第6章-卫星通信系统分解.ppt

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1、现代通信技术概论现代通信技术概论2第第6章章 卫星通信系统卫星通信系统6.1 概述6.2 卫星运行轨道6.3 卫星通信的多址方式6.4 VSAT系统6.5 卫星导航定位系统36.1 概述概述6.1.1卫星通信发展简史6.1.2卫星通信的特点6.1.3卫星通信的工作频段6.1.4卫星通信系统的组成6.1.5卫星通信系统的分类46.1 概述概述o 卫星通信是指设置在地球上（包括地面、水面卫星通信是指设置在地球上（包括地面、水面 和低层大气中）的无线电通信站之间利用人造和低层大气中）的无线电通信站之间利用人造 地球卫星作中继站转发或反射无线电波，在两地球卫星作中继站转发或反射无线电波，在两 个或多个

2、地球站之间进行的通信。个或多个地球站之间进行的通信。o 卫星通信是在地面微波中继通信和空间电子技卫星通信是在地面微波中继通信和空间电子技 术的基础上发展起来的一种通信方式，它是宇术的基础上发展起来的一种通信方式，它是宇 宙无线通信的主要形式之一，也是微波通信发宙无线通信的主要形式之一，也是微波通信发 展的一种特殊形式。展的一种特殊形式。56.1.1 卫星通信发展简史卫星通信发展简史o卫星通信的起源卫星通信的起源66.1.1 卫星通信发展简史卫星通信发展简史n1957年年10月月，前前苏苏联联成成功功发发射射了了世世界界上上第第一一颗颗低低轨轨人人造造地球卫星地球卫星Sputnik。n1958年

3、年，美美国国宇宇航航局局发发射射了了“SCORE”卫卫星星，并并通通过过该该卫卫星广播了美国总统圣诞节祝词。星广播了美国总统圣诞节祝词。n1962年年，美美国国电电话话电电报报公公司司发发射射了了“电电星星”，它它可可进进行行电话、电视、传真和数据的传输。电话、电视、传真和数据的传输。n1964年年8月月，美美国国发发射射了了首首颗颗静静止止轨轨道道的的通通信信卫卫星星“辛辛康康姆姆3号号”（SYNCOM-3），并并利利用用它它成成功功地地进进行行了了电电话话、电电视和传真的传输试验。视和传真的传输试验。n1965年年4月月，INTELSAT把把原原名名为为“晨晨鸟鸟”的的第第1代代“国际电信

4、卫星国际电信卫星”射入地球静止轨道。射入地球静止轨道。n1970年年4月月24日日，我我国国在在酒酒泉泉卫卫星星发发射射中中心心成成功功地地发发射射了了第一颗人造地球卫星第一颗人造地球卫星“东方红一号东方红一号”。76.1.2 卫星通信的特点卫星通信的特点o通信时延较长通信时延较长o通信链路易受外部条件影响通信链路易受外部条件影响 o存在星蚀和日凌中断现象存在星蚀和日凌中断现象 86.1.3 卫星通信的工作频段卫星通信的工作频段o选择工作频段时考虑的因素选择工作频段时考虑的因素n工作频段的电磁波应能轻易穿透电离层；n电波传播损耗应尽可能地小；n天线系统引入的外部噪声要小；n有较宽可用频带，与地

5、面现有的通信系统的兼容性要好，且相互间的干扰要小；n星上设备重量要轻，消耗的功率要小；n尽可能地利用现有的通信技术和设备；n与其他通信、雷达等电子系统或电子设备之间的相互干扰要小。96.1.3 卫星通信的工作频段卫星通信的工作频段o卫星通信的频段范围卫星通信的频段范围n卫星通信的频率范围一般选在微波频段（300MHz 300GHz）。n微波频段的特点是：有较宽的频谱，可以获得较大的通信容量；天线增益高、尺寸小；现有的微波通信设备稍加改造就可以利用。此外，考虑到卫星处于电离层之外的外层空间，而微波频率恰恰能够较容易地穿透电离层。106.1.3 卫星通信的工作频段卫星通信的工作频段微波微波频频段段

6、频频率范率范围围（GHz）微波微波频频段段频频率范率范围围（GHz）微波微波频频段段频频率范率范围围（GHz）L1 2K18 26E60 90S2 4Ka26 40W75 110C4 8Q33 50D110 170X8 12U40 60G140 220Ku12 18V50 75Y220 325116.1.4 卫星通信系统的组成卫星通信系统的组成126.1.4 卫星通信系统的组成卫星通信系统的组成o空间段空间段13通信卫星的组成通信卫星的组成146.1.4 卫星通信系统的组成卫星通信系统的组成n通信分系统通信分系统卫星上的通信分系统又称为转发器，它实际上是一个提供卫星发射天线和接收天线之间链路连

7、接的设备，是构成卫星通信的中枢，其功能是使卫星具有接收、处理并重发信号的能力。转发器按照变频方式和传输信号形式的不同可分为单变频转发器、双变频转发器和星上处理转发器。156.1.4 卫星通信系统的组成卫星通信系统的组成单变频转发器单变频转发器166.1.4 卫星通信系统的组成卫星通信系统的组成双变频转发器双变频转发器176.1.4 卫星通信系统的组成卫星通信系统的组成星上处理转发器星上处理转发器186.1.4 卫星通信系统的组成卫星通信系统的组成n天线分系统天线分系统天线分系统承担了接收上行链路信号和发射下行链路信号的双重任务。卫星天线分为遥测指令天线和通信天线两类。196.1.4 卫星通信系

8、统的组成卫星通信系统的组成n跟踪、遥测和指令（跟踪、遥测和指令（TT&C）分系统）分系统 跟踪设备用来为地球站跟踪卫星发送信标。遥测部分用来对所有的卫星分系统进行监测，获得有关卫星姿态及星内各部分工作状态等的数据，经放大、多路复用、编码、调制等处理后，通过专用的发射机和天线发给地面的TT&C站。指令部分专门用来接收和译出TT&C站发给卫星的指令，控制卫星的运行。206.1.4 卫星通信系统的组成卫星通信系统的组成n控制分系统控制分系统 控制分系统（CS）由一系列机械的或电子的可控调整装置组成，在TT&C站的指令控制下完成对卫星轨道位置、姿态、工作状态等的调整与控制。CS需要完成两种控制，即姿态

9、控制和位置控制。姿态控制主要是保证天线波束始终对准地球，同时确保太阳能电池帆板始终对准太阳。位置控制用来消除天体引力产生的摄动影响，使卫星与地球的相对位置保持固定。216.1.4 卫星通信系统的组成卫星通信系统的组成n电源分系统电源分系统 通信卫星的电源除要求体积小、重量轻、效率高之外，最主要的还应在其寿命期内保持输出足够的电能。在宇宙空间，阳光是最重要的能源，在有光照时，主要使用太阳能电池产生功率；当卫星处于发射状态或处于地球阴影区时，使用蓄电池来保证电源功率。226.1.4 卫星通信系统的组成卫星通信系统的组成o地面段地面段236.1.5 卫星通信系统的分类卫星通信系统的分类o 按照卫星的

10、运动状态（制式），可分为静止卫按照卫星的运动状态（制式），可分为静止卫 星通信系统和非静止卫星通信系统，非静止卫星通信系统和非静止卫星通信系统，非静止卫 星通信系统又可进一步分为随机运动卫星通信星通信系统又可进一步分为随机运动卫星通信 系统和相位运动卫星通信系统。系统和相位运动卫星通信系统。o 按照卫星的通信覆盖区范围，可分为全球卫星按照卫星的通信覆盖区范围，可分为全球卫星 通信系统、国际卫星通信系统、国内卫星通信通信系统、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。系统和区域卫星通信系统。246.1.5 卫星通信系统的分类卫星通信系统的分类o 按照卫星的结构，可分为无源卫星通信系

11、统按照卫星的结构，可分为无源卫星通信系统 （被动卫星通信系统）和有源卫星通信系统（被动卫星通信系统）和有源卫星通信系统 （主动卫星通信系统）。（主动卫星通信系统）。o 按照多址方式，可分为频分多址卫星通信系按照多址方式，可分为频分多址卫星通信系 统、时分多址卫星通信系统、码分多址卫星统、时分多址卫星通信系统、码分多址卫星 通信系统、空分多址卫星通信系统、混合多通信系统、空分多址卫星通信系统、混合多 址卫星通信系统等。址卫星通信系统等。o 按照所传输信号的体制，可分为模拟卫星通按照所传输信号的体制，可分为模拟卫星通 信系统和数字卫星通信系统。信系统和数字卫星通信系统。256.1.5 卫星通信系统

12、的分类卫星通信系统的分类o 按照用户性质，可分为商用卫星通信系统、专按照用户性质，可分为商用卫星通信系统、专 用卫星通信系统和军用卫星通信系统。用卫星通信系统和军用卫星通信系统。o 按照通信业务种类，可分为固定业务卫星通信按照通信业务种类，可分为固定业务卫星通信 系统、移动业务卫星通信系统、广播电视卫星系统、移动业务卫星通信系统、广播电视卫星 通信系统、科学实验卫星通信系统以及教学、通信系统、科学实验卫星通信系统以及教学、气象、导航、军事等卫星通信系统等。气象、导航、军事等卫星通信系统等。o 按照工作频段，可分为特高频卫星通信系统、按照工作频段，可分为特高频卫星通信系统、超高频卫星通信系统、极

13、高频卫星通信系统和超高频卫星通信系统、极高频卫星通信系统和 激光卫星通信系统。激光卫星通信系统。266.2 卫星运行轨道卫星运行轨道6.2.1 卫星运动的基本规律6.2.2 卫星轨道分类6.2.3 卫星轨道的摄动276.2.1 卫星运动的基本规律卫星运动的基本规律o开普勒第一定律开普勒第一定律轨道定律轨道定律 卫星运动的轨道一般是一个椭圆，一个椭圆有两个焦点，双体系统的质量中心称为质心，它始终处在其中一个焦点上。质心与地球中心是重合的，即地球的中心始终位于该椭圆的一个焦点上。286.2.1 卫星运动的基本规律卫星运动的基本规律o开普勒第二定律开普勒第二定律面积定律面积定律 在单位时间内，卫星的

14、地心向径，即地球质心与卫星质心间的距离向量，扫过的面积相等。296.2.1 卫星运动的基本规律卫星运动的基本规律o开普勒第三定律开普勒第三定律轨道周期定律轨道周期定律 卫星围绕地球运动一圈的周期为，其平方与轨道椭圆半长轴的立方之比为一常数，而该常量等于地球引力常数的倒数。306.2.2 卫星轨道分类卫星轨道分类o按轨道高度分类按轨道高度分类n低轨道（LEO：Low Earth Orbit）：距离地球表面大约为700 1500km；n中轨道（MEO：Medium Earth Orbit）：距离地球表面10000km左右；n高椭圆轨道（HEO：Highly Elliptic Orbit）:距离地球

15、表面的最近点为100021,000km，最远点为39,500 50,600km；n同步轨道（GEO：Geostationary Earth Orbit）：距离地球表面35,786km。316.2.2 卫星轨道分类卫星轨道分类o按轨道形状分类按轨道形状分类n圆形轨道（e=0）n椭圆形轨道（1e0）o按轨道平面倾角分类按轨道平面倾角分类 n赤道轨道：i=0，轨道面与赤道面重合。n倾斜轨道：0 i 90，轨道面与赤道面成一个夹角，倾斜于赤道面。n极轨道：i=90，轨道面穿过地球的南北两极，与赤道面呈垂直状。326.2.3 卫星轨道的摄动卫星轨道的摄动o引起卫星轨道摄动的主要力学因素引起卫星轨道摄动的

16、主要力学因素n地球引力场的不均匀性n地球大气层阻力 n太阳、月亮引力的作用 n太阳光压 336.3 卫星通信的多址方式卫星通信的多址方式6.3.1 频分多址6.3.2 时分多址 6.3.3 码分多址6.3.4 空分多址346.3.1 频分多址频分多址356.3.2 时分多址时分多址366.3.3 码分多址码分多址376.3.4 空分多址空分多址38上述四种多址方式的比较上述四种多址方式的比较参见表参见表6-2。396.4 VSAT系统系统6.4.1 VSAT网的组成6.4.2 VSAT的工作过程406.4.1 VSAT网的组成网的组成416.4.1 VSAT网的组成网的组成o主站（中心站）主站

17、（中心站）n主站又称中心站（中央站）或枢纽站，是 VSAT网的重要组成部分。n主站使用大型天线，其天线直径一般约为3.5 8 m（Ku波段）或7 13 m（C波段），并配有高功率放大器、低噪声放大器、上/下变频器、调制解调器及数据接口设备等。n主站内设有一个网络控制中心，对全网运行状况进行监控和管理。n主站的设备皆设有备份。426.4.1 VSAT网的组成网的组成o小站（小站（VSAT）nVSAT小站由小口径天线、室外单元和室内单元组成。nVSAT天线有正馈和偏馈两种形成，正馈天线尺寸较大，而偏馈天线尺寸小、性能好，且结构上不易积冰雪，因此常被采用。n室外单元主要包括GaAsFET固态功放、低

18、噪声场效应管放大器、上/下变频器和相应的监测电路等。n室内单元主要包括调制解调器、编译码器和数据接口设备等。436.4.1 VSAT网的组成网的组成o空间段空间段nVSAT网的空间部分是C频段或Ku频段同步卫星转发器。446.4.2 VSAT的工作过程的工作过程 在VSAT网中，小站和主站通过卫星转发器连成星型网络结构，所有的小站可直接与主站互通。小站之间的通信以双跳方式来完成，即由小站首先将信号发送给主站，然后由主站转发给其它小站。在VSAT网中，一般采用分组传输方式，任何进入网络的数据在网内发送之前首先要进行格式化，即每份较长的数据分解成若干固定长度的“段”，每“段”再加上必要的地址和控制

19、信息并按规定的格式进行排列作为信息传输单位，通常称之为“分组”。456.4.2 VSAT的工作过程的工作过程o出站（出站（outbound）传输）传输 n在VSAT网中，主站向外方向发送的数据，也即从主站通过卫星向小站方向传输的数据称为出站传输。n出站信道通常采用时分复用（TDM）或统计时分复用（STDM）技术组成TDM帧，通过卫星以广播方式发向所有远端小站。466.4.2 VSAT的工作过程的工作过程TDM帧结构 476.4.2 VSAT的工作过程的工作过程o入站（入站（inbound）传输）传输 n各远端小站通过卫星向主站传输的数据称为入站传输数据。n在VSAT网中，各用户终端可以随机地产

20、生信息，由此入站数据一般采用随机方式发射突发性信号。n采用信道共享协议，一个入站信道可以同时容纳许多小站。486.4.2 VSAT的工作过程的工作过程TDMA信道帧结构 496.5 卫星导航定位系统卫星导航定位系统6.5.1 全球定位系统（GPS）6.5.2 Galileo全球卫星导航定位系统 6.5.3“北斗一号”卫星导航定位系统 506.5.1 全球定位系统（全球定位系统（GPS）oGPS构成构成n空间部分（GPS星座）n控制部分（地面监控系统）n用户部分（GPS信号接收机）516.5.1 全球定位系统（全球定位系统（GPS）526.5.1 全球定位系统（全球定位系统（GPS）n空间部分空

21、间部分（空间段）（空间段）由运行在20,200km高空的24颗GPS工作卫星组成的卫星星座，其中包括21颗用于导航的卫星和3颗在轨备用卫星。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55，各个轨道平面之间夹角为60，每颗卫星的正常运行周期为11h58min，若考虑地球自转等因素，将提前4min进入下一个周期。536.5.1 全球定位系统（全球定位系统（GPS）n控制部分控制部分（控制段）（控制段）由分布在全球的若干个跟踪站组成的监控系统构成，具有跟踪、计算、更新及监视功能，用于控制系统中所有的卫星。根据跟踪站作用的不同，又可将其分为主控站、监控站和注入站。546.5.1 全球定位系统（全球

22、定位系统（GPS）n用户部分用户部分（用户段）（用户段）所有用户装置及其支持设备的集合。典型的用户设备包括一部GPS接收机/处理器、一部天线、计算机和CDU（控制和显示单元）四个主要部件。556.5.1 全球定位系统（全球定位系统（GPS）oGPS定位定位nGPS的定位原理就是利用空间分布的卫星以及卫星与地面点的距离交会得出地面点位置，简言之，GPS定位原理是一种空间的距离交会原理。nGPS的定位方法若根据定位模式的不同，可分为绝对定位和相对定位。若根据用户接收机在定位中的运动状态不同，可分为静态定位和动态定位。566.5.2 Galileo全球卫星导航定位系统全球卫星导航定位系统 o空间部分

23、空间部分nVSAT网的空间部分是C频段或Ku频段同步卫星转发器。576.5.2 Galileo全球卫星导航定位系统全球卫星导航定位系统 oGalileo系统组成系统组成n全球设施部分n区域设施部分n局域设施部分n用户接收机及终端 586.5.2 Galileo全球卫星导航定位系统全球卫星导航定位系统 n全球设施部分全球设施部分Galileo系统的空间段由30颗MEO导航星组成，距离地面约23，616km，分布在三个轨道倾角为56的等间距的轨道上。地面段由Galileo控制中心、Galileo上行链路站、Galileo监测站网络和Galileo全球通信网络组成，具有卫星控制和任务控制功能。卫星控

24、制通过使用TT&C上行链路进行监控来实现对星座的管理；任务控制是指对导航任务的核心功能（如定规、时钟同步），以及通过MEO卫星发布完好性消息进行全球控制。596.5.2 Galileo全球卫星导航定位系统全球卫星导航定位系统 n区域设施部分区域设施部分区域设施部分由完好性监测站网络、完好性控制中心和完好性注入站组成。区域范围内服务的提供者可独立使用Galileo系统提供的完好性上行链路通道发布区域完好性数据，这将确保每个用户能够收到至少由两颗仰角在25以上的卫星提供的完好性信号。全球最多可设8个区域性地面设施。606.5.2 Galileo全球卫星导航定位系统全球卫星导航定位系统 n局域设施部

25、分局域设施部分局域设施部分根据当地的需要增强系统的性能。局域设备需要确保完好性检测，数据的处理和发射。局域设施部分应包括本地精确导航设备、本地高精度导航设备、本地导航辅助设备和本地扩大可用性导航设备组成。616.5.2 Galileo全球卫星导航定位系统全球卫星导航定位系统 n用户接收机及终端用户接收机及终端用户接收机及终端的基本功能是在用户段实现Galileo系统所提供各种卫星无线导航服务。626.5.2 Galileo全球卫星导航定位系全球卫星导航定位系统统 pGalileo系统与系统与GPS的各种参数的各种参数比较系系 统统GalileoGPS卫卫 星星 总总 数数2724轨轨 道道 高

26、高 度度23,61620,230轨轨道平面数道平面数36轨轨 道道 仰仰 角角5655轨轨 道道 形形 状状圆轨圆轨道道圆轨圆轨道道定定 位位 载载 波波L1、L2、L3L1、L2使使 用用 频频 段段1164 1215MHz1260 1300MHz1559 1591MHzf1=1575.42MHzf2=1227.6MHz636.5.3“北斗一号北斗一号”卫星导航定位系统卫星导航定位系统 “北斗一号”卫星导航定位系统是我国自行研制的导航定位系统，也称为双星区域导航定位系统，它是一个全天候、全天时提供卫星导航信息的区域性导航系统，该系统覆盖范围为东经70 145，北纬5 55，可以无缝覆盖我国全

27、部本土和周边海域，在中国全境范围内具有良好的导航定位可用性。646.5.3“北斗一号北斗一号”卫星导航定位系统卫星导航定位系统o 系统组成系统组成n空间部分n地面中心控制系统n用户终端 65n空间部分空间部分空间部分由两颗地球静止轨道卫星和一颗备用卫星组成，卫星不发射导航电文，也不配备高精度的原子钟，只是用于在地面中心站与用户之间进行双向信号中继。6.5.3“北斗一号北斗一号”卫星导航定位系统卫星导航定位系统66n地面中心控制系统地面中心控制系统地面中心控制系统是北斗导航系统的中枢，包括一个配有电子高程图的地面中心站、地面网管中心、测轨站、测高站和数十个分布在全国各地的地面参考标校站。地面中心

28、控制系统主要用于对卫星定位、测轨，调整卫星运行轨道、姿态，控制卫星的工作，测量和收集校正导航定位参量，以形成用户定位修正数据并对用户进行精确定位。6.5.3“北斗一号北斗一号”卫星导航定位系统卫星导航定位系统67n用户终端用户终端用户终端是仅带有定向天线的收发器，用于接收中心站通过卫星转发来的信号和向中心站发射通信请求，不含定位解算处理器。6.5.3“北斗一号北斗一号”卫星导航定位系统卫星导航定位系统686.5.3“北斗一号北斗一号”卫星导航定位系统卫星导航定位系统o定位原理定位原理 “北斗一号”卫星导航定位系统采用主动式双向测距二维导航，由地面中心控制系统解算供用户使用的三维定位数据。696

29、.5.3“北斗一号北斗一号”卫星导航定位系统卫星导航定位系统o工作过程工作过程n地面中心站定时向两颗工作卫星发送载波，载波上调制有测距信号、电文帧、时间码等询问信号。询问信号经其中一颗工作卫星转发器变频放大转发到用户机器。n用户终端接收询问信号后，立即响应并向两颗工作卫星发出应答信号，这个信号中包括了特定的测距码和用户的高程信息。n两颗工作卫星将收到的用户终端应答信号经变频放大下传到地面中心站，地面中心站处理收到的应答信息，将其全部发送到地面网管中心。706.5.3“北斗一号北斗一号”卫星导航定位系统卫星导航定位系统o工作过程工作过程n地面网管中心根据用户的申请服务内容进行相应的数据处理，对于

30、定位申请，计算出信号经中心控制系统-卫星-用户之间的往返时间，再综合用户机发出的自身高程信息和存储在中心控制系统的用户高程电子地图，根据其定位的几何原理，便可算出用户所在点的三维坐标。地面网管中心将处理的信息加密后送地面中心站，再经卫星传到用户端。n另外，也可以由中心站主动进行指定用户的定位，定位后不将位置信息发送给用户，而由中心站保存，这样调度指挥和相关单位就可获得用户所在位置。对于通信申请，将通信以同样的方式发给收信用户。71本章小结及知识点本章小结及知识点o卫星通信的概念和特点o卫星通信的工作频段o卫星通信系统的组成和分类o卫星运行的基本规律o卫星轨道的类型o卫星轨道的摄动o卫星通信的多址方式oVSAT系统o卫星导航定位系统72本章习题解题指导本章习题解题指导 概念部分主要给出对应的知识点，教学中可以指导学生在相关章节中自己归纳。