第一章 卫星通信概述

第一章卫星通信概述1.1

卫星通信的基本概念和特点

1.2

卫星通信地球站

1.3卫星通信

1.4卫星通信工作频段的选择和电波传播特点

1.5卫星通信发展的动态

What’s卫星通信?1.1卫星通信的基本概念和特点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，在两个或多个地球站之间进行的通信过程或方式。卫星通信属于空间无线电通信的一种形式，工作在微波频段（300MHz～300GHz）。空间通信是以空间飞行体或通信转发体作为对象的无线电通信。它可分为三种形式：

人们常把第三种形式称为卫星通信。空间站是指地球大气层以外的宇宙飞行体（如人造卫星和宇宙飞船等）或其它星球上的通信站。地球站是指设在地面、海洋或大气层中的通信站，习惯上统称为地面站。地球站——空间站空间站——空间站地球站——地球站空间站卫星通信在卫星通信系统中，各地球站要构成双工通信，要向卫星发射信号，也要接收从卫星转发来的其他地球站发给本站的信号。★上行链路：地球站发射信号到通信卫星所经过的通信路径。★下行链路：通信卫星将信号转发到其它地球站的通信路径。立即转发方式适用前提：卫星轨道较高，地球站相距较远★低轨道移动卫星通信系统：若卫星轨道较低，地球站相距较远，如采用立即转发方式，则必须利用多颗卫星。★通信链路：同轨道通信卫星的星间链路（ISL）；不同轨道通信卫星的星际链路（IOL）。★同步卫星：卫星轨道在赤道平面内，高度约35786Km，与地球运行方向相同，且围绕地球公转周期与地球自转周期（24h）相等。主要用途：国际通信业务、国际电视转播卫星通信特点?优点：▲通信距离远，且费用与距离无关；

▲覆盖面积大，多址通信；

▲通信频带宽，传输容量大；（300MHz-3000MHz）

▲机动灵活；

▲通信链路稳定可靠，传输质量高。▲通信卫星寿命短，成本大；

▲日凌中断（太阳-卫星-地球在同一直线时，太阳干扰）和星蚀现象（卫星进入地球阴影区，太能能电池无法正常工作）；

▲电波传播时延大，且干扰强；

▲卫星通信系统技术复杂；

▲静止卫星通信在地球高纬度地球通信效果不好，两极地区为盲区。局限性卫星通信系统的组成和分类卫星通信系统组成：通信卫星、通信地球站分系统、跟踪遥测及指令分系统、监控管理分系统5▲通信卫星：由一颗或者多颗组成，起中继和转发作用。（结构：有源、无源；运动方式：同步、非同步；质量：巨（>3500kg）、大（1000~3500kg）、中（500~1000kg）、小……；地面高度：低轨（<5000km）、中轨、高轨（>20000km）、同步（35786km）。

▲通信地球站分系统：地球站和通信站业务控制中心：天馈设备、发射机、接收机、信道终端、跟踪与伺服系统。

▲跟踪遥测及指令分系统：作用对卫星跟踪测量，控制卫星准确的进入静止轨道上指定位置，并进行轨道、位置、姿态进行监视和校正。

▲监控管理分系统：对轨道上的卫星的通信性能及参数进行业务开通前后的检测控制。

卫星通信系统分类6▲按卫星制式：随机、相位和静止；

▲按覆盖区域：国际、国内、区域；

▲按用户性质：商用、专用、军用；

▲按业务：固定业务、移动业务、广播业务、科学实验业务；

▲按多址：频分多址，时分多址，码分多址和混合多址；

按基带信号：数字、模拟

▲按频段：特高频（UHF）、超高频（SHF）、极高频（EHF）和激光。1.2卫星通信地球站※地球站的分类

※地球站的组成

※卫星通信的基本工作原理

※地球站的分类6※地球站的组成（六部分）＊天线跟踪设备：用来校正地球站天线的方位和仰角，以便使天线对准卫星，包括：手动跟踪、程序跟踪、自动跟踪）8※卫星通信的基本工作原理1.3通信卫星※卫星与轨道

※通信卫星的组成

※通信卫星举例

※卫星与轨道

▲卫星运动的基本定律（开普勒三大定律）

第一定律（轨道定律）：卫星以地心为一个焦点做椭圆运动。11

第二定律（面积定律）：卫星与地心的连线在相同时间内扫过的面积相等。

第三定律（轨道周期定律）：卫星运转周期的平方与轨道半长轴的3次方成正比。

卫星瞬时速度

卫星绕地球一圈的周期▲卫星轨道的分类

按其与赤道平面的夹角：赤道轨道；倾斜轨道；逆行倾斜轨道、极地轨道。同步卫星：赤道轨道；

“铱”系统：极地轨道；

ICO卫星：顺行倾斜轨道；按偏心率：

行星探测器的行星际航行按卫星距离地面的高度

不宜运行卫星的两个带：

内、外范伦带。

原因：它们是由地磁场吸引和俘获的太阳风的高能带电离子组成，形成恶劣的电辐射环境对卫星电子设备损害极大。▲卫星轨道的摄动

理想条件下，卫星轨道是开普勒轨道，但由于一些次要因素的影响，卫星的实际轨道不断发生不同程度的偏离轨道情况，产生一定的飘移，这种现象叫摄动。14▲卫星位置保持和姿态控制位置保持：轨道平面上位置保持不变，主要靠星体喷嘴完成。▲卫星位置保持和姿态控制姿态控制？？？控制卫星保持一定的姿态，以便卫星的天线波束始终指向地球表面的服务区，同时采用太阳能电池帆板的卫星，还应使帆板始终朝向太阳。※通信卫星的组成空间平台+有效载荷1.4工作频段的选择及电波传播特点※

工作频段的选择（300MHz—300GHz）

原则或者依据：

（1）所选频段电波穿透电离层；

（2）电波传输损耗小；

（3）天线系统接收的外界噪声要小；

（4）设备重量要轻，耗电要省；

（5）频带要宽，以满足通信容量；

（6）与其它无限系统相互干扰尽量小；

（7）与现有技术设备相兼容，能配合使用。

★上行链路与下行链路的频率是不能相同的！※

电波传播的特点

▲自由空间的传播损耗

接收信号功率

倒数即自由空间传播损耗[Lp]单位：GHz单位：MHz

▲大气吸收损耗

电波在地球站与微星之间传播，势必要穿越大气层（对流层、平流层和电离层），受到自由电子和离子的吸收；雨雪等自然天气现象的吸收、散射，导致一定的衰减。弊？OR利？

▲移动卫星通信的电波传播衰落

原因：电波在移动过程中，遇到各种物体，经过绕射、反射、散射到达天线后，此时信号是合成的信号，各路径信号幅度、相位不同，产生多径衰落。

▲多普勒频移

两通信物体之间存在相对运动，必导致多普勒频移。多普勒频移危害性：如对同步卫星，因此对多普勒频移进行校正、补偿。

多普勒频移有利面：定位、测速等。1.5卫星通信发展动态※

国际卫星通信发展简史

▲20世纪40年代构想与探索

1945年10月英国阿瑟.克拉克提出了同步卫星全球无线电通信设想。

局限性：回波信号弱、时延长、通信时间短、带宽窄、失真大

▲20世纪50年代实验阶段

1957年10月前苏联第一颗人造地球卫星，美国进行了有源、无源卫

星的实验

▲20世纪60年代实用阶段

1965年4月“国际卫星通信组织”发射了“国际通信卫星”（同步卫

星，欧美大陆之间商业通信和国际通信业务）；前苏联发射了非同

步卫星“闪电-1”（电视、广播、传真等业务）

▲20世纪70年代国内通信

1972年加拿大发射了“ANIK”，国内通信业务

▲20世纪80年代VSAT问世

突破性发展阶段。

▲20世纪90年代至今

中、低轨道移动卫星

※

国际卫星通信现状

▲国际卫星固定通信现状

加拿大的“ANIK-F2”：第一颗面向大众消费者商用宽带卫星；

泰国的“iPSTAR”：通信容量最大的宽带卫星。

特点：传输网接入网；话音业务多媒体业务；IDR技术（中等数据速

率）DVB技术（数字视频广播）；面对电信面对用户。

▲国际卫星移动通信现状

静止轨道：“国际移动卫星”系统；移动卫星-2系统；亚洲蜂窝卫星系统等；

低轨道：铱系统、全球性系统

▲国际卫星直接广播现状

两类：电视直接广播和声音直接广播。

卫视频道（全球近年数量猛增）

Go2004年7月发射，加拿大Telelsat公司所有，美国波音公司生产。5950千克，全球最重的宽带、多媒体同步地球通信卫星，发射功率16KW，设计寿命15年

ANIK-F2

2005年发射，亚洲首颗新型宽带通信卫星，设计寿命12年，功率15KW；提供宽带的Internet接入、视频会议、远程教育等业务。

iPSTAR

※

国内卫星通信的发展动态※通信卫星举例商用卫星系统大LEO系统Iridium（铱卫星系统）采用66颗卫星运行在765km的6个极地、近地、近圆轨道，每个轨道分布11颗。每颗卫星展开硅电池9.28平方米，可输出500瓦功率。采用L频段提供卫星至地面用户的链路，采用Ka频段提供星际链路和卫星到地面关口和控制中心的链路。每颗卫星与同轨道上的相邻卫星间有2条星际链路，与不同轨道上的卫星间有4条星际链路。系统具有空间交换能力，并具有路有分配功能。用户可以用手提电话直接通过卫星通信，而无需通过地面网络转接。真正的全球通信系统。大LEO系统GlobalStar（全球星）采用48颗卫星，分布在8个圆形轨道，每个轨道平均分布6颗卫星。轨道高度1389km。全球星属于不单独组网系统，作用是保证全球范围内的移动用户随时通过该系统接入地面网。它与地面公共网联合组网，作为地面蜂窝网的延伸，成本比铱星低。LEO卫星Teledesic系统

Teledesic系统是迄今为止最雄心勃勃的LEO星座系统，其卫星数量之多，建造成本之高，都创下了星座系统之最，因此该计划一出笼，立即引起世人关注。在系统设计上从最初的840颗星，分布在21个轨道上，每个轨道48颗卫星，卫星高度700km，每颗卫星由64个点波束形成64个直径为1500km的圆形覆盖区。又称为“千星系统”，减至288颗星，后来又减至120颗星加6颗在轨备份。卫星高度为700km，每颗卫星用64个点波束形成相应64个直径为1500km的圆形覆盖区。它最初的目标是宽带互联网业务。几种主要系统比较GlobalstarIRIDIUMOdyssey调制QPSKQPSKQPSK前向纠错编码卷积码r=1/3;K=9卷积码r=3/4;K=7卷积码r=1/3;K=7误比特率1E-3(语音)1E-5(数据)1E-2(语音)1E-5(数据)1E-3(语音)1E-5(数据)数据速率kbps1.2-9.6（语音和数据）4.8语音2.4数据4.8语音1.2-9.6数据终端电池寿命待机24小时1小时讲话+待机23小时30分钟讲话+待机48小时卫星数486612用户频率上行用户频率下行1.610-1.62652.4835-2.5001.616-1.62651.616-1.62651.616-1.62652.4835-2.500双工方式FDDTDDFDD多址方式CDMATDMA/FDMACDMA/FDMAGPS全球卫星定位系统GPS全球定位系统（GlobalPositioningSystem-GPS）是美国从本世纪70年代开始研制，历时20

年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。早期仅限于军方使用，由美国国防部(DepartofDefense，DoD)所计划发展，其目的针对军事用途，例如战机、船舰、车辆、人员、攻击标的物的精确度定位等。时至今日，GPS早已开放给民间做为定位使用，这项结合太空卫星与通讯技术的科技，在民间市场已正在蓬勃的展开，除了能提供精确的定位之外，对于速度、时间、方向及距离亦能准确的提供讯息，运用的范围相当广泛。

GPS卫星太空示意图

北斗卫星导航系统

北斗卫星导航系统﹝BeiDou（COMPASS）NavigationSatelliteSystem﹞是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。系统建设目标是：建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的北斗卫星导航系统，促进卫星导航产业链形成，形成完善的国家卫星导航应用产业支撑