第6章卫星通信系统

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16.1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2

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，在两个或多个地面站之间进行的通信过程或方式。卫星通信属于宇宙无线电通信的一种形式，工作在微波频段，是微波通信发展的一种特殊形式。宇宙通信是以宇宙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：6.1概述（1）地球站与宇宙站间的通信；（2）宇宙站之间的通信；（3）通过宇宙站的转发或反射进行的地球站之间的通信。人们常把第三种形式称为卫星通信。宇宙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。

卫星通信是在地面微波中继通信和空间技术的基础上发展起来的。微波中继通信是一种“视距”通信，即只有在“看得见”的范围内才能通信。而通信卫星的作用相当于离地面很高的微波中继站。由于作为中继的卫星离地面很高，因此经过一次中继转接之后即可进行长距离的通信。图18―1是一种简单的卫星通信系统示意图，它是由一颗通信卫星和多个地面通信站组成的。图18―1卫星通信示意图

由图18―1可见，离地面高度为he的卫星中继站，看到地面的两个极端点是A和B点，即S长度将是以卫星为中继站所能达到的最大通信距离。其计算公式为

式中，R0为地球半径，R0=6378km；θ为AB所对应的圆心角（弧度）；he为通信卫星到地面的高度，单位为km。上式说明，he越高，地面上最大通信距离越大。

（1）he=500km时，由公式求得S=4892km；

（2）he=35800km时，S=18100km。由于卫星处于外层空间，即在电离层之外，地面上发射的电磁波必须能穿透电离层才能到达卫星；同样，从卫星到地面上的电磁波也必须穿透电离层，而在无线电频段中只有微波频段恰好具备这一条件，因此卫星通信使用微波频段。

目前大多数卫星通信系统选择在下列频段工作：

(1)UHF波段（400/200MHz）；

(2)L波段（1.6/1.5GHz）；

(3)C波段（6.0/4.0GHz）；

(4)X波段（8.0/7.0GHz）；

(5)K波段（14.0/12.0；14.0/11.0；30/20GHz）。由于C波段的频段较宽，又便于利用成熟的微波中继通信技术，且天线尺寸也较小，因此，卫星通信最常用的是C波段。6.1.1通信卫星的种类

目前，通信卫星的种类繁多，按不同的标准有不同的分类。下面我们给出几种常用的卫星种类。

(1)按卫星的结构可分为：无源卫星和有源卫星两类。无源卫星是运行在特定轨道上的球形或其它形状的反射体，没有任何电子设备，它是靠其金属表面对无线电波进行反射来完成信号中继任务的。在20世纪50~60年代进行卫星通信试验时，曾利用过这种卫星。

目前，几乎所有的通信卫星都是有源卫星，一般多采用太阳能电池和化学能电池作为能源。这种卫星装有收、发信机等电子设备，能将地面站发来的信号进行接收、放大、频率变换等其它处理，然后再发回地球。这种卫星可以部分地补偿在空间传输所造成的信号损耗。图18―2通信卫星轨道示意图(2)按通信卫星的运行轨道可分为：①赤道轨道卫星（指轨道平面与赤道平面夹角φ=0°）；②极轨道卫星（φ=90°）；③倾斜轨道卫星（0°<φ<90°）。所谓轨道就是卫星在空间运行的路线。见图18―2。(3)按卫星离地面最大高度h的不同可分为：①低高度卫星h<5000km；②中高度卫星5000km<h<20000km；③高高度卫星h>20000km。(4)按卫星与地球上任一点的相对位置的不同可分为：同步卫星和非同步卫星。同步卫星是指在赤道上空约35800km高的圆形轨道上与地球自转同向运行的卫星。由于其运行方向和周期与地球自转方向和周期均相同，因此从地面上任何一点看上去，卫星都是“静止”不动的，所以把这种对地球相对静止的卫星简称为同步（静止）卫星，其运行轨道称为同步轨道。

非同步卫星的运行周期不等于（通常小于）地球自转周期，其轨道倾角、轨道高度、轨道形状（圆形或椭圆形）可因需要而不同。从地球上看，这种卫星以一定的速度在运动，故又称为移动卫星或运动卫星。不同类型的卫星有不同的特点和用途。在卫星通信中，同步卫星使用得最为广泛，其主要原因是：第一，同步卫星距地面高达35800km，一颗卫星的覆盖区（从卫星上能“看到”的地球区域）可达地球总面积的40%左右，地面最大跨距可达18000km。因此只需三颗卫星适当配置，就可建立除两极地区（南极和北极）以外的全球性通信。如图18―3所示。图18―3全球卫星通信系统示意图

图中，每两颗相邻卫星都有一定的重叠覆盖区，但南、北两极地区则为盲区。目前正在使用的国际通信卫星系统就是按这个原理建立的，其卫星分别位于大西洋、印度洋和太平洋上空。其中，印度洋卫星能覆盖我国的全部领土，太平洋卫星覆盖我国的东部地区，即我国东部地区处在印度洋卫星和太平洋卫星的重叠覆盖区中。

第二，由于同步卫星相对于地球是静止的，因此，地面站天线易于保持对准卫星，不需要复杂的跟踪系统；通信连续，不像卫星相对于地球以一定的速度运动时那样，需要变更转发当时信号的卫星而出现信号中断；信号频率稳定，不会因卫星相对于地球运动而产生多卜勒频移。当然，同步卫星也有一些缺点，主要表现在：两极地区为通信盲区；卫星离地球较远，

故传输损耗和传输时延都较大；同步轨道只有一条，能容纳卫星的数量有限；同步卫星的发射和在轨测控技术比较复杂。此外，在春分和秋分前后，还存在着星蚀（卫星进入地球的阴影区）和日凌中断（卫星处于太阳和地球之间，受强大的太阳噪声影响而使通信中断）现象。非同步卫星的主要优缺点基本上与同步卫星相反。由于非同步卫星的抗毁性较高，因此也有一定的应用。6.1.2卫星通信发展简史卫星通信的起源20一、世界卫星通信的发展历史1945年ClarkeA.C.提出三颗同步卫星覆盖全球1957年前苏联发射世界上第一颗卫星Sputnik1963年美国发射世界上第一颗同步轨道卫星SYNCOM1964年INTERSAT成立1965年第一颗商用同步卫星“晨鸟”进入轨道1975年第一次通过卫星成功实现直接广播试验卫星通信的发展历史（续）1979年INMARSAT成立1982年国际海事卫星通信进入运行1984年第一个DTH系统在日本进入运行1987年INMARSAT成功进行地面移动卫星通信试验1989～1990年INMARSAT将全球移动卫星通信业务扩展到地面和空间移动通信领域1995年WRC对非静止轨道卫星系统分配新频谱；商用LEO卫星系统ORBCOM第一次传送低速数据试验成功1998年通过LEO星座引入手机通信业务1999~2000年引入卫星直接广播语音业务2000~2005年引入宽带个人通信，Ka频段发展迅速二、中国卫星通信的发展中国第一颗试验卫星“东方红一号”于1970年4月24日发射成功，重37Kg，运转周期110分钟，绕地球一周，以旋极化的全球波束向全球广播“东方红乐曲”。东方红一号中国卫星发展史（续）1984年8月8日成功发射第一颗同步轨道试验通信卫星“东方红二-1”，定位在125°E，重433Kg，携带2个8W的C频段转发器，以全球波束辐射，中心波束为23.4dBW。1986年2月1日“东方红二号-2“成功定位在103°E，携带2个C频转发器，以区域椭圆波束辐射传送，重433Kg，中心波束为34.5dBW。携带2个8W的C频段转发器，以全球波束辐射，中心波束为23.4dBW。中国卫星发展史（续）1988年3月7日“东方红二号甲-1“简称“东二甲-1“，对外称“中卫一号“定位在87.5°E，波束中心指向101.7°E，34.11°N，中心波束为36dBW。4个C频段转发器，二个8W，二个10W，以区域椭圆波束辐射传送。卫星重441Kg，寿命7年。1990年2月4日“东方红二号甲3“简称“东二甲3“，对外称“中卫三号“定位在98°E，波束中心指向103.23°E，33.84°N，中心波束36dBW。4个C频段转发器以区域椭圆波束辐射传送。卫星重441Kg。中国卫星发展史（续）1991年12月28日“东方红三号”发射但卫星定位失败。1993年7月“中星五号”卫星启用，定位115.5o，播出8个省级节目。1996年7月3日『亚太一A』在西昌发射中心成功发射，本卫星和『亚太一号』相同为C频段双极星，定位于东经134°E，台湾地区信号覆盖强度为37dBm，接收容易。1997年5月11日新的“东方红三号”又称为“中卫6号”发射成功，它是新型大功率的卫星，携带24个C频段转发器，定位125°E。中国卫星发展史（续）1998年5月30日新的“中卫一号”发射成功。它是第一颗携带Ku频段的新型大功率的卫星，携带18个

C频段转发器，定位在87.5°E。1998年7月18日“鑫诺一号”发射成功。携带14个Ku频段转发器和24个C频段转发器和一对C-Ku频段互联转发器，定位在110.5°E。中国卫星发展史（续）2003年10月21日11时16分，太原卫星发射中心用“长征”四号乙运载火箭成功地将中国与巴西联合研制的第二颗“资源一号”卫星和中国科学院研制的“创新一号”小卫星送入太空。火箭发射13分钟后，“资源一号”卫星进入太阳同步轨道。火箭继续飞行约40秒后，“创新一号”卫星与火箭分离，进入预定轨道。中国卫星发展史（续）2003年10月15日，神州五号在酒泉卫星发射中心成功发射。2005年10月12日，神州六号在酒泉卫星发射中心成功发射。2008年9月25日，神州七号在酒泉卫星发射中心成功发射。神州五号中国卫星发展史（续）2006年10月29日“鑫诺二号”卫星在西昌发射成功，但是在定点过程中出现技术故障，致使太阳帆板二次展开和通信天线展开未能完成，无法提供通信广播传输服务2000年10月31日、12月21日、2003年5月25日、2007年2月3日先后成功发射四颗北斗导航试验卫星

2007年4月14日中国成功发射了第一颗北斗导航卫星北斗导航试验卫星一号（Beidou-1）中国卫星发展史（续）2007年6月1日“鑫诺三号”卫星在西昌发射成功，轨道位置：E125o，覆盖中国及周边国家和地区。2008年4月25日中国首颗数据中继卫星“天链一号01星”在西昌发射成功，其任务是为卫星、飞船等航天器提高数据中继和测控服务2009年4月15日第2颗北斗导航卫星在西昌卫星发射中心成功发射2010年1月17日第3颗北斗导航卫星在西昌卫星发射中心成功发射三、卫星通信在广播电视中的应用

20世纪80年代初期，国务院决定将广播电视业务做为卫星技术应用的一个方面，列入国家的发展计划。•1985年开始，研制和发射了“东方红二号”卫星，通过卫星传送CCTV1和CCTV2电视节目以及中央的多路声音广播节目。•

进入90年代，各省电视台纷纷申请用卫星传本省的广播电视节目。•

到1998年，全国的31个省级电视台节目全部上星传输，加上中央电视台的9套节目，共有44套电视节目在卫星上传输。•于1999年初，中广影视卫星有限公司（CBSat）开始了卫星直播（DTH）试验播出，将中央电视台和各省电视台40多套电视节目集中打包在鑫诺卫星（SINOSat）上播出。

卫星通信系统以通信卫星为中继站，与其它通信系统相比较，卫星通信有如下特点：

(1)覆盖区域大，通信距离远。一颗同步通信卫星可以覆盖地球表面的三分之一区域，因而利用三颗同步卫星即可实现全球通信。它是远距离越洋通信和电视转播的主要手段。6.1.3卫星通信的特点(2)具有多址连接能力。地面微波中继的通信区域基本上是一条线路，而卫星通信可在通信卫星所覆盖的区域内，所有四面八方的地面站都能利用这一卫星进行相互间的通信。我们称卫星通信的这种能同时实现多方向、多个地面站之间的相互联系的特性为多址连接。(3)频带宽，通信容量大。卫星通信采用微波频段，传输容量主要由终端站决定，卫星通信系统的传输容量取决于卫星转发器的带宽和发射功率，而且一颗卫星可设置多个（如IS-Ⅶ有46个）转发器，故通信容量很大。例如，利用频率再用技术的某些卫星通信系统可传输30000路电话和4路彩色电视。(4)通信质量好，可靠性高。卫星通信的电波主要在自由（宇宙）空间传播，传输电波十分稳定，而且通常只经过卫星一次转接，其噪声影响较小，通信质量好。通信可靠性可达99.8%以上。

(5)通信机动灵活。卫星通信系统的建立不受地理条件的限制，地面站可以建立在边远山区、海岛、汽车、飞机和舰艇上。(6)电路使用费用与通信距离无关。地面微波中继或光缆通信系统，其建设投资和维护使用费用都随距离而增加。而卫星通信的地面站至空间转发器这一区间并不需要投资，因此线路使用费用与通信距离无关。

(7)对卫星通信系统也有一些特殊要求：一是由于通信卫星的一次投资费用较高，在运行中难以进行检修，故要求通信卫星具备高可靠性和较长的使用寿命；二是卫星上能源有限，

卫星的发射功率只能达到几十至几百瓦，因此要求地面站要有大功率发射机、低噪声接收机和高增益天线，这使得地面站比较庞大；三是由于卫星通信传输距离很长，使信号传输的时延较大，其单程距离（地面站A→卫星转发→地面站B）长达80000km，需要时间约270ms；双向通信往返约160000km，延时约540ms，所以，在通过卫星打电话时，通信双方会感到很不习惯。存在日凌现象。当卫星处于太阳和地球之间的一条线上时，地面卫星天线在对准卫星接收信号时会因为对准了太阳，而受到太阳的辐射干扰，从而造成每天有几分钟的通信中断。产生星蚀现象。当地区处于太阳和卫星之间的一条线上时，由于地球对卫星的遮蔽，卫星处在地球的阴影中而产生星蚀，对同步轨道卫星来说，太阳能电池无法使用，此时必须有卫星自带的电能供电。地球高纬度地区的通信效果较差，并且两极地区为通信盲区。416.1.4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。426.1.4卫星通信的工作频段微波频段频率范围（GHz）微波频段频率范围（GHz）微波频段频率范围（GHz）L1~2K18~26E60~90S2~4Ka26~40W75~110C4~8Q33~50D110~170X8~12U40~60G140~220Ku12~18V50~75Y220~32543

根据卫星通信系统的任务，一条卫星通信线路要由发端地面站、上行线路、卫星转发器、下行线路和收端地面站组成，如图18―4所示。6.1.5卫星通信系统的组成图18―4卫星通信线路组成框图

其中上行线路和下行线路就是无线电波传播的路径。为了进行双向通信，每一地面站均应包括发射系统和接收系统。由于收、发系统一般是共用一副天线，因此需要使用双工器以便将收、发信号分开。地面站收、发系统的终端，通常都是与长途电信局或微波线路连接。地面站的规模大小则由通信系统的用途而定。转发器的作用是接收地面站发来的信号，经变频、放大后，再转发给其它地面站。卫星转发器由天线、接收设备、变频器、发射设备和双工器等部分组成。6.1.5卫星通信系统的组成47

在卫星通信系统中，各地面站发射的信号都是经过卫星转发给对方地面站的，因此，除了要保证在卫星上配置转发无线电信号的天线及通信设备外，还要有保证完成通信任务的其它设备。一般来说，一个通信卫星主要由天线系统、通信系统、遥测指令系统、控制系统和电源系统五大部分组成，如图18―5所示。49通信卫星的组成6.1.5卫星通信系统的组成501、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，其任务是把接收的信号放大，并利用变频器交换成下行频率后再发射出去。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。

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(1)透明转发器这类转发器接收到地面站发来的信号后，除进行低噪声放大、变频、功率放大外，不作任何处理，只是单纯地完成转发任务。也就是说，它对工作频带内的任何信号都是“透明”的通路。透明转发器有双变频和单变频两种，前者的优点是中频增益高（可达80～100dB），电路工作稳定，曾用于国际通信卫星IS―I。其缺点是中频频带窄，不适于多载波工作，已很少使用。单变频转发器是先将输人信号直接放大，再变频为下行频率，经功率放大后转发给地面站。单变频转发器实际上是微波放大式转发器，射频带宽可达500MHz，且由于其输入、输出特性的线性良好，允许多载波工作，适于多址连接，因此得到广泛使用。6.1.5卫星通信系统的组成52单变频转发器6.1.5卫星通信系统的组成53双变频转发器(2)处理转发器指除了信号转发外，还具有信号处理功能的转发器。与上述双变频透明转发器相比，处理转发器只是在两级变频器之间增加了信号的解调器、处理单元和调制器。先将信号解调，便于信号处理，再经调制、变频、功率放大后发回地面。6.1.5卫星通信系统的组成55星上处理转发器6.1.5卫星通信系统的组成562、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。

天线系统包括通信用的微波天线和遥测遥控系统用的高频（或甚高频）天线。微波天线根据波束的宽、窄又可分为覆球波束天线、区域波束天线和点波束天线。对静止卫星来说卫星覆球波束天线的波束宽度约为17°～18°，其增益可达18dB；点波束天线因波束较窄而具有较高的增益，用来把辐射的电磁波功率集中到地球上较小的区域内。

通信微波天线的波束应对准地球上的通信区域。但是，对于采用自旋稳定方式以保持姿态稳定的静止卫星，由于卫星是旋转的，故要采用消旋天线，才能使波束始终对准地球。常用的有机械消旋天线和电子消旋天线，其消旋原理是用机械的方法或电子的方法，让天线的旋转方向与卫星自旋方向相反，而两者的旋转速度相等，以保证天线波束始终朝着地球上需要通信的区域。

遥测指令天线用于卫星进入静止轨道之前和之后，能向地面控制中心发射遥测信号和接收地面的指令信号。这种天线为甚高频全方向性天线，通常采用倾斜式绕杆天线和螺旋天线等天线。3.跟踪、遥测指令系统跟踪设备用来为地球站跟踪卫星发送信标。遥测指令系统包括遥测和遥控指令系统两个部分。遥测部分的作用是在地球上测试卫星的各种设备的工作情况，包括表示有关部分电流、电压、温度等工作状态的信号；来自各传感器的信息；指令证实信号以及作控制用的气体压力等等。上述各种数据通过遥测系统送往地面监测中心，这些数据传送的方法与通信过程相似，即先通过多路复用、放大、编码等处理后，再调制和传输。

遥控指令系统包括对卫星进行姿态和位置控制的喷射推进装置的点火控制指令，行波管高压电源的开、关控制指令，发生故障的部件与备用部件的转换指令，以及其它由地面对卫星内部各种设备的控制指令等等。指令信号由地面的控制站发出，在卫星转发器内被分离出来。经检波、解码后送至控制设备，以控制各种执行机构实施指令。

4、控制系统控制系统包括位置控制和姿态控制两部分。位置控制系统用来消除“摄动”的影响，以便使卫星与地球的相对位置固定。位置控制是利用装在星体上的气体喷射装置由地面控制站发出指令进行工作的。当卫星有“摄动”现象时，卫星上的遥测装置就发给地面控制站遥测信号，地面控制站随即向卫星发出遥控指令，以进行位置控制。

姿态控制是使卫星对地球或其它基准物保持正确的姿态，即卫星在轨道上立着还是躺着。卫星姿态是否正确，不仅影响卫星上的定向通信天线是否指向覆盖区，还会影响太阳能电池帆板是否朝向太阳。5、电源系统通信卫星的电源要求体积小、重量轻和寿命长。常用的电源有太阳能电池和化学能电池。平时主要使用太阳能电池，当卫星进入地球的阴影区（即星蚀）时，则使用化学能电池。太阳能电池由光电器件组成。由太阳能电池直接供出的电压是不稳定的，必须经电压调整后才能供给负载。化学能电池可以进行充电和放电。如镍镉蓄电池。平时由大阳能电池给它充电，当卫星发生星蚀时，由太阳能电池转换为化学能电池供电。

6、卫星通信地面站在前面已经讲过，任何一条卫星通信线路都包括发端和收端地面站、上行和下行线路以及通信卫星转发器。可见，地面站是卫星通信系统中的一个重要组成部分。地面站的基本作用是向卫星发射信号，同时接收由其它地面站经卫星转发来的信号。根据卫星通信系统的性质和用途的不同；可有不同形式的地面站。例如，按站址的固定与否、G/T值的大小、用途、天线口径以及传输信号的特征等多种方法来分类。(1)按站址特征分类：可分为固定站、移动站（如舰载站、机载站和车载站等）、可拆卸站（短时间能拆卸转移地点的站）。

(2)按G/T值分类：地面站性能指数G/T值是反映地面站接收系统的一项重要技术性能指标。其中G为接收天线增益，T为表示接收系统噪声性能的等效噪声温度。G／T值越大，说明地面站接收系统的性能越好。

目前，国际上把G/T≥35dB/K的地面站定为A型标准站，把G/T≥31.7dB/K的站定为B型标准站，而把G/T＜31.7dB/K的站称为非标准站。

(3)按用途分类：可分为民用、军用、广播、航海、实验等地面站。

(4)按天线口径分类：可分为1米站、5米站、10米站以及30米站等等。

(5)按传输信号的特征分类：可分为模拟通信站和数字通信站。

地面站种类繁多，大小不一，所采用的通信体制也不同，因而所需的设备组成也不一样，但基本组成大同小异。典型的地面站由天线系统、发射系统、接收系统、终端系统、监控系统、电源系统、地面接口及传输分系统等组成，如图18―6所示。

图18―6地面站设备组成

天线系统完成发送信号、接收信号和跟踪卫星的任务，是决定地面站容量与通信质量的关键组成之一。天线系统只包括天线、馈线和跟踪设备三个部分。发射系统的主要作用是将终端系统送来的基带信号进行调制，再经过上变频和功率放大后馈送给天线发往卫星。接收系统的主要作用是将天线系统收到的由卫星转发下来的微弱信号进行放大、下变频和解调，并将解调后的基带信号送至终端系统。

终端系统有两个作用：一个是对经地面接口线路传来的各种用户信号分别用相应的终端设备对其进行转换、编排及其它基带处理，形成适合卫星信道传输的基带信号；第二个作用是将接收系统收到并解调的基带信号进行与上述相反的处理，然后经地面接口线路送到各有关用户。电源系统对所有通信设备及辅助设备供电。监控系统通过监控台监测各种设备是否发生故障、主要设备的工作参数是否正常等，便于及时处理，以及有效地对设备进行维护管理。6.1.6卫星通信系统的分类72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。6.1.6卫星通信系统的分类73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。6.1.6卫星通信系统的分类74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。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756.2.1卫星运动的基本规律76开普勒第一定律—轨道定律：卫星以地心为一个焦点做椭圆运动。

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。卫星绕地心运动的轨道方程为：式中：r为卫星的地心距离；为轨道椭圆的半长轴；

为轨道椭圆的偏心率；

为其近地点角，它描述了任意时刻卫星在轨道上相对于近地点的位置。图1椭圆轨道的示意图6.2.1卫星运动的基本规律78开普勒第二定律—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。

即在单位时间内，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。V为卫星在轨道上的瞬时速度。其中a为椭圆轨道的半长轴，r为卫星到地心的距离。u为开普勒常数，u值为398601.58*109m3/s26.2.1卫星运动的基本规律79开普勒第三定律—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。则卫星运动轨道椭圆的半长轴确定后，就可确定卫星运行的平均角速度。为开普勒常数，即地心引力常数，其值为398601.58*109m3/s2。6.2.2卫星轨道分类80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。6.2.2卫星轨道分类81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。

(1)地球非球形引起的摄动，表现为：卫星的轨道面绕地轴缓慢转动近地点位置变化（2）大气阻力的影响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

地球形状不规则大气阻力太阳和月球引力等6.2.3卫星轨道的摄动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83多址通信是指卫星天线波束覆盖区内的任何地球站可以通过共同的卫星进行双边或多边通信联接，常称之为“多址联接”。卫星通信的一个基本特点是，能进行多址通信(多址联接)。系统中的各地球站均向卫星发送信号，卫星将这些信号混合并作必要的处理(如放大、变频等)与交换(如不同波束之间的交换)，然后向地球某—区域转发或向地球的某些区域分别转发。多址通信示意图多址联接方式要解决的问题：（1）、用怎样的信号传输方式，才能使接收站从这些信号中识别出发给本站的信号并知道发自何站?（2）、怎样使转发器中进行混合的各站信号间的相互干扰尽量小?

在卫星通信中，信号的分割和识别可以利用信号的任一种参量（如频率、时间等）来实现。考虑到实际存在的噪声和其它因素的影响，最有效的分割和识别方法则是设法利用某些信号所具有的正交性，来实现多址联接。卫星通信的多址连接技术主要采用四种方式，即频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、空分多址（SDMA）和码分多址（CDMA）。86

1、在多个地球站共用卫星转发器的通信系统中，按不同配置的射频频率来区别地址(地球站)的方式，就是——频分多址(FDMA)。

简单、可靠、便于实现是FDMA突出的优点频分多址的特点：（1）、属于功率受限通信系统，要求系统进行严格的功率控制。当地址或通路增加到一定程度时，卫星的射频功率已被占用无余，而频带还有富裕，这样的卫星通信系统称为功率受限系统。（2）、为了避免因载频漂移致使各载波频谱重叠，产生“邻道干扰”在各载波占用的频带之间，要留有一定的间隙作为保护频带。（3）、要减小互调干扰。6.3.1频分多址频分多址示意图：时分多址——各地球站在定时同步系统的控制下，只能在指定的时隙内向卫星发射信号，使各地球站的信号在时间上互相分开互不重叠。1、时分多址的特点：由于用时隙区分地址，所以网中各地球站可以使用相同的射频，并且任何时刻通过转发器的只有一个站发出的信号，因而转发器处于单载波工作状态，不存在FDMA方式的互调问题；卫星功率利用率可达90％以上；频带几乎可以全部利用；容量在一定程度上与地球站数目无关；通信容量比FDMA大得多。6.3.2时分多址2、TDMA系统工作原理和帧结构帧——在TDMA方式中，卫星转发器以循环的方式将时隙分配给各站使用，循环的一个重复周期称为一帧。分帧——每一帧中各站使用的时隙称为分帧。TDMA系统工作示意图：TDMA系统的帧结构：码分多址的基本原理：码分多址方式中区分不同地址信号的方法是：利用适当的周期性码序列作为地址信息(称为地址码)，对被用户信息调制过的裁波进行再次调制，使其频谱大为展宽(称为扩频调制)；经卫星信道传输后，在接收端以本地产生的已知地址码为参考，根据相关性的差异对收到的所有信号进行鉴别，从中将地址码与本地地址码完全一致的宽带信号还原为窄带选出，其它与本地地址码无关的信号则仍保持或扩展为宽带信号而滤去(称为相关检测或扩频解调)。

常用的扩频调制有两种：（1）直接序列码分多址系统（2）跳频码分多址系统6.3.3码分多址1、直接序列码分多址系统信码恢复条件：

收发两端PN序列码结构相同并同步。特点：

有很强的抗干扰能力和保密性。2、跳频码分多址系统

原理：利用伪随机码（PN）去控制频率合成器，产生一组在一个宽范围内频率随PN地址码跳动的调制信号，调制信号调制信码；在接收端，用与发射端完全相同的跳频信号解调，达到恢复信号的目的。

空分多址方式是指在卫星上安装多个天线，这些天线的波束分别指向地球表面上的不同区域。不同区域的地面站所发射的电波在空间不会互相重叠，即使在同一时刻，不同区域的地面站使用相同的频率来工作，它们之间也不会形成干扰。即用天线波束的方向性来分割各不同区域的地面站的电波，使同一频率能够再用，从而容纳更多的用户。与此同时，当然也就要求天线波束的指向非常准确。6.3.4空分多址96

空分多址

简言之，所谓空分多址就是利用天线波束将空间分割出互不重叠的多个逻辑信道，以满足同频、同时向多点通信的目的。注意这里的逻辑信道和物理信道都是指无线电信道。一个通信区域内如果有几个地面站，则它们之间的站址识别还要借助FDMA或TDMA技术。所以，在实际应用中，一般不单独使用SDMA方式，而是与其它多址方式相结合。上述四种多址方式的比较参见教材P127表6-2。986.4VSAT系统6.4.1VSAT网的组成6.4.2VSAT的工作过程99

VSAT——即甚小天线地球站，由于天线口径可以做得很小，所以称之甚小天线地球站。VSAT是一种工作在C频段（4一6GHz）或Ku频段（11一14GHZ）的一种小型高度软件控制的卫星地球站。用途——可以实现VSAT终端用户之间的数据、话音、传真、广播、图像、电视等通信。

VSAT网络的主要优点有：

（1）经济效益好。VSAT网在通信距离远、范围大的情况下，一般比其它通信手段便宜20％～50％，并且系统拥有的远端小站越多，其单位成本越低，规模效益越好。

（2）组网灵活，在VSAT网络中增加、减少或搬迁VSAT站都十分容易，网中用户不受地理位置及复杂的通信线路限制。

（3）信道误码率低，容易构成端对端的独立专用通信网。

应用现况——在发达国家目前VSAT已广泛应用于工业、农业，建筑业、运输业、金融业、外贸等，并被有效地用于解决边远地区的通信。我国目前采用VSAT组建的行业、地区专用计算机通信网主要有中国人民银行金融卫星数据通信专用网、外贸部卫星数据专用网、新华社卫星主站报版远程传输系统、民航VSAT专用网、上海浦东VSAT卫星通信专用网等。1、VSAT网的组成——主站、卫星、远端小站6.4.1VSAT网的组成6.4.1VSAT网的组成1051、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。6.4.1VSAT网的组成1062、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。6.4.1VSAT网的组成1073、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。6.4.2VSAT的工作过程108

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”。6.4.2VSAT的工作过程1091、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。6.4.2VSAT的工作过程110TDM帧结构6.4.2VSAT的工作过程1112、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。

6.4.2VSAT的工作过程112TDMA信道帧结构6.4.3VSAT分类及特点分类方式：（1）按安装方式固定式、车载式、机载式、手提式、船载式等等（2）按主要业务分类小数据站、小通信站、小电视单收站（TVRO）（3）按网络结构分类星型结构、网型结构、混合结构（4）按收发方式分类单收、单发、双向（5）按业务性质分类固定业务、移动业务（6）按支持的业务类型分类其他分类法：根据天线口径、调制类型、传输速率等因数分类例如超小型终端USAT系统，天线口径小到0.25米

VSAT的主要特点：教材P1316.5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1166.5.1全球定位系统（GPS）117GPS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）6.5.1全球定位系统（GPS）1186.5.1全球定位系统（GPS）119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55º，各个轨道平面之间夹角为60º，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。

6.5.1全球定位系统（GPS）120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。6.5.1全球定位系统（GPS）121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。6.5.1全球定位系统（GPS）122GPS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。

6.5.2Galileo全球卫星导航定位系统123Galileo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6.5.2Galileo全球卫星导航定位系统124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56º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