卫星通信技术

第18章卫星通信技术•18.1卫星通信的基本概念•18.2通信卫星的种类•18.3卫星通信系统分类•18.4卫星通信的特点•18.5卫星通信系统的组成及工作原理•18.6空分多址（SDMA）•18.7卫星通信新技术18.1卫星通信的基本概念•卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电信号，在两个或多个地面站之间进行的通信过程或方式。卫星通信属于宇宙无线电通信的一种形式，工作在微波频段。•宇宙通信是以宇宙飞行体或通信转发体作为对象的无线电通信。它可分为三种形式：•（1）地球站与宇宙站间的通信；•（2）宇宙站之间的通信；•（3）通过宇宙站的转发或反射进行的地球站之间的通信。•人们常把第三种形式称为卫星通信。宇宙站是指地球大气层以外的宇宙飞行体（如人造卫星和宇宙飞船等）或其它星球上的通信站。地球站是指设在地面、海洋或大气层中的通信站，习惯上统称为地面站。•卫星通信是在地面微波中继通信和空间技术的基础上发展起来的。微波中继通信是一种“视距”通信，即只有在“看得见”的范围内才能通信。而通信卫星的作用相当于离地面很高的微波中继站。由于作为中继的卫星离地面很高，因此经过一次中继转接之后即可进行长距离的通信。图18―1是一种简单的卫星通信系统示意图，它是由一颗通信卫星和多个地面通信站组成的。图18―1卫星通信示意图ABCDE地球地球ABR0he卫星•由图18―1可见，离地面高度为he的卫星中继站，看到地面的两个极端点是A和B点，即S长度将是以卫星为中继站所能达到的最大通信距离。其计算公式为000(2arccos)()oeRSRRkmRh式中，R0为地球半径，R0=6378km；θ为AB所对应的圆心角（弧度）；he为通信卫星到地面的高度，单位为km。上式说明，he越高，地面上最大通信距离越大。•（1）he=500km时，由公式求得S=4892km；•（2）he=35800km时，S=18100km。•由于卫星处于外层空间，即在电离层之外，地面上发射的电磁波必须能穿透电离层才能到达卫星；同样，从卫星到地面上的电磁波也必须穿透电离层，而在无线电频段中只有微波频段恰好具备这一条件，因此卫星通信使用微波频段。•目前大多数卫星通信系统选择在下列频段工作：•(1)UHF波段（400/200MHz）；•(2)L波段（1.6/1.5GHz）；•(3)C波段（6.0/4.0GHz）；•(4)X波段（8.0/7.0GHz）；•(5)K波段（14.0/12.0；14.0/11.0；30/20GHz）。•由于C波段的频段较宽，又便于利用成熟的微波中继通信技术，且天线尺寸也较小，因此，卫星通信最常用的是C波段。•18.2通信卫星的种类•目前，通信卫星的种类繁多，按不同的标准有不同的分类。下面我们给出几种常用的卫星种类。•(1)按卫星的结构可分为：无源卫星和有源卫星两类。•无源卫星是运行在特定轨道上的球形或其它形状的反射体，没有任何电子设备，它是靠其金属表面对无线电波进行反射来完成信号中继任务的。在20世纪50~60年代进行卫星通信试验时，曾利用过这种卫星。•目前，几乎所有的通信卫星都是有源卫星，一般多采用太阳能电池和化学能电池作为能源。•这种卫星装有收、发信机等电子设备，能将地面站发来的信号进行接收、放大、频率变换等其它处理，然后再发回地球。这种卫星可以部分地补偿在空间传输所造成的信号损耗。图18―2通信卫星轨道示意图赤道赤道赤道轨道倾斜轨道极轨道北极•(2)按通信卫星的运行轨道可分为：•①赤道轨道卫星（指轨道平面与赤道平面夹角φ=0°）；•②极轨道卫星（φ=90°）；•③倾斜轨道卫星（0°φ90°）。•所谓轨道就是卫星在空间运行的路线。见图18―2。•(3)按卫星离地面最大高度h的不同可分为：•①低高度卫星h5000km；•②中高度卫星5000kmh20000km•③高高度卫星h20000km。•(4)按卫星与地球上任一点的相对位置的不同可分为：同步卫星和非同步卫星。同步卫星是指在赤道上空约35800km高的圆形轨道上与地球自转同向运行的卫星。由于其运行方向和周期与地球自转方向和周期均相同，因此从地面上任何一点看上去，卫星都是“静止”不动的，所以把这种对地球相对静止的卫星简称为同步（静止）卫星，其运行轨道称为同步轨道。•非同步卫星的运行周期不等于（通常小于）地球自转周期，其轨道倾角、轨道高度、轨道形状（圆形或椭圆形）可因需要而不同。从地球上看，这种卫星以一定的速度在运动，故又称为移动卫星或运动卫星。•不同类型的卫星有不同的特点和用途。在卫星通信中，同步卫星使用得最为广泛，其主要原因是：第一，同步卫星距地面高达35800km，一颗卫星的覆盖区（从卫星上能“看到”的地球区域）可达地球总面积的40%左右，地面最大跨距可达18000km。因此只需三颗卫星适当配置，就可建立除两极地区（南极和北极）以外的全球性通信。如图18―3所示。图18―3全球卫星通信系统示意图极通信卫星1地球通信卫星2通信卫星3静止轨道•图中，每两颗相邻卫星都有一定的重叠覆盖区，但南、北两极地区则为盲区。目前正在使用的国际通信卫星系统就是按这个原理建立的，其卫星分别位于大西洋、印度洋和太平洋上空。其中，印度洋卫星能覆盖我国的全部领土，太平洋卫星覆盖我国的东部地区，即我国东部地区处在印度洋卫星和太平洋卫星的重叠覆盖区中。•第二，由于同步卫星相对于地球是静止的，因此，地面站天线易于保持对准卫星，不需要复杂的跟踪系统；通信连续，不像卫星相对于地球以一定的速度运动时那样，需要变更转发当时信号的卫星而出现信号中断；信号频率稳定，不会因卫星相对于地球运动而产生多卜勒频移。当然，同步卫星也有一些缺点，主要表现在：两极地区为通信盲区；卫星离地球较远，•故传输损耗和传输时延都较大；同步轨道只有一条，能容纳卫星的数量有限；同步卫星的发射和在轨测控技术比较复杂。此外，在春分和秋分前后，还存在着星蚀（卫星进入地球的阴影区）和日凌中断（卫星处于太阳和地球之间，受强大的太阳噪声影响而使通信中断）现象。•非同步卫星的主要优缺点基本上与同步卫星相反。由于非同步卫星的抗毁性较高，因此也有一定的应用。18.3卫星通信系统分类•目前世界上建成了数以百计的卫星通信系统，归结起来可进行如下分类：•(1)按卫星制式可分为•静止卫星通信系统、随机轨道卫星通信系统和低轨道卫星（移动）通信系统。•(2)按通信覆盖区域的范围划分为•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。•(3)按用户性质可分为•公用（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。•(4)按业务范围可分为•固定业务卫星通信系统、移动业务卫星通信系统、广播业务卫星通信系统和科学实验卫星通信系统。•(5)按基带信号体制可分为•模拟制卫星通信系统和数字制卫星通信系统。••(6)按多址方式可分为•频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、空分多址（SDMA）和码分多址（CDMA）卫星通信系统。•(7)按运行方式可分为•同步卫星通信系统和非同步卫星通信系统。目前国际和国内的卫星通信大都是同步卫星通信系统。18.4卫星通信的特点•卫星通信系统以通信卫星为中继站，与其它通信系统相比较，卫星通信有如下特点：•(1)覆盖区域大，通信距离远。一颗同步通信卫星可以覆盖地球表面的三分之一区域，因而利用三颗同步卫星即可实现全球通信。它是远距离越洋通信和电视转播的主要手段。•(2)具有多址连接能力。地面微波中继的通信区域基本上是一条线路，而卫星通信可在通信卫星所覆盖的区域内，所有四面八方的地面站都能利用这一卫星进行相互间的通信。我们称卫星通信的这种能同时实现多方向、多个地面站之间的相互联系的特性为多址连接。•(3)频带宽，通信容量大。卫星通信采用微波频段，传输容量主要由终端站决定，卫星通信系统的传输容量取决于卫星转发器的带宽和发射功率，而且一颗卫星可设置多个（如IS-Ⅶ有46个）转发器，故通信容量很大。例如，利用频率再用技术的某些卫星通信系统可传输30000路电话和4路彩色电视。•(4)通信质量好，可靠性高。卫星通信的电波主要在自由（宇宙）空间传播，传输电波十分稳定，而且通常只经过卫星一次转接，其噪声影响较小，通信质量好。通信可靠性可达99.8%以上。•(5)通信机动灵活。卫星通信系统的建立不受地理条件的限制，地面站可以建立在边远山区、海岛、汽车、飞机和舰艇上。•(6)电路使用费用与通信距离无关。地面微波中继或光缆通信系统，其建设投资和维护使用费用都随距离而增加。而卫星通信的地面站至空间转发器这一区间并不需要投资，因此线路使用费用与通信距离无关。•(7)对卫星通信系统也有一些特殊要求：一是由于通信卫星的一次投资费用较高，在运行中难以进行检修，故要求通信卫星具备高可靠性和较长的使用寿命；二是卫星上能源有限，•卫星的发射功率只能达到几十至几百瓦，因此要求地面站要有大功率发射机、低噪声接收机和高增益天线，这使得地面站比较庞大；三是由于卫星通信传输距离很长，使信号传输的时延较大，其单程距离（地面站A→卫星转发→地面站B）长达80000km，需要时间约270ms；双向通信往返约160000km，延时约540ms，所以，在通过卫星打电话时，通信双方会感到很不习惯。18.5卫星通信系统的组成及工作原理•根据卫星通信系统的任务，一条卫星通信线路要由发端地面站、上行线路、卫星转发器、下行线路和收端地面站组成，如图18―4所示。图18―4卫星通信线路组成框图多路复用调制器发射机多路分离调制器接收机双工器多路复用调制器发射机多路分离解调器接收机双工器发射机频率变换接收机双工器卫星转发器天线馈电设备•其中上行线路和下行线路就是无线电波传播的路径。为了进行双向通信，每一地面站均应包括发射系统和接收系统。由于收、发系统一般是共用一副天线，因此需要使用双工器以便将收、发信号分开。地面站收、发系统的终端，通常都是与长途电信局或微波线路连接。地面站的规模大小则由通信系统的用途而定。转发器的作用是接收地面站发来的信号，经变频、放大后，再转发给其它地面站。卫星转发器由天线、接收设备、变频器、发射设备和双工器等部分组成。•在卫星通信系统中，各地面站发射的信号都是经过卫星转发给对方地面站的，因此，除了要保证在卫星上配置转发无线电信号的天线及通信设备外，还要有保证完成通信任务的其它设备。一般来说，一个通信卫星主要由天线系统、通信系统、遥测指令系统、控制系统和电源系统五大部分组成，如图18―5所示。图18―5通信卫星组成示意图电源部分太阳能电池执行机构自旋传感器姿态控制蓄电池天线控制电源控制电路轨道控制遥测编码器指令译码器遥控发射机指令接收机双工器本机振荡器变频器发射机接收机双工器控制部分遥测指令部分通信部分(转发器)遥测指令天线通信天线•1.天线系统•天线系统包括通信用的微波天线和遥测遥控系统用的高频（或甚高频）天线。微波天线根据波束的宽、窄又可分为覆球波束天线、区域波束天线和点波束天线。对静止卫星来说卫星覆球波束天线的波束宽度约为17°～18°，其增益可达18dB；点波束天线因波束较窄而具有较高的增益，用来把辐射的电磁波功率集中到地球上较小的区域内。•通信微波天线的波束应对准地球上的通信区域。但是，对于采用自旋稳定方式以保持姿态稳定的静止卫星，由于卫星是旋转的，故要采用消旋天线，才能使波束始终对准地球。常用的有机械消旋天线和电子消旋天线，其消旋原理是用机械的方法或电子的方法，让天线的旋转方向与卫星自旋方向相反，而两者的旋转速度相等，以保证天线波束始终朝着地球上需要通信的区域。•遥测指令天线用于卫星进人静止轨道之前和之后，能向地面控制中心发射遥测信号和接收地面的指令信号。这种天线为甚高频全方向性天线，通常采用倾斜式绕杆天线和螺旋天线等天线。•2.通信系统（转发器）•静止卫星的通信系统又称为通信中继机，通常由多个（可达24个或更多）信道转发器互相连接而组成。其任务是把接收的信号放大，并利用变频器交换成下行频率后再发射出去。•它实质上是一组宽频带收、发信机，对其要求是工作稳定可靠，附加的噪声小。