《微波与卫星通信》课件第8章

第8章卫星通信技术在Internet及GPS中的应用

8.1卫星通信技术在Internet中的应用

8.2卫星通信技术在GPS系统中的应用

8.3微波与卫星通信技术的发展展望

8.1卫星通信技术在Internet中的应用

8.1.1宽带IP卫星通信及其特点

1．宽带IP卫星通信由于因特网中所使用的IP协议结构简单，易于扩展，因而得到了广泛的应用，以至于现在人们普遍认为通信网有朝IP化方向发展的趋势，即人们试图在所有的通信网络中使用IP协议。宽带IP卫星通信是一种在卫星信道上传输Internet业务的技术。

2．现有卫星IP系统的特点

卫星IP系统在卫星通信系统的基础上使用了IP技术，因而其既兼备卫星通信的特点，又具有TCP/IP的工作特点。

(1)具有极高的覆盖能力和广播特性。由于卫星通信系统具有无缝覆盖能力，因而为同时向多个地球站发送信号提供了必要的条件，使之成为地面网络的补充，特别是对于地面网络未到达的不发达地区来说，这是一种有效的通信方式。

(2)应用范围广，利于组建灵活的广域网。由于网络中使用了TCP/IP，因而不会受到传输速率和时延的限制，可以与多种地面网络实现互联。再加之卫星通信系统的广播特性、灵活的多波束能力以及卫星上交换技术的使用，从而可构成拓扑结构更为复杂的广域网。

(3)可靠的传输性能。在TCP（通信控制协议）中提供了确认重发机制，从而保证了数据的可靠传输。特别是在地面通信系统受到洪灾、地震等自然灾害的影响时，卫星系统仍能提供高可靠性的通信信息。

(4）传输时延相对较长。例如,同步卫星距地面大约36786km，通常信号由地面到卫星，再返回地面所需时间为540ms。就距地面较近的低轨卫星系统而言，信号一上一下所需时间也在几十毫秒之内。

8.1.2现有宽带IP卫星通信系统

1.基于S－UMTS(Satellite－UMTS）的移动IP系统

1）系统结构

基于S－UMTS的移动卫星IP技术有两个难点:一是如何在移动卫星系统中实现IP技术的应用（建立在IP技术基础上的卫星多媒体应用）;二是如何使基于IP的S－UMTS业务与第三代移动通信系统的IP核心网互联。各大公司和研究机构正组织人力分别针对这两大难题进行全力攻关，并提出了不少方案。下面我们以法国AlcatelSpaceIndustries建立的一个试验网为例来加以说明。

图8－1给出了基于UMTS（通用移动通信系统）的移动卫星IP实验系统结构。从图中可以看出，多模终端可以通过不同的星座来实现多媒体移动应用。其中LEO或MEO星座的卫星信道是用140MHz的中频硬件信道模拟器进行仿真的。信道模型包括城市、郊区和车载等多种通信环境。实验中的GEO卫星使用的是真实卫星（如Italsat卫星）。

图8－1基于UMTS的移动卫星IP实验系统结构

2)移动卫星IP系统的协议堆栈

图8－2是英国Bradford大学卫星移动研究中心提出的一个较完整的基于S－UMTS的移动IP系统的协议堆栈。

当移动用户欲与某固定网用户进行通话时，移动用户信息首先经过多媒体应用和适配设备进入TCP，然后逐层封装，并将信号由物理层递交给移动终端的物理层，随后通过UMTS卫星接入网与固定用户相连的固定地面站（地球站）连接，再通过智能网网关及路由器，从而实现移动用户与固定用户的互通。这里物理层和MAC层采用同步CDMA工作方式，而且工作于Ka波段的卫星具有星上再生功能。在表8－1和8－2中给出了上行链路和下行链路的主要参数。

图8－2基于S－UMTS的功能模型的协议堆栈

表8－1上行链路参数

表8－2下行链路参数

2．基于现有DVB技术的宽带卫星IP通信系统

1）组网方案

现有的DVB技术是利用MPEG2（一种视频压缩编码标准）技术来实现数字卫星广播功能的，而DVB技术已经发展了两代，早期的DVB系统由于其用户请求信息必须通过地面线路传送，因而系统是采用单向传输方式工作的，可见系统在操作性和通信质量等方面存在很大缺陷。目前所研制的第二代DVB系统，用户以可变速率访问信道（由用户终端到中心站），并同时具有话音通信功能。图8－3给出了日本NTT无线实验室提出的组网方案。其中卫星系统包括若干便携式用户站（PUS）和一个地中心面站（ES），这个地面中心站是由网关（GW）、发射设备与接收设备以及接入服务器等构成的。由于便携式用户终端所发射与接收的信号都是由卫星转发器转发的，因而一台便携式用户终端（PUT）设备至少应包括一副天线系统和一台PC机。它既可以通过天线接入卫星网，也可以通过接口与地面有线通信网实现互联（例如PSTN/ISDN），表8－3给出了相关天线子系统的系统参数。

图8－3基于DVB的IP卫星通信系统结构

表8－3天线子系统的系统参数

2)协议与帧结构

在卫星IP系统中，通常将地面中心站（CES)发出的，经卫星转发而由各用户终端所接收的信道称为广播信道，其卫星链路采用的是TDM8Mb/s的一个信道，可以实现从CES到PUT的通信；而用户访问信道则是指由PUT经过卫星转发，由CES接收的信道，该信道可以采用地面线路，如PSTN、ISDN网等，也可以采用卫星链路。在卫星链路中采用的是SS－FDMA9.6kb/s×256个信道。基于DVB的IP卫星通信系统协议堆栈如图8－4所示。从图8－4中可以清楚地看到，当CES欲向PUT发射信息时，首先在地面中心站（CES)中将IP包封装到ATM信元（装入AAL5中）,然后经过复接，再放入标准的MPEG2－TS卫星帧中。此后再经复接，将沿反向链路传送至用户终端PUT。当便携式用户终端接收到这个符合MPEG2－TS标准的卫星帧时，先从MPEG2－TS和ATM信元中解出原IP包，并将其交由用户终端中的PC机，供进行信息处理之用。MPEG2－TS和ATM信元帧结构如图8-5所示。

图8－4基于DVB的IP卫星通信系统协议堆栈

图8－5

MPEG2－TS和ATM信元帧结构

由于ATM的开销较大，因而在用户访问卫星信道中采用的是一种基于PPP（点到点协议）的扩展PPP(S－PPP)分组。为了扩大TCP流通量，用户访问接入控制采用的是一种经过改进的ALOHA机制。

这种基于DVB技术建立的IP卫星网络方式，只能应用于静止轨道卫星系统，并且基本上无移动管理功能。若要支持移动终端，则可以采用基于S－UMTS的移动卫星IP

系统。

3．宽带多媒体卫星网络

随着多媒体业务需求的不断增加，卫星网络将成为不可缺少的多媒体通信网络。许多卫星系统计划采用Ka波段以及Ka以上波段的静止地球轨道（GEO）卫星、中低轨道(MEO)卫星和低轨道（LEO）卫星星座，而且将使用具有ATM或带ATM特点的星上处理与交换功能，从而为进出地球提供全双向的包括话音业务、数据业务和IP业务等在内的多种现有业务以及在综合卫星-光纤网络上运行的移动业务、专用内部网和高速数据因特网接入等新业务。

图8－6给出了宽带卫星网络结构。它是由信关、用户终端、空间段、网络控制站和接口等组成的。

图8－6宽带卫星网络结构

(1)信关：要求同时支持几种标准网络协议。例如ATM网络接口协议（ATM－UNI)、帧中继用户接口协议（FR－UNI)、窄带综合业务数字网（N－ISDN）以传输控制协议／网间互联协议（TCP/IP)。这样多种网络信息都能分别通过信关中的相关接口转换成多媒体宽带卫星网络中的TCP/IP业务进行传输。

(2)用户终端：用户终端设备通过其中的接口单元（TIU）与信关相连接。用户终端接口单元提供包括信道编码、调制／解调功能在内的物理层的多种协议功能，不同类型的终端支持从16kb/s、144kb/s、384kb/s到2048Mb/s的不同速率的业务。

(3)网络控制站：用于完成如配置管理、资源分配、性能管理和业务量管理等各种控制和管理功能。在多媒体宽带网络中可以同时存在若干个网络控制站，具体数量与网络规模、覆盖范围及管理要求有关。

(4)接口：与外部专用网络或公众网络的互连接口。如果采用ATM卫星，那么可以采用基于ITU－TQ.2931信令。如果采用其他网络的话，可以使用公共信道信令协议（一般为7号信令(SS7)）。而公共和专用ATM网络之间其他互连接口则采用ATM网际接口（AI－ND)。公共用户网络接口（PUND或专用网络接口以及两个公共ATM网络之间的非标准接口，即B－ISDN内部的载波接口（B－ICI）)，但这些接口协议都应根据卫星链路的通信要求进行相应的修正。

8.2卫星通信技术在GPS系统中的应用

8.2.1

GPS基本概念

全球定位系统（GlobalPositioningSystem,GPS）是美国从20世纪70年代开始研制的新一代卫星导航与定位系统，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成。该系统利用导航卫星进行测时和测距，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力。GPS是继阿波罗登月计划、航天飞机后的美国第三大航天工程。如今，它已成为当今世界上最实用也是应用最广泛的全球精密导航、指挥和调度系统。

8.2.2

GPS系统组成

GPS系统包括三大部分：空间部分——GPS卫星星座；地面控制部分——地面监控系统；用户设备部分——GPS信号接收机。

1．GPS工作卫星及其星座

由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作（21+3）GPS星座。如图8－7所示,24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55°，各个轨道平面之间相距6０°。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90°，一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30°。

图8－7

GPS卫星星座图

当地球对恒星来说自转一周时，在两万公里高空的GPS卫星绕地球运行两周，即绕地球一周的时间为12恒星时。这样，对于地面观测者来说，每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星。位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗，最多可以见到11颗。在用GPS信号导航定位时，为了解观测站的三维坐标，必须观测4颗GPS卫星，称为定位星座。这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。对于某地某时，甚至不能测得精确的点位坐标，这种时间段叫做“间隙段”。但这种时间间隙段是很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续实时的导航定位测量。

GPS工作卫星的编号和试验卫星基本相同。其编号方法有：按发射先后次序编号；按PRN（卫星所采用的伪随机噪声码）的不同编号；NASA编号（美航空航天局对GPS卫星的编号）；国际编号（第一部分为该星发射年代，第二部分表示该年中发射卫星的序号，字母A表示发射的有效负荷）；按轨道位置顺序编号等。在导航定位测量中，一般采用PRN编号。

在GPS系统中，GPS卫星的作用如下：

(1)用L波段的两个无线载波（19cm和24cm波）向广大用户连续不断地发送导航定位信号。每个载波用导航信息D(t)和伪随机码（PRN)测距信号进行双相调制。用于捕获信号及粗略定位的伪随机码叫C/A码（又叫S码），精密测距码（用于精密定位）叫P码。由导航电文可以知道该卫星当前的位置和卫星的工作情况。

(2)在卫星飞越注入站上空时，接收由地面注入站用S波段（10cm波段）发送到卫星的导航电文和其他有关信息，并通过GPS信号电路，适时地发送给广大用户。

(3)接收地面主控站通过注入站发送调度命令到卫星，适时地改正运行偏差或启用备用时钟等。

GPS卫星的核心部件是高精度的时钟、导航电文存储器、双频发射和接收机以及微处理机，而对于GPS定位成功的关键在于高稳定度的频率标准。这种高稳定度的频率标准由高度精确的时钟提供。因为10-9s的时间误差将会引起30cm的站星距离误差,所以每个GPS工作卫星一般安设两台铷原子钟和两台铯原子钟，并计划未来采用更稳定的氢原子钟（其频率稳定度优于10-14）。GPS卫星虽然发送几种不同频率的信号，但是它们均源于一个基准信号（其频率为10.23GHz），所以只需启用一台原子钟，其余作为备用。卫星钟由地面站检验，其钟差、钟速连同其他信息由地面站注入卫星后，再转发给用户设备。

2．地面监控系统

对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点，星的位置是依据卫星发射的星历(描述卫星运动及其轨道的参数)算得的。每颗GPS卫星所播发的星历是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统的另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准——GPS时询系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出钟差，然后由地面注入站发给卫星，再通过导航电文发给用户设备。

GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。

主控站设在美国本土科罗拉多。主控站的任务是收集、处理本站和监测站收到的全部资料，编算出每颗卫星的星历和GPS时间系统，将预测的卫星星历、钟差、状态数据以及大气传播改正编制成导航电文传送到注入站。主控站还负责纠正卫星的轨道偏离，必要时调度卫星，让备用卫星取代失效的工作卫星;另外,还负责监测整个地面监测系统的工作，检验注入站给卫星的导航电文，监测卫星是否将导航电文发送给了用户。

三个注入站分别设在大西洋的阿森松岛、印度洋的迪戈加西亚岛和太平洋的卡瓦加兰,任务是将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器,每天注入三次，每次注入14天的星历。此外，注入站能自动向主控站发射信号，每分钟报告一次自己的工作状态。

五个监测站除了位于主控站和三个注入站之处的四个站以外，还在夏威夷设立了一个监测站。监测站的主要任务是为主控站提供卫星的观测数据。每个监测站均用GPS信号接收机对每颗可见卫星每6分钟进行一次伪距测量和积分多普勒观测，采集气象要素等数据;在主控站的遥控下自动采集定轨数据并进行各项改正，每15分钟平滑一次观测数据，依此推算出每2分钟间隔的观测值，然后将数据发送给主控站。

3．GPS信号接收机

GPS信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行；对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。

静态定位中，GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变，接收机高精度地测量GPS信号的传播时间，利用GPS卫星在轨的已知位置解算出接收机天线所在位置的三维坐标。而动态定位则是指用GPS接收机测定一个运动物体的运行轨迹。GPS信号接收机所位于的运动物体叫做载体（如航行中的船舰、空中的飞机、行走的车辆等）。载体上的GPS接收机天线在跟踪GPS卫星的过程中相对地球而运动，接收机用GPS信号实时地测得运动载体的状态参数（瞬间三维位置和三维速度）。

接收机硬件、机内软件以及GPS数据的后处理软件包构成了完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。对于测地型接收机来说，两个单元一般分成两个独立的部件，观测时将天线单元安置在测站上，接收单元置于测站附近的适当地方，用电缆线将两者连接成一个整机。也有的接收机将天线单元和接收单元制作成一个整体，观测时将其安置在测站点上。

GPS接收机一般用蓄电池作电源,同时采用机内、机外两种直流电源，设置机内电池的目的在于更换外电池时不中断连续观测。在使用机外电池的过程中，机内电池自动充电。关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止丢失数据。

近几年，国内引进了许多种类型的GPS测地型接收机。各种类型的GPS测地型接收机用于精密相对定位时，其双频接收机精度可达5mm+1ppm·D，单频接收机在一定距离内精度可达10mm+2ppm·D。用于差分定位其精度可达亚米级至厘米级。

目前，各种类型的GPS接收机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测。GPS和GLONASS兼容的全球导航定位系统接收机已经问世。

8.3微波与卫星通信技术的发展展望

8.3.1激光技术的应用目前，卫星通信的载波是微波，数据传输率很难达到50Mb/s以上，主要原因是通信卫星无法容纳体积很大的天线，而未来的卫星通信数据率却要求传输率达到数百、数千兆比特每秒,这只能由激光通信来实现，因为激光通信在外层空间进行，可不受大气层的影响，充分发挥其优点。据专家测算，卫星激光通信在比微波通信数传率高一个数量级的情况下，天线孔径尺寸可比微波通信卫星减小一个数量级。因此，未来的卫星之间进行激光通信是很有前途的。

为了解决全球通信中“双跳”法卫星通信带来的信号延时的弊端，可以采用“星间激光链路”技术，即在通信卫星之间采用激光通信的方法。专家测算，在理想的情况下，用激光作载体进行空间无线电通信，若话路带宽为4kHz,则可容纳100亿条话路；若彩色电视带宽为10MHz，则可同时传送1000万套节目而互不干扰。其原因就在于激光的频率单纯，能量高度集中，波束非常细密，波长在微波到红外之间。因此，利用激光所特有的高强度、高单色性、高相干性和高方向性等诸多特性，进行星间链路通信，就可获得容量更大、波束更窄、增益更高、速度更快、抗干扰性更强和保密性更好的通信载体，从而使激光成为发展空间通信卫星中最理想的载体。

美国目前正在研究的结果表明，使用铷玻璃激光器和砷化镓激光器最适合星间链路应用。它们的发光技术简便，不受接收器信号相位的影响，且工作寿命长，可靠性高，其综合性能优于其他激光器。

卫星激光通信的主要技术问题是如何精确地进行高数据率的传输。目前，正在试验中的卫星激光通信数据率在100～1000Mb/s之间，通信距离可达7×104km以上。地面与卫星之间的激光通信将受到大气和云层的影响，而且地面对卫星的影响要比卫星对地面的影响更为严重。解决的办法:一是利用多个地面站来提高无云层激光发射的概率；二是利用飞机接收地面站信号，然后再飞到云层外，在飞机与卫星之间进行激光通信。

卫星激光通信的信息传输过程一般是：由低轨道卫星将信息传输给数据中转卫星，再将数据传给地面站；或根据低轨道卫星的位置，经第二套激光通信线路传输给另一个数据中转卫星，最后再将数据传输给地面站。这种中转卫星如是同步轨道卫星，可利用两颗同步轨道通信卫星实现东、西半球之间的通信。

此外，由于各种卫星通信系统利用静止轨道卫星，星地距离远，往返传递的信号微弱，再经互相转送传输，使电波来回次数增至4次，时延将为1.1s，给话音通信带来不便。近年来，国际上提出发展低轨道的小卫星，可利用不同轨道的多颗卫星转接地面用户的信号，轨道高度一般在1000km左右。由于轨道低，卫星上和地面用户的设备都可简化，这种低轨小卫星的通信系统可用于国内通信系统，也可随着卫星数量的增多而用于全球通信。当然，这种系统还有许多技术问题。其中之一就是为使地球上任何两点之间的用户能在不断运动中的星与星之间建立通信联系，就必须要解决星与星之间的信号传递和星上自动分配等技术问题。

8.3.2先进通信技术卫星（ACTS）

未来VSAT网的发展很快，总的方向是：

(1)降低小站、主站以及整个通信网的建造和运行费用。

(2)提供数据速率更高，应用范围更广的业务，其中包括语音、数据、图像以及其他类型的业务。

(3)在操作、管理与维护方面，要求提供更灵活、更受用户欢迎的网络。

(4)VSAT网可以同更多类型的用户设备、新型交换设备以及更先进的地面通信网相互连接，从而构成综合业务数字网。

对于现代通信来说，它的一个重要发展趋势是尽可能使卫星复杂一些，其中包括星上处理设备，从而简化地球站设备。

为了实现上述目标，各国都正在开展新一代卫星通信技术的研究,主要包括：

(1)采用多波束卫星天线和频率再用技术。

(2)在卫星上进行中频或基带交换以实现VSAT网小站间的直接通信。

(3)开发30/20GHz（Ka）以上的频段。

(4)采用新型高可靠性的小型天线。

(5)采用更合理的多址方式，譬如FDM/TDMA方式。

(6)采用整体解调器等。

目前，正在开发的比较典型的通信卫星就是先进通信技术卫星(ACTS)。

ACTS是一个实验卫星，由于它采用了上述先进技术，将许多原来由地面系统完成的功能移到了星上，因而具有交换、基带处理、波束跳变等许多先进的特性，使卫星通信网在性能、组网的灵活性以及费用等方面作出了许多改进，并有助于支持许多新的业务项目。具体来说，ACTS所采用的关键技术是：使用Ka波段；采用动态雨衰补偿技术；多波束卫星天线；星上中频交换（SS/TDMA）；基带处理与基带交换（BBS/TDMA）。

8.3.3宽带多媒体卫星移动通信系统

1)系统结构

近年来IP和多媒体技术在卫星中的应用已成为一个研究热点。ITU－R于1999年4月于日内瓦举行了会议，在会议上IP和多媒体技术在卫星中的应用作为新技术课题提案获得了通过，这对宽带卫星移动通信系统的发展具有重要的影响。参加会议的有关人士认为，IP很有可能成为未来的主要通信网络技术，大有取代目前占主导地位的ATM技术的势头。IP数据包通过卫星传输的可用度和性能目标与ATM建议要求是不同的。关键技术包括卫星IP网络结构如何支持卫星IP运行的网络层和传输层协议的性能要求，IP层协议可以加强卫星链路性能的更高层协议需要做什么样的潜在改善，IP保密安全协议及相关问题对卫星链路的要求将产生什么影响。这种技术若能实现与地面IP网络的兼容，将影响卫星通信业务的变革。

2)移动管理

在无线ATM移动性目标管理方面，目前已