4-卫星通信系统基础

全国广播电视卫星通信工程师培训班2006年9月南京国家广播电视安全播出调度中心南京通信工程学院1吕晶教授南京通信工程学院卫星通信系统基础2006卫星通信工程师培训21概述1、1卫星通信的基本概念什么是卫星通信利用人造地球卫星作为中继站转发或反射无线电信号，在两个或多个地球站之间进行的通信。通信卫星地球站地球站2006卫星通信工程师培训31概述1、1卫星通信的基本概念“地球站”与“地面站”地球站指在地球表面的无线电通信站，包括地面站、机载站和船（舰）载站。地面站机载站船（舰）载站2006卫星通信工程师培训41概述1、1卫星通信的基本概念“视距”通信在视线可达、“看得见”人造卫星的范围通信2006卫星通信工程师培训51概述1、1卫星通信的基本概念是一种特殊的微波中继通信方式属宇宙通信之一地球站与宇宙站之间宇宙站之间通过宇宙站的转发或反射进行的地球站之间2006卫星通信工程师培训61概述1、1卫星通信的基本概念星间链路与星际链路同轨道卫星之间的通信链路－－ISL（Inter-SatelliteLinks）不同轨道宇宙站之间的通信链路－－IOL（Inter-OrbitLinks）2006卫星通信工程师培训71概述1、2卫星通信系统的基本组成空间分系统（通信卫星）监控管理分系统地球站地球站地球站跟踪、遥测、指令分系统通信地球站分系统2006卫星通信工程师培训81概述1、2卫星通信系统的基本组成跟踪遥测及指令分系统发射阶段：对卫星进行跟踪测量，控制其准确进入指定轨道的指定位置。运行阶段：对在轨卫星的轨道、位置及姿态进行监视和校正（轨道修正和位置保持）。2006卫星通信工程师培训91概述1、2卫星通信系统的基本组成监控管理分系统对在轨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和控制，以保证通信卫星的正常运行和工作。2006卫星通信工程师培训101概述1、2卫星通信系统的基本组成空间分系统－通信卫星无线电中继站电源装置通信装置遥测指令装置控制装置2006卫星通信工程师培训111、2卫星通信系统的基本组成通信地球站分系统无线电收发信台，是用户接入卫星线路的接口。1概述2006卫星通信工程师培训121概述1、3卫星通信系统的组网形式网状网Mesh-likenetwork星状网Star-likenetwork2006卫星通信工程师培训131概述1、4卫星通信系统的发展及动向从应用上看国际---国内、地区---企业、住家---手持从业务范围看固定业务---移动业务点对点多路复用电话和电视节目的中继传输---数据、传真、会议电视等---多媒体、ISDN业务（利用VSAT构成卫星广域网）---流媒体、数字广播2006卫星通信工程师培训141概述1、4卫星通信系统的发展及动向从技术上看模拟---数字（兼容性、灵活性、经济性、可再生、差错控制等）多种多址技术更高的频段（干扰、容量）星上–设备和功能越来越简单、功率小–设备和功能日趋复杂和完善、功率大2006卫星通信工程师培训151概述1、4卫星通信系统的发展及动向从技术上看地球站–中心站技术越来越复杂、功能日趋齐全–远端站多功能、小型化、低成本（全数字化、软件化）轨道–多样化、复杂化总的来看，围绕四大资源的有效利用进行。2006卫星通信工程师培训161概述1、5卫星通信系统的四大资源频带功率时间（寿命）轨道位置2006卫星通信工程师培训171概述1、6卫星通信的特点卫星通信的优点无缝隙覆盖能力宽域的复杂的网络拓扑构成能力移动性距离不敏感性2006卫星通信工程师培训181概述1、6卫星通信的特点卫星通信存在的问题时延问题高速宽带问题高性能、低误码率问题网络控制协议优化设计问题轨道/频谱分配与干扰协调问题2006卫星通信工程师培训192卫星通信的电波传播和工作频段2、1电波传播自由空间电离层对流层地球表面冰晶层降雨近似高度（公里）2006卫星通信工程师培训202卫星通信的电波传播和工作频段2、1电波传播卫星通信系统中的传播损伤传播损伤物理原因主要影响对象衰减和太空噪声的增加大气层中的大气、云、雨大约10GHz以上的频率信号去极化降雨、冰晶C和Ku波段的双极化系统（与系统配置有关）折射、大气层的多径大气层中的大气低仰角时的通信和跟踪信号闪烁对流层和电离层的折射率起伏对流层：10GHz以上的频率和低仰角；电离层：10GHz以下的频率反射多径、阻挡地表面、地球表面上的物体卫星移动业务传播时延、变化对流层、电离层精确定时和定位系统，时分复用多址接入(TDMA)系统系统间干扰风管、散射、衍射目前主要是C波段；降雨散射可能会影响更高频率2006卫星通信工程师培训212卫星通信的电波传播和工作频段2、1电波传播大气吸收损耗大气吸收损耗是由地球大气层的气体吸收能量引起的。大气吸收损耗随着频率的变化而变化。2006卫星通信工程师培训222卫星通信的电波传播和工作频段2、1电波传播大气吸收损耗总的天顶衰减（分贝）频率（GHz）气压＝1个标准大气压温度＝20C水蒸气含量＝7.5g/m32006卫星通信工程师培训232卫星通信的电波传播和工作频段2、1电波传播大气吸收损耗大气吸收存在两个吸收峰值点：第一个峰值点在22.3GHz频率处，主要是由水蒸气(H2O)谐振吸收引起的。第二个峰值点在60GHz频率处，主要是由氧气(O2)谐振吸收引起的。在明显离开峰值点的其它频率处，吸收损耗相当的低。2006卫星通信工程师培训242卫星通信的电波传播和工作频段2、1电波传播大气闪烁效应是一种衰落现象。由大气层中不同的折射率而引起电磁波的聚焦和扩散，造成传播路径的不同而引起。衰落周期约几十秒。链路预算时引入备余量来补偿。2006卫星通信工程师培训252卫星通信的电波传播和工作频段2、1电波传播电离层效应电离层中自由电子的不规则变化引起的信号随机起伏变化。影响包括闪烁、吸收、到达方向变化、传播时延、散射、频率变化和极化（法拉第）旋转。对卫星通信而言，主要是闪烁和极化旋转。所有影响随频率增加而减小，且大多数与频率平方成反比。2006卫星通信工程师培训262卫星通信的电波传播和工作频段2、1电波传播电离层闪烁电离层闪烁的主要影响是对信号可能产生严重的衰落。可能持续几分钟。链路预算时引入备余量来补偿。2006卫星通信工程师培训272卫星通信的电波传播和工作频段2、1电波传播极化旋转极化偏移的角度（法拉第旋转）与电磁波通过电离层路径的长度、地球磁场强度、电子密度等因素有关。法拉第旋转与频率的平方成反比，10GHz以上时可忽略。圆极化时不对电场的同极化或交叉极化分量产生影响；线极化则需极化跟踪。2006卫星通信工程师培训282卫星通信的电波传播和工作频段2、1电波传播降雨衰减是由于雨滴的散射和吸收引起。单位降雨衰减是降雨率的函数。降雨率指雨水蓄积的速度；降雨率超过指定值的时间百分比。单位降雨衰减与频率和极化方式有关。降雨衰减与信号经过降雨区域的有效路径长度有关。2006卫星通信工程师培训292卫星通信的电波传播和工作频段2、1电波传播降雨衰减冰晶层雨2006卫星通信工程师培训302卫星通信的电波传播和工作频段2、1电波传播各种外部噪声宇宙噪声大气噪声－与频率、仰角有关降雨噪声－与雨量、频率、仰角有关地面噪声干扰噪声2006卫星通信工程师培训312卫星通信的电波传播和工作频段2、2卫星通信的工作频段卫星通信工作频段的选择是一个十分重要的问题，它将影响到系统的传输容量、地球站及转发器的发射功率、天线尺寸和设备复杂程度等。2006卫星通信工程师培训322卫星通信的电波传播和工作频段2、2卫星通信的工作频段选择原则电离层不能成障碍天线系统接收的外界噪声尽量小电波传输损耗尽量小各种干扰尽可能避免具有较宽的可用频带2006卫星通信工程师培训332卫星通信的电波传播和工作频段2、2卫星通信的工作频段无线电频率分区区域1：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中的地区外）、澳大利亚和西南太平洋在这些区域，卫星频带被分配给各种卫星业务。一种给定的业务在不同的区域可能分配给不同的频带——防止同频干扰；也可能分配给相同的频带——提高频谱利用率。2006卫星通信工程师培训342卫星通信的电波传播和工作频段2、2卫星通信的工作频段卫星提供的业务卫星固定业务（FSS）卫星广播业务（BSS）卫星移动业务（MSS）卫星导航业务卫星气象业务卫星间业务2006卫星通信工程师培训352卫星通信的电波传播和工作频段2、2卫星通信的工作频段卫星通信目前使用的频段VHF（0.1～0.3GHz）UHF（0.3～1GHz）L波段（1.0～2.0GHz）S波段（2.0～4.0GHz）C波段（4.0～8.0GHz，4/6GHz）X波段（8.0～12.0GHz）Ku波段（12～18GHz，11/14GHz，12/14GHz）K波段（18～27GHz）Ka波段（27～40GHz，20/30GHz，20/40GHz）2006卫星通信工程师培训362卫星通信的电波传播和工作频段2、2卫星通信的工作频段2006卫星通信工程师培训373通信卫星3、1卫星轨道开普勒定律普遍适用于宇宙中通过重量相互作用的任意两个物体。（主体和副体或卫星）开普勒定律卫星围绕地球的运动轨迹是一个椭圆，且地心在这个椭圆的一个焦点上。对于相同的时间间隔，地心指向卫星的矢量扫过的面积相同。轨道周期的平方正比于地心到卫星的平均距离的立方。此平均距离等于长半轴。2006卫星通信工程师培训383通信卫星3、1卫星轨道卫星轨道分类按轨道形状－圆轨道和椭圆轨道按轨道平面倾角－赤道轨道、极轨道和倾斜轨道按轨道高度－静止轨道、中轨道、低轨道和长椭圆轨道按运转周期及相对地球运动关系－同步轨道和非同步轨道2006卫星通信工程师培训393通信卫星3、1卫星轨道卫星轨道分类LEOMEOGEOHEO2006卫星通信工程师培训403通信卫星3、1卫星轨道对地静止轨道相对地球表面的固定观察者呈现静止状态的卫星，称作对地静止卫星，简称静止卫星。对地静止卫星运行的轨道称为对地静止轨道，简称静止轨道。2006卫星通信工程师培训413通信卫星3、1卫星轨道成为对地静止轨道的三个条件卫星必须以与地球相同的旋转速度向东运动。轨道必须是圆形的。轨道的倾角必须为零度。对地静止轨道只有一条，资源宝贵2006卫星通信工程师培训423通信卫星3、1卫星轨道卫星的摄动－偏离开普勒定律所确定的理想轨道的现象太阳、月亮引力的影响－南北漂移地球引力场不均匀的影响－东西漂移地球大气层阻力的影响太阳辐射压力的影响－东西漂移必须采取位置保持技术，克服摄动2006卫星通信工程师培训433通信卫星3、1卫星轨道星蚀和日凌中断日凌星蚀星蚀秋分春分2006卫星通信工程师培训443通信卫星3、1卫星轨道轨道平面倾斜效应OΔθΔφA1B1Δφ＝φB－φAΔθΔφ2006卫星通信工程师培训453通信卫星3、2通信卫星的覆盖地球覆盖区分类2006卫星通信工程师培训463通信卫星3、2通信卫星的覆盖地球覆盖区分类2006卫星通信工程师培训473通信卫星3、2通信卫星的覆盖亚洲四号Ku波束点波束覆盖图实例2006卫星通信工程师培训483通信卫星3、3通信卫星的组成有效载荷收发天线支持通信传输的电子设备－转发器2006卫星通信工程师培训493通信卫星3、3通信卫星的组成卫星平台舱体电源－太阳能帆板、蓄电池姿态控制－空间指向的控制轨道控制－轨道位置的保持温度控制－维持固定的温度条件TT&C（遥测、跟踪和指令系统）2006卫星通信工程师培训503通信卫星3、3