现代卫星通信技术

1、现代卫星通信技术现代卫星通信技术 电子工业出版社 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 内容提要内容提要 卫星通信的定义、分类、特点、工作频段及基本组成。 卫星的种类、运动轨道及覆盖范围。 静止卫星的设置及主要观察参数的计算。 卫星的组成及各组成部分的主要功能。 卫星的主要技术指标。 多址技术。 地球站的分类及其性能要求。 地球站的组成及各部分的主要功能。 VAST卫星通信系统的特点、构成形式及工作频段。 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 1 卫星通信概述卫星通信概述 1.1 卫星通信的概念卫星通信的概念 1卫星通信的定义 卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电信号，

2、在两个或 多个地球站之间进行的通信 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 1 卫星通信概述卫星通信概述 2地球卫星的轨道 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 1 卫星通信概述卫星通信概述 3卫星通信系统的分类 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 1 卫星通信概述卫星通信概述 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 1 卫星通信概述卫星通信概述 4卫星通信的发展与应用 （1）20世纪40年代提出构想及探索。 （2）20世纪50年代进入试验阶段。 （3）20世纪60年代中期，卫星通信进入实用阶段。 （4）20世纪70年代初期，卫星通信进入国内通信阶段。 （5）20世纪80

3、年代，VSAT（Very Small Aperture Terminal）卫星通信系统 问世，卫星通信进入了一个突破性的发展阶段。 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 1 卫星通信概述卫星通信概述 卫星通信的应用如图 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 1 卫星通信概述卫星通信概述 静止卫星通信静止卫星通信 目前，绝大多数通信卫星是地球同步卫星（静止卫星）。静止卫目前，绝大多数通信卫星是地球同步卫星（静止卫星）。静止卫 星的条件如下：星的条件如下： （1）卫星的运行轨道在赤道平面内。）卫星的运行轨道在赤道平面内。 （2）卫星运行的轨道形状为圆形轨道。）卫星运行的轨道形状为圆形轨

4、道。 （3）卫星距地面的高度约为）卫星距地面的高度约为35786.6km。 （4）卫星运行的方向与地球自转的方向相同，即自西向东。）卫星运行的方向与地球自转的方向相同，即自西向东。 （5）卫星绕地球运行一周的时间恰好是）卫星绕地球运行一周的时间恰好是24h，和地球的自转周期，和地球的自转周期 相等。相等。 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 1 卫星通信概述卫星通信概述 静止卫星的特点静止卫星的特点 1. 静止卫星通信的优点静止卫星通信的优点 （1）由于卫星的高度较高，因而一颗卫星对地球表面的覆盖区域 面积大。 （2）由于卫星相对于地球表面是静止的，因此地球站不需要复杂 的跟踪系统就能

5、使自己的天线对准卫星。 （3）多谱勒频移可以忽略。 （4）通信中不会因更换卫星而使通信中断。 （5）因大气层的厚度一般认为是16km，因此，绝大部分的通信信 道位于自由空间，信道特性稳定。 2. 静止卫星通信的缺点静止卫星通信的缺点 （1）由于卫星的高度为35 786.6km，信号的传输损耗、传输时延 和回波干扰都较大。 （2）地球的两极存在“盲区”，高纬度地区通信效果不好。 （3）卫星发射和控制技术比较复杂。 （4）由于静止卫星轨道只有一条，因此，轨道上所能容纳的静止 卫星数量有限。 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 1 卫星通信概述卫星通信概述 影响静止卫星通信的因素影响静止卫星

6、通信的因素 1. 摄动摄动 （1）太阳、月亮的引力。）太阳、月亮的引力。 （2）其他原因。如地球引力不均匀，地球大气层的阻力和太阳的）其他原因。如地球引力不均匀，地球大气层的阻力和太阳的 辐射压力等也会引起卫星摄动。辐射压力等也会引起卫星摄动。 2. 星蚀星蚀 3. 日凌中断日凌中断 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 1 卫星通信概述卫星通信概述 1.3 卫星通信的工作频段卫星通信的工作频段 卫星通信工作频段的选择卫星通信工作频段的选择 在选择卫星通信的工作频段时应考虑以下因素：在选择卫星通信的工作频段时应考虑以下因素： （1）频带足够宽，能满足所传输信息的要求。）频带足够宽，能满足

7、所传输信息的要求。 （2）电波传播时产生的衰耗应尽可能小。）电波传播时产生的衰耗应尽可能小。 （3）天线系统接收到的外部噪声应尽可能小。）天线系统接收到的外部噪声应尽可能小。 （4）尽可能利用现有的通信技术和设备。）尽可能利用现有的通信技术和设备。 （5）与其他通信或雷达等微波设备之间的干扰尽可能小。）与其他通信或雷达等微波设备之间的干扰尽可能小。 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 1 卫星通信概述卫星通信概述 卫星通信的工作频段卫星通信的工作频段 1. 从传输损耗、噪声方面考虑从传输损耗、噪声方面考虑 当频率f小于10GHz时，大气层对电磁波的吸收小，但当频率f大于 10GHz后，

8、大气层对电磁波的吸收将猛增。另外，当频率f小于 1GHz时，存在的外部噪声较大，但当频率f大于1GHz时，存在的 外部噪声却很小。因此，综合以上分析，卫星通信的最佳工作频段 应在110GHz之间。 2. 从与其他通信频段的干扰考虑从与其他通信频段的干扰考虑 因为46GHz的频段已分配给地面微波中继通信使用，所以使用C 频段的卫星地面站必须建在远离城市的地方（因微波中继线路一般 集中在城市），以免发生干扰。从这个角度看，频率f选大些较好 。目前，Ku频段已广泛使用。 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 1 卫星通信概述卫星通信概述 卫星通信工作频段的现状卫星通信工作频段的现状 主波束宽度

9、主波束宽度1/2 与天线直径与天线直径D及电磁波长及电磁波长 之间的关系如下：之间的关系如下： 天线的增益 与电磁波频率成正比，即 总增益比为： 自由空间的损耗L为： D 70 2/1 2 fG 44. 5 6 14 2 56. 7 4 11 2 Ku C 5.447.564116 dB G G 2 fL 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 1 卫星通信概述卫星通信概述 1.4 卫星通信的优点卫星通信的优点 卫星通信与其他通信手段相比，具有以下一些优点：卫星通信与其他通信手段相比，具有以下一些优点： （1）通信距离远，且费用与通信距离无关。）通信距离远，且费用与通信距离无关。 （2）覆

10、盖面积大，可进行多址通信。）覆盖面积大，可进行多址通信。 （3）通信频带宽，传输容量大，适用于多种业务传输。）通信频带宽，传输容量大，适用于多种业务传输。 （4）通信线路稳定可靠，传输质量高。）通信线路稳定可靠，传输质量高。 （5）机动灵活。）机动灵活。 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 1 卫星通信概述卫星通信概述 1.5 卫星通信系统的组成 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 2 通信卫星通信卫星 2.1 通信卫星的种类通信卫星的种类 1按通信卫星的结构和运动状态分类按通信卫星的结构和运动状态分类 2按卫星形状分类按卫星形状分类 3按其业务种类分类按其业务种类分类 4按卫

11、星姿态稳定方式分类按卫星姿态稳定方式分类 5按卫星制式分类按卫星制式分类 6按卫星运行的轨道分类按卫星运行的轨道分类 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 2 通信卫星通信卫星 2.2 卫星的运动轨道和卫星的发射卫星的运动轨道和卫星的发射 人造地球卫星在空间的运动人造地球卫星在空间的运动 式中，式中，Re=6378 km，为地球半径；，为地球半径； h为卫星离地面的高度；为卫星离地面的高度； G=6.66846210-20 km3/kgs2，为万有引力常数；，为万有引力常数； M=5.977 4141024kg，为地球质量。，为地球质量。 可以计算出，当可以计算出，当h为为35 786.

12、6 km时，自然的静止卫星的离心力与地时，自然的静止卫星的离心力与地 球对卫星的引力正好抵消。球对卫星的引力正好抵消。 2 G r Mm F 2 1 3 e G 2 M hR T 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 2 通信卫星通信卫星 地球卫星轨道的极坐标表达式为：地球卫星轨道的极坐标表达式为： cos1e p r 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 2 通信卫星通信卫星 静止卫星的发射静止卫星的发射 1. 运载火箭运载火箭 2. 发射过程发射过程 （1）进入初始轨道。 （2）进入转移轨道。 （3）进入漂移轨道。 （4）进入静止轨道。 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版

13、） 2 通信卫星通信卫星 2.3 通信卫星的覆盖通信卫星的覆盖 地球覆盖区类型地球覆盖区类型 1. 全球波束全球波束 2. 半球波束半球波束 3. 区域波束区域波束 4. 点波束点波束 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 2 通信卫星通信卫星 静止卫星的覆盖范围静止卫星的覆盖范围 从静止卫星引向地球的切线所包围的区域叫做静止卫星 的覆盖区，即地球站天线仰角 =0时，正好能观察到 卫星的边缘线所包围的地面区域。该区域也就是全波束 的覆盖面积，可以计算出覆盖面积约占整个地球表面积 的42.4%。 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 2 通信卫星通信卫星 卫星卫星“共视区共视区” 如

14、图2.10所示是以A、B两地球站为中心可以看见一定高度的卫星 的圆形范围。这两个圆都是以A或B为中心，中心张角为 的点的 轨迹。 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 2 通信卫星通信卫星 2.4 静止卫星的设置及观察参数的计算静止卫星的设置及观察参数的计算 1通信卫星的设置通信卫星的设置 2静止卫星的观察参数静止卫星的观察参数 coscos2) 1( 2 e kkRd e ( coscos1) arcsin kR d sin tan arctan)sin/tanarctan(A 在地球站的西边地球站在南半球时卫星 在地球站的东边地球站在南半球时卫星 在地球站的西边地球站在北半球时卫星

15、在地球站的东边地球站在北半球时卫星 A A A A 360 180 180 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 2 通信卫星通信卫星 例例2.1 已知我国某地的地理位置为已知我国某地的地理位置为11024E（东经），（东经），2113N （北纬），现欲接收定点于（北纬），现欲接收定点于100.5E（东经）的亚卫（东经）的亚卫2号卫星的信号卫星的信 号。求该站的观察参数。号。求该站的观察参数。 解：利用观察参数的计算式（解：利用观察参数的计算式（2-7）式（）式（2-10），必须将经纬度），必须将经纬度 的单位化为的单位化为（度），即（度），即 11024=110.4 2113=21.2

16、17 式中，式中，k=（Re+h）/Re=（6 378+35786.6）/6 3786.623 经度差经度差 =110.4 100.5=9.9 纬度差纬度差 =21.217 0=21.217 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 2 通信卫星通信卫星 （1）站星距。根据式（）站星距。根据式（2-7）得：）得： （2）仰角。根据式（）仰角。根据式（2-8）得：）得： （3）方位角。因该站位于北半球且卫星位于该站的西边，得：）方位角。因该站位于北半球且卫星位于该站的西边，得： coscos2) 1( 2 e kkRd km47236217.21cos9 . 9cos623. 62) 1623

17、. 6(3786 2 e ( coscos1) arcsin kR d 7 .62 47236 3786) 1217.21cos9 . 9cos623. 6( arcsin sin tan arctan)sin/tanarctan(180180 A 7 .2057 .25180 217.21sin 9 . 9tan arctan180 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 2 通信卫星通信卫星 2.5 通信卫星的组成通信卫星的组成 控制分系统控制分系统 控制分系统由各种可控的调整装置，如各种喷气推进器、各种驱控制分系统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

18、组成。动装置和各种转换开关等组成。 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 2 通信卫星通信卫星 通信分系统通信分系统 1. 卫星天线的种类卫星天线的种类 （1）全方向天线。）全方向天线。 （2）通信天线。）通信天线。 2. 卫星通信天线的性能卫星通信天线的性能 （1）指向精度。）指向精度。 （2）频带宽度。）频带宽度。 （3）星上转接功能。）星上转接功能。 （4）极化方式。）极化方式。 （5）隔离度。）隔离度。 （6）消旋措施。）消旋措施。 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 2 通信卫星通信卫星 3. 通信中继机通信中继机 （1）双变频转发器。）双变频转发器。 （2）单变频转发

19、器。）单变频转发器。 （3）处理转发器。）处理转发器。 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 2 通信卫星通信卫星 遥测指令分系统遥测指令分系统 1遥测部分遥测部分 2遥控指令部分遥控指令部分 电源分系统电源分系统 1太阳能电池太阳能电池 2化学电池化学电池 3原子能电池原子能电池 温控分系统温控分系统 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 2 通信卫星通信卫星 2.6 通信卫星的技术指标通信卫星的技术指标 1星体参数星体参数 （1）卫星发射时间。）卫星发射时间。 （2）初始入轨时的质量。）初始入轨时的质量。 （3）卫星姿态控制方式。）卫星姿态控制方式。 （4）电源功率。）电源功率

20、。 （5）工作频段。）工作频段。 （6）卫星设计寿命。）卫星设计寿命。 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 2 通信卫星通信卫星 2通信能力通信能力 （1）卫星转发器的数量。）卫星转发器的数量。 （2）通信容量。）通信容量。 （3）每个转发器的输出功率。）每个转发器的输出功率。 （4）波束类型。）波束类型。 （5）卫星天线的功率。）卫星天线的功率。 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 3 卫星通信的多址技术卫星通信的多址技术 3.1 多址方式概述多址方式概述 多址方式与多路复用多址方式与多路复用 多址方式的信道分配技术多址方式的信道分配技术 1. 预分配方式预分配方式 在预分配

21、的卫星通信系统中，卫 星信道是预先分配给各地球站的。 2. 按需分配方式按需分配方式 为了克服预分配方式的缺点而提 出了按需分配方式，也叫做按申 请分配方式。 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 3 卫星通信的多址技术卫星通信的多址技术 3.2 频分多址（频分多址（FDMA）方式）方式 1群路单载波（群路单载波（MCPC）方式）方式 2单路单载波（单路单载波（SCPC）方式）方式 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 3 卫星通信的多址技术卫星通信的多址技术 3.3 时分多址（时分多址（TDMA）方式）方式 TS = T1+ T2+ T3+ TK 现代通信技术（第现代通信技术（第

22、3版）版） 3 卫星通信的多址技术卫星通信的多址技术 3.4 空分多址（SDMA）方式 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 3 卫星通信的多址技术卫星通信的多址技术 3.5 码分多址（码分多址（CDMA）方式）方式 码分多址（码分多址（Code Division Multiple Access）技术是靠编码的不同来）技术是靠编码的不同来 区别各个用户的。它将各用户信号用一组两两正交的序列编码来区别各个用户的。它将各用户信号用一组两两正交的序列编码来 调制，使得调制后的信号可以同时在同一个信道载频上传输而互调制，使得调制后的信号可以同时在同一个信道载频上传输而互 不干扰。在接收端，利用编

23、码的正交性，使得只有具有完全相同不干扰。在接收端，利用编码的正交性，使得只有具有完全相同 的地址码的接收机才能正确解调恢复出原始信号。的地址码的接收机才能正确解调恢复出原始信号。 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 4 卫星地球站卫星地球站 4.1 地球站的分类、组成及性能要求地球站的分类、组成及性能要求 地球站的分类地球站的分类 地球站的组成地球站的组成 1. 天线分系统天线分系统4. 信道终端设备分系统信道终端设备分系统 2. 发射机分系统发射机分系统5. 跟踪伺服设备分系统跟踪伺服设备分系统 3. 接收机分系统接收机分系统6. 电源分系统电源分系统 现代通信技术（第现代通信技术（

24、第3版）版） 4 卫星地球站卫星地球站 对地球站的性能要求对地球站的性能要求 对地球站应有以下几个方面的要求：对地球站应有以下几个方面的要求： （1）发送的信号应是宽频带的、稳定的、功率大的，能接收由卫）发送的信号应是宽频带的、稳定的、功率大的，能接收由卫 星转发器转发来的微弱信号。星转发器转发来的微弱信号。 （2）应可以传输多路电话、电报、传真以及高速数据、电视等多）应可以传输多路电话、电报、传真以及高速数据、电视等多 种业务的信号。种业务的信号。 （3）性能稳定可靠，维护使用方便。）性能稳定可靠，维护使用方便。 （4）建设成本和维护费用不应太高。）建设成本和维护费用不应太高。 现代通信技术

25、（第现代通信技术（第3版）版） 4 卫星地球站卫星地球站 地球站天线的种类地球站天线的种类 1. 抛物面天线抛物面天线 这种天线由馈源和反射器构成。 2. 卡塞格伦天线卡塞格伦天线 这种天线由馈源、抛物面主反射器和双曲面副反射器构 成。 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 4 卫星地球站卫星地球站 地球站天线的种类地球站天线的种类 1. 抛物面天线抛物面天线 这种天线由馈源和反射器构成。这种天线由馈源和反射器构成。 2. 卡塞格伦天线卡塞格伦天线 这种天线由馈源、抛物面主反射器和双曲面副反射器构成。这种天线由馈源、抛物面主反射器和双曲面副反射器构成。 地球站天线的跟踪部分地球站天线的跟

26、踪部分 对于静止卫星而言，由于总有一定的漂移，为了保证地球站天线的对于静止卫星而言，由于总有一定的漂移，为了保证地球站天线的 波束始终对准卫星，就需要天线有一定的跟踪能力。波束始终对准卫星，就需要天线有一定的跟踪能力。 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 4 卫星地球站卫星地球站 4.3 发射分系统发射分系统 1组成组成 2要求要求 对发射机分系统的主要要求是：对发射机分系统的主要要求是： （1）发射的功率大。）发射的功率大。 （2）频带宽度与天线分系统相同。）频带宽度与天线分系统相同。 （3）载频的精确度高。）载频的精确度高。 （4）放大器的线性度高。）放大器的线性度高。 （5）增益

27、稳定。）增益稳定。 3基本工作过程基本工作过程 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 4 卫星地球站卫星地球站 4.5 电源分系统电源分系统 1. 应急电源设备应急电源设备 应急电源设备是当市电发生重大故障或由于地球站增添 设备现用电源电力不足时的应急电源。 应急发电设备由两台全自动控制并联运用的柴油发电机 、高压配电盘、自动并联控制盘、启动用蓄电池及其他 补充设备构成。 2. 交流不间断电源设备交流不间断电源设备 交流不间断电源设备是向地球站，尤其是大功率发射机 提供定频率、定电压、不间断的高稳定性电源设备。 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 5 VSAT卫星通信系统卫星通信

28、系统 5.1 VSAT概述概述 大规模和超大规模集成电路技术。大规模和超大规模集成电路技术。 微波集成和固态功率放大技术。微波集成和固态功率放大技术。 高增益、低旁瓣的天线小型化技术。高增益、低旁瓣的天线小型化技术。 高效多址连接技术。高效多址连接技术。 微机软件技术。微机软件技术。 高效、灵活的网络控制和管理技术。高效、灵活的网络控制和管理技术。 分组传输和分组交换技术。分组传输和分组交换技术。 扩频、纠错和调制解调技术。扩频、纠错和调制解调技术。 数字信号处理技术。数字信号处理技术。 卫星大型化技术等。卫星大型化技术等。 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 5 VSAT卫星通信系统

29、卫星通信系统 5.2 VSAT网的组成及工作原理网的组成及工作原理 网的组成网的组成 主站（中心站）主站（中心站） 2. 小站（小站（VSAT） 3. 空间段空间段 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 5 VSAT卫星通信系统卫星通信系统 系统工作原理系统工作原理 1. 外向传输外向传输 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 5 VSAT卫星通信系统卫星通信系统 2. 内向传输内向传输 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 5 VSAT卫星通信系统卫星通信系统 5.3 VSAT分类及特点分类及特点 （1）按安装方式）按安装方式 （2）按主要业务类型）按主要业务类型 （3）按

30、）按VSAT网采用的网络结构网采用的网络结构 （4）按收发方式）按收发方式 （5）按业务性质）按业务性质 （6）按）按VSAT支持的主要业务类型支持的主要业务类型 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 5 VSAT卫星通信系统卫星通信系统 5.4 VSAT网络结构及组网形式网络结构及组网形式 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版） 5 VSAT卫星通信系统卫星通信系统 5.5 VSAT系统的工作频段系统的工作频段 5.6 VSAT网络体系结构网络体系结构 1. 数据数据VSAT网的特点网的特点 （1）通信的无层次性 （2）VSAT网是一个单结点的交换网络 （3）点-点通信与端-端通信合