提供的完好性信号 全球最多可设8个区域性地面设施 60 6 5 2Galileo全球卫星导航定位系统 局域设施部分局域设施部分根据当地的需要增强系统的性能 局域设备需要确保完好性检测 数据的处理和发射 局域设施部分应包括本地精确导航设备 本地高精度导航设备 本地导航辅助设备和本地扩大可用性导航设备组成 61 6 5 2Galileo全球卫星导航定位系统 用户接收机及终端用户接收机及终端的基本功能是在用户段实现Galileo系统所提供各种卫星无线导航服务 62 6 5 2Galileo全球卫星导航定位系统 Galileo系统与GPS的各种参数比较 63 6 5 3 北斗一号 卫星导航定位系统 北斗一号 卫星导航定位系统是我国自行研制的导航定位系统 也称为双星区域导航定位系统 它是一个全天候 全天时提供卫星导航信息的区域性导航系统 该系统覆盖范围为东经70 145 北纬5 55 可以无缝覆盖我国全部本土和周边海域 在中国全境范围内具有良好的导航定位可用性 64 6 5 3 北斗一号 卫星导航定位系统 系统组成空间部分地面中心控制系统用户终端 65 空间部分空间部分由两颗地球静止轨道卫星和一颗备用卫星组成 卫星不发射导航电文 也不配备高精度的原子钟 只是用于在地面中心站与用户之间进行双向信号中继 6 5 3 北斗一号 卫星导航定位系统 66 地面中心控制系统地面中心控制系统是北斗导航系统的中枢 包括一个配有电子高程图的地面中心站 地面网管中心 测轨站 测高站和数十个分布在全国各地的地面参考标校站 地面中心控制系统主要用于对卫星定位 测轨 调整卫星运行轨道 姿态 控制卫星的工作 测量和收集校正导航定位参量 以形成用户定位修正数据并对用户进行精确定位 6 5 3 北斗一号 卫星导航定位系统 67 用户终端用户终端是仅带有定向天线的收发器 用于接收中心站通过卫星转发来的信号和向中心站发射通信请求 不含定位解算处理器 6 5 3 北斗一号 卫星导航定位系统 68 6