当前位置:首页 > 电子/通信 > 综合/其它 > 第1章 卫星通信概述
卫星通信课程要求考勤:请假需要递交假条,并由辅导员签字。无故旷课四次及以上者,不允许参加期末考试。二次迟到折合一次旷课。作业:按时独立完成,逾期不予批改。考核:期末考试成绩占总成绩的80%,其它为作业和考勤成绩。教材与参考书教材夏克文.卫星通信.西安电子科技大学出版社,2008参考书TimothyPratt.卫星通信(英文版).电子工业出版社,2003.朱立东,吴延勇,卓永宁.卫星通信系统(第3版).电子工业出版社,2011课程介绍第1章卫星通信概述第2章卫星通信基本技术第3章卫星通信链路设计第4章卫星通信网第5章移动卫星通信系统第1章卫星通信概述1.1卫星通信的基本概念和特点1.2卫星通信地球站1.3通信卫星1.4卫星通信工作频段的选择及电波传播的特点1.5卫星通信的发展动态1.1卫星通信的基本概念和特点1卫星通信的基本概念2卫星通信的特点3卫星通信系统的组成与分类1卫星通信的基本概念卫星:指在围绕行星的轨道上运行的天然天体或人造天体。通信:指带有信息的信号从一点传送到另一点的过程,广义地说,是指任何两地之间、使用任何方法、通过任何媒质相互传送信息达到联系的过程。现代通信指在任何时间、任何空间、任何地点、任何对象之间以任何方式进行信息交换的过程。1卫星通信的基本概念通信系统:是指传递信息所需的一切技术设备的总和,它包括信源、发送设备、传输媒介、接收设备和信宿等部分。卫星通信: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。无线电波频率使用微波频段。1卫星通信的基本概念微波通信:微波是指频率为300MHz~300GHz电磁波。用微波频率作载波携带信息,通过无线电波空间进行中继(接力)通信的方式。卫星通信可以理解为某种特殊的微波中继通信。1卫星通信的基本概念卫星通信系统:利用人造地球卫星在地球站之间进行通信的通信系统,称为卫星通信系统。通信卫星:把用于实现通信目的的人造卫星称为通信卫星。相当于离地面很高的中继站。卫星通信是地面微波中继通信的继承和发展,是微波接力向太空的延伸。卫星通信的过程图1-1卫星通信过程示意图空间通信空间通信的概念:以空间飞行器或通信转发体为对象的无线电通信称为空间通信,它包括三种形式:(1)地球站与空间站之间的通信;(2)各空间站之间的通信;(3)通过空间站转发或反射进行的各地球站之间的通信。上述第三种形式的空间通信称为卫星通信。卫星通信的链路上行链路:从地球站发射信号到通信卫星所经过的通信路径。下行链路:通信卫星将信号转发到其它地球站的通信路径。卫星运行轨道较高时卫星运行轨道较高时的通信方式:相距较远的两个地球站可同时看到卫星。立即转发式卫星通信系统:只用一颗卫星通过立即转发的方式实现的通信,这种系统称为立即转发式卫星通信系统。通信链路由发端地球站、上行链路、通信卫星转发器、下行链路和收端地球站所组成。卫星通信的链路图1-2单颗卫星通信链路的组成卫星通信的链路当卫星运行轨道较低时的通信方式:相距较远的两个地球站不能同时看到同一颗通信卫星。低轨道移动卫星通信系统通过多颗卫星转发,从而实现远距离实时通信。星间链路(ISL):同轨道卫星间的链路星际链路(IOL):不同轨道通信卫星的链路。延迟式卫星通信系统:采用延迟转发方式进行通信。静止卫星(同步卫星)当卫星运行轨道在赤道平面内;高度约为35786km;卫星运行方向与地球相同;围绕地球公转周期与地球自转周期(24h)相等;夹角为17.34°,两切线间弧线距离为18100km。若以120°的等间隔在静止卫星轨道上配置三颗卫星,则地球表面除南、北两极是盲区外,其它区域均在卫星覆盖范围之内,而且部分区域为两颗卫星波束的重叠地区,因此借助于在重叠区内地球站的中继(称之为双跳),可以实现在不同卫星覆盖区域内的地球站之间的通信。图1-3静止卫星与地球相对位置示意图2卫星通信的特点(优点)(1)通信距离远,且费用与通信距离无关。(2)覆盖面积大,可进行多址通信。(3)通信频带宽,传输容量大。(4)机动灵活。(5)通信链路稳定可靠,传输质量高。由于卫星通信具有上述突出的优点,因而获得了迅速的发展,成为一种强有力的现代化通信手段。2卫星通信的特点(局限性)(1)通信卫星使用寿命较短。(2)存在日凌中断和星蚀现象。(3)电波的传播时延较大且存在回波干扰。(4)卫星通信系统技术复杂。(5)静止卫星通信在地球高纬度地区通信效果不好,并且两极地区为通信盲区。图1-4静止卫星的日凌中断和星蚀现象3卫星通信系统的组成与分类卫星通信系统的组成:通信卫星通信地球站分系统跟踪遥测及指令分系统监控管理分系统图1-5卫星通信系统的组成3卫星通信系统的组成与分类(1)通信卫星由一颗或多颗通信卫星组成,在空中对发来的信号起中继放大和转发作用。每颗通信卫星均包括收发天线、通信转发器、跟踪遥测指令、控制和电源等分系统。通信卫星的分类按照卫星的结构,可分为有源卫星和无源卫星。按照卫星的运动方式,可分为静止卫星(同步卫星)和运动卫星(非同步卫星),包括相位卫星和随机卫星等类型。按照卫星的重量,可分为巨卫星(大于3500kg)、大卫星(1000~3500kg)、中卫星(500~1000kg)、小卫星(100~500kg)、微小卫星(10~100kg)、纳卫星(1~10kg)、皮卫星(0.1~1kg)和飞卫星(0.1kg)。按照卫星离地面的高度(h),通信卫星可分为低轨道(h5000km)卫星、中轨道(5000h20000km)卫星、高轨道(h20000km)卫星和地球同步轨道(h=35786km)卫星。3卫星通信系统的组成与分类(2)通信地球站分系统:包括地球站和通信业务控制中心,其中有天馈设备、发射机、接收机、信道终端、跟踪与伺服系统等。(3)跟踪遥测及指令分系统:对卫星进行跟踪测量,控制卫星准确地进入静止轨道上的指定位置,并对卫星的轨道、位置、姿态进行监视和校正。(4)监控管理分系统:对在轨道上的卫星的通信性能及参数进行业务开通前的监测和业务开通后的例行监测与控制,其中包括转发器功率、天线增益、地球发射功率、射频频率和带宽等,以保证通信卫星正常运行和工作。3卫星通信系统的组成与分类(2)通信地球站分系统:包括地球站和通信业务控制中心,其中有天馈设备、发射机、接收机、信道终端、跟踪与伺服系统等。(3)跟踪遥测及指令分系统:对卫星进行跟踪测量,控制卫星准确地进入静止轨道上的指定位置,并对卫星的轨道、位置、姿态进行监视和校正。(4)监控管理分系统:对在轨道上的卫星的通信性能及参数进行业务开通前的监测和业务开通后的例行监测与控制,其中包括转发器功率、天线增益、地球发射功率、射频频率和带宽等,以保证通信卫星正常运行和工作。3卫星通信系统的组成与分类空间段:包括通信系统中所有的处在地球外层空间的卫星,其作用是在空中对地面或其它卫星发来的信号起中继放大和转发作用。地面段:主要由多个承担不同业务的地球站组成。控制段:由所有地面控制和管理设施组成,它既包括用于监测和控制(跟踪遥测及指令系统)这些卫星的地球站,又包括用于业务与星上资源管理的地球站。卫星通信系统的组成还可以分为空间段、地面段和控制段三部分。卫星通信系统的分类按照卫星制式,可分为随机、相位和静止卫星通信系统;按通信覆盖区的范围,可分为国际、国内和区域静止卫星通信系统;按用户性质,分为公用(商用)、专用和军用3类卫星通信系统按业务,可分为固定业务(FSS)、移动业务(MSS)、广播业务(BSS)、科学实验及其它业务卫星通信系统;按多址方式,分为频分多址、时分多址、码分多址、空分多址和混合多址5类卫星通信系统;按基带信号体制,分为数字式和模拟式两类卫星通信系统;按所用频段,分为特高频(UHF)、超高频(SHF)、极高频(EHF)和激光4类卫星通信系统。;1.2卫星通信地球站1地球站的分类2地球站的组成3卫星通信的基本原理1地球站的分类按安装方法及设备规模,地球站可分为固定站、移动站和可搬动站。按天线反射面口径大小,地球站可分为20m、15m、10m、7m、5m、3m和1m等类型按传输信号的特征,地球站可分为模拟站和数字站。按用途,地球站可分为民用、军用、广播、航空、航海、气象以及实验等地球站。按业务性质,地球站可分为遥控、遥测跟踪站,通信参数测量站和通信业务站。根据地球站天线口径尺寸及地球站性能因数G/T(即地球站接收天线增益G与接收系统的等效噪声温度T之比)值大小将地球站分为A、B、C、D、E、F、G、Z等各种类型。A、B、C三种称为标准站,用于国际通信。表1-1各类地球站的天线尺寸、性能指标及业务类型2地球站的组成图1-6卫星通信地球站的组成方框图天馈设备作用:是将发射机送来的射频信号经天线向卫星方向辐射,同时它又接收卫星转发的信号送往接收机。收、发信机共用一副天线。为了使收、发信号隔离,保证接收和发射都能同时正常工作,其中还需接入一只双工器。地球站原则上可以采用抛物面天线、喇叭天线和喇叭抛物面天线等多种形式。一般大、中型天线用卡塞格伦天线,小口径天线用偏馈(焦)抛物面天线。图1-7卡塞格伦天线结构图发射机由上变频器和功率放大器组成,其主要作用是将已调制的中频信号,经上变频器变换为射频信号,并放大到一定的电平,经馈线送至天线向卫星发射。目前,大、中型地球站一般采用行波管和调速管,小型地球站一般采用固态砷化镓场效应管(FET)。上变频器主要有一次变频和二次变频两种方式。一次变频:从中频(如70MHz)直接变到微波射频(如6GHz),其优点是设备简单,组合频率干扰少,缺点是中频带宽有限,不利于宽带系统的实现,二次变频,即从中频(如70MHz)先变到较高的中频(如950~1450MHz),然后再由此高中频变到微波射频(如6GHz)。它的优点是调整方便,易于实现带宽要求,其缺点则是电路较为复杂。接收机接收机主要由下变频器和低噪声放大器组成。其主要作用是从噪声中接收来自卫星的有用信号,经下变频器变换为中频信号,送至解调器。下变频器可以采用一次变频,也可以采用二次变频。信道终端设备信道终端设备组成:主要由基带处理与调制解调器、中频滤波及放大器组成。主要作用将用户终端送来的信息加以处理,成为基带信号,对中频进行调制;对接收的中频已调信号进行解调以及进行与发端相反的处理,输出基带信号送往用户终端。天线跟踪设备手动跟踪:根据预知的卫星轨道位置数据随时间变化的规律,通过人工按时调整天线的指向,使接收卫星信号最强。程序跟踪:根据卫星预报的数据和从天线角度检测器收集来的天线位置值,通过计算机处理,计算出角度误差值,然后输入伺服回路,驱动天线,消除误差角。自动跟踪则:根据卫星所发的信标信号,检测出误差信号,驱动跟踪系统,使天线自动地对准卫星。天线跟踪设备主要用来校正地球站天线的方位和仰角,以便使天线对准卫星,通常有手动跟踪、程序跟踪和自动跟踪三种,根据使用场合和要求确定使用哪一种。电源设备地球站电源设备要供应站内全部设备所需的电能,因此电源设备的性能优劣会影响卫星通信的质量及设备的可靠性。为了满足地球站的供电需要,一般设有两种电源设备,即交流不间断电源设备和应急电源设备。3卫星通信的基本原理图1-8多路电话信号的传输1.3通信卫星1卫星与轨道2卫星覆盖与星座设计3通信卫星的组成4通信卫星举例1卫星与轨道卫星运行的基本规律卫星轨道的分类卫星轨道的摄动卫星位置保持与姿态控制卫星运动的基本定律卫星轨道:卫星围绕地球运行的轨迹,可以是圆形或椭圆形。轨道面:轨道位置都在通过地球中心的一个平面内。卫星运动所在的平面叫做轨道面。基本规律: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,卫星运动服从开普勒三大定律。开普勒第一定律(轨道定律)卫星以地心为一
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