第七章 卫星通信系统

第七章卫星通信系统卫星接收系统示意图Internet卫星路由器防火墙传输中心发送天线局域网或CATVModemModem单终端用户点播服务器功分器Modem卫星接收机卫星接收机或卫星接收机多终端用户各办学单位传送的节目1.卫星通信原理卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站，转发或反射无线电波，在两个或多个地球站之间进行的通信。卫星通信可以分为延迟式和同步式。延迟式：接收――存储――延迟转发同步式：目前常用方式。§7.1卫星通信系统基本概念参考书：孙学康张政微波与卫星通信•卫星通信卫星通信指利用人造地球卫星作为中继站转发或反射无线电波,在两个或多个地球站之间进行的通信。地球站是设在地球陆地、海洋、空中的固定或移动无线通信站点。卫星通信又是宇宙无线电通信形式之一，而宇宙通信是指以宇宙飞行体为对象的无线电通信，（1）宇宙站与地球站之间的通信；（2（3）通过宇宙站转发或反射而进行的（1）卫星通信的优点①通信距离远，且费用与通信距离、地理环境、气象条件无关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信号传输质量高,与通信距离、地理环境、气象条件无关，通信线路稳定可靠⑤建立通信电路灵活、机动性好２.卫星通信的特点（2）卫星通信的缺点①卫星的发射与控制技术比较复杂。②设备需要具有高可靠性、长寿命、较大的发射功率以及低噪声接收的特性。③有较大的信号传输时延（静止卫星为0.6秒）和回波干扰。④存在星蚀和日凌中断现象。LEOMEOGEOHEO•卫星轨道LEO高度在500－1500Km，MEO高度在10000－2000Km，HEO距地最近点为1000－2100Km，最远点为3950－50600Km，静止轨道卫星高度约为35785.5Km（通常近似为36000Km），（1）系统组成静止卫星通信系统如图所示的是卫星通信的示意图。3.卫星通信系统的组成静止卫星的配置目前国际卫星通信组织负责建立的国际卫星通信系统（INTELSAT），简称IS，就是利用静止卫星来实现全球通信的。三颗同步卫星分别位于太平洋、印度洋和大西洋上空，它们构成的全球通信网承担着大约80%的国际通信业务和全部国际电视转播业卫星通信示意图静止卫星的运行轨道与观察参数(1)要使卫星进入运行轨道，必须依靠运载火箭。要想使卫星绕地球运转，还必须使卫星的初始速度大于8km/s。但单级火箭的速度只能达到2.5km/s，因此，发射静止卫星必须采用带有捆绑技术的三级火箭。捆绑技术就是把几支小火箭捆在大火箭的第一级上，用以提高发射的飞行速度，卫星装在第三级火箭的前端.第一宇宙速度：7.9km/s地球11.2km/sv7.9km/sV2=11.2km/s第二宇宙速度：11.2km/sV3=16.7km/s第三宇宙速度：16.7km/s所谓宇宙速度就是从地球表面发射飞行器，飞行器环绕地球、脱离地球和飞出太阳系所需要的最小速度，分别称为第一、第二、第三宇宙速度要想使卫星绕地球运转，必须使卫星的初始速度大于8km/s。但单级火箭的速度只能达到2.5km/s，因此，发射静止卫星必须采用带有捆绑技术的三级火箭。捆绑技术就是把几支小火箭捆在大火箭的第一级上，用以提高发射的飞行速度。同步轨道卫星发射发射过程进入初始轨道进入转移轨道进入漂移轨道进入静止轨道一颗自旋稳定的静止卫星的发射过程大体可分为如下几个阶段开始发射后，依次点燃三级火箭的一、二级火箭，把卫星送到初始轨道。卫星在初始轨道上只飞行一小段，当卫星快要到达初始轨道与赤道平面的交点时，要点燃第三级火箭，以使卫星脱离初始轨道而进入转移轨道卫星在转移轨道上运行了几圈，完成了上述各项准备工作后，当再次到达远地点时，就要启动远地点发动机，使卫星进入漂移轨道图远地点的轨道变换(2)通信卫星的姿态控制卫星上装有通信用的定向天线，要求定向天线的波束应指向地球中心或某覆盖区的中心。（1）角度惯性控制角度惯性控制也叫自旋稳定法，是早期静止卫星常用的姿态控制方法。采用自旋稳定法的卫星，如IS-Ⅲ，IS-Ⅳ等，卫星的天线要安装在一个平台上。（2）三轴稳定法三轴稳定法是指卫星的姿态是由稳定穿过卫星重心的三个轴来保证的。这三个轴分别在卫星轨道的切线、法线和轨道平面的垂线等三个方向上，分别对应叫做滚动轴、俯仰轴和偏航轴，三轴可以采用喷气、惯性飞轮或电机等来直接分别控制每个轴保持稳定。图三轴稳定法示意图２.静止卫星的观察参数若已知地球站A的几何关系.其中地球站A的经度和纬度分别为和,静止卫星S的星下点的经度和纬度分别和0经度差:-纬度差:-0=地面站仰角:地面站方位角:站星距离：11121211211)cos(cos1151.0coscosarctge在地球站的调测、开通和使用过程中，都要知道地球站天线工作时的方位角Φa和仰角Φe。此外，为了计算自由空间的传播损耗，还必须知道地球站与卫星之间的距离——站星距。1sintgarctgakmdcoscos302.0023.1422381静止卫星观察参数图解卫星位于地球站西侧侧卫星位于地球站东侧方位角aa180180静止卫星S与地球站A的几何关系若地球站位于北半球：若地球站位于南半球：卫星位于地球站西侧侧卫星位于地球站东侧方位角aa180180卫星位于地球站西侧侧卫星位于地球站东侧方位角aa360•【例1-1】“亚太一号”卫星的星下点s′的经度为φ2=138.00E(东经)•φ1=116.45E,θ1=39.92°，求北京地球站的仰角、方位角和站星距。•解由已知条件得知：θ1=39.92°，•经度差φ=φ2－φ1=138.00－116.45=21.55°•74.38)55.21cos()92.39cos(1151.0)55.21cos()92.39cos(2arctge又求得方位角φa=arctg)92.39sin()55.21(tg=31.61°由于卫星位于地球站东侧，故实际方位角为：②180°-φa=180°-31.61°=148.39°③站星距d=42238)55.21cos()92.39cos(302.0023.1=37955kmOdyssey系统组成：空间段、地面段和用户单元3个部分Odyssey系统的空间段星座采用12颗高度约为10000km的卫星分布在倾斜55°的3个轨道平面上构成，使用L/S/Ka频段1.中轨道卫星系统简介（Odyssey系统）中/低轨道卫星移动通信系统Odyssey系统地面段包括卫星管理中心、服务运作中心、地球站、关口站、地面网络Odyssey系统的用户单元最主要的用户单元是手机，它将采用双模式，可以同时在Odyssey系统及蜂窝网中使用，并可自动切换1.中轨道卫星系统简介（Odyssey）系统组成：卫星星座、关口地球站、系统控制中心、网络控制中心和用户单元等组成（1）铱（Iridium）系统简介①铱系统卫星星座的配置2.低轨道卫星系统简介中/低轨道卫星移动通信系统2.低轨道卫星系统简介（Iridium）星座：共有66颗卫星，另外还有7颗空中备用星。这些卫星均匀分布在大致南北方向的6条轨道上，每条轨道上均匀分布11颗卫星。所有卫星均沿同一方向飞行。②铱星系统的通信链路2.低轨道卫星系统简介（Iridium）③铱星系统的关口站关口站是控制用户终端接入并提供系统和公共交换电话网（PSTN）间接口的地球站④铱星系统的用户终端用户终端（ISU：IridiumSubscriberUnit）以便携式话音单元为基础，有手持机、车载终端和半固定终端3种不同产品2.低轨道卫星系统简介（Iridium）（2）全球星（Globalstar）系统简介设计思想：利用LEO卫星组成一个连续覆盖全球的移动通信卫星系统，向世界各地提供话音、数据或传真、无线电定位业务系统组成：由空间段的卫星、地面段的关口站、星座控制设备和网络中心（NCC）以及用户终端组成2.低轨道卫星系统简介2.卫星通信系统的组成（1）卫星通信系统的组成通常卫星通信系统是由地球站、通信卫星、跟踪遥测及指令系统和监控管理系统4大部分组成的。（2）卫星通信线路的组成两个地球站之间的卫星通信线路是由发端地球站，上、下行无线传输路径和收端地球站组成的。2)静止卫星：距离赤道上空35860公里处（同步轨道）的卫星。其公转周期与地球自转周期一致。从地球上看相对静止。优点：地面天线不动，可以提高通信质量一颗卫星24小时通信随机损耗小，辐射效率提高三、四颗覆盖全球缺点：衰减大，传输时延大,不能覆盖两极3)低轨道卫星：1997年五月铱星公司在500－1500公里轨道上放置了34颗铱星实现了低轨道移动通信。传输衰减20-30dB。4.卫星通信种类按卫星的制式分类：1)随机卫星：只能在共视卫星的时间才能通信按卫星的覆盖范围分类：国际卫星通信系统；国内卫星通信系统；区域卫星通信系统。按用户的性质分类：公用卫星通信系统；专用卫星通信系统；军用卫星通信系统。5.卫星业务的频率分配卫星业务的频率分配是在国际电信联盟（ITU）的管理下进行的。ITU将整个地球划分为三个区域：区域1：包括欧洲、非洲、前苏联和蒙古；区域2：南北美洲和格陵兰岛；区域3：亚洲（除区域1中的地区）、澳大利亚和西南太平洋；卫星提供的业务：卫星固定业务:向电话网、有线电视网提供卫星链路；卫星广播业务:指直播到户，或称为卫星直播业务；卫星移动业务:陆地移动、海事移动或航空移动；卫星导航业务:全球定位系统；卫星气象业务:亦可用于搜救业务；频段频率范围(GHz)VHF0.1~0.3UHF0.3~1.0L1.0~2.0S2.0~4.0C4.0~8.0X8.0~12.0Ku12.0~18.0K18.0~27.0Ka27.0~40.0V40.0~75.0W75.0~110.0mm110.0~300.0mm300.0~3000.0卫星常用频率：Ku频段：直播卫星业务、某些固定卫星业务；14/12GHz（或14.03/11.73GHz）C频段：固定卫星业务，不允许直播卫星业务使用该频段；6/4GHz（上行/下行）L频段：卫星移动业务及导航系统；ITU的频段表示法：频段编号表示符号频率范围(不含下限，包含上限)相应的米制划分频段的米制缩写4VLF3~30kHz万米波B.Mam5LF30~300kHz千米波B.km6MF300~3000kHz百米波B.hm7HF3~30MHz十米波B.dam8VHF30~300MHz米波B.m9UHF300~3000MHz分米波B.dm10SHF3~30GHz厘米波B.cm11EHF30~300GHz毫米波B.mm12300~3000GHz亚毫米波2)小天线地面卫通系统用户自行组网和利用卫星通信VSAT系统特点：天线小一般小于2.4mG/T值小于19.7dB/K，设备紧凑，功耗小，价格低。用于2Mb/s以下低速数据双向通信。6.卫星通信的发展现状1)高速卫星数据传输技术与话音和图像通信相比，数据传输有两个特点：发送数据时间随机间断、业务种类繁多因此采用分组通信技术，又叫信息包技术：各个地面站共用一个卫星转发器的频段，各站随机发送各自的数据分组，如果出现碰撞，则该数据重新发送。3)星上卫星通信系统4)低轨移动5)移动卫通代表APMT系统亚太卫星移动通信系统(2)卫星通信的多址技术FDMA多址技术单址载波多址载波单路单载波（SCPC）TDMA多址技术CDMA多址技术§7.2卫星通信中的微波系统卫星通信发射天线接收天线上行频下行频卫星增益88dBf=6GHzf=4GHz接收信号电平-97.6dBW(6.5W)发射机有效全向辐射功率：EIRP=Pt+Gt-Lr(20kW)-114.6dBW低噪放40dB中放44.6dB输出信号电平-30dBW(1mW)Lr发射机到天线之间的馈线损耗卫星通信线路载波功率的计算1.天线增益G在卫星通信中，一般使用定向天线，把电磁波能量聚集在某个