卫星通信基础知识简介

卫星通信基础知识简介2021/5/915

November

20151卫星通信1、卫星通信概述2、卫星通信特点3、卫星轨道及频段5、卫星通信系统的组成6、卫星信道多址接入方式7、卫星网络组成及结构8、VSAT4、通信卫星的组成2021/5/922卫星通信概述卫星通信是指地球上的两个或多个无线电通信站之间利用人造卫星作为中继站而进行的通信。从技术上讲，卫星通信是在地面微波中继通信和空间技术基础上发展起来的一种特殊形式的微波中继通信，它相当于将微波中继通信的中继站搬到卫星上。5

November

20152021/5/93卫星地球站

B

本地应用

如：数据、

话音、视频本地应用如：数据、话音、视频地面链路

地球站

A地面链路5

November

20153卫星通信概述2021/5/944优点：–

覆盖面积大，除了地球南、

北极地区，三颗卫星即可覆

盖地球–通信费用与通信距离无关–星际通信

–组网灵活，建设周期短（经济

活跃时，优势明显）–非对称信道GEO5

November

2015卫星通信特点2021/5/955–同步轨道卫星：通信时延大（0.27秒）通信端站体积大设备价格高操作复杂–中、低轨道卫星：系统复杂，使用费用高–政策、通信安全方面–易受恶意干扰和攻击5

November

2015缺点：卫星通信特点2021/5/966星蚀与日凌5

November

2015卫星通信特点2021/5/977

GEO：同步静止轨道，35,863Km，24小时静止可见––覆盖广、静止易跟踪、广播和多点应用时延长和信号弱不利点对点、极地覆盖困难

LEO：低地球轨道，500-1,500Km，15-20分钟可见––时延短且信号强适合点对点多星组网费用大、多普勒、大气阻力->轨道恶化

MEO：中地球轨道，8,000-18,000Km，2-8小时可见––很少几颗卫星可组网，远少于LEO时延和信号不如LEO，但比GEO好

Molniya

Orbit：闪电轨道（大椭圆轨道）––俄罗斯已使用10年，高纬度和极地地区，倾角>60°相对静止可见8小时，3

闪电轨道卫星可当1

GEO

HAPs：高空平台（卫星），20Km––一个飞艇或飞机，覆盖范围小，信号强易布置，但需要很多个才能组网5

November

2015卫星轨道及频段2021/5/9885

November

2015范晓晴各类轨道优缺点比较LEO/MEOHEOGEO优点可覆盖全球传输延时短频率可多次复用卫星和地面设备简单搞摧毁性好适合个人通信可覆盖高纬地区地球站可工作在大仰角上，减少大气影响发射成本低开发早发展星上多点波束技术，可简化地面设备适用于低纬度地区缺点连续工作需要多颗卫星复杂的网络设计要使用星上处理及星间通信等光电技术较大的多普勒移需要频率补偿功能从一颗星向另一颗星切换时，需要电路中继保护措施地球站必须从一颗星跟踪到另一颗星，所以系统至少需要两副天线和一套跟踪设备需要2-3颗卫星保障连续通信业务从一颗星向另一颗星切换时，需要电路中继保护措施需要多普勒移频率补偿功能地球站必须从一颗星跟踪到另一颗星，所以系统至少需要两副天线和一套跟踪设备地面设备比较大，成本高卫星天线必须有波束定位控制系统对高纬度地区通信覆盖效果差地面设备大，成本高，机动性差要用星上处理技术和大功率发射及大口径天线2021/5/999卫星通信频段及应用––––用于

MSS

（移动业务）用于

MSS

和深空研究用于

FSS

（固定业务）用于

FSS

和陆地成像L–Band：1

~

2

GHz，S-Band：

2

~

4

GHz，C-Band：4

~

8

GHz，X-Band：8

~

12.5

GHz，

如：军用和气象卫星–

Ku-Band：12.5

~

18

GHz，–

K-Band：

18

~

26.5

GHz，–

Ka-Band：

26.5

~

40

GHz，用于

FSS

和

BSS

(DBS)用于

FSS

和

BSS用于

FSSBSS

(DBS)：广播（直播）卫星

不同卫星使用不同的频段范晓晴5

November

20152021/5/91010卫星传输段分段定义5

November

2015范晓晴2021/5/911

t𝑔−1方位角

𝛼𝑍=

180

+=

180

−极化角∅𝑝

=

𝑡𝑔−111卫星通信要素：AZ、EL俯仰角

𝜃

=

tan−1cos∆cos𝐿𝐸𝑇−𝑅𝑒

𝑟

1−cos2

∆

cos2

𝐿𝐸𝑇––––修正后

𝜃𝑡

=

0.5

𝜃

+

𝜃2

+

4.132

（大气折射）r

=

𝑂𝑀

+

𝑀𝑆

=

𝑅𝑒

+

ℎ0

=轨道半径

𝑅𝑒

𝑟

=

0.1512

（静止轨道）∆=

卫星的经度差

−

地球站经度𝐿𝐸𝑇

=

地球站纬度

t𝑔

∆sin

𝐿𝐸𝑇–

修正后

𝛼𝐻

=

𝛼𝑍

+

∆𝑚–

正南为180度，南偏西大于180度，南偏东小于180度–

（南半球的方位角，不需要+180）

−

sin

∆

1−cos2

𝐿𝐸𝑇

cos2

∆–

上试中m是地球站磁偏角=地球真北与磁北夹角

sin

∆

𝑡𝑔𝐿𝐸𝑇––面对天线反射面正面：南偏西为负数@逆时针转；南偏东为正数@顺时针转。接收水平极化

@

LNB入口波导短边与地面平行；垂直极化@

LNB入口波导长边与地面平行。h0αsGReS

RsM

θ

γ

Re

O轨道赤道5

November

2015范晓晴2021/5/91212范晓晴5

November

2015通信卫星的组成天线分系统：定向发射与接收无线电信号通信分系统：接收、处理并重发信号。（转发器）电源分系统：为卫星提供电能，包括太阳能电池、蓄电池和配电设备。跟踪遥测指令分系统：跟踪部分用来为地球站跟踪卫星发送信标;遥测

部分用来在星上测定并给地面的TTC站发送的有关卫星姿态、

星上各部件工作状态的数据指令部分用于接收来自地面的

控制指令，处理后送给控制分系统执行。控制分系统：用来对卫星的姿态、轨道位置、各分系统工作状态进行必

要的调节与控制。2021/5/91313范晓晴5

November

2015天线分系统遥测、指令和信标天线

全向天线，以便于可靠接收指令与向地面发射遥测数据

和信标。通信天线

全球波束天线

点波束天线

赋形波束天线2021/5/91414范晓晴5

November

2015转发器是通信卫星中直接起中继站作用的部分。

要求：以最小的附加噪声和失真，足够的工作频带和输出功率业为

各地球站有效可靠地转发无线电信号。透明转发器

对收到的信号只进行低噪声放大、变频、功率放大，对频带内

的任何信号是透明的通道。处理转发器

除进行转发信号外，还具有信号处理功能。2021/5/91515范晓晴5

November

2015转发器示意图放大器中频放大本振1主振源本振2混频合路混频功放解调、信号处理、调制处理转发器透明转发器2021/5/91616范晓晴5

November

2015卫星资源转发器卫星上的频率模块，典型的带宽是40MHz/每转发器。（36MHz使用-2MHz保护带宽）部分Ku频段转发器带宽是54MHz或72MHz。2021/5/91717卫星通信系统的组成范晓晴5

November

2015空间分系统地球站分系统监测管理分系统跟踪遥测指令分系统2021/5/91818卫星通信系统各部分的作用范晓晴5

November

2015组成：通信卫星(通信装置(转发器)、遥测指令装置、控制装置、太阳能蓄电池)。作用：通信卫星主要是起无线电中继站的作用，是靠星上通信装置中的转发器（微波收发信机）和天线

来完成的。

一、空间分系统2021/5/91919范晓晴5

November

2015组成：天线馈线设备，发射设备，接收设备，信道终端设

备，天线跟踪、伺服设备，电源设备。作用：是无线电收发信台，用户通过地球站接入卫星

线路进行通信。卫星通信系统各部分的作用

二、地球站分系统2021/5/92020范晓晴5

November

2015

对卫星进行跟踪测量，控制其准确进入禁止轨道上的指定位置；待卫星正运行后，定期对卫星进行轨道修整和位置保持。

三、跟踪遥测及指令分系统卫星通信系统各部分的作用2021/5/92121范晓晴5

November

2015对定点后的卫星在业务开通前、后进行通信性能的监测和控制，例如对卫星转发器功率、卫星天线增益以及各地球站发射的功率、射频频率和带宽等基本通信参数进行监控，以确保正常通信。卫星通信系统各部分的作用

四、监测管理分系统2021/5/922多址联接方式的概述225

November

2015范晓晴卫星转发器信号设计信号识别信号设计信号识别信号设计信号识别1#站2#站3#站2021/5/923235

November

2015范晓晴一个无线电信号可以用若干个参量（指广义的参量，下同）来表征，最基本的是：信号的射频频率，信号出现的时间以及信号所处的空间

2021/5/924245

November

2015范晓晴CDMACDMASDMASDMATDMATDMAFDMAFDMA按射频多址联接分类按信道的使用和分配方式分类频分多址时分多址空分多址码分多址预分配按需分配CDMASDMATDMAFDMA随机接入目前卫星通信系统主要多址2021/5/925255

November

2015范晓晴

一、频分多址方式（FDMA）

FDMA的基本特征是，把卫星转发器的可用射频频带分割成

若干互不重叠的部分，分配给各地球站所要发送的各载波使用。

因此，FDMA方式中，各载波的射频频率不同。发送的时间虽然可

以重合，但各载波占用的频带是彼此严格分开的。目前卫星通信系统主要多址方式2021/5/926265

November

2015范晓晴频分多址方式－FDMA卫星转发器发射机调频频分多路复用发射机调频频分多路复用Bf1fK发射机调频频分多路复用发射机调频频分多路复用站2站3站Kf1f2f3fK2021/5/927275

November

2015范晓晴频分多址方式-FDMA

2021/5/928285

November

2015范晓晴频分多址方式是微波中继通信系统所用方式的引伸。优点:技术成熟，设备较简单，在大容量线路工作时效率较高。缺点：多个载波信号同时通过转发器时，会发生转发器有效输出功率降低、和生互调噪专用和可懂串话、强信号对弱信号的抑制等现象，因而有效容量将随载波增多而急剧降低，并且大、小站难以兼容，各站发射功率必须保持稳定（起伏值一般要求小于正负0.5DB）；不灵活，要重新分配频率比较困难。2021/5/929295

November

2015范晓晴二、时分多址－TDMA目前卫星通信系统主要多址方式

TDMA的基本特征是，把卫星转发器的工作时间分割成周期性的互不重叠的时隙（每个时隙也称为分帧，一个周期则称为一帧），分配给各站使用。典型的制式是TDM-PSK-TDMA，每个站的群路被时分复用成多路信号，然后对其信号进行相移键控，转发器按时分实现多址联接，各分帧含保护时隙。2021/5/930305

November

2015范晓晴时分多址－TDMA卫星转发器发射机移相键控时分多路复用发射机移相键控时分多路复用1帧发射机移相键控时分多路复用发射机移相键控时分多路复用站1站2站3站K∆T1∆T2∆T3∆TK∆T1∆T2∆TK2021/5/931315

November

2015范晓晴TDMA方式优点:

充分利用卫星功率且无互调；充分利用转发器的频带；不

会产生弱信号受抑制问题，上行功率不需要精确控制；各站所

发分帧的码速率可以不同，便于大、小站兼空。TDMA方式在中、

小容量的线路工作时，也可以得到相当高的效率。它的容量随

站数增加而下降的速度比FDMA的缓慢得多。TDMA方式缺点:要有精确的同步，以保证各突发到达转发器的时间不发生

重叠，并且保证接收站能正确识别站址和迅速建立载波、位定

时的同步，而这是比较复杂、困难的技术。2021/5/932325

November

2015范晓晴三、码分多址－CDMA目前卫星通信系统主要多址方式

CDMA是基于扩频通信中的一种多址方式，很多CDMA信号共用一个频谱，每个信号有不同的PN序列组成，它对载波进行调制扩展其频谱。CDMA的基本特征是各站所发的信号在结构上各不相同并且相互具有准正交性，以区别地址，而在频率、时间、空间上都可能重叠。采用这种方式时，各站所发射的载波大都受到两种调制，一种是基带信号（一般是数字的）的调制，一种是地址码的调制；接收时，对于某一地址码，只有与之相应的接收机才能检测出信号，而其它接收机检测出的却呈现为类似高斯过程的宽带噪声。2021/5/933335

November

2015范晓晴信道1信道2信道3信道K时间频率编码发射机扩频调制数据调制接收机扩频解调数据解调扩频码产生器双工器扩频码产生器码同步器数据数据码分多址－CDMA2021/5/934345

November

2015范晓晴CDMA系统特性：CDMA以扩频技术为基础，具有扩频通信所固有的抗干扰能力强、抗多径衰落、安全保密性好等优点，而且CDMA通信还具有隐蔽性好、多址访问灵活、对非正交系统不需要系统的同步、与同频通信系统之间的相互干扰小、对多普勒频移不敏感等优点。与TDMA、FDMA相比，CDMA系统的优点在卫星通信系统中体现得更加明显。fcfc-Rdfc+Rdfc-Rcfc+Rc频率信息调制波频谱扩频调制后频谱fc为中心频率Rc为码速率Rd为数据速率扩频原理示意图2021/5/935355

November

2015范晓晴CDMA方式的优点：

具有较强的抗干扰能力；有一定的保密能力；改变地址比较灵活。CDMA方式的缺点：

要占用很宽的频带，频带利用率一般较低；要选择数量足够的可

用地址码组较为困难；接收时，对地址码的捕获与同步需有一定

时间。CDMA方式特别适用于军事卫星通信系统及小容量的系统。2021/5/936365

November

2015范晓晴SDMA的基特征是卫星天线有多个窄波束（又称点波束），它们分别指向不同的区域地球站，卫星上装有转换开关设备将其转换到另一通信区域的下行波束，从而传送到此一区域的某站。一个通信区域内如果有几个地球站，则它们之间的站址识别还要借助FDMA或TDMA方式。目前卫星通信系统主要多址方式四、空分多址－SDMA2021/5/937375

November

2015范晓晴SDMA方式有许多新颖特点：

卫星天线增益高；卫星功率可得到合理有效的利用；不同区

域地球站所发信号在空间互不重叠，即使在同一时间用相同频率，

也不会相到干扰，因而可实现频率重复使用，这就成倍地扩大了

系统的通信容量；转换开关使卫星成为一台空中交换机，各地球

站之间可像自动电话系统那样方便地进行多址通信。此外，卫星

对其它地面通信系统的干扰减少了，对地球站的技术要求也降低。SDMA方式不足：SDMA方式对卫星的稳定及姿态控制提出很高的要求；卫星天

线及馈线装置也比较庞大和复杂；转换开关不仅使设备复杂，而

且由于空间故障难以修复，增加了通信失效的风险。2021/5/938385

November

2015范晓晴仅有有限的频带可利用，并且一般是分配在卫星的几个转发器中

的；时间的分割与占用频带有关。时隙分割得越小，为传送足够的信

息必然要提高码速率，这就意味要增加所需频带的宽度，而可利

用的频带宽度却是有限的；能占有的最大空间是卫星覆球波束所占据的范围，虽然分割成很

多窄波束小空间，但不可能无限分割；能有效使用的地址码不是无限多的。上述几种分割的局限性2021/5/939395

November

2015范晓晴各种组合形式的多址联接TDMA/FDMATDMA/SDMATDMA/FDMA/SDMA2021/5/940405

November

2015范晓晴选择多址联接方式，需要考虑的因素通信容量的要求；卫星频带、功率的有效利用；相互联接能力的要求；便于处理各种不同业务量和网络的不断增长有灵活的自适应能力；成本和经济效益；技术的先进性和可实现性；能适应技术和政治情况的变化；其它的某些特殊要求，如军事上的保密、抗干扰等。

2021/5/94141卫星通信网络组成空军机载旅行车载船载海军舰载卫星通信中心枢纽

侦察机载GSM/CDMA

BTS

地球站

中心站

VSAT移动指挥中心5

November

2015范晓晴2021/5/94242

点对点网状网星状网混合网(星状和网状网的混合网)5

November

2015范晓晴网络结构2021/5/94343

FDMA/PAMAF1F2F5F6F3F4Frequency5

November

2015范晓晴网络结构：点对点2021/5/94443

FDMA/DAMAF1F6F5F7F3F2F4F8Frequency5

November

2015范晓晴网络结构：网状网2021/5/94545Slot4Slot3Slot2Slot1slot0网络结构：网状网（/星状网）TDMA/DAMAFrequency5

November

2015范晓晴2021/5/94646CDMA/DAMACODE1/2/3/4/5Frequency5

November

2015范晓晴网络结构：网状网（/星状网）2021/5/94747SDMA/(F/T/C-DMA)/DAMAF1/TDMF3/TDMAF1F4F2

F3

波束1波束2FrequencyFrequency5

November

2015范晓晴网络结构：网状网（/星状网）2021/5/94849范晓晴5

November

2015VSATVSAT是一种天线口径很小的卫星通信地球站，又称微型地球站或小型地球站。示意图其特点是天线直径很小(一般为0.3-2.4米)，设备结构紧凑、固体化、智能化、价格便宜、安装方便、对使用环境要求不高，且不受地面网络的限制，组网灵活。2021/5/94949范晓晴5

November

2015卫星通信地球站组成：天线分系统发射分系统接收分系统信道终端设备分系统伺服务跟踪设备分系统用户接口分系统电源分系统2021/5/95050范晓晴5

November

2015天线分系统任务：发射和接收信号组成：天线双工器极化变换器伺服务跟踪设备要求：天线增益高噪声温度低天线波束窄、旁瓣电平低馈线损耗小、频带宽、收发隔离度大、耐功率高2021/5/95151范晓晴5

November

2015发射分系统放大器：输出功率大宽频带增益稳定性高放大器线性好上变频器：一次变频二次变频2021/5/95252范晓晴5

November

2015接收分系统低噪声放大器:噪声低，灵敏度高下变频器:高本振

低本振2021/5/95353规划设计拓扑：星状/网状MAC：

P2P

或

TDM/TDMA/DAMA

或

……

/带宽选择：C

或

Ku

/降雨

&

频率设备：网络或独立

–

天线：大小-增益

(主站大：6-9m，小站小：0.6-4m)

–

功放

:

大小-功率

(主站大：x0-x00W，小站小：x-x0W)

–

调制解调器：编码和调制

(高级、高效、高性价比)

TPC/DVB-S2…；8PSK/16QAM…

(LDPC/32APSK)

–

U/C（上变频器）,D/C（下变频器）,LNA（低噪声放大器）……

–

BUC（BlockUp-Converter=上变频器+功率放大器；L频段输入）–

LNB（LowNoiseBlockdownc