《卫星通信》课件第8章-天地一体化系统

第八章空天地一体化系统

平流层通信第8章空天地一体化系统天地一体化网络基本架构服务结构应用场景深空通信与星际互联网系统组成传输技术定位与跟踪星际互联网1平流层通信概述平台大体上位于平流层底部，约距地面20km，该高空平台(HighAltitudePlatformStations，HAPS)被称为平流层通信平台，相应的通信系统称为平流层通信系统。ITU决定将47/48GHz两个带宽各300MHz的频带分配给高空平台通信系统使用。地面上方8~50km空间范围为平流层，该区域内大气温度基本上是常数，故也称同温层。与较低的对流层不同，在平流层高度18~24km内平均风速为10m/s，最大为40m/s，且风向大部分时间不变，气流比较平稳。1平流层通信平流层通信的特点与卫星通信相比，平流层平台与地面的距离是GEO卫星的1/1800，自由空间衰减少了65dB，延迟时间只有0.5ms，有利于通信终端的小型化、宽带化和双工数据流的对称传输和互操作，实现对称双工的无线接入。与地面蜂窝系统相比，平流层平台的作用距离远、覆盖地区大。作为高空中继站时，其作用距离可达1000km，比地面中继站约大20倍，而且信道衰落只是地面系统的2/5，发射功率可显著减少。应用：平流层平台既可用于城市，也可用于海洋、山区，还可以转移，用于发生自然灾害地区（如洪水、山火）的监测和通信。建设：飞艇放飞不需要复杂庞大的发射基地，每台造价约是通信卫星的1/10；而且每个平台都可独立运行，建设周期短，初期投资少，一般用户端机价格较低，通信资费不高于已有的公众电话。1平流层通信平流层通信系统组成平流层通信系统由多个平流层通信平台与多个地面交换/控制中心以及各种类型的无线接入终端构成，整个系统构成一个无线接入网。两种基于平流层平台的宽带无线通信系统。47GHz平流层宽带通信系统：ITU将47GHz频带的600MHz带宽分配给平流层通信系统。工作频率在47GHz的平流层通信平台位于主要城市上空21km左右，能够为19000km2覆盖范围提供业务服务。该系统可为各种类型的移动终端提供数字电话、传真、电子邮件、可视电话、互联网接入等各种服务。1平流层通信2GHz平流层移动通信系统：装有2GHz相控阵列天线的通信平台可为1000km直径范围内上百万用户提供宽带移动业务。天线阵列作为一个“高天线塔”发射上百甚至上千的波束并可多次复用频率，相当于在地面建造成百上千的地面天线塔。采用2GHz范围内频率的标准分配后，一个通信平台加上几个地面站就可以为覆盖范围内上百万蜂窝和固定话音设备提供移动业务。系统动态分配容量给最需要的地方，从而可避免业务量大的地方出现业务阻塞。1平流层通信平流层通信系统的网络结构蜂窝小区：为充分利用有限的频谱资源，在平流层通信平台上使用相控阵列天线或机械控制的可展开轻型抛物面天线等波束成形技术，在地面上形成“蜂窝小区”结构，与GSM移动通信系统相似，空间分离的用户可以复用无线信道。无线ATM：基于蜂窝结构和有线环境下ATM的突出优势，平流层通信采用无线ATM作为系统的基本传输和交换技术；为了支持蜂窝移动ATM通信，在ATM高层协议中需要相应增加新的信令/控制功能，来处理诸如蜂窝小区切换、终端寻址和定位及流量控制等一系列与蜂窝移动通信有关的问题。平流层通信网：将整个平流层平台相互连接，还可以构成类似地面微波中继通信的空中中继体系。美国SkyStation公司认为：在全世界建立250个中继平台，就可以构成环绕全球的平流层通信网。1平流层通信平流层通信业务平流层通信业务可使数字电话、计算机图像信息和混合信息发送到手提式多媒体终端、WLL（无线本地环路）终端以及固定无线网络终端上。

其业务内容如下：数字电话、传真和E-mail（64kb/s）；全运动视听业务（256kb/s）；WebTV和高速WebSurfing（512kb/s~1.5Mb/s，即T1）；E1（2048kb/s）和T3（45Mb/s）；OC3（155Mb/s）、LANs、MANs和WANs以上为T电接口，OC为光接口。

平流层通信第8章空天地一体化系统天地一体化网络基本架构服务结构应用场景深空通信与星际互联网系统组成传输技术定位与跟踪星际互联网1基本架构天地一体化信息网络功能结构以IP为基础网络层，并通过地面关口站（天地网关）连接，与地面互联网组成天地一体化信息传输网络，为用户提供大量所需数据。在天地网关（关口站）的作用下，卫星网络与地面互联网相互融合，形成天地一体化信息网络的骨干网，能够实现地面感知层所获取信息的大范围传输；地面、海洋、空间的各类感知数据可以通过相应的卫星终端直接接入卫星网络，更加方便、快捷地实现信息共享。1基本架构天地一体化网络由四部分组成：由各种探测器构成的深空网由各种轨道卫星构成的天基网络由飞行器构成的空基网络传统的地基网络典型的天地一体化网络1基本架构天基网络感知层传输层（天基通信网络）空基网络（HAPS/HIBS网络）HAPS/HIBSUnmannedAircraftSystems，UAS等）地面网络部分蜂窝无线网络海上网络卫星地面站移动卫星终端地面的数据与处理中心等2服务结构NTN业务转发模式分类透明转发或弯管转发：平台上（卫星或UAS）有射频滤波器，变频器，放大器。处理转发或可再生放大转发：NTN平台等效完成gNB的功能。2服务结构除了上述两种平台，NTN接入网还包括如下实体:NTN终端：3GPP用户终端（UE）和非3GPPUE（卫星终端）。小孔径终端（上行链路30GHz，下行链路20GHz），S-band手持终端（2GHz）。NTN网关(Gateway)：连接NTN平台和5G核心网的逻辑节点用户链路(servicelink)：连接NTN终端和NTN平台的链路馈电链路(Feederlink)：连接NTN网关和NTN平台的链路NTN使用场景分类服务连续性（servicecontinuity）：为地面网络覆盖不到地区用户提供服务；服务泛在性（serviceubiquity）：为地面网络暂时中断或受到破坏时，提供服务；服务可扩展性（servicescalability）：为地面网络忙时提供业务卸载；2服务结构NTN网络架构NTN平台可以视为gNB或其空中镜像。基于透明和可再生卫星可以将NG-RAN架构分为两种在可再生卫星架构中，依据gNB功能是否分裂（包括集中和分布式单元），NTN平台可以执行部分或全部的gNB功能。基于NTN接入类型进行分类：在卫星接入架构中，NTN终端由NTN平台直接服务；然而在中继架构中，NTN终端和NTN平台通过中继进行通信。2服务结构卫星接入网架构透明转发业务卫星可再生业务转发卫星基于可再生卫星的gNB-DU2服务结构中继链路架构透明业务转发卫星中继可再生业务转发卫星中继可再生业务转发的卫星gNB-DU2服务结构服务连续性和多连接基于透明NTN的NG-RAN和地面NG-RAN基于两个透明NTN的RANs

基于可再生NTN-gNB-DU的NG-RAN和地面NG-RAN2服务结构两个基于可再生NTN-gNB-DU的RANs基于NTN的NG-RAN和地面NG-RAN两个基于可再生NTN的NG-RANs3应用场景大时空尺度确定性业务证券金融领域大时空尺度数据分发->区块链安全加固场景泛在接入低成本广覆盖接入应急通信专网业务泛在接入本地分流场景->海洋与空间立体通信基础立体通信->机载云服务船载云服务3应用场景业务增强与优化基于CDN的卫星广播场景双连接业务增强场景广覆盖算力下沉场景本地分流与中继回传融合组网场景

平流层通信第8章空天地一体化系统天地一体化网络基本架构服务结构应用场景深空通信与星际互联网系统组成传输技术定位与跟踪星际互联网1深空通信的系统组成深空通信系统由空间段和地面段组成。空间段由航天器上的通信设备组成，包括飞行数据分系统，指令分系统、调制解调、射频分系统和天线等；地面段包括任务计算和控制中心、到达深空通信站的传输线路、测控设备、深空通信收发设备和天线等。系统组成1深空通信的系统组成深空通信的主要任务包括：航天器通过下行链路（从航天器至地球站，也称遥测链路）回传航天器在深空所获取的信息；经上行链路（也称遥控链路）向航天器传送跟踪和指令信息，以实施对航天器的控制与引导。遥控数据量比遥测数据量小，所需的传输信息速率低，但质量要求高。深空通信主要任务1深空通信的系统组成根据深空通信的任务，深空通信包含：遥测分系统，指令分系统和跟踪分系统。遥测分系统：接收从航天器发送回地球站的信息，包括科学数据，工程数据和图像数据。科学数据是指航天器传感器获取的探测对象信息数据，数据容量中等但极其有价值，需要高可靠传输；工程数据是指航天器上仪器、仪表和系统的状态信息数据；而图像数据容量大但冗余高，需要几十至几百kb/s的速率，但可靠性相对较低。此外，回传的信息还包括航天器对遥控信号的应答信号。跟踪分系统：向航天器发射由指令信号和测距信号调制的标准载波。从接收信号可提取的信息有：含多普勒信息的接收信号频率、信号传输往返延时、接收信号入射方向、接收信号强度、记录信号波形和频谱。进而获取航天器位置和速度、无线电传播媒介及太阳系特性等信息，使地面能监视航天器的飞行轨迹并对其导航，同时提供射频载波和附加的参考信号，支撑遥测和指令功能；跟踪分系统接收信息速率低，但长期、稳定工作。指令分系统：将地面低速、小容量控制信息发送给航天器，令其在规定时间执行规定动作，要求数据高可靠传输。1深空通信的系统组成深空探测要求针对深空航天器的测控和通信技术实现以下几方面的功能：角跟踪：能将地球站的波束瞄准航天器，建立空地链路；测轨：能测量出地球到航天器天球上的角位置、距离和速度；导航：能将航天器引导至距离目标质心或边缘的一定距离以内；遥测：能将航天器内各分系统观测仪器的工作状况传到地球站的控制中心；数传：能将航天器观测到的数据和图像传到地球站；遥控：地球站能利用上行链路发出命令进行辅助性干预，解决航天器自主运行不能解决的故障。深空探测的需求1深空通信的系统组成信息传输距离极远，引起极大的路径损耗和延时；断续测控和通信问题；高精度的导航和定位问题。深空通信面临的问题深空通信的频段2深空通信的传输技术深空通信的无线电波要穿越近地空间的对流层和电离层进入外层空间，具有以下特点：极高可靠性：航天器上的通信系统要求具有极高的可靠性；发射功率受限：由于深空探测器平台的限制，发射天线增益有限，发射功率通常不超过20～30W；信道为加性白高斯噪声（AWGN）模型，深空通信利用超低温接收来抑制噪声；信道带宽不受限制；接收信噪比低：由于通信距离极其遥远，链路损耗大，接收信号极其微弱；信号传输时延很长：由于信号传输距离极其遥远。深空通信的链路特点2深空通信的传输技术调制深空通信存在非常大的路径损耗和大气衰落，当输入功率恒定且有限时，为保证接收机有足够的接收功率，要求发射机有足够大的输出功率。一方面，深空通信信道是典型带限和非线性变参信道，信号带限要求发射信号不能对邻道造成干扰，而带限必然造成部分频谱能量的丢失，引起信号畸变；另一方面，信号经过非线性功率放大器后，产生幅相转换效应，引入相位噪声。因此，深空通信系统要求发射机具有高的功率效率，即调制后的波形恒包络，和高的带宽效率，即同已调波形频谱具有快速的高频滚降特性。深空通信的链路技术2深空通信的传输技术编码深空通信信道与无记忆高斯信道非常相似，是编码理论的信道模型；深空信道的频带资源丰富，允许使用低频带利用率的编码和二进制调制方案；深空信道信号衰减严重，为功率受限信道；深空通信信道的带宽丰富。因此，深空通信中常以有效性换取可靠性，并采用高增益、低编码效率和复杂译码技术，以弥补信号衰减；而随探测技术发展，对传输速率要求越来越高，因此又增加了编译码的实现难度。天线深空通信的天线组阵技术。天线组阵技术是指利用分布在不同地点的多个天线组成天线阵列，接收来自于同一深空探测器的信号，并对各个天线接收到的信号进行处理和合成，从而保证接收信号达到所需要的信噪比。深空通信的大天线技术。深空通信的主要任务是接收来自遥远星际距离的极其微弱信号，地面接收机的信噪比可表示为：3深空通信的定位与跟踪概述当深空探测器在空间运行时，地面站天线主瓣方向要想对准探测器，以建立通信链路、保证通信质量，必须知道探测器在相应做标系中的位置（距离和角度）和速度。另一方面，为抵抗深空通信中大传输损耗，深空站常采用大口径天线，天线辐射波束很窄，要瞄准并跟踪遥远且不断运动的航天器，要求跟踪精度达到每秒几千分之一度以下。其中测距、测速、测角依照传统地球卫星的导航定位方法很难完成。开发一种适合我国的全天候连续、高精度导航方法是高空探测的迫切需求。传统方法需要长时间（多天）的测量数据做相关处理，才能得到精确的数值。如，VLBI测量需要上万千米长的基线，超出了我国国土范围，我国也很难在全球范围内建立三个相距120o的地面深空站，3深空通信的定位与跟踪通常跟踪包括以下四种类型：单向跟踪：由航天器上信号源产生下行链路信号，地球站接收和跟踪该信号。地球站没有向航天器发送的上行链路信号。双向跟踪：由地球站产生上行链路信号，航天器接收和跟踪该信号。航天器发射与上行链路相干的下行链路信号，供产生上行链路信号的地球站接收和跟踪。

三向跟踪：一个地球站完成双向跟踪，另一个地球站则利用不同频率或不同天线跟踪下行链路。双向非相干跟踪：航天器发射的下行链路信号与上行链路信号是不相干的，下行链路信号频率通常由航天器上的超高稳定晶体振荡器或原子钟产生。传统导航定位方法3深空通信的定位与跟踪传统导航定位方法距离和多普勒的测量跟踪多普勒频移航天器与地面站间的距离称为斜距甚长基线干涉跟踪测量3深空通信的定位与跟踪卫星编队导航定位方法GEO卫星编队连续导航定位理论上地心夹角大于34.8°的两颗地球静止轨道卫星构成天基深空网，即可获取深空探测的全方位观测。而地球同步轨道编队飞行卫星群，可构建区域性的导航系统，在相同精度和相同覆盖区条件下，卫星数量最少3深空通信的定位与跟踪要求卫星群中所有卫星均不被地球遮挡，才能保证协同工作绕飞轨道半径可得两编队飞行卫星群间最小地心夹角为3深空通信的定位与跟踪导航定位原理时差导航定位3深空通信的定位与跟踪频差导航定位多普勒定位方程组为利用多普勒频率差进行导航定位，称为频率差分（FrequencyofDifferenceOfArrival,FDOA）或称为差分多普勒（DifferentialDoppler，DD）导航定位，该方法能够克服时差定位中高重频脉冲雷达信号的时差模糊问题。导航定位方程多普勒定位方程只能采用迭代运算才能求解。如果将时差方程和频差方程联立