《卫星通信与卫星网络》课件-第1章

第1章概述1.1-背景1.2卫星通信简史1.3卫星的特点1.4卫星通信频段1.5本章小结

1.1-背景

近年来,卫星同时向两个方向发展:

一方面卫星的重量、体积、使用寿命和费用日益增加,但受制于运载火箭推力和尺寸的限制,单颗大卫星的发展有瓶颈;

另一方面,微小卫星及其编队成为近年来卫星事业发展的主要方向。

中、低轨道(MEO/LEO,MiddleEarthOrbit/LowEarthOrbit)通信卫星是GEO卫星的有力补充,通常用于提供特定地区的通信业务,或者构成全球覆盖的通信网络。而单颗MEO/LEO覆盖范围有限,往往需要多颗卫星按照一定的卫星星座设计原则进行“定制”,才能够发挥其轨道高度低、地面终端仅需要较小发射功率就能与卫星建立“星地”链路的优势。

1.2卫星通信简史

表1-2按照时间顺序列出了卫星通信的大致发展历程。

1.3卫星的特点

卫星能够提供大面积的覆盖范围,这是卫星通信具备的一系列优点的基础。(1)卫星通信系统能够以较低的成本提供较大的覆盖区域,单颗卫星能够覆盖的范围由轨道高度和最小通信仰角确定,在卫星覆盖范围内,通信成本几乎与通信距离无关,这是与地面通信网络的不同之处。

(2)卫星通信采用较高频段,因此可以利用的频带较宽,对于C频段和Ku频段,可用带宽达到1GHz,系统容量较大,如果采用多波束复用技术,可进一步增大系统的容量。如果像星间链路采用激光通信一样,星地链路也采用激光通信,则可用带宽和系统容量将更大。

(3)对于地面通信基础设施不足的地区和国家,卫星通信可以不依赖于地面网络,有利于通信业务稀疏地区的业务开展。

(4)卫星通信灵活,可以不受自然条件和自然灾害的影响,如地震、雪灾、洪水等自然灾害,满足应急通信的需求。

(5)统一的业务提供商有利于系统的均匀服务,也有利于新业务的引入。

1.4卫星通信频段

卫星运营商和拥有方必须遵循一系列约束卫星通信系统基本参数和特性的相关法规。这些法规涉及:(1)频段的选择。(2)最大辐射功率限制。(3)GEO或地球同步轨道(GSO,GeoSynchronousOrbit)的位置。

卫星业务频率的划分是在ITU的支持下进行的。在频率分配计划中,将全世界分为三个区域:

区域一:欧洲、非洲,以及苏联和蒙古。

区域二:北美洲、南美洲及格陵兰岛。

区域三:亚洲(区域一以外的地区)、澳洲以及西南太平洋。

在这三个区域内,频段被分配给各种类型的卫星业务,而同一业务在不同的区域内所分配的频率可能不同。卫星业务的类型如下:

固定卫星业务(FSS,FixedSatelliteService)。

卫星广播业务(BSS,BroadcastingSatelliteService)。

移动卫星业务(MSS,MobileSatelliteService)。

导航卫星业务(NavigationSatelliteService)。

气象卫星业务(MeteorologicalSatelliteService)。

FSS可以为现有的电话网络之间提供连接业务,也可为有线电视网络传送电视信号。卫星广播业务主要用于提供直达用户家庭的卫星电视广播业务。移动卫星业务包括陆上移

动业务、海上移动业务和控制移动业务。导航卫星业务提供卫星导航与定位,为资源探测、交通运输、大型测绘等领域提供服务,可供使用的卫星系统包括全球定位系统(GPS,GlobalPositioningSystem)、Compass、Glonass和Galileo系统。

1.5本章小结由于用于宽带通信的无线电波是以微波频率沿直线传播的,因此长距离通信需要利用中继器转发信号。卫星通信系统根据牛顿定律和开普勒定律以及其他空间物理和空间力学定律,利用人造卫星能够按照一定周期围绕地球运行的特点,将无线电波通过大气层传送到卫星,再经过卫星转发到地面站,完成中继转发。卫星距离地面几百千米至几万千米,适合作为长距离中继器的安装点。根据轨道高度和构型的不同,有多种卫星系统可供选择。

卫星距离地面较远,如GEO卫星轨道距离地面约35786千米,由于无线电信号按照传输距离的平方衰减,因此到达卫星的信号一般十分微弱;另一方面,由于卫星本身质量和太阳能电池输出功率的限制,地面上接收到的卫星信号也十分微弱。

将一颗GEO卫星送入轨道,每千克质量的费用差不多是25000美元,要在仅仅10~15年的卫星使用寿命期间回收卫星的研制、发射和运行费用(这主要依靠出售卫星的通信容量),卫星的体积和质量无疑将受到严格的限制。因此,卫星的设计要求是极为苛刻和严格的。

整个卫星系统中地面站的成本也是制约卫星系统发展的因素之一。随着卫星重量、体积和功率的增大,地面站所用的天线尺寸可以相应地减小,如直接广播卫星电视(DBS-TV,DirectBroadcastingSatellite-TeleVision)系统的接收天线直径为0.5m。当然,为了接收来自星际空间的无线电信号,往往采用直径几十米的巨型碟形天线,甚至直径几百米的射电天文望远镜的建设都方兴未艾。

卫星通信一般采用1~50GHz的频段,当系统频率高于10GHz时,大气效应将对无线电波产生重要的影响,甚至会影响卫星系统的可用性,在进行系统设计时必须考虑传输链路受干扰的情况。当频