卫星通信系统概述

通信工程系，主讲人：ge yanliang，卫星通信。通信：在两个或多个地点发送、接收和处理信息。有线通信：光纤、电缆、明线无线通信：短波/超短波通信、微波中继通信、卫星通信、第一章卫星通信系统概述、卫星通信的概念卫星通信：一种通信形式，使用或反射两个或多个地球站(或手持终端)之间的通信卫星，或地球站和宇宙飞船之间的通信作为中继站。也就是说，卫星通信是在地球上进行的，包括地面、水面和大气上的无线电通信站之间，以及利用人造卫星作为中继站的通信。卫星通信是个人通信网的组成部分，正在补充地面通信网。1.1卫星轨道，假设地球是一个球体，它无视太阳、月亮和其他行星的重力，均匀分布，卫星运动遵循开普勒三大定律。开普勒定律开普勒第一定律：人造卫星围绕地球中心的焦点展开椭圆运动。其轨道平面的极坐标为、图1椭圆轨道的示意图，开普勒第二定律：卫星与地球中心的连接等于同一时间席卷的面积。v是卫星在轨道上的瞬时速度。其中a是椭圆轨道的二分之一轴，r是从卫星到地球中心的距离。u是开普勒常数，u值为398601.58km3/s2，开普勒第三定律：卫星运行周期的平方与轨道半主轴的3次方成正比。u是开普勒常数，u值为398601.58km3/s2。1.2卫星通信系统的组成，宇宙段主要是卫星本身。恒星包括两个主要子系统：航天器设备和卫星母体。地面分段的典型地面部分，即地面卫星控制中心(SCC，Satellitecontrolcenter)及其跟踪、遥测和指挥站(TTC，tracking，telemetryandcommandstation)自定义线束段各种自定义端子。选择工作频段时要考虑的重要因素：(1)电波传播衰减和其他衰减要小；(图1-14)在0.3-10GHz波段，大气吸收衰减最小，称为“无线电窗口”。此外，30GHz附近还有一个衰减山谷，称为半透明无线电窗。(2)天线接收的外部噪音应小。(图1-15)在降低接收系统噪音方面，工作频率最好在1-10GHz之间工作。(3)大气中雨、雾、云的影响；(图1-16)，1.3卫星通信的工作频带。从以上三个方面来看，卫星通信的工作频率通常在1-10GHz范围内更合适，最理想的频率在4-6GHz附近。除了上述三个方面外，还应考虑以下因素：(4)为了满足信息传输要求，有可用的大频带。(5)应尽量减少与地面微波通信、雷达等其他无线系统的相互干扰；(6)充分利用现有通信技术，易于与现有地面通信设备配合使用。(7)设备的大小要小。1.3卫星通信操作频段，分频：综合上述要求，应在微波波段或超高频之间选择卫星的工作频率。具体地说，目前大多数卫星通信系统被选择在以下频带中工作：l波段：用于MSS的1.6/1.5GHz，GEO卫星测量和控制。s波段：用于MSS的4/2GHz，GEO卫星测量和控制。c波段：用于MSS的6/4GHz，GEO卫星测量和控制。x频带：8/7GHzKu频带：14/12GHz，BSS适用于FSS。ka波段：用于FSS的30/20GHz，BSS。此外，VHF、UHF用于低轨小型卫星通信。VHF频带：0.1至0.3GHz适用于移动和导航工作。UHF频带：0.3至1.0GHz用于移动和导航工作。更高频带：q频带：36至46至56GHz；v频带：46至56 GHz。太赫兹波段：0.1-10 THz。1.3卫星通信的工作频带、k波段(18-27 GHz)、Ku频段频率受国际相关法律的保护，12-18 GHz频段。ku波段卫星单转发器功率一般比较大，光子波束复盖范围大，卫星EIRP大，ku波段接收天线比c波段接收天线效率高，接收ku波段卫星程序的天线口径比c波段小很多，可以有效地降低接收成本，促进个别接收。主要应用领域：中继、卫星通信、雷达等。目前广泛使用的蓝牙、ZigBee、无线路由、无线鼠标等也使用此范围的频率。根据IEEE521-2002标准，x波段是指频率为8-12 GHz的无线电频段。在某些情况下，x波段的频率范围为7到11.2GHz。x波段的x是英语的“extended”，表示“extended”。x波段一般为7.25到7.75GHz的下行频率和7.9到8.4GHz的上行链路频率，也称为7/8GHz频带。根据ITU无线电规则第8条，x波段用于太空研究、广播卫星、固定通信事业卫星、地球探测卫星、气象卫星等用途。根据IEEE521-2002标准，l波段是指频率为1到2GHz的传播波段。可以用在DAB、卫星导航系统等上。c波段是48GHz频率的频带，最先被卫星电视广播和各种小型卫星地面站应用程序采用，广泛使用。ka波段的频率范围为27至40GHz。Ka表示K-above正上方。换句话说，这个波段直接高于k波段。ka频带也称为30/20GHz频带，通常用于卫星通信。VHF (VHF)是指频带30MHz到300MHz的频带。大部分用作广播和广播，同时也是航空和航海的沟通频道。与高频(HF)不同，电离层通常不反射VHF的信号。UHF (UHF)是波长范围为1米到1dm、频率为300到3000MHz的无线电波，通常用于移动通信和广播电视领域。Uhf主要用于短距离通信，可以用小而短的天线收发，适合于移动通信。1.3卫星通信的工作频带，卫星通信与其他通信手段相比有以下特点。优点：1、卫星通信系统成本低，提供大范围无缝复盖范围，服务范围广，不受地理条件限制；(图1-2)2，频率带宽可用，大容量传输，多连接通信；3、卫星通信系统与地面通信基础设施相对独立，网络路由简单；4、网络建设速度快、成本低、与通信距离无关；5、卫星通信具有灵活性和普遍性。6、集成业务供应商将帮助系统的统一服务，并帮助引入新业务。1.4卫星通信的特点，缺点：1，静止卫星的发射和控制复杂；2.对于静止卫星，地球高纬度地区通信不好，两极地区是通信盲点。3、每日环中断和星蚀现象的存在；4、具有传播延迟和回显干扰。1.4卫星通信的特点，以卫星通信为例，综合费用比地面通信网贵，终端贵，因此卫星通信的市场定位应与地面通信网的扩展相补充，主要利用地面通信网无法处理的地区和有特殊通信需求的人。卫星为地面蜂窝网络范围外的用户提供了更经济的移动通信服务。解决边远地区通信服务、企业专用网、洲际通信、国防通信，结合地面通信网，解决广域无缝复盖。1.4卫星通信功能，卫星移动通信和地面移动通信关系：卫星移动通信系统扩大了地面移动通信的地理和业务范围，可以为现有移动通信业务以及空中、海上和复杂地理结构的地面各种移动用户提供服务。地面移动通信网主要集中在工作量大的应用环境中，而卫星移动通信系统最适合工作量小的地区、航海、航空、地面网络不发达地区的应用环境，如果地面网络过载或出现故障，则用作迂回网络。1.4卫星通信的特点，卫星通信在中国的特殊位置：广阔的领土；人口多。地区发展不平衡。中国的60%左右是海洋、高山、沙漠、草原等地面网络盲点，通信困难会妨碍人们的生存。，1.4卫星通信的特性，1.5卫星通信系统的业务类型，ITU定义的卫星通信系统的业务类型有三种。固定卫星业务FSS(Fixedsatelliteservice)移动卫星业务mobile lesellites(MSS)广播卫星业务广播卫星业务BSS (broadcasting satellites)，1.5卫星通信系统的业务类型从应用程序的角度看，卫星通信可以分为四个阶段第一阶段：主要用于国际通信；步骤2:开始提供电视传输；第三阶段：提供国内大众通信和各种私人网络通信；步骤4:提供卫星移动通信。卫星通信系统通常支持：1、卫星视频广播服务2、卫星电话等交互式业务3、数据通信和互联网服务4、卫星移动通信服务、1.5卫星通信系统的业务类型、卫星通信的其他应用：卫星导航卫星遥感(对空和对地遥感)气象观测地球资源勘探、海洋监视侦察(包括照片侦察和电子侦察)、载人航天远程教育、远程医疗预警支持、1.5卫星通信系统的业务类型。1.6卫星通信的发展趋势，(1)现有c、Ku波段同步轨道卫星保持稳定发展，逐步用大容量(应答器数量约50个)、高功率(功率8000瓦至15000瓦)、长寿命(寿命约15年)的新系统代替现有系统。同步卫星向大容量、多波束、智能方向发展。Ka波段静止轨道卫星系统逐渐实用，卫星通信网从覆盖美洲地区的echostar-Ka、PAS、ASTROLINK等窄带转换为宽带。(2)小型卫星、纳威、皮卫星的迅速发展，小型卫星通信地面站得到了广泛应用。小型低功耗卫星系统正在快速运行，以实现电子Sat、GEAmerican、GEMnet等低速数据传输。(3)静止轨道资源非常有限，因此ITU建议采用中低轨道、高倾斜椭圆轨道和IGSO轨道。(4) 1997年9月26日，美国FCC频率申请计划的新周期开始，q、v段新系统陆续推出，企业开始申请q和v段新系统。(5)无线互联网、多播和交互式电视、移动语音、数据通信、数字视频广播(DVB)和数字音频广播(DAB)，用于家庭和个人用户、多媒体通信、多媒体通信终端在多个频段上工作，支持多种连接、调制、编码、波特率变化等集成业务。1.6卫星通信的发展趋势，(7)宽带低轨道系统加快了高速数据和视频电话传输的开发。teledes IC系统包括288颗卫星在内，在kar乐队工作，寿命设计为10年左右。(8)现有卫星通信系统已形成了新的进化方案，以适应新技术开发和系统容量的更大要求，其中，Iridium系统运行的卫星数量从66个增加到96个。(9)天地网络不断融合。卫星通信与有线电视、宽带互联网、移动互联网等融合在一起。(10)新技术得到广泛应用。卫星交换和处理，多波速度天线等。1.6卫星通信的发展趋势，附录：通信卫星分类，按轨道：GEO，HEO，MEO，LEO。按工作区域：国际通信卫星、国内通信卫星、区域通信卫星。各应用领域：广播电视卫星、跟踪和数据中继卫星、军事通信卫星(例如战略、战术通信卫星、舰队通信卫星、军事数据转发卫星等)。图1-14大气中的自由电子，离子、氧、水蒸气分子对无线电波的吸收衰减，1.4卫星通信的工作波段，图1-15宇宙与大气噪音和频率的关系，1.4卫星通信的工作频带，宇宙噪音(冷)，宇宙噪音(热)，大气噪音，图1-16雨，雾，云引起的吸收衰减，1.4卫星通信的操作带，静止卫星组成的几何关系，当“太阳-卫星-地球”排成一行时，就会发生“日凌”，这时卫星位于照明最强的位置，受到太阳辐射的干扰，太阳产生的强烈噪音由天线引入，这是每年春分(3月21日)和秋分(9月22日)前后约6天的时间，日陵中断条件，日陵，至圣式，“太阳-地