8-卫星通信系统

2026/4/111现代通信网络张冬梅(zhangdm@)北京邮电大学计算机科学与技术学院2026/4/112卫星通信系统与网络

(课件仅供北邮学生授课使用，禁止传播)2026/4/113主要内容卫星通信概述卫星的轨道与频带卫星通信技术卫星通信网络典型卫星通信系统2026/4/114卫星通信的概念卫星通信是利用卫星作为中继站，转发微波信号，实现两个或多个地球站间的通信

2026/4/115卫星通信的发展背景与地位发展背景1965年4月，第一颗商用卫星升空，开始了卫星通信实用化的新时代；上世纪70-80年代，卫星通信系统达到了鼎盛时期；

随着光纤通信和地面蜂窝移动通信系统的崛起。卫星通信受到了严重挑战目前地位空间与频谱是国家强盛的重要资源；是其他通信手段的扩展与补充；军事通信的主角（在综合天基信息网络中，卫星通信是实施作战指挥与控制信息传递的主通道）2026/4/116卫星通信相关术语地球站(EarthStation)——地球上负责接收来自卫星的信号的系统，主要由天线、低噪声放大器、下变频器和接收机等组成。天线尺寸一般2.4m-27m。上行链路(DownLink)——地球站到卫星的传输链路下行链路(UpLink)——卫星到地球站的传输链路转发器(Transponder)——卫星的电子器件，负责将上行链路信号转换为下行链路信号,由接收机、发射机和天线组成。2026/4/117卫星通信相关术语远地点(Apogee)—卫星椭圆轨道上距离地球最远处的点近地点(Perigee)—卫星椭圆轨道上距离地球最近处的点仰角(Elevation)—地球站天线瞄准卫星的仰角2026/4/118卫星通信相关术语点波束(SpotBeam)——点波束截面为圆形或椭圆形，覆盖地球表面的一定区域卫星覆盖区(Footprint)——卫星波束覆盖区域footprint2026/4/119通信卫星分类按覆盖范围分类全球、区域、国家按业务类型分类固定业务卫星(Fixedservicesatellite,FSS)移动业务卫星(Mobileservicesatellite,MSS)宽带业务卫星(Broadcastservicesatellite,BSS)气象业务卫星无线电导航业务卫星、无线电定位业务卫星按使用方式分商用、军用、业余爱好者、实验2026/4/1110卫星通信的发展历史(1945年以前-理论阶段)1609-1619Kepler的关于行星运动的观点1926

美国人R.H.Goddard第一次发射液体助推火箭1927

第一次横穿大西洋的无线通信实验1942

德国第一次成功发射V-2火箭

1945，英国科学家ArthurClarke发表论文“地球外的中继”,提出利用地球同步卫星实现全球通信（GEO）2026/4/1111V2Rocket2026/4/1112卫星通信的发展历史(1950-1965实验阶段)1957

前苏联发射第一颗人造卫星(SputnikLEO)1958

第一颗美国广播试验卫星发射(SCORE)，进行磁带录音信号的传输，利用卫星实现了语音通信(LEO)1960

第一颗无源通信卫星发射(LargeballoonsEchoIandII)1962

第一颗非政府的主动通信卫星发射（TelstarI,MEO）,实现了横跨大西洋的电话、电视、传真和数据的传输，奠定了商用卫星通信的技术基础1963

第一次发射卫星进入地球同步轨道SyncomI1964国际电信卫星组织建立(INTELSAT)1965第一颗商用通信卫星发射进入地球同步轨道(INTELSAT1)2026/4/1113卫星通信的发展历史(1950-1965实验阶段)1957

前苏联发射第一颗人造卫星(SputnikLEO)1958

第一颗美国广播试验卫星发射(SCORE)，进行磁带录音信号的传输，利用卫星实现了语音通信(LEO)1960

第一颗无源通信卫星发射(LargeballoonsEchoIandII)1962

第一颗非政府的主动通信卫星发射（TelestarI,MEO）,实现了横跨大西洋的电话、电视、传真和数据的传输，奠定了商用卫星通信的技术基础1963

第一次发射卫星进入地球同步轨道SyncomI1964国际电信卫星组织建立(INTELSAT)1965第一颗商用通信卫星发射进入地球同步轨道(INTELSAT1)至此，经过通信卫星的试验，使卫星通信的实用价值得到了广泛的承认2026/4/1114Sputnik-I2026/4/1115Explorer-I2026/4/1116ECHOI2026/4/1117TelstarI2026/4/1118IntelsatIHubbleSpaceTelescope

哈勃

太空望遠鏡LinkNOAAPolarOrbitingWeatherSatellite

氣象衛星

(風雲系列)GlobalPositioningSystem

(GPS)

全球定位系統ESAGalileoSatellite&OrbitSystem

伽利略全球衛星導航系統2026/4/1123卫星通信的发展历史

(1970-1990同步卫星应用)1972前苏联发射第一颗人造卫星(SputnikLEO)1975

第一颗美国广播试验卫星发射(SCORE)，进行磁带录音信号的传输，利用卫星实现了语音通信(LEO)1977第一颗无源通信卫星发射(LargeballoonsEchoIandII)1979国际移动卫星组织建立(Inmarsat)2026/4/1124我国的卫星通信发展1970

我国成功发射了第一颗卫星；1984我国成功发射第一颗试验用“同步通信卫星”STW-1（即东方红二号）；1986我国用长征3号火箭成功发射第二颗“实验通信卫星”STW-2；1988我国用长征3号火箭发射成功第一颗“实用通信卫星”；1988.12

发射了“东二甲－2”卫星，说明我国的卫星通信技术已经迈入国际领先领域2007.10

发射了“嫦娥－号”卫星2010.10

发射了“嫦娥二号”卫星2026/4/1125我国第一颗卫星1970年4月24日发射的第一颗人造地球卫星。卫星的主要任务是向太空播放“东方红”乐曲，同时进行卫星技术试验，探测电离层和大气密度。星上采用银锌蓄电池作电源，电池寿命有限，卫星运行20天后，电池耗尽，“东方红”乐曲停止播放，卫星结束了它的工作寿命。卫星重量：173公斤卫星外形：直径1米的球形72面体近地点：439公里远地点：2384公里用途：广播“东方红”乐曲2026/4/1126东方红三号东方红三号卫星外形：2.2X2.2X1.72米双翼六面体，双翼展开后总长度18.096米。卫星重量：1202公斤(静止轨道寿命初期）转发器数：24个C波段转发器姿态控制：三轴稳定定点位置：125°E设计寿命：8年1997年5月12日成功发射,交付给中国通信广播卫星运营公司,命名为“中星六号TheChineseGPSsystem(Beidou)

北斗

導航

定位

衛星

Chang’E–1

「嫦娥1號」衞星Mass

重量83kg.Orbit

軌道Elliptic橢圓形

Inclination仰角65.1oEccentricity偏心率

0.05201Apogee遠地點939kmPerigee近地點215kmPeriod

周期96min.12sec.Duration壽命92daysAntenna天線４setsLink2026/4/1129卫星通信的优、缺点卫星的优点通信距离远,通信成本和距离关系小广播方式通信,可以进行多址连接对地球拓扑不敏感通信频带宽、容量大2026/4/1130卫星的缺点初装成本高GEO系统传输时延较大环境干扰问题卫星姿态控制问题需要许可证2026/4/1131卫星的应用典型应用领域国际电信业务：越洋电话、传真、数据业务国内电信业务：国内电话、传真、数据等业务广播电视/多媒体直播：以数字或模拟方式进行电视节目广播、转播和直播专网业务：用VSAT为行业、企业等提供语音、数据和图像业务卫星移动业务：低轨卫星系统提供的移动通信等业务2026/4/1132卫星的应用基本应用环境陆地设备无法到达的远程通信点对多点通信典型系统铱星系统(Iridium)国际海事卫星系统(Inmarsat)全球星系统(Globalstar)

等2026/4/1133主要内容卫星通信概述卫星的轨道与频带卫星通信系统概述典型卫星通信系统卫星互联网技术2026/4/1134卫星的轨道按轨道形状划分圆轨道椭圆轨道按环绕平面划分赤道轨道极地轨道倾斜轨道inclinationddsatelliteorbitperigeeplaneofsatelliteorbitequatorialplane2026/4/1135按卫星运行高度同步轨道(GEO)中地轨道(MEO)低地轨道(LEO)earthkm35768100001000LEO

(Globalstar,

Irdium)HEO范艾伦辐射带MEO(ICO)GEO(Inmarsat)2026/4/1136范艾伦辐射带环绕地球的高能粒子辐射带分为内外两层：20世纪初，挪威空间物理学家斯托默从理论上证明在地球周围存在带点粒子捕获区1958年美国物理学家

范艾伦利用卫星上的

盖革计数器探测并证

实了辐射带的存在2026/4/1137地球同步卫星(GEO)是使用最普遍的卫星工作方式地面之上35863km的圆形轨道在赤道所在平面上旋转(inclination

0º)与地球一样的角速度旋转，并保持在赤道上空的同一个点上2026/4/1138地球同步卫星(GEO)优点相对地球位置固定，无多普勒效应地面站跟踪卫星简单三颗卫星基本覆盖全球存在的问题信号衰减大高纬度地区服务质量差(纬度60%以上信号覆盖不好)传输延迟大(275ms)频率重用困难应用多用于无线和电视信号传输不适合要求全球覆盖的移动电话通信典型系统Inmarsat2026/4/1139LEO轨道高度500-1500km小脚印，更好的频率重用传输延迟小(5-10ms)能够实现全球无线信号覆盖，但需要的卫星数量多通常包括多个卫星轨道平面，每个平面上有多颗卫星卫星之间可能存在星际链路较频繁的卫星之间的切换卫星相对于地球站移动，系统复杂Iridium1998年开始建设66颗卫星Globalstar1999年开始建设48颗卫星用户数量有限2026/4/1140MEO轨道高度5000-12000km与LEO比较移动速度慢卫星数量少系统较简单切换较少传输延迟高(70-80ms)更大的发射频率ICOInmarsat2000年开始建设2026/4/1141不同轨道系统的性能比较2026/4/1142卫星的频带大气对电磁波的吸收损耗无线电窗口：0.3-10GHz半透明无线电窗口：30GHz2026/4/1143卫星的频带卫星通信涉及两个频带上行链路:地面到卫星下行链路:卫星到地面上行链路波段总是高频率常用卫星频带国际通信卫星:4/6GHz,11/14GHz20/30GHz政府和军事卫星:7/8GHz2026/4/1144选择卫星通信频段需要考虑的因素工作频段内的噪声与干扰小；电波传播过程的损耗小；尽可能有较宽的带宽，以满足通信业务要求；充分利用现有的通信技术与现有的通信设备；与其他通信或雷达等微波设备之间的干扰尽可能小2026/4/1145卫星的频带卫星通信使用的频谱资源2026/4/1146主要内容卫星通信概述卫星的轨道与频带卫星通信系统的组成典型卫星通信系统卫星互联网技术2026/4/1147卫星通信系统的组成星上系统测控系统控制与管理系统通信系统地球站Satellite地面部分EarthStationsCoverageRegionSCCFSS–FixedSatelliteServiceMSS–MobileSatelliteService卫星数字通信系统RECEIVERRFChannelOutputDataSourceDecodingChannelDecoderDemodulatorSourceDataSourceCodingChannelCodingModulatorTRANSMITTER2026/4/1151basestationorgatewayInterSatelliteLink(ISL)MobileUserLink(MUL)GatewayLink(GWL)footprintsmallcells(spotbeams)UserdataPSTNISDNGSMGWLMULPSTN:PublicSwitchedTelephoneNetwork2026/4/1152卫星通信系统各部功能星上系统—进行无线电中继，包括转发器和天线测控系统—指挥控制中心、数据交换中心、各地监控站组成控制与管理系统—保证卫星通信系统正常运行的重要组成部分地球站—卫星通信的地面部分，用户通过它接入卫星进行通信通信系统—链路分配、调制、编码与差错控制、组网、多址接入等2026/4/1153通信卫星工作的基本原理54SatelliteUplinkEarthStationDownlinkTxSourceInformationRxOutputInformationEarthStation2026/4/1155工作的基本原理地面站1发出无线电信号，这个微弱的信号被卫星通信天线接收，在通信转发器中进行放大，变频和功率放大，再由卫星的通信天线把放大后的无线电波重新发向地面站2，实现两个地面站或多个地面站的远距离通信。2026/4/1156一个简单的例子北京市某用户要通过卫星与大洋彼岸的另一用户打电话:STEP1:通过长途电话局，由它把用户电话线路与卫星通信系统中的北京地面站连通;STEP2:地面站把电话信号发射到卫星，STEP3:卫星接到这个信号后通过功率放大器，将信号放大再转发到大西洋彼岸的地面站，STEP4:地面站把电话信号取出来，送到受话人所在的城市长途电话局转接用户。2026/4/1157电视节目的转播与电话传输相似由于各国的电视制式标准不一样，在接收设备中还要有相应的制式转换设备，将电视信号转换为本国标准。2026/4/1158其他业务电报、传真、广播、数据传输等业务与电话传输过程相似，不同的是需要在地面站中采用相应的终端设备。2026/4/1159卫星通信相关技术多址接入技术差错控制技术组网技术路由技术移动地面站定位卫星系统切换2026/4/1160多址接入技术卫星通信的链路点到点链路广播链路带宽分配策略FDMATDMACDMA2026/4/1161FAMA-TDMA多址接入传输的形式：重复序列的帧每个帧被划分为若干个时隙每个时隙被指定给一个特定的发送器地面站轮流使用上行信道在指定的时隙内发送数据卫星中继转发接收到的信号向所有地面站广播地面站需要知道使用哪些时隙发送信号、哪些时隙接收信号2026/4/1162FDMA-TDMA

上行2026/4/1163FDMA-TDMA下行2026/4/1164差错控制技术常用的差错控制技术：ARQ,FEC,ARQ+FEC思考题：卫星通信中的差错控制机制是如何设计的？2026/4/1165路由技术利用卫星进行路由需要的网关数量减少尽量在卫星网络中转发连接和数据包两个移动电话之间的连接仅需要一条上行链路和一条下行链路存在的问题卫星之间更复杂的天线集中由于移动路由器造成系统更加复杂卫星上更多的能量消耗更短的使用寿命2026/4/1166移动地面站位置管理技术与GSM机制类似网关维护用户的相关注册信息HLRVLRSUMR分配给某个移动站的卫星全部卫星的位置信息移动站的注册通过卫星的位置信息定位移动站的位置向HLR请求用户数据更新VLR和SUMR中的信息呼叫移动站采用与GSM类似的HLR/VLR移动性管理方法定位移动站位置利用合适的卫星建立连接2026/4/1167卫星系统切换技术卫星内部切换同一个卫星不同点波束（SpotBeam）之间的切换触发条件：移动站仍在卫星的覆盖区域内，但移动到不同的小区卫星之间切换不同卫星之间的切换触发条件：移动站离开了当前卫星的覆盖区域网关切换不同网关之间的切换触发条件：移动站仍在当前卫星的覆盖区域内，但是网关离开了当前卫星的覆盖区域系统之间切换从卫星网络到陆地蜂窝网络之间的切换触发条件：移动站能够重新接入到一个便宜、低延迟的陆地网络2026/4/1168主要内容卫星通信概述卫星的轨道与频带卫星通信系统的组成典型卫星通信系统卫星互联网技术2026/4/1169典型卫星通信系统--Iridium(铱)星系统目标

向携带手持式移动电话的铱用户提供全球个人通信能力，

能够在没有地面蜂窝系统的情况或PSTN欠发展的区域

提供类似蜂窝系统一样的电信业务。铱系统概况由Motorola提出的世界上第一个低轨道全球卫星移动通信系统支持话音、数据和定位业务系统在不依赖地面网的情况下可支持地球上任何位置用户之间的通信2026/4/1170典型卫星通信系统--Iridium(铱)星系统发展1998年11月，开始商业运营1999年7月止，用户数量不足3万1999年8月13日，申请破产保护2000年12月，新铱星公司成立，用2500万收购了投资近60亿的铱星公司2001年3月，重新开始提供全球通信业务2004年7月，实现盈利2005年5月，全球用户数14.8万户2006年1月，共发射卫星95颗，66颗工作，13颗在轨备份，11颗失效，5颗陨落。系统能够连续工作到2014年而无需发送额外卫星2026/4/1171典型卫星通信系统--Iridium(铱)星系统发展1998年11月，开始商业运营1999年7月止，用户数量不足3万1999年8月13日，申请破产保护2000年12月，新铱星公司成立，用2500万收购了投资近60亿的铱星公司2001年3月，重新开始提供全球通信业务2004年7月，实现盈利2005年5月，全球用户数14.8万户2006年1月，共发射卫星95颗，66颗工作，13颗在轨备份，11颗失效，5颗陨落。系统能够连续工作到2014年而无需发送额外卫星2026/4/1172系统组成卫星星座系统控制段信关站用户单元通信链路用户链路—L波段星际链路—Ka波段馈电链路—Ka波段典型卫星通信系统--Iridium(铱)星系统典型卫星通信系统--Iridium(铱)星系统2026/4/1174卫星星座66颗主用卫星，分布在6个轨道面轨道高度777.84km每颗卫星3个L波段用户链路4个Ka波段星际链路4个Ka波段馈电链路具备复杂的星上处理与交换能力，能够不依赖地面独立传输与交换典型卫星通信系统--Iridium(铱)星系统2026/4/1175典型卫星通信系统--Globalstar全球星系统概述由美国劳拉公司和高通共同建设用48颗绕地球运行的低轨道卫星在全球范围（不包括南北极）向用户提供无缝隙覆盖的、低价的卫星移动通信业务，业务包括话音、传真、数据、短信息、定位等系统用户通过卫星链路接入地面公用网，在地面网的支持下实现全球卫星通信，是地面网的补充和延伸。全球星系统没有星际链路，无需星上处理，系统投资费用低，技术风险小2026/4/1176典型卫星通信系统--Globalstar全球星系统系统组成空间段48颗卫星，8个轨道,每个卫星16个点波束用户链路和馈电链路无星际链路和星上处理与交换地面段地面操作控制中心卫星操作控制中心射频控制设施用户段：各类用户终端2026/4/1177典型卫星通信系统--Globalstar全球星系统通信体制用户链路：移动用户与卫星的通信L&S波段（上行L波段，下行S波段，调制方式QPSK）多址方式：CDMA/FDMA/SDMA馈电链路：信关站与卫星的通信C波段（上行L波段，下行S波段，调制方式QPSK）多址方式：FDMA/FDM切换：只有波束之间的切换和星际切换，切换由信关站决定路由计划接入原则：优先接入地面网路由选择原则2026/4/1178典型卫星通信系统

(Inmarsat-海事卫星移动系统)关于Inmarsat最早的