卫星通信讲义

卫星通信导论一、卫星通信系统综述；二、卫星通信系统的结构、特点；三、通信系统的多址技术；四、卫星通信传输工程；五、VSAT系统简介；六、GPS系统简介；七、铱系统简介；目前全球无线通信技术的热点3GMMDSWLANWiMAXUWB全球移动通信系统全球卫星通信系统标准名称802.11X802.16aLMDSHomeRFHiperLAN2最大传输速率（物理层）54Mbps134.4Mbps14.kbps～155Mbps10Mbps54Mbps覆盖范围100m48km3~7km50m80mQoS不支持支持支持支持支持工作频带2.4/5GHz2～66GHz28GHz2.4GHz5GHz信道带宽25MHz1.5～28MHz1GHz5MHz25MHz主要优点高速度，低成本、应用成熟多用途，快速，远距离多业务、高带宽、超大容量应用成熟安全、移动性好、低功耗、低成本主要缺点覆盖太小，安全性较差正在开发中受天气影响较大、成本较高覆盖太小、速率较低、频带拥挤、不支持图像业务覆盖太小卫星通信系统的特点覆盖区域大，通信距离远，三颗同步卫星即可覆盖全球；频带宽，容量大；机动性好，不受地理条件限制；通信可靠性高，质量好而稳定；费用与距离无关；有多址能力，组网灵活；可实现区域及全球个人移动通信。通信卫星的分类按轨道分：赤道轨道，极轨道，倾斜轨道，同步卫星，移动卫星，GEO，MEO，LEO；按通信范围分类：国际通信卫星，区域性通信卫星，国内通信卫星；按用途分类：综合业务通信卫星，军事通信卫星，海事通信卫星，电视直播卫星，气象卫星等；按转发能力分类：无星上处理能力，有星上处理能力；按频段分类•0.1-0.3（GHz），VHF，移动、导航业务；•0.3-1.0，UHF，移动、导航业务；•1.0-2.0，L，移动业务、指令传输；•2.0-4.0，S，移动业务、指令传输；•4.0-8.0(4/6)，C，固定业务；•8..0-12.0，X；•12.0-18.0(12/14)，Ku，固定、DSS业务；•18.0-24.0，K；24.0-30.0，Ka；•33.0-50.0，Q；50.0-75.0，V。按重量分类大型卫星，Large，1000kg，1亿美元；小卫星，Small，500-1000kg，0.5-1亿美元；微小卫星，Mini，100-500kg，500-2000万美元；微卫星，Micro，10-100kg，200-300万美元；纳卫星，Nano，10kg，100万美元；皮卫星，Pico，1kg。世界卫星通信发展简史1000AD中国发明火箭1945AutherCClarke提出三颗同步卫星覆盖全球1957前苏联发射世界上第一颗卫星SPUTNIK1963美国发射世界上第一颗同步卫星SYNCOM1964INTELSAT建立1965第一颗商用同步卫星INTELSAT-11979INMARSAT（海事）建立1970中国发射第一颗卫星DFH-1世界卫星通信发展简史截止1999年底全球有300颗同步通信卫星提供60％洲际通信和100％国际电视转播全球在轨转发器4467个正在建造的转发器1793个1997年世界卫星市场售业额512亿美元2007年预计达1900亿美元2004－2010年将发射350颗同步通信卫星中国卫星通信的发展史1000AD中国发明火箭；1970中国发射第一颗卫星DFH-1；1984年4月，发射了第一颗试验用“同步通信卫星”STW-1（即东方红二号）；1986年2月于我国西昌发射场，用长征3号火箭成功发射第二颗“实验通信卫星”STW-2；1988年3月，又于西昌发射场，用长征3号火箭发射成功第一颗“实用通信卫星”，即“东二甲”卫星；到2002底中国共发射约60颗卫星。卫星通信在中国的特殊地位地域辽阔，960万平方公里，东西南北跨度均超过5000公里，地形复杂，山区占31%，高原26%，丘陵10%，平原仅占31%；人口众多，13亿人口，8亿农村人口，全国1/5以上行政村尚无电话；经济增长迅速，西部和农村经济发展尤为重要。空间站卫星系统的结构卫星的主要设备包括下列七大系统位置与姿态控制系统；天线系统；转发器系统；遥测指令系统；电源系统；温控系统；入轨和推进系统。推进系统的自旋控制我国自制卫星的发展情况1970年4月24日东方红一号1975年11月26日返回式遥感卫星1984年4月8日试验通信卫星1986年2月1日东方红二号甲1988年3月7日东方红二号甲1988年12月22日实用通信卫星1990年2月4日实用通信卫星1997年5月12日东方红三号甲•1970年4月24日发射的第一颗人造地球卫星。•星上的仪器舱装有电源、测轨用的雷达应答机、雷达信标机、遥测装置、电子乐音发生器和发射机、科学试验仪器等。•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。东方红一号微小卫星的应用国际空间站•总质量423吨、长108米、宽88米，密封舱容积达1202立方米•运行高度397KM，倾角51.6度•空间站由多个模块组合而成•第一舱“曙光”号功能货舱和服务舱已于发射成功国际空间站•建造分三个阶段1994-1998试验航天飞机与俄“和平”号空间站对接1998-2000初期装配阶段，建立空间站核心部分，第一批宇航员登上空间站2000-2004最后装配阶段•我国参与了其中“阿尔法”磁谱仪的研制•主要用于微重力科学、空间材料加工、对天地观测等活动通信系统的多址技术•正交性原理发射机1发射机2发射机N信道接收机0,!jiji12n多址系统的信道容量)1(log2NSBC理想AWGN的信道容量：多址系统的信道容量：)1(log02BNSBCN0——AWGN的功率谱密度通信系统的多址技术•FDMA•TDMA•CDMA•SDMA•ALOHAFTCODEFDMA采用FDD的双工模式………信道带宽信道n信道1功率时间移动台收（基站发）移动台发（基站收）信道n信道1信道2收发间隔FDMA的信道容量单用户的信道容量：))/(1(log02NKWSKWC对于固定的带宽W，随着用户数量K的增加，总的容量是增加的，但是分配给每个用户的容量和带宽却逐渐减少，因此实际上总的信道容量不可能无限的增加。总的信道容量：))/(1(log02NKWSWKCTDMA1.TDD的双工模式：2.子帧的捕获和同步CH1CH2时隙….CH1CH2时隙….上行帧下行帧功率频率时间GSM的帧长为4.6ms，每帧8个时隙。TDMA的信道容量TDMA的信道容量与FDMA相同，但是从应用的观点来说，TDMA中当K很大时，对发送机来说，保持发送机功率为K*S是不可能的。因此，用户的数量在实际应用中存在限制。)*1(log02WNSKKWC单用户的信道容量：CDMA逻辑信道2逻辑信道1逻辑信道3逻辑信道N码字（伪随即序列）频率时间CDMA的信道容量])1(1[log02SKWNSWC每个用户的容量由于系统使用同样的频段，因此在极端状况有可能其他所有的（K-1）个用户成为噪声。CDMA移动通信技术•关键技术：1.扩频通信；2.软切换；3.功率控制技术；4.多径分集接收；CDMA的主要技术特点•大容量；•单一无线信道；•软切换；•话音激活技术；•具有所有扩频技术的特点；SDMA空分多址是通过空间的分割来区别不同的用户（达到正交性），目前主要采用自适应阵列天线来实现。它的主要参数包括：工作频点、波束夹角和波束覆盖的半径。随即多址技术1、概念；2、分类：ALOHA，CSMA，PRMA3、ALOHA的性能指标：通过量；分组平均延时；信道利用率；第四章卫星通信系统的链路传输工程1、卫星通信系统的信道模型；2、卫星移动通信的链路特性；3、星－地链路损耗；4、卫星通信全链路质量多径信道模型)()()()()(10tntseihAtritjLiti是接收端接收到的信号；是由于多径效应产生的不同衰落的衰落系数，对应于时变系统，衰落系数是随时间变化的,是时间的函数；在时不变系统中，衰落系数为一组固定的常数。是系统的时延；是频偏；是信道中的噪声；L是信道中的路径数目；A是整体信道对信号幅度的增益。)(tr)(ihti)(tn与多径信道等效的FIR滤波器时延时延时延时延衰落1衰落2衰落3衰落LS(t)n(t)r(t)......卫星通信的链路特性1.频率选择性失真：由信道相干带宽和发送信号带宽之差引起的不同频率下的增益和相位变化；通过来分析。2.衰落失真：由信道的时变引起的，主要是多普勒频移。)(wSCOSCvffcD噪声与干扰P39•系统热噪声1、等效噪声温度噪声功率谱密度：输出噪声功率：kTn0BAkTBAkTNNNeio00其中：比之比；输入信噪比与输出信噪度；输入匹配电阻的噪声温出噪声；网络内部噪声产生的输出噪声；输入匹配电阻产生的输::::)1(00FioFeNTNNTNT•宇宙噪声•外部环境干扰•其他干扰2、有耗无源网络的等效噪声温度3、级联网络的等效噪声温度星－地链路损耗1、自由空间传播损耗：2)4(dLffc/dfcdfLflg2044.92)4lg(202````````````````````馈线（波导）损耗P40FeeLTTkBATTkBN/)()(000输出噪声功率：0)1(TLTFF等效噪声温度：LF：馈线损耗，dB；T0：环境温度；k：波耳兹曼常数；B：带宽；级联网络的噪声niineATTkB1)(niijjeeneATTT21111N级网络的级联总噪声星－地链路损耗2、链路附加损耗：大气吸收损耗；雨衰；大气折射干扰；电离层的闪烁与多径；卫星通信全链路质量一、链路预算分析：发射机信道接收天线发射天线接收机馈线损耗馈线损耗)()()(rrftttrrtfrttrLGLGLPPLLLGGPP增益：接收信号功率：信噪比的预算TGLEIRPTCNCkBTLLLNLGEIRPCdBLGEIRPCGPEIRPrtftt•=//=-+=/*==单级载波噪声温度比：单级信噪比：接收噪声功率：值：增益接收载波功率：功率：发射机等效全方向辐射接收系统的等效噪声温度reFFareFeaeTTLLTTTTT0)11(卫星通信全链路传输质量链路预算的案例一、上行链路的载波噪声温度比；二、下行链路的载波噪声温度比；5.GPS系统5.1GPS的发展；5.2GPS系统结构；5.3GPS定位的基本原理；5.4GPS信号结构和接收机基本工作原理；5.5GPS功能模块的应用案例。5.1GPS的发展历史一、早期的卫星三角测量技术；已知A,B两点的坐标位置，通过在三点的卫星摄影图片，利用立体几何的简单原理对C点的坐标作出估计。5米的点位精度。二、基于多普勒定位的NNSS（海军卫星导航系统）；利用开普勒效应测量地面观测站与卫星的距离或距离差，得到观测点的坐标。5.1GPS的发展历史1958年12月开始，U.S.和Hopkins大学研制。到1961年11月，先后发射了6颗用于试验的“子午卫星（极轨道卫星）”。卫星高度950～1200km，每隔2小时可观测到一次。它由三部分组成：子午卫星、地面跟踪网和用户接收机。地面跟踪网：跟踪站、计算中心、注入站、海军天文台和控制中心。它们的任务是测定各卫星的轨道参数，并定时将这些数据和时间信号注入到相应的各颗卫星上，以便卫星可以按时向地面播发。5.1GPS的发展历史用户接收机：用来接受卫星发射的信号、测量多普勒频移、解译轨道参数和计算接收机三维地心坐标。1967年7月，美国政府将解密的子午卫星部分电文给予民用。70s中期，我国引进该系统接收机，并进行了几次大规模的多普勒定位项目：联合测设的全国卫星多普勒