通信原理与通信技术3版第19章

1第19章卫星通信技术219.1卫星通信概述19.3通信卫星

19.5卫星通信的多址技术19.7GPS系统19.2卫星通信系统19.6卫星通信的新技术19.4卫星通信地面站第19章卫星通信技术主要内容3卫星通信的定义

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。属于宇宙无线电通信的一种形式，工作在微波频段。

19.1卫星通信概述第19章卫星通信技术4第19章卫星通信技术5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，所以，卫星通信最常用的是C波段。第19章卫星通信技术卫星通信的工作频段6卫星通信有如下特点：（1）覆盖区域大，通信距离远。（2）具有多址联接能力。（3）频带宽，通信容量大。（4）通信质量好，可靠性高。（5）通信电路灵活，机动性好。

卫星通信也存在一些不足之处，比如通信传输延迟大：由于卫星通信传输距离很长，其单程距离（地面站A——卫星转发——地面站B）长约80000km，传输延时约270ms，所以，在通过卫星打电话时，通信双方会感到很不习惯；卫星使用寿命短；卫星发射与控制复杂；存在日凌中断通信现象等。第19章卫星通信技术7

19.2卫星通信系统（1）按卫星制式可分为：静止卫星通信系统、随机轨道卫星通信系统和低轨道卫星（移动）通信系统。（2）按通信覆盖区域的范围可分为：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。（3）按用户性质可分为：公用（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。卫星通信系统的分类第19章卫星通信技术8（4）按业务范围可分为：固定业务卫星通信系统、移动业务卫星通信系统、广播业务卫星通信系统和科学实验卫星通信系统。（5）按基带信号体制可分为：模拟制卫星通信系统和数字制卫星通信系统。（6）按多址方式可分为：频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、空分多址（SDMA）和码分多址（CDMA）卫星通信系统。（7）按运行方式可分为：同步卫星通信系统和非同步卫星通信系统。目前国际和国内的卫星通信大都采用同步卫星通信系统。9卫星通信系统主要由空间部分的通信卫星和地面部分的地面站、测控系统、监控管理系统组成。通信卫星和通信卫星地面站是直接用来进行通信的，测控系统和监控管理系统是为保证系统正常运行而设置的，如图19-2所示。卫星通信系统的组成第19章卫星通信技术10卫星通信系统的工作过程一般情况下，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19-3所示。第19章卫星通信技术1119.3通信卫星按卫星的结构可分为：无源卫星和有源卫星两类。按通信卫星的运行轨道可分为：赤道轨道卫星（指轨道平面与赤道平面夹角φ=0°）；极轨道卫星（φ=90°）；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。通信卫星的种类第19章卫星通信技术12按卫星离地面最大高度h的不同可分为：低高度卫星h<5000km；中高度卫星5000km<h<20000km；高高度卫星h>20000km。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35860.6km的圆形轨道上与地球自转同向运行的卫星。第19章卫星通信技术13同步卫星中继的通信范围利用卫星作为中继站的通信范围接近于卫星天线的波束覆盖范围，即卫星所照射的地球上的区域，也称之为卫星视区。全球波束覆盖区的示意图如图19-5所示。第19章卫星通信技术14只需将三颗同步卫星适当配置，就可建立除两极地区（南极和北极）以外的全球性通信，如图19-6所示。第19章卫星通信技术15通信卫星的组成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19-7所示。第19章卫星通信技术16天线系统主要任务是定向放射和接受无线电信号包括：遥测指令天线：用于卫星进人静止轨道之前和之后，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。微波天线：接收、转发地面站的通信信号，根据波束的宽、窄分为覆球波束天线、区域波束天线和点波束天线。第19章卫星通信技术17通信系统静止卫星的通信系统又称为通信中继机，通常由多个信道转发器互相连接而组成。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。实质上是一组宽频带收、发信机，对其要求是工作稳定可靠，附加的噪声小。第19章卫星通信技术18卫星转发器通常分为透明转发器和处理转发器两大类。（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。如图19-8所示。第19章卫星通信技术19（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。主要包括对数字信号再生，使噪声不会积累，对不同的卫星天线波束之间进行信号交换，更高级的信号变换和处理如上行FDMA变为下行的TDMA信号识别等。如图19-9所示。第19章卫星通信技术20遥测指令系统遥测: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。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。第19章卫星通信技术21控制系统位置控制系统消除“摄动”的影响，以便使卫星与地球的相对位置固定。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。姿态控制系统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。第19章卫星通信技术22电源系统给卫星上的各种电子设备提供电能要求体积小、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。第19章卫星通信技术2319.4卫星通信地面站地面站的分类（1）按站址特征分类。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），在固定站中，根据规模大小可分为大型站，中型站和小型站。（2）按G/T值分类。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的站定为非标准站。第19章卫星通信技术24（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。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。25地面站的组成一个典型的双工地面站一般包括天线系统、发射系统、接收系统、信道终端系统、监控系统、电源系统、伺服跟踪系统、地面接口及传输系统等组成，如图19-10所示。第19章卫星通信技术26天线系统发送信号、接收信号和跟踪卫星决定地面站容量与通信质量的关键组成之一只包括天线、馈线和跟踪设备三个部分发射系统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。第19章卫星通信技术27终端系统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；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。第19章卫星通信技术2819.5卫星通信的多址技术多址联接是指在卫星的覆盖区内，各地面站通过同一个卫星，同时分别建立相互之间的通信线路而实现的各地面站之间通信的一种方式。常用的多址联接方式有频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、空分多址（SDMA）和码分多址（CDMA）。

第19章卫星通信技术29频分多址（FDMA）卫星通信系统使用的频分多址是将通信卫星使用的频带分割成若干互不重叠的部分，再将它们分别分配给各个地面站。各个地面站按所分配的频带发送信号，接收端的地面站根据频带识别发信站，并从接收到的信号中提取发给本站的信号。第19章卫星通信技术30时分多址卫星通信系统的时分多址是把卫星转发器的工作时间周期性地分割成互不重叠的时间间隔，即时隙∆Tk分配给各地面站使用。

各地面站可以使用相同的载波频率在所分配的时隙内发送信号，接收端地面站根据接收信号的时隙位置提取发给本站的信号。第19章卫星通信技术31码分多址（CDMA）在码分多址卫星通信系统中，各个地面站所发射的载频信号的频率相同，并且各个地面站可同时发射信号。但是不同的地面站有不同的地址码，该系统靠不同的地址码来区分不同的地面站。各个站的载波信号由该站基带信号和地址码调制而成；接收站只有使用发射站的地址码才能解调出发射站的信号，其他接收站解调时由于采用的地址码不同，因而不能解调出该发射站的信号。第19章卫星通信技术32空分多址1.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。2.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。第19章卫星通信技术3.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。33空分多址方式有以下三个特点（1）由于空分多址方式必须采用窄波束的天线，卫星天线的辐射功率集中，有利于卫星转发器和地面站采用固体功率器件而变得小型化。（2）由于利用了多波束之间的空分关系，提高了抗同波道干扰的能力。（3）空分多址方式要求卫星的位置和姿态高度稳定，以保证天线窄波束的指向准确。第19章卫星通信技术3419.6卫星通信的新技术VSAT卫星通信系统VSAT是“VerySmallApertureTerminals”（甚小口径终端）的英文缩写。一般的卫星通信系统用户在利用卫星通信的过程中，必须要通过地面通信网汇接到地面站后才能进行。对于有些用户，如银行、航空公司、汽车运输公司、饭店等就显得很不方便，这些用户希望能自己组成一个更为灵活的卫星通信网，并且各自能够直接利用卫星来进行通信，把通信终端直接延伸到办公室和私人家庭，甚至面向个人进行通信，这样就产生了VSAT系统。VSAT系统代表了当今卫星通信发展的一个重要方向，它的产生和发展奠定了卫星通信设备向多功能化、智能化、小型化的方向发展。第19章卫星通信技术35VSAT系统（网络）是由一个主站和若干个VSAT终端组成的卫星通信系统。主站也称为中心站或枢纽站，它是一个较大的地面站，具有全网的出、入站信息传输、交换和控制功能。VSAT系统终端，通常指天线尺寸小于2.4m，由主站应用管理软件高度监测和控制的小型地面站。VSAT系统主要用来进行2Mbps以下低速率数据的双向通信。VSAT系统中的用户小站对环境条件要求不高，可以直接安装在用户屋顶上，不必汇接中转，可由用户直接控制，安装组网方便、灵活。VSAT系统工作在14/11GHz的KU频段以及C频段。系统中综合了分组信息传输与交换、多址协议、频谱扩展等多种先进技术，可以进行数据、语言、视频图像、传真、计算机信息等多种信息的传输。第19章卫星通信技术36移动卫星通信系统移动卫星通信（MSS）是以VSAT和地面蜂窝移动通信为基础，是空间卫星多波束技术、星载处理技术、计算机和微电子技术的综合运用，是更高级的智能化新型通信网，能将通信终端延伸到地球的每个角落，实现“世界漫游”。它充分展现了卫星通信的优势和特点，使电信网发生质的变化。第19章卫星通信技术37

低轨道（LEO）卫星移动通信系统卫星离地面高度较低，约为765km低轨道卫星移动通信系统与地面蜂窝式移动电话系统的基本原理相似，都采用划分小区和重复使用频率的方法进行通信；不同的是低轨道卫星移动通信系统相当于把地面蜂窝式移动电话系统的基站安装在卫星上。低轨道卫星体积小，重量轻，只有500kg左右，利用小型火箭就可以发射，便于及时更换有故障的卫星，有利于提高系统的通信质量和可靠性。第19章卫星通信技术38中轨道（MEO）移动卫星通信系统有代表性的MEO卫星系统主要有Inmarsat-P（ICO，中高度圆形轨道）、TRW公司提出的Odyssey（奥德赛）、欧洲宇航局开发的MAGSS-14等。其中ICO和Odyssey两个系统的星座和地面设施极为相似，采用了相同的轨道高度、几乎相同的倾角和多波束天线。第19章卫星通信技术39静止轨道（GEO）移动卫星通信系统静止轨道移动卫星通信系统与低轨道卫星移动通信系统的区别之处在于，它是利用静止卫星进行移动通信。用户可以使用便携式的移动终端，通过同步通信卫星和地面站，并经由通信网中转，进行全球范围的电话、传真和数据通信。目前，海事卫星（INMARSAT）系统是世界上能对海、陆、空中的移动体提供静止卫星通信的唯一系统。第19章卫星通信技术40图19-15是几种特殊卫星。第19章卫星通信技术4119.7

GPS系统GPS系统从根本上来讲属于一种通信系统。

GPS是英文NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem的字头缩写NAVSTAR/GPS的简称。意思是利用导航卫星进行测时和测距，从而构成全球定位系统。现在国际上已经公认将这一系统简称为“全球定位系统”。GPS是美国为满足陆海空三军和民用部门对导航越来越高的要求而提出的一个技术解决方案。该方案是由分布在6个互成60度轨道平面上的24颗卫星（每个轨道平均分布4颗卫星）组成。其中21颗为工作卫星，另外3颗作为备用。这样的卫星布置基本上可以保证在地球上的任何一个位置能同时观测到4颗卫星。其工作卫星分布示意图见图19-16。第19章卫星通信技术42第19章卫星通信技术43

GPS系统由三大部分组成，即GPS卫星，地面控制系统和用户GPS接收机。GPS卫星由洛克韦尔国际公司空间部研制，重774kg，主体呈柱形，直径1.5m，底部装有多波束定向天线，能发射波段的信号，其波束方向图基本上能覆盖半个地球。卫星轨道长半轴为26609公里，偏心率为0.01，倾角为55度，卫星高度20200公里，运行周期为12小时，设计寿命7年。

利用卫星定位和导航，首先必须知道卫星的位置。地面控制系统测量和计算每颗卫星的星历，编辑成电文发送给卫星，然后再由卫星实时地播放给用户，也就是所谓的广播星历。GPS系统的地面控制系统由1个主控站、3个注入站和5个监测站组成。和第19章卫星通信技术44根据不同的标准，接收机有多种分类。按编码形式可分为：有码接收机和无码接收机。按通道方式可分为：时序接收机、多路复用接收机和多通道接收机。按所用器件可分为：模拟接收机、数字接收机和混合式接收机。按性能高低可分为：X型接收机、Y型接收机和Z型接收机。按用途不同可分