第一章 卫星系统概述(2011版).ppt

1、1,卫星通信,张威 2011.9,2,卫星通信的提出,1945年，英国物理学家克拉克在无线电世界杂志 上发表题为地球以外的中继的文章，预言人类能够利 用在赤道上空同步轨道上运行的卫星实现远距离的通信。 在一颗通信卫星天线的波束所覆盖的地域内，各个地球 站之间都可以通过卫星中继转发信号，实现通信。例如，当 某地的地球站要和另一地区的地球站通信时，该站将无线电 信号发射给卫星，卫星将收到的信号进行放大、频率变换等 处理后再转发给另一地球站，于是就建立起该站和另一地球 站之间的通信联系。,3,阿瑟克拉克简介,阿瑟克拉克是英国著名科幻作家，同时也是一位著名的科 学家，以及国际通讯卫星的奠基人。 克拉克

2、1917年生于英格兰西部的一个小城镇，1941年进 入部队服役，从事与雷达有关的技术工作。在克拉克服役的 最后一年1945年，他在世界无线电杂志第10期上发表 了一篇具有历史意义的关于卫星通信的科学设想论文地球 外的中继卫星能给出全球范围的无线电覆盖吗？，详 细论述了卫星通信的可行性，为今后全球卫星通信奠定了理 论基础。战争结束以后克拉克进入大学深造，攻读物理学和 数学。自1950年起克拉克开始创作科幻作品。他以“太阳风” 为题材的科幻作品太阳帆船曾引起美国国家宇航局的注 意，并因此而关注这一领域的研究。60年代以后，这位科幻 大师一直居住在岛国斯里兰卡。,4,克拉克是迄今为止最著名的太空题材

3、科幻作家，他的作 品主要讨论人类在宇宙中位置的主题，其童年的终结 (1950)、城市和星星(1956)、2001：太空探险 (1968)、与拉玛相会(1973)、天堂的喷泉(1980)等 作品无不寓意深刻、脍炙人口。克拉克的作品以其出色的科 学预见、东方式的神秘情调以及海明威式的硬汉笔法而著 称，此外克拉克还善于运用哲学的方式，使作品具有一定的 哲理性，给读者以思考。 克拉克在其创作当中，还善于积累有关科学文化方面的 经验，并以“定律”的方式加以总结，其中较有代表性的被称 为“克拉克基本定律”，很值得我们借鉴。,5,定律一：如果一个年高德劭的杰出科学家说，某件事情是可能的，那他可能是正确的；但

4、如果他说，某件事情是不可能的，那他也许是非常错误的。 定律二：要发现某件事情是否可能的界限，唯一的途径是跨越这个界限，从不可能跑到可能中去。 定律三：任何非常先进的技术，初看都与魔法无异。 克拉克最为辉煌的成就当推2001：太空探险，这部 史诗般的作品场面宏大、气势雄伟，展现出人类的过去、现 在以及可能的未来，与另一位英国作家乔治奥威尔的 1984分享硬软科幻最佳作品的宝座。这部作品首先是以 电影的形式展现给观众的，由著名导演斯坦利库布里克执 导。影片一经公映便引起巨大反响，使科幻电影在人们心目 中的地位从“谁也看不起”一下提升到“谁也看不懂”，其中某 些眩丽多彩的镜头成为电影史上的经典镜头。

5、,6,一颗距地球表面36000km（距地心42000km）远 的同步通信卫星，其天线波束覆盖地域（即对地面的 视区）超过地球表面的42.4，只需要把3颗相隔 120的同步卫星送上天，就可以实现除南北极之外 的全球通信。 卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转 发无线电波，在两个或多个地球站之间进行的通信。 它是宇宙通信形式之一。,7,静止卫星的轨道位置示意图,地球的平均半径约为6378公里，静止卫星的轨道高度约为35786公里，轨道半径约为42,164公里。从静止卫星看地球，地球的角直径约为17.4度 。,8,静止卫星的覆盖范围示意图,9,三条绿线分别对应东经105.5度卫星的0度、15 度

6、、及30度仰角服务区。图中的0度仰角服务区表明 静止卫星只能覆盖到南北纬大约80度处，南北两极 附近的高纬度地区并不在静止卫星的服务区内。由 15度仰角服务区的经度覆盖范围大致有140度可知， 只需轨位间隔约为120度的三颗静止卫星，就可以覆 盖南北纬70度以下的绝大部分地球表面。,10,11,12,卫星通信线路的组成,13,用户段 手持终端 掌上型终端 车/舰/机载终端 便携式终端 固定终端,系统的组成,14,卫星通信定义,卫星通信是指利用人造地球卫星作为中 继站转发或反射无线电信号，在两个或多个 地球站之间进行的通信。这里地球站是指设 在地球表面(包括地面、海洋和大气中)的无 线电通信站。

7、而用于实现通信目的的这种人 造卫星叫作通信卫星。,15,我国卫星通信发展状况,卫星通信在中国的特殊地位: 1、幅员辽阔 2、口众多 3、地区发展不平衡 4、中国有60左右的地区是地面网盲区，如海洋、高山、沙漠和草原等，通信的困难甚至成为人们生存的障碍,16,我国卫星通信发展状况,1970年4月24日21时35分，我国第一颗人造卫星“东方 红”1号发射升空，21时48分进入预定轨道，21时50分传回了 东方红乐曲,卫星运行轨道的近地点高度439km、远地点 高度2384km、轨道平面与地球赤道平面的夹角68.5、绕 地球一圈114min、卫星质量173kg、用20.009MHz的频率 向全世界播

8、送东方红乐曲 ，东方红一号的成功发射标志 着我国进入了太空时代。,17,我国卫星通信发展状况,“东方红1号”人造卫星的发射成功，开了我国卫星通信事 业的先河。1984年4月8日，我国成功地发射了第一颗试验同 步通信卫星。1986年2月1日，我国第一颗实用同步通信卫星 发射成功，取名为STW，又叫“东方红2号”，向全国传送15套 广播节目。1988年3月7日、12月22日、1990年2月4日，我国 又分别成功地发射了名为“东方红2号甲”的同步通信卫星。 展望未来，到2000年，仅广播电视占用的卫星转发器就将超 过30个，电视的人口覆盖率将从现在的84%提高到90%；大型 国内地球站将增加到32个

9、左右，国内长途卫星通信电路增加 到几万条。卫星通信将和光纤通信、微波接力通信等通信手 段一起，为我国社会主义建设事业的发展作出更大的贡献。,18,卫星通信的特点,1、通信距离远。 一颗同步通信卫星的无线电波束，可以覆盖 地球表面积的42.4。覆盖区内成千上万公里的 距离，经卫星“一跳”可及，最远的通信距离可达 13000Km。通信不受地理条件的限制（如山河海洋 的阻隔），也不受自然灾害（如洪涝灾害、地震 灾害等）和人为事件的影响。,19,2、通信质量高。 这首先是因为通常经过卫星一跳就可以把信息 传送到对方，不像微波接力通信那样要经过众多的 中继站而不可避免地引入噪声；其次，无线电波主 要在外

10、层空间传播，所受大气折射和地面反射影响 较小，有较好的传播特性。,20,3、覆盖面积大，可进行多址通信。 许多其它类型的通信手段常常是只能实现点 对点通信。而卫星通信，由于它是大面积覆盖， 因而只要是在卫星天线波束的覆盖区域内都可设 置地球站，共用同一颗卫星在这些地球站间进行 双边或多边通信，或者说多址通信。,21,4、通信频带宽、传输容量大。 这是由于卫星通信通常都是使用300MHz以上 的微波频段，因而可用频带宽。目前，卫星带宽 已达到3000MHz以上，一颗卫星的通信容量已可 达到30000路电话，并可同时传输3路彩色电视以 及数据等其它信息。,22,5、机动灵活。 卫星通信不仅能作为大

11、型固定地球站之间的 远距离干线通信，而且可以在车载、船载、机载 等移动地球站间进行通信，甚至还可以为个人终 端提供通信服务。,23,卫星通信的不足,卫星通信具有广播特性。一般来讲较易被窃 听。因此必须采取密措施。 保密主要从防窃听和信息加密两方面考虑。 (1)防窃听。 虽然卫星通信比有线通信较易被窃听，但采用 先进的技术体制也能起到防止窃听的作用。例如利 用卫星信道时延长的特点，采用跳频技术；利用卫 星信道频带宽的特点，采用扩频技术；利用卫星天 线有多种覆盖的特点，采用点波束天线，使卫星转 信能量集中在某一特定工作地区。,24,(2)信息加密 对于现代侦听技术来说，防窃听已不足以解决通 信保密

12、问题，即便是地下电缆、海缆通信，也不能有 效地防止窃听。所以，通信保密的重点应是信息加 密。现代数字通信及计算机技术为信息加密提供了技 术条件。卫星通信信道稳定，不论距离远近均可直达 通信，便于传输同步数字加密信息。所以，为保密起 见，卫星通信可选用数字通信体制及数字加密技术。,25,卫星通信发展的回顾,早在1945年10月，英国空军雷达军官阿瑟克拉克在无 线电世界发表了地球外的中继站一文。大约20年之 后，这一设想变成现实。 卫星通信的发展过程，大致经历了以下几个阶段: 1、20世纪40年代提出构想及探索 2、20世纪50年代进入试验阶段 3、20世纪60年代中期卫星通信进入实用 4、20世

13、纪70年代初期卫星通信进入国内通信 5、20世纪80年代VSAT问世 6、20世纪90年代卫星通信进入个人通信阶段,26,1、20世纪40年代提出构想及探索,1945年10月，英国科学家阿瑟克拉克发表文 章，提出利用同步进行全球无线电通信的科学设 想。最初利用月球反射进行探索试验以进行通信。 但由于回波信号弱、时延长、提供通信时间短、带 宽窄、失真大等缺点，因此没有发展前途。,27,2、20世纪50年代进入试验阶段,1957年10月，第一颗人造地球卫星上天后，卫星通信的 试验很快就转人利用人造地球卫星试验阶段。主要试验项目 是有源无源卫星试验和各种不同轨道卫星试验。 试验证明： (1)无源卫星

14、不可取。主要缺点是无源卫星要求地面大功 率发射和高灵敏接收，通信质量差，不宜宽带通信，卫星反 射体面积要大，且受流星撞击干扰，卫星只能是低轨道等。 1964年后，无源卫星试验宣告终止。 (2)通过对各种轨道高度的有源通信卫星的试验，证明了 高空轨道特别是同步定点轨道对于远距离、大容量、高质量 的通信最有利。所以，试验及试用逐步集中到同步定点卫星 方面。,28,3、20世纪60年代中期卫星通信进入实用,美国于1961年7月10日成功地发射了第一颗商业通讯卫星“电星号”。,29,3、20世纪60年代中期卫星通信进入实用,1965年4月，西方国家财团组成的“国际卫星通信 组织”把第一代“国际通信卫星

15、”(INTELSAT-1，简记为 IS-1，原名“晨鸟”)射入静止同步轨道，正式承担国 际通信业务。两周后，苏联也成功地发射了第一颗非 同步通信卫星“闪电-1”，进入倾角为650、远地点为 40000km、近地点为500km的准同步轨道(运行周期12 小时)，对其北方、西伯利亚、中亚地区提供电视、 广播、传真和一些电话业务。这标志着卫星通信开始 进入实用阶段。,30,3、20世纪60年代中期卫星通信进入实用,1965年成立的国际通信卫星组织INTELSAT。相 继发射了IS-1，IS-，IS-通信卫星。一些国家 建成了一批地球站，初步构成了国际卫星通信网 络，开拓了国际卫星通信业务。限于当时技

16、术条 件，地球站设备十分庞大，采用30m口径的大型天 线、几千瓦速调管发射机、致冷参量放大器接收 机，建设一座地球站耗资巨大。,31,4、20世纪70年代初期卫星通信进入国内通信,1972年加拿大首次发射了国内通信卫星 “ANIK” ，率先开展了国内卫星通信业务，取得了明 显的规模经济效益。地球站开始采用21m、18m、10m 等较小口径天线，用几百瓦级行波管发射机、常温 参量放大器接收机，使地球站向小型化迈进一大 步，成本也大为下降。此间还出现了海事卫星通信 系统，通过大型岸上地球站转接，为海运船只提供 了通信服务。,32,5、20世纪80年代VSAT问世,VSAT(Very Small A

17、perture Terminal)卫星通 信系统问世，卫星通信进入了一个突破性的发展阶 段。VSAT是集通信、电子、计算机技术于一体的、固 态化、智能化的小型无人值守的地球站。一般C频段 VSAT站的天线口径约3m，Ku频段为1.8m，1.2m或更 小。可以把这种小站建在用户的楼顶上或就近地方直 接为用户服务。VSAT技术的发展，为大量专业卫星通 信网的发展创造了条件，开创了卫星通信应用发展的 新局面。,33,6、20世纪90年代卫星通信进入个人通信阶段,1998年11月1日，第一个也是目前为止唯一一个全球个人卫星移动通信系统 铱（Iridium）开始商业运营,34,卫星通信的分类,按照业务划

18、分： 固定卫星业务（FSS, Fixed Satellite Service） 广播卫星业务（BSS, Broadcasting Satellite Service） 移动卫星业务（MSS, Mobile Satellite Service） 按照工作频段划分： L频段：1-2GHz，移动通信、声音广播 S频段：2-3GHz，移动通信、图像广播 C频段：4-6GHz，固定通信、声音广播 X频段：7-8GHz，固定通信（通常用于政府和军方业务） Ku频段：10-14GHz，固定通信、电视直播 Ka频段， 17-31GHz，固定通信、移动通信,35,卫星轨道,按照轨道高度划分： 低轨（LEO），轨

19、道高度低于5000公里 中轨（MEO），轨道高度在5000到20000公里之间 高轨（HEO），轨道高度高于20000公里 按照轨道类型划分： 形状圆轨道与椭圆轨道 倾角赤道轨道、倾斜轨道、极轨道 对地静止轨道（GEO）在赤道平面上的圆轨 道，轨道高度约为36000公里,36,卫星轨道 续1,GEO/GSO的主要优势 1、对地（球）位置相对固定 2、几乎恒定的传输延时 3、广阔的覆盖区域（单星覆盖面积约占地球表 面1/3） GEO/GSO的主要缺点 1、大的传输延时和衰减 2、仰角随着纬度的增高而降低（GEO） 3、不能覆盖极地地区（GEO） 4、轨位资源缺乏 5、发射费用高,37,LEO的主

20、要优势 1、低传输延时和衰减（利于使用手持终端） 2、灵活的系统设计 3、单星）发射费用低 LEO的主要缺点 1、对地的快速相对移动，大多普勒频移 2、单星覆盖面积小（因此需要几十到上百颗卫星实现 全球覆盖） 3、LEO星座的延时抖动大 4、LEO星座的管理复杂性高,38,HEO的主要优势 1、高纬度地区的仰角大 2、单星覆盖范围大 3、对地相对运动速度较慢（在服务时间内） HEO的主要缺点 1、传输延时和衰减大 2、穿越范艾伦带，卫星寿命较短 3、大的多普勒频移,39,MEO：GEO和LEO的折中 单星的中等覆盖面积（需要几颗到十几颗星实现全球覆盖） 中等的传输延时和衰减 中等的对地移动速度

21、（即中等的多普勒频移） 中等的星座延时抖动 中等的星座管理复杂度,40,典型卫星通信系统的轨道高度、卫星速度和轨道周期如下表,41,卫星轨道 续2,内范伦带： 15005000 km 外范伦带: 1300020000km,42,卫星轨道 续3,43,按照转发器类型划分：,透明信道： 又称弯管式（bend pipe），不对收自地面的信 号作解调处理，经过变频后直接转发回地面。 星上处理： 对收自地面的信号作解调和交换处理、以及变频 和波束选择后，再转发回地面。 存储转发： 暂时存储收自地面的信号，在特定的时间和地点 回传给地面，通常用于低轨小卫星。,44,第1章 卫星系统概述,1.1 引言 1.

22、2 卫星业务的频率分配 1.3 INTELSAT 1.4 美国国内卫星(Domsat) 1.5 极轨道卫星,45,1.1 引言,在通信系统中使用卫星已经成为日常生活 中的一个事实，这从越来越多的家庭安装接收 卫星电视的碟形天线中可以看出。但是人们了 解不多的是，卫星也是全球电信系统中一个基 本的组成部分，除了传输电视信号外，它还承 载了大量的数据和话音业务。,46,卫星具有一些其它通信方式不可比拟的特 点。由于一颗卫星可以覆盖地面上很大的一个区 域，因此，卫星就可以作为一个能把在地理上相 距很远的众多用户同时连接在一起的通信网络的 起始点。同样，该特点还使得卫星能够为人口稀 少的偏远地区提供通

23、信链路，而使用其它通信方 式则是非常困难的。当然，由于卫星信号不仅跨 越了地理上的界限而且也超越了政治上的界限， 这可能是也可能不是一个所期望的特点。,47,为了对卫星的成本有一个初步认识，我们来 看下面的例子，加拿大Anik-E1卫星的制造和发射 成本是$281.2百万加元（按1994年加拿大元）；其 Anik-E2卫星的成本是$290.5百万加元。两颗卫星 合在一起的总发射保险费为$95.5百万加元。任何 一个卫星系统都有一个共同的特点，即通信成本对 距离不敏感，这意味着通信双方相距很近与相距很 远的卫星通信链路的通信成本几乎是一样的。,48,因此，只有当系统处于连续使用且成本能够在大 量

24、用户间合理分摊时卫星通信系统才是经济的。 卫星还可用作遥感，例如水污染检测、气象 状况的监测和报告等。一些遥感卫星已经成为失 事飞机及其它类似事故的搜救工作中至关重要的 组成部分。,49,举例：,军事通信卫星通常分为战略通信卫星和战术通信卫星 两大类。战略通信卫星通常在地球同步轨道上运行，为远 程乃至全球范围的战略通信服务。战术通信卫星一般在12 小时周期轨道上运行，这种卫星主要用于近程战术通信， 为军用飞机，包括反潜战斗机和海面舰艇等的机动通信服 务。由于卫星通信的先进性，所以它发展非常迅速，自20 世纪60年代后半期，国外开始发射军事通信卫星以来，目 前美国、前苏联、英国等国都已建立了军事

25、通信卫星系 统，为其最高军事当局、各级指挥机构、海上的舰队、空 中的飞机、地面的部队提供不间断的战略与战术通信勤 务。,50,卫星通信与远距离的电离层通信、微波接 力通信、对流层散射通信、同轴电缆通信等手 段相比，具有覆盖面积大、通信距离远、通信 容量大、传输质量高、机动性能好、生存能力 强和费用低等特点。在军事应用上，它还具有 抗干扰性强、保密性好等优点，因此，成为军 事通信不可缺少的关键性通信手段。,51,Pritchard （1984）和Brown （1981）对卫 星的作用做了很好的介绍。这里为了能够对卫星系 统作一概述，本章简单描述了卫星的三种不同应用： （1）最大型的国际系统，In

26、telsat （2）美国的国内卫星系统，Domsat （3）用于环境监测和搜救的美国国家海洋研究和 大气管理机构（NOAA）的系列极轨卫星。,52,1.2 卫星业务的频率分配,两个权威组织 国际电联ITU International Telecommunication Union 美国联邦通信委员会FCC Federal Communications Committee,53,1.2 卫星业务的频率分配,ITU划分的频率区域划分 区域1：欧洲，非洲，前苏联地理区域，蒙古和西亚半岛 区域2：南北美洲和格陵兰岛 区域3：亚洲（除区域1部分），澳洲和西南太平洋,54,卫星提供的业务,移动卫星服务MS

27、S：Mobile Satellite Service 陆地移动卫星服务LMSS：Land MSS 海事移动卫星服务MMSS：Maritime MSS 航空移动卫星服务AMSS：Aeronautical MSS 固定卫星服务FSS：Fixed Satellite Service 广播卫星服务BSS：Broadcast Satellite Service 无线定位服务RDSS：Radio Determination Satellite Service,55,卫星业务常用的波段,选择工作频段时主要考虑如下因素： (1)天线系统接收的外界噪声要小。 (2)电波传输损耗及其他损耗要小。 (3)设备重量要

28、轻，耗电要省。 (4)可用频带要宽，以满足通信容量的需要。 (5)与其他地面无线系统(如微波中继通信系统、雷达系统等)之间的相互干扰要尽量小。 (6)能充分利用现有技术设备，并便于与现有通信设备配合使用等。,56,综合考虑上述各方面的因素，应特工作频段选 在电波能穿透电离层的特高频或微波频段。目前， 大多数卫星通信系统选择在下列频段工作： (1)UHF波段 400200 MHz (2)L波段 1.61.5 GHz (3)C波段 6.04.0 GHz (4)x波段 8.07.0 GHz (5)Ku波段 14.012.0 GHz (6)Ka波段 3020 GHz,57,卫星业务常用的波段,58,表

29、1-2 官方机构ITU的频段表示方法,59,1.3 INTELSAT,INTELSAT是国际电信卫星的缩写。该组织成 立于1964年，至今已有超过140个国和多于40个 投资实体(http：www.I)。 它从1965年发射“晨鸟”卫星开始，每间隔几年又 发射一些卫星。图1-1给出了这些INTELSAT卫星 的演化过程。,60,61,INTELSAT覆盖了三个主要的区域：,大西洋区(AOR)、印度洋区(I0R)和太平洋区(POR)。 对每个区域，卫星定位在该大洋上空的对地静 止轨道上，用来提供越洋电信路由。图1-2绘出了 INTELSATVI的覆盖区域。AOR中承载的业务量大约是 IOR的3倍

30、，并且约为IOR和POR业务量之和的2倍。因 此，系统设计主要要满足AOR的要求。截止到1999年 5月，在AOR中有3颗INTELSATVI卫星在提供业务， IOR中有两颗INTELSATVI 提供业务。,62,63,INTELSATVIIVIIA系列卫星的特点,INTELSATVIIVIIA系列卫星在1993年10月 1996年6月间发射。它使用了太阳能帆板而不是以前 的圆柱体结构，其结构与图1-1给出的V和VAVB系 列卫星相似。VII系列卫星计划用于为POR提供业 务，也为AOR提供一些较低等级的业务。其天线波束 覆盖范围适合于POR的形状。图1-3绘出了其C频段半 球覆盖和区域覆盖的

31、天线波束覆盖图，以及Ku频段 天线可能具有的点波束覆盖图。,64,65,66,典型的Vista应用,67,1.4 美国国内卫星(Domsat),Domsat是国内卫星(domestic satellite)的缩 写。国内卫星用来在一个国家内提供各种各样的业 务，如话音、数据和视频传输。在美国，所有的 Domsat都位于对地静止轨道。Domsat除了用于承载 大量的商用电信业务外，还为家庭娱乐市场提供了 大量可选的电视频道。 用于提供直播到户电视业务的美国Domsat可大 致划分为高功率、中功率和低功率卫星几类。 表1-4列出了这几类卫星的主要定义参数。,68,表1-4,69,图1-5一个直播卫星系统的组成部分,如表1-4所示，绝大部分的DBS业务发生在Ku频 段。电视信号可通过地面线路中继到达上行链路地球 站，该地球站在14GHz频段发送一个波束非常窄的信号 到卫星。卫星在12GHz频段将该电视信号挚发到一个宽 波束范围内。在这个波束覆盖区域内的任何一个用户 都可以接收到该卫星转发的电视信号。,70,71,1.5 极轨道卫星,极轨卫星的运行轨道可以覆盖地球的南北两极区 域。(注意，极轨并不是指其轨道围绕地球的某一极) 图1-6是