第1章卫星通信系统概述

卫星通信课程简介课程名称：卫星通信课程学时：32周学时：4课程性质：专业选修课程目的本课程是为通信工程、计算机通信、无线电技术等专业高年级学生开设的一门专业课，其目的是使学生掌握卫星通信系统的组成、原理和技术的基础知识。课程特点讲述卫星通信的基础知识，侧重于基本概念和原理，而对于复杂的数学推导，则从略。课程概况课程成绩计算•平时成绩：30％（半期考试和作业各占15％）•期末考试：70％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、地面移动通信、卫星通信卫星通信是个人通信网的组成部分，是地面通信网的补充。卫星通信卫星通信的概念卫星通信是指利用通信卫星转发器实现地球站（或手持终端）之间、或者地球站与航天器之间的无线电通信。教材和参考书•朱立东等，《卫星通信导论》（第3版），北京：电子工业出版社，2009年11月第1次印刷（卫星通信课程教材）•DennisRoddy.SatelliteCommunications.TheMcGraw-HillCompanies,inc.,2002（清华大学出版社）•TimothyPratt,CharlesBostianandJeremyAllnutt.SatelliteCommunications.NewYork:JohnWilyandSons,Inc.,2003（电子工业出版社）•张乃通等，《卫星移动通信系统》(第2版），北京：电子工业出版社，2000•ErichLutz,MarkusWernerandAxelJahn.SatelliteSystemsforPersonalandBroadCommunications.Berlin:Springer-Verlag,2000第一章卫星通信系统概述一、卫星轨道二、卫星通信系统的组成三、卫星通信的业务类型四、频率分配五、卫星通信的特点六、卫星通信的发展历史七、通信卫星的分类八、卫星通信的研究动态九、卫星通信的应用一、卫星轨道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。开普勒定律开普勒第一定律：卫星以地心为一个焦点做椭圆运动。其轨道平面的极坐标为：1cosPre21bea2(1)Pae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间内扫过的面积相等。21()(km/s)Vura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为开普勒常数，u值为398601.58*109m3/s2开普勒第三定律：卫星运转周期的平方与轨道半长轴的3次方成正比。u为开普勒常数，u值为398601.58109m3/s2。32saTu(1)地球非球形引起的摄动，表现为：卫星的轨道面绕地轴缓慢转动近地点位置变化（2）大气阻力的影响卫星轨道的远地点降低，长轴缩短，即运行周期缩短偏心率减小，轨道愈变愈圆卫星轨道摄动地球形状不规则大气阻力太阳和月球引力二、卫星通信系统的组成空间段主要是卫星本身。星体包括两大子系统：星载设备和卫星母体。地面段典型的地面段即地球站，包括地面卫星控制中心（SCC,Satellitecontrolcenter）及其跟踪、遥测和指令站（TT&C,Tracking,telemetryandcommandstation）。用户段：各种用户终端三、卫星通信的业务类型ITU(InternationalTelecommunicationUnion)定义三种业务类型：固定卫星业务FSS(Fixedsatelliteservice)移动卫星业务MSS(Mobilesatelliteservice)广播卫星业务BSS(Broadcastingsatelliteservice)四、频率分配卫星通信的频率窗口：大气对不同频率电波传播的吸收损耗差异很大，形成星－地传输的频率窗口。吸收损耗在22和60GHz有峰值。卫星通信频段：目前常用频段有L，S，C，X，Ku，Ka。L频段：1～2GHZ，一般记为1.6/1.5G(上行/下行)，用于MSS，GEO卫星测控。S频段：2～4GHz，用于MSS，GEO卫星测控。C频段：4～7GHz，用于FSS和MSS的馈电链路。Ku频段：12～18GHz，用于FSS，BSS。Ka频段：20～40GHz,用于FSS，MSS。此外，VHF、UHF用于低轨小卫星通信。VHF频段：0.1~0.3GHz，用于移动、导航业务UHF频段：0.3~1.0GHz，用于移动、导航业务更高频段Q频段：36.0~46.0GHz，V频段：46.0~56.0GHz大气吸收附加损耗与频率的关系五、卫星通信的特点服务范围宽：一颗GEO卫星覆盖全球表面的42%；中低轨星座系统可实现全球覆盖。可用频段宽：从150MHz～30GHz(Ka波段)。目前已开始开发Q、V波段(40～50GHz)。网络路由简捷：旁路复杂的地面“网络云”。跨国公司专网。网络建设速度快、成本低：除建站外，无需地面施工。运行维护费用低。系统均匀服务，易引入新业务：统一的业务提供商，利于系统为各地区提供均匀的服务。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•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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。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。卫星移动通信和地面移动通信六、世界卫星通信的发展历史•1945年ClarkeA.C.提出三颗同步卫星覆盖全球•1957年前苏联发射世界上第一颗卫星Sputnik•1963年美国发射世界上第一颗同步轨道卫星SYNCOM•1964年INTERSAT成立•1965年第一颗商用同步卫星“晨鸟”进入轨道•1975年第一次通过卫星成功实现直接广播试验卫星通信的发展历史（续）•1979年INMARSAT成立•1982年国际海事卫星通信进入运行•1984年第一个DTH系统在日本进入运行•1987年INMARSAT成功进行地面移动卫星通信试验•1989～1990年INMARSAT将全球移动卫星通信业务扩展到地面和空间移动通信领域•1995年WRC对非静止轨道卫星系统分配新频谱；商用LEO卫星系统ORBCOM第一次传送低速数据试验成功•1998年通过LEO星座引入手机通信业务•1999~2000年引入卫星直接广播语音业务•2000~2005年引入宽带个人通信，Ka频段发展迅速中国卫星通信的发展•中国第一颗试验卫星“东方红一号”于1970年4月24日发射成功，重37Kg，运转周期110分钟，绕地球一周，以旋极化的全球波束向全球广播“东方红乐曲”。东方红一号中国卫星发展史（续）•1984年8月8日成功发射第一颗同步轨道试验通信卫星“东方红二-1”，定位在125°E，重433Kg，携带2个8W的C频段转发器，以全球波束辐射，中心波束为23.4dBW。•1986年2月1日“东方红二号-2“成功定位在103°E，携带2个C频转发器，以区域椭圆波束辐射传送，重433Kg，中心波束为34.5dBW。携带2个8W的C频段转发器，以全球波束辐射，中心波束为23.4dBW。中国卫星发展史（续）•1988年3月7日“东方红二号甲-1“简称“东二甲-1“，对外称“中卫一号“定位在87.5°E，波束中心指向101.7°E，34.11°N，中心波束为36dBW。4个C频段转发器，二个8W，二个10W，以区域椭圆波束辐射传送。卫星重441Kg，寿命7年。•1990年2月4日“东方红二号甲3“简称“东二甲3“，对外称“中卫三号“定位在98°E，波束中心指向103.23°E，33.84°N，中心波束36dBW。4个C频段转发器以区域椭圆波束辐射传送。卫星重441Kg。中国卫星发展史（续）1991年12月28日“东方红三号”发射但卫星定位失败。1993年7月“中星五号”卫星启用，定位115.5o，播出8个省级节目。1996年7月3日『亚太一A』在西昌发射中心成功发射，本卫星和『亚太一号』相同为C频段双极星，定位于东经134°E，台湾地区信号覆盖强度为37dBm，接收容易。1997年5月11日新的“东方红三号”又称为“中卫6号”发射成功，它是新型大功率的卫星，携带24个C频段转发器，定位125°E。中国卫星发展史（续）1998年5月30日新的“中卫一号”发射成功。它是第一颗携带Ku频段的新型大功率的卫星，携带18个C频段转发器，定位在87.5°E。1998年7月18日“鑫诺一号”发射成功。携带14个Ku频段转发器和24个C频段转发器和一对C-Ku频段互联转发器，定位在110.5°E。中国卫星发展史（续）2003年10月21日11时16分，太原卫星发射中心用“长征”四号乙运载火箭成功地将中国与巴西联合研制的第二颗“资源一号”卫星和中国科学院研制的“创新一号”小卫星送入太空。火箭发射13分钟后，“资源一号”卫星进入太阳同步轨道。火箭继续飞行约40秒后，“创新一号”卫星与火箭分离，进入预定轨道。中国卫星发展史（续）2003年10月15日，神州五号在酒泉卫星发射中心成功发射。2005年10月12日，神州五号在酒泉卫星发射中心成功发射。2008年9月25日成功发射神州五号中国卫星发展史（续）2006年10月29日“鑫诺二号”卫星在西昌发射成功，但是在定点过程中出现技术故障，致使太阳帆板二次展开和通信天线展开未能完成，无法提供通信广播传输服务•2000年10月31日、12月21日、2003年5月25日、2007年2月3日先后成功发射四颗北斗导航试验卫星•2007年4月14日中国成功发射了第一颗北斗导航卫星北斗导航试验卫星一号（Beidou-1）中国卫星发展史（续）2007年6月1日“鑫诺三号”卫星在西昌发射成功，轨道位置：E125o，覆盖中国及周边国家和地区。2008年4月25日中国首颗数据中继卫星“天链一号01星”在西昌发射成功，其任务是为卫星、飞船等航天器提高数据中继和测控服务2009年4月15日第2颗北斗导航卫星在西昌卫星发射中心成功发射2010年1月17日第3颗北斗导航卫星在西昌卫星发射中心成功发射卫星通信的发展趋势•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。•静止轨道卫星移动通信系统服务对象将从原有的传统用户转移至缺少陆地服务的边远地区。•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、ASTROLINK和PAS等。卫星通信的发展趋势（续）•窄带的中、低轨道卫星移动通信系统投入运行，如Iridium、ICO和Globalstar等系统。•宽带低轨道系统正在加紧开发之中，预计在21世纪初可陆续发射，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。•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、GEAmerican和GEMnet等系统。•全球定位卫星系统将面临升级换代的问题。•中、低轨道卫星系