卫星通信系统概述.ppt

通信工程教研室主讲人：葛延良主讲人：葛延良卫卫 星星 通通 信信通信：在两个或多个位置实现信息的传输、接 收和处理。有线通信：光纤、电缆、明线 无线通信：短波/超短波通信、微波中 继通信、卫星通信第第1 1章章 卫星通信系统概述卫星通信系统概述n卫星通信的概念 卫星通信：是指利用通信卫星作为中继站转发或反射无线电波，以此来实现两个或多个地球站（或手持终端）之间或者地球站与航天器之间通信的一种通信形式。换言之，卫星通信是在地球站上，包括地面、水面和大气层中的无线电通信站之间，利用人造卫星作为中继站进行的通信。卫星通信是个人通信网的组成部分，是卫星通信是个人通信网的组成部分，是地面通信网的补充。地面通信网的补充。1.1 卫星轨道卫星轨道 假设地球是质量均匀分布的圆球体，忽略假设地球是质量均匀分布的圆球体，忽略太阳、月球和其它行星的引力作用，卫星运动太阳、月球和其它行星的引力作用，卫星运动服从服从开普勒开普勒(Kepler)(Kepler)三大定律三大定律。n n开普勒定律开普勒定律开普勒第一定律：卫星以地心为一个焦点做椭开普勒第一定律：卫星以地心为一个焦点做椭圆运动。圆运动。其轨道平面的极坐标为：其轨道平面的极坐标为：图1 椭圆轨道的示意图 开普勒第二定律：卫星与地心的连线在相同时开普勒第二定律：卫星与地心的连线在相同时间内扫过的面积相等。间内扫过的面积相等。V为卫星在轨道上的瞬时速度。其中a为椭圆轨道的半长轴，r为卫星到地心的距离。u u为开普勒常数，u值为398601.58 km398601.58 km3 3/s/s2 2 开普勒第三定律：卫星运转周期的平方与轨道开普勒第三定律：卫星运转周期的平方与轨道半长轴的半长轴的3 3次方成正比。次方成正比。u u为开普勒常数，u值为398601.58 km398601.58 km3 3/s/s2 2。1.2 卫星通信系统的组成n n空间段空间段 主要是卫星本身。星体包括两大子系统：主要是卫星本身。星体包括两大子系统：星载设备和卫星母体。星载设备和卫星母体。n n地面段地面段 典型的地面段即地球站，包括地面卫星控典型的地面段即地球站，包括地面卫星控制中心（制中心（SCC,Satellite control centerSCC,Satellite control center）及其跟踪、）及其跟踪、遥测和指令站（遥测和指令站（TT&C,Tracking,telemetry and TT&C,Tracking,telemetry and command stationcommand station）。）。n n用户段用户段 各种用户终端。各种用户终端。选择工作频段时，应考虑的重要因素：选择工作频段时，应考虑的重要因素：（1 1）电波传播衰减及其它衰减要小电波传播衰减及其它衰减要小；（；（图图 1-14）在在0.3-10GHz0.3-10GHz频频段段，大大气气吸吸收收衰衰减减最最小小，称称为为“无无线线电电窗窗口口”。另另外外，在在30GHz30GHz附附近近也也有有一一个个衰衰减减的的低低谷谷，称称为为“半透明无线电窗口半透明无线电窗口”。（2 2）天线接收的外界噪声要小天线接收的外界噪声要小；（图图 1-15）从从降降低低接接收收系系统统噪噪声声的的角角度度来来考考虑虑，工工作作频频段段最最好好选在选在1-10GHz1-10GHz之间工作。之间工作。（3 3）大气层中雨、雾、云的影响大气层中雨、雾、云的影响；（图图 1-16）1.3 卫星通信的工作频段 从从上上述述三三方方面面考考虑虑，卫卫星星通通信信的的工工作作频频率率一一般般选选在在1-10GHz1-10GHz范范围围内内较较为为适适宜宜，而而且且最最理理想想的的频频段段是是在在4-6GHz4-6GHz附近。附近。除上述三个方面以外，还应考虑如下因素：除上述三个方面以外，还应考虑如下因素：（4 4）有）有较宽的可用频带较宽的可用频带，以满足信息传输的要求；，以满足信息传输的要求；（5 5）与地面微波通信、雷达等其他无线系统间的）与地面微波通信、雷达等其他无线系统间的相互干相互干 扰要小扰要小；（6 6）能充分）能充分利用现有通信技术利用现有通信技术，并便于与现有地面通信，并便于与现有地面通信 设备配合使用；设备配合使用；（7 7）设备）设备尺寸要小尺寸要小。1.3 卫星通信的工作频段段号段号频段名称频段名称频段范围频段范围1 1极低频极低频(ELF)(ELF)330330赫赫(Hz)(Hz)2 2超低频超低频(SLF)(SLF)3030030300赫赫(Hz)(Hz)3 3特低频特低频(ULF)(ULF)30030003003000赫赫(Hz)(Hz)4 4甚低频甚低频(VLF)(VLF)330330千赫千赫(KHz)(KHz)5 5低频低频(LF)(LF)3030030300千赫千赫(KHz)(KHz)6 6中频中频(MF)(MF)30030003003000千赫千赫(KHz)(KHz)7 7高频高频(HF)(HF)330330兆赫兆赫(MHz)(MHz)8 8甚高频甚高频(VHF)(VHF)3030030300兆赫兆赫(MHz)(MHz)9 9特高频特高频(UHF)(UHF)30030003003000兆赫兆赫(MHz)(MHz)1010超高频超高频(SHF)(SHF)330330吉赫吉赫(GHz)(GHz)1111极高频极高频(EHF)(EHF)3030030300吉赫吉赫(GHz)(GHz)1212至高频至高频(THF)(THF)30030003003000吉赫吉赫(GHz)(GHz)频率划分:综合上述要求，应将卫星的工作频段选在微波频段或特高频。具体地说，目前大多数卫星通信系统是选择在以下频段工作：L 频段：1.6/1.5 GHz 用于用于MSSMSS，GEOGEO卫星测控。卫星测控。S频段：4/2 GHz 用于用于MSSMSS，GEOGEO卫星测控。卫星测控。C 频段：6/4 GHz 用于用于MSSMSS，GEOGEO卫星测控。卫星测控。X 频段：8/7 GHz Ku 频段：14/12 GHz 用于用于FSSFSS，BSSBSS。Ka 频段：30/20 GHz 用于用于FSSFSS，BSSBSS。此外，此外，VHFVHF、UHFUHF用于低轨小卫星通信。用于低轨小卫星通信。VHF 频段：0.10.3 GHz 用于移动、导航业务。UHF 频段：0.31.0 GHz 用于移动、导航业务。更高频段：Q 频段：3646 GHz，V 频段：4656 GHz。太赫兹频段：0.110THz。1.3 卫星通信的工作频段 K波段波段(1827GHz),Ku波段的频波段的频率受国际有关法律保护，率受国际有关法律保护，1218GHz频段。频段。Ku波段卫星单转发器功率一般波段卫星单转发器功率一般比较大，多采用赋形波束覆盖，卫星比较大，多采用赋形波束覆盖，卫星EIRP较大，加上较大，加上Ku波段接收天线效波段接收天线效率高于率高于C波段接收天线，因此接收波段接收天线，因此接收Ku波段卫星节目的天线口径远小于波段卫星节目的天线口径远小于C波波段，从而可有效地降低接收成本，方段，从而可有效地降低接收成本，方便个体接收。便个体接收。主要应用：中继、卫星通信、主要应用：中继、卫星通信、雷达等。雷达等。现在广泛使用的蓝牙、现在广泛使用的蓝牙、ZigBee、无线路由、无线鼠标等、无线路由、无线鼠标等也使用这个范围的频率。也使用这个范围的频率。据据IEEE 521-2002标准，标准，X波段波段是指频率在是指频率在812 GHz的无线电波波的无线电波波段。而在某些场合中，段。而在某些场合中，X波段的频率波段的频率范围则为范围则为711.2 GHz。X波段中的波段中的X即英语中的即英语中的“extended”，表示，表示“扩扩展的展的”。X波段通常的下行频率为波段通常的下行频率为7.25 7.75 GHz，上行频率为，上行频率为7.98.4 GHz，也常被称为，也常被称为7/8 GHz波段。据波段。据ITU无线电规则第无线电规则第8条，条，X频段在空间应频段在空间应用方面有：空间研究、广播卫星、固用方面有：空间研究、广播卫星、固定通讯业务卫星、地球探测卫星、气定通讯业务卫星、地球探测卫星、气象卫星等用途。象卫星等用途。根据根据IEEE 521-2002标准，标准，L波段是指频率在波段是指频率在12 GHz的无线的无线电波波段。可被用于电波波段。可被用于DAB、卫星、卫星导航系统等。导航系统等。C波段，是频率波段，是频率48GHz的一段的一段频带，在卫星电视广播和各类小型频带，在卫星电视广播和各类小型卫星地面站应用中，该频段首先被卫星地面站应用中，该频段首先被采用，且一直被广泛使用。采用，且一直被广泛使用。Ka波段的频率范围为波段的频率范围为2740GHz。Ka代表着代表着K的正上方的正上方(K-above)，换，换句话说，该波段直接高于句话说，该波段直接高于K波段。波段。Ka波段也被称作波段也被称作30/20 GHz波段，波段，通常用于卫星通信。通常用于卫星通信。甚高频甚高频(VHF)是指频带是指频带30MHz300MHz的频段。多数的频段。多数是用作电台及电视台广播，同是用作电台及电视台广播，同时又是航空和航海的沟通频道。时又是航空和航海的沟通频道。和高频（和高频（HF）不同的是，电离）不同的是，电离层通常不会反射层通常不会反射VHF的信号。的信号。特高频（特高频（UHF）是指波长范围为）是指波长范围为1m1dm，频率为，频率为3003000MHz的的无线电波，常用于移动通信和广播电无线电波，常用于移动通信和广播电视领域。特高频主要用于短途通信，视领域。特高频主要用于短途通信，可以用小而短的天线作收发，适合移可以用小而短的天线作收发，适合移动通信。动通信。1.3 卫星通信的工作频段卫星通信与其他通信手段相比，具有以下一些特点：卫星通信与其他通信手段相比，具有以下一些特点：优点优点：1 1、卫星通信系统能以较低的成本提供较宽范围的无、卫星通信系统能以较低的成本提供较宽范围的无 缝覆盖，缝覆盖，服务范围宽且不受地理条件限制；服务范围宽且不受地理条件限制；服务范围宽且不受地理条件限制；服务范围宽且不受地理条件限制；(图图 1-2)2 2、可利用频带宽，传输容量大，可进行多址通信；、可利用频带宽，传输容量大，可进行多址通信；3 3、卫星通信系统与地面通信基础设施相对独立，网络卫星通信系统与地面通信基础设施相对独立，网络卫星通信系统与地面通信基础设施相对独立，网络卫星通信系统与地面通信基础设施相对独立，网络 路由简捷；路由简捷；路由简捷；路由简捷；4 4、网络建设速度快、成本低，网络建设速度快、成本低，网络建设速度快、成本低，网络建设速度快、成本低，且费用与通信距离无关；且费用与通信距离无关；5 5、卫星通信具有灵活性和普遍性；、卫星通信具有灵活性和普遍性；6 6、统一的业务提供商有助于系统的、统一的业务提供商有助于系统的均匀服务，并有利均匀服务，并有利均匀服务，并有利均匀服务，并有利 于引入新业务。于引入新业务。于引入新业务。于引入新业务。1.4 卫星通信的特点卫星通信的特点缺点缺点：1 1、静止卫星的发射与控制比较复杂；、静止卫星的发射与控制比较复杂；2 2、对于静止卫星，地球高纬度地区通信效果不好，、对于静止卫星，地球高纬度地区通信效果不好，并且两极地区为通信盲区；并且两极地区为通信盲区；3 3、存在、存在日凌中断日凌中断和和星蚀现象星蚀现象；4 4、电波的、电波的传播时延较大传播时延较大，且存在，且存在回波干扰回波干扰。1.4 卫星通信的特点卫星通信的特点由于卫星通信相对于地面通信网的综合造价成本高，终端贵，因此，卫星通信的市场定位应该是地面通信网的延伸和补充，主要服务于地面通信网不能覆盖的区域及有特殊通信需求的人群。卫星覆盖区域广，可以较经济地为地面蜂窝网覆盖范围以外的用户-“唯星用户”提供移动通信业务。解决边远地区通信服务、企业专网、洲际通信、国防通信，与地面通信网结合解决广域无缝覆盖。1.4 卫星通信的特点卫星通信的特点卫星移动通信和地面移动通信的关系：l卫星移动通信系统能扩大地面移动通信的地理和业务覆盖范围，除提供常规的移动通信业务外，还可向空中、海面和复杂地理结构的地面区域的各类移动用户提供服务。l从应用来讲，地面移动通信网主要集中在高业务量的应用环境，而卫星移动通信系统最适合于低业务量地区、航海、航空及地面网欠发达地区的应用环境，并且在地面网络过载或发生故障时作为其迂回网络。1.4 卫星通信的特点卫星通信的特点卫星通信在中国的特殊地位：幅员辽阔；人口众多；地区发展不平衡；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。1.4 卫星通信的特点卫星通信的特点1.5 卫星卫星通信系统通信系统的业务类型的业务类型ITUITU定义的定义的卫星卫星通信系统通信系统的业务类型有的业务类型有三种：三种：l l 固定卫星固定卫星业务业务FSS(Fixed satellite service)FSS(Fixed satellite service)l l 移动卫星业务移动卫星业务MSS(Mobile satellite service)MSS(Mobile satellite service)l l 广播卫星业务广播卫星业务BSS(Broadcasting satellite service)BSS(Broadcasting satellite service)1.5 卫星卫星通信系统通信系统的业务类型的业务类型从应用的角度来看，卫星通信可分为从应用的角度来看，卫星通信可分为4个阶段个阶段：第一阶段：主要用于国际通信；第一阶段：主要用于国际通信；第二阶段：开始提供电视传送；第二阶段：开始提供电视传送；第三阶段：提供国内公众通信和各种专网通信；第三阶段：提供国内公众通信和各种专网通信；第四阶段：提供卫星移动通信。第四阶段：提供卫星移动通信。卫星卫星通信系统通常用于支持通信系统通常用于支持：1、卫星视频广播业务2、卫星电话等交互式业务3、数据通信和Internet业务4、卫星移动通信业务1.5 卫星卫星通信系统通信系统的业务类型的业务类型卫星通信的其它应用：卫星通信的其它应用：卫星导航卫星遥感（对空和对地遥感）气象观测地球资源勘探、海洋监视侦察（包括照相侦察和电子侦察）、预警支持载人航天远程教育、远程医疗1.5 卫星卫星通信系统通信系统的业务类型的业务类型1.6 卫星通信的发展趋势（1）传统的C、Ku频段静止轨道卫星将保持稳定发展，并将以大容量(转发器数量在50个左右)、高功率(功率为8000瓦至15000瓦)和长寿命(寿命在15年左右)的新系统逐步更换现有系统。同步卫星向大容量、多波束、智能化方向发展。Ka频段静止轨道卫星系统已逐步走向实用化，卫星通信网从窄带向宽带过渡，如覆盖美洲的EchoStar-Ka、PAS和ASTROLINK等。（2）微小卫星、纳卫星和皮卫星的快速发展，小卫星通信地面站广泛应用。小型低轨卫星系统已陆续投入运行，用于低速数据传输，如E-Sat、GE American和 GEMnet等系统。（3）对地静止轨道资源非常有限，因此ITU鼓励采用中低轨道、高倾斜椭圆轨道以及IGSO轨道。（4）随着1997年9月26日美国FCC频率申请计划新周期的开始，Q、V段新系统纷纷推出，各公司开始申请Q和V频段新系 统。（5）不断发展新业务，如无线Internet、组播和交互式TV、移 动语音、数据通信、数字视频广播(DVB)和数字音频广播 (DAB)步入家庭和个人用户、多媒体通信和Internet接入等。（6）地面终端的发展呈现小型化、综合化和智能化。终端可工作在多个频段，支持综合业务，适应多种多址接入方式、调制方式、编码方式，传输速率可改变。1.6 卫星通信的发展趋势（7）宽带低轨道系统正在加紧开发之中，用于高速数据和可视电话传输。如Teledesic系统共包括288颗卫星，工作于Ka频段，寿命设计为10年左右。（8）现有卫星通信系统为适应新技术发展和系统对容量的更大要求形成了新的演变方案，如Iridium系统将其运行的卫星数目从66颗增加至96颗。（9）天地网络不断融合。卫星通信与有线电视、宽带互联网、移动互联网等融合。（10）新技术广泛应用。如星上交换与处理、多波速天线等。1.6 卫星通信的发展趋势附录：通信卫星的分类附录：通信卫星的分类按轨道分：GEO，HEO，MEO，LEO。按工作区域分：国际通信卫星、国内通信卫星、区域通信卫星。按应用领域分：广播电视卫星、跟踪与数据中继卫星、军事通信卫星（如战略、战术通信卫星、舰队通信卫星、军用数据转发卫星等）。卫星按重量分类种类重量（kg）大卫星1000中型卫星5001000小卫星100500微小卫星10100纳卫星110皮卫星0.11飞卫星0.1bb图图 1-14 1-14 大气中自由电子、离子、氧和水汽分子对电波的吸收衰减大气中自由电子、离子、氧和水汽分子对电波的吸收衰减1.4 卫星通信的工作频段bb图图 1-15 1-15 宇宙及大气噪声与频率的关系宇宙及大气噪声与频率的关系1.4 卫星通信的工作频段宇宙噪声(冷空)宇宙噪声(热空)大气噪声bb图图 1-16 1-16 雨、雾、云引起的吸收衰减雨、雾、云引起的吸收衰减1.4 卫星通信的工作频段bb静止卫星配置的几何关系静止卫星配置的几何关系 当当“太太阳阳卫卫星星地地球球”走走成成一一线线时时，将将发发生生“日日凌凌”，此此时时，卫卫星星处处于于光光照照最最强强的的位位置置，受受到到太太阳阳辐辐射射的的干干扰扰，由由太太阳阳引引起起的的强强大大噪噪声声从从天天线线引引入入，这这种种情情况况发发生生在在每每年年的的春春分分（3 3月月2121日日）和和秋秋分分（9 9月月2222日日）前前后后，持持续续大大约约6 6天天，每每次次约约数数分分钟钟，时时间间虽虽然然不不长长，但但影影响响严严重重，能中断通信。能中断通信。bb日凌中断条件日凌中断条件日凌日凌地星蚀地星蚀 当当“太太阳阳地地球球卫卫星星”走走成成一一线线时时，将将发发生生地地星星蚀蚀，卫卫星星处处于于地地球球的的阴阴影影区区，此此时时，星星上上的的太太阳阳能能电电池池缺缺乏乏光光照照，只只能能靠靠蓄蓄电电池池供供电电，这这种种情情况况也也发发生生在在每每年年的的春春分分和和秋秋分分前前后后，持持续续大大约约2121天天，春春分分和和秋秋分分两两天天的的遮遮挡挡时时间间最最长长，达达7272分分钟钟，为为了了保保证证通通信信，通通常常采采用用轮轮流流关关闭闭部部分分转转发发器器的的办办法法，以节省能源。以节省能源。太阳、地球和月亮太阳、地球和月亮的空间关系示意图的空间关系示意图月星蚀月星蚀 当当“太太阳阳月月球球卫卫星星”走走成成一一线线时时，发发生生月月星星蚀蚀，卫卫星星处处于于月月球球的的阴阴影影区区，也也会会影影响响星星上上太太阳阳能能电电池池的的正正常常工工作作，这这种种情情况况不不是是每每年年都都会会出出现现，但但有有时时一一年年则则会会出出现现数次，每次短则数分钟，长则数次，每次短则数分钟，长则2 2小时，平均每次约小时，平均每次约4040分钟。分钟。