卫星通信系统概述PPT

通信工程教研室主讲人：葛延良卫星通信通信：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、卫星通信第1章卫星通信系统概述卫星通信的概念卫星通信：是指利用通信卫星作为中继站转发或反射无线电波，以此来实现两个或多个地球站（或手持终端）之间或者地球站与航天器之间通信的一种通信形式。换言之，卫星通信是在地球站上，包括地面、水面和大气层中的无线电通信站之间，利用人造卫星作为中继站进行的通信。卫星通信是个人通信网的组成部分，是地面通信网的补充。1.1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(Kepler)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398601.58km3/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398601.58km3/s2。32saTu1.2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。选择工作频段时，应考虑的重要因素：（1）电波传播衰减及其它衰减要小；（图1-14）在0.3-10GHz频段，大气吸收衰减最小，称为“无线电窗口”。另外，在30GHz附近也有一个衰减的低谷，称为“半透明无线电窗口”。（2）天线接收的外界噪声要小；（图1-15）从降低接收系统噪声的角度来考虑，工作频段最好选在1-10GHz之间工作。（3）大气层中雨、雾、云的影响；（图1-16）1.3卫星通信的工作频段从上述三方面考虑，卫星通信的工作频率一般选在1-10GHz范围内较为适宜，而且最理想的频段是在4-6GHz附近。除上述三个方面以外，还应考虑如下因素：（4）有较宽的可用频带，以满足信息传输的要求；（5）与地面微波通信、雷达等其他无线系统间的相互干扰要小；（6）能充分利用现有通信技术，并便于与现有地面通信设备配合使用；（7）设备尺寸要小。1.3卫星通信的工作频段段号频段名称频段范围1极低频(ELF)3~30赫(Hz)2超低频(SLF)30~300赫(Hz)3特低频(ULF)300~3000赫(Hz)4甚低频(VLF)3~30千赫(KHz)5低频(LF)30~300千赫(KHz)6中频(MF)300~3000千赫(KHz)7高频(HF)3~30兆赫(MHz)8甚高频(VHF)30~300兆赫(MHz)9特高频(UHF)300~3000兆赫(MHz)10超高频(SHF)3~30吉赫(GHz)11极高频(EHF)30~300吉赫(GHz)12至高频(THF)300~3000吉赫(GHz)频率划分:综合上述要求，应将卫星的工作频段选在微波频段或特高频。具体地说，目前大多数卫星通信系统是选择在以下频段工作：1L频段：1.6/1.5GHz用于MSS，GEO卫星测控。2S频段：4/2GHz用于MSS，GEO卫星测控。2C频段：6/4GHz用于MSS，GEO卫星测控。3X频段：8/7GHz4Ku频段：14/12GHz用于FSS，BSS。5Ka频段：30/20GHz用于FSS，BSS。此外，VHF、UHF用于低轨小卫星通信。6VHF频段：0.1～0.3GHz用于移动、导航业务。7UHF频段：0.3～1.0GHz用于移动、导航业务。更高频段：Q频段：36～46GHz，V频段：46～56GHz。太赫兹频段：0.1～10THz。1.3卫星通信的工作频段K波段(18~27GHz),Ku波段的频率受国际有关法律保护，12~18GHz频段。Ku波段卫星单转发器功率一般比较大，多采用赋形波束覆盖，卫星EIRP较大，加上Ku波段接收天线效率高于C波段接收天线，因此接收Ku波段卫星节目的天线口径远小于C波段，从而可有效地降低接收成本，方便个体接收。主要应用：中继、卫星通信、雷达等。现在广泛使用的蓝牙、ZigBee、无线路由、无线鼠标等也使用这个范围的频率。据IEEE521-2002标准，X波段是指频率在8~12GHz的无线电波波段。而在某些场合中，X波段的频率范围则为7~11.2GHz。X波段中的X即英语中的“extended”，表示“扩展的”。X波段通常的下行频率为7.25~7.75GHz，上行频率为7.9~8.4GHz，也常被称为7/8GHz波段。据ITU无线电规则第8条，X频段在空间应用方面有：空间研究、广播卫星、固定通讯业务卫星、地球探测卫星、气象卫星等用途。根据IEEE521-2002标准，L波段是指频率在1~2GHz的无线电波波段。可被用于DAB、卫星导航系统等。C波段，是频率4~8GHz的一段频带，在卫星电视广播和各类小型卫星地面站应用中，该频段首先被采用，且一直被广泛使用。Ka波段的频率范围为27~40GHz。Ka代表着K的正上方(K-above)，换句话说，该波段直接高于K波段。Ka波段也被称作30/20GHz波段，通常用于卫星通信。甚高频(VHF)是指频带30MHz~300MHz的频段。多数是用作电台及电视台广播，同时又是航空和航海的沟通频道。和高频（HF）不同的是，电离层通常不会反射VHF的信号。特高频（UHF）是指波长范围为1m~1dm，频率为300~3000MHz的无线电波，常用于移动通信和广播电视领域。特高频主要用于短途通信，可以用小而短的天线作收发，适合移动通信。1.3卫星通信的工作频段卫星通信与其他通信手段相比，具有以下一些特点：优点：1、卫星通信系统能以较低的成本提供较宽范围的无缝覆盖，服务范围宽且不受地理条件限制；(图1-2)2、可利用频带宽，传输容量大，可进行多址通信；3、卫星通信系统与地面通信基础设施相对独立，网络路由简捷；4、网络建设速度快、成本低，且费用与通信距离无关；5、卫星通信具有灵活性和普遍性；6、统一的业务提供商有助于系统的均匀服务，并有利于引入新业务。1.4卫星通信的特点缺点：1、静止卫星的发射与控制比较复杂；2、对于静止卫星，地球高纬度地区通信效果不好，并且两极地区为通信盲区；3、存在日凌中断和星蚀现象；4、电波的传播时延较大，且存在回波干扰。1.4卫星通信的特点•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。1.4卫星通信的特点卫星移动通信和地面移动通信的关系：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。1.4卫星通信的特点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。1.4卫星通信的特点1.5卫星通信系统的业务类型ITU定义的卫星通信系统的业务类型有三种：固定卫星业务FSS(Fixedsatelliteservice)移动卫星业务MSS(Mobilesatelliteservice)广播卫星业务BSS(Broadcastingsatelliteservice)1.5卫星通信系统的业务类型从应用的角度来看，卫星通信可分为4个阶段：第一阶段：主要用于国际通信；第二阶段：开始提供电视传送；第三阶段：提供国内公众通信和各种专网通信；第四阶段：提供卫星移动通信。卫星通信系统通常用于支持：1、卫星视频广播业务2、卫星电话等交互式业务3、数据通信和Internet业务4、卫星移动通信业务1.5卫星通信系统的业务类型卫星通信的其它应用：•卫星导航•卫星遥感（对空和对地遥感）•气象观测•地球资源勘探、海洋监视•侦察（包括照相侦察和电子侦察）、预警•支持载人航天•远程教育、远程医疗1.5卫星通信系统的业务类型1.6卫星通信的发展趋势（1）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。同步卫星向大容量、多波束、智能化方向发展。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、PAS和ASTROLINK等。（2）微小卫星、纳卫星和皮卫星的快速发展，小卫星通信地面站广泛应用。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。（3）对地静止轨道资源非常有限，因此ITU鼓励采用中低轨道、高倾斜椭圆轨道以及IGSO轨道。（4）随着1997年9月26日美国FCC频率申请计划新周期的开始，Q、V段新系统纷纷推出，各公司开始申请Q和V频段新系统。（5）不断发展新业务，如无线Internet、组播和交互式TV、移动语音、数据通信、数字视频广播(DVB)和数字音频广播(DAB)步入家庭和个人用户、多媒体通信和Internet接入等。（6）地面终端的发展呈现小型化、综合化和智能化。终端可工作在多个频段，支持综合业务，适应多种多址接入方式、调制方式、编码方式，传输速率可改变。1.6卫星通信的发展趋势（7）宽带低轨道系统正在加紧开发之中，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。（8）现有卫星通信系统为适应新技术发展和系统对容量的更大要求形成了新的演变方案，如Iridium系统将其运行的卫星数目从66颗增加至96颗。（9）天地网络不断融合。卫星通信与有线电视、宽带互联网、移动互联网等融合。（10）新技术广泛应用。如星上交换与处理、多波速天线等。1.6卫星通信的发展趋势附录：通信卫星的分类•按轨道分：GEO，HEO，MEO，LEO。•按工作区域分：国际通信卫星、国内通信卫星、区域通信卫星。•按应用领域分：广播电视卫星、跟踪与数据中继卫星、军事通信卫星（如战略、战术通信卫星、舰队通信卫星、军用数据转发卫星等）。卫星按重量分类种类重量（kg）大卫星1000中型卫星500～1000小卫星100～500微小卫星10～100纳卫星1～10皮卫星0.1～1飞卫星0.1图1-14大气中自由电子、离子、氧和水汽分子对电波的吸收衰减1.4卫星通信的工作频段图1-15宇宙及大气噪声与频率的关系1.4卫星通信的工作频段宇宙噪声(冷空)宇宙噪声(热空)大气噪声图1-16雨、雾、云引起的吸收衰减1.4卫星通信的工作频段静止卫星配置的几何关系当“太阳—卫星—地球”走成一线时，将发生“日凌”，此时，卫星处于光照最强的位置，受到太阳辐射的干扰，由太阳引起的强大噪声从天线引入，这种情况发生在每年的春分（3月21日）和秋分（9月22日）前后，持续大约6天，每次约数分钟，时间虽然不长，但影响严重，能中断通信。日凌中断条件日凌地星蚀当“太阳—地球—卫星”走成一线时，将发生地星蚀，卫