卫星通信系统概述PPT课件

1、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 第第1 1章章 卫星通信系统概述卫星通信系统概述 n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，卫星通信是个人通信网的组成部分， 是地面通信网的补充。是地面通信网的补充。 1.1

2、 卫星轨道卫星轨道 1cos P r e 2 1 b e a 2 (1)Pae 图1 椭圆轨道的示意图 21 () (km/s)Vu ra 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。 为开普勒常数，u值为 为开普勒常数，u值为 3 2 s a T u 1.2 卫星通信系统的组成 选择工作频段时，应考虑的重要因素：选择工作频段时，应考虑的重要因素： （1 1）电波传播衰减及其它衰减要小电波传播衰减及其它衰减要小；（；（图图 1-14） 在在0.3-10GHz0.3-10GHz频段，大气吸收衰减最小，称为频段，大气吸收衰减最小，称为“无线无线 电窗口电窗口”。另

3、外，在。另外，在30GHz30GHz附近也有一个衰减的低谷，称附近也有一个衰减的低谷，称 为为“半透明无线电窗口半透明无线电窗口”。 （2 2）天线接收的外界噪声要小天线接收的外界噪声要小；（图图 1-15） 从降低接收系统噪声的角度来考虑，工作频段最好从降低接收系统噪声的角度来考虑，工作频段最好 选在选在1-10GHz1-10GHz之间工作。之间工作。 （3 3）大气层中雨、雾、云的影响大气层中雨、雾、云的影响； （图图 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从上述三方面考虑，卫星通信的工作频率一般选在 1-10GHz1-10GHz范围内较为适宜

4、，而且范围内较为适宜，而且最理想最理想的频段是在的频段是在4-6GHz4-6GHz 附近。附近。 除上述三个方面以外，还应考虑如下因素：除上述三个方面以外，还应考虑如下因素： （4 4）有）有较宽的可用频带较宽的可用频带，以满足信息传输的要求；，以满足信息传输的要求； （5 5）与地面微波通信、雷达等其他无线系统间的）与地面微波通信、雷达等其他无线系统间的相互干相互干 扰要小扰要小； （6 6）能充分）能充分利用现有通信技术利用现有通信技术，并便于与现有地面通信，并便于与现有地面通信 设备配合使用；设备配合使用； （7 7）设备）设备尺寸要小尺寸要小。 段号段号频段名称频段名称频段范围频段范围

5、 1 1极低频极低频(ELF)(ELF)330330赫赫(Hz)(Hz) 2 2超低频超低频(SLF)(SLF)3030030300赫赫(Hz)(Hz) 3 3特低频特低频(ULF)(ULF)30030003003000赫赫(Hz)(Hz) 4 4甚低频甚低频(VLF)(VLF)330330千赫千赫(KHz)(KHz) 5 5低频低频(LF)(LF)3030030300千赫千赫(KHz)(KHz) 6 6中频中频(MF)(MF)30030003003000千赫千赫(KHz)(KHz) 7 7高频高频(HF)(HF)330330兆赫兆赫(MHz)(MHz) 8 8甚高频甚高频(VHF)(VHF)

6、3030030300兆赫兆赫(MHz)(MHz) 9 9特高频特高频(UHF)(UHF)30030003003000兆赫兆赫(MHz)(MHz) 1010超高频超高频(SHF)(SHF)330330吉赫吉赫(GHz)(GHz) 1111极高频极高频(EHF)(EHF)3030030300吉赫吉赫(GHz)(GHz) 1212至高频至高频(THF)(THF)30030003003000吉赫吉赫(GHz)(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： L 频段： 1.6/1.5 GHz S频段： 4/2 GH

7、z C 频段： 6/4 GHz X 频段： 8/7 GHz Ku 频段： 14/12 GHz Ka 频段： 30/20 GHz VHF 频段：0.10.3 GHz 用于移动、导航业务。 UHF 频段：0.31.0 GHz 用于移动、导航业务。 更高频段：Q 频段：3646 GHz， V 频段：4656 GHz。 太赫兹频段：0.110THz。 K波段(1827GHz), Ku波段的频 率受国际有关法律保护，1218GHz 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

8、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IEEE 521-2002标准，X波段 是指频率在812 GHz的无线电波波 段。而在某些场合中，X波段的频率 范围则为711.2 GHz。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 7.75 GHz，上行频率为7.98.4 GHz， 也常被称为7/8 GHz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

9、星、气象 卫星等用途。 根据IEEE 521-2002标准，L 波段是指频率在12 GHz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48GHz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2740GHz。 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30/20 GHz波段， 通常用于卫星通信。 甚高频(VHF)是指频带 30MHz300MHz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

10、会反射VHF的信号。 特高频（UHF）是指波长范围为 1m1dm，频率为3003000MHz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。 卫星通信与其他通信手段相比，具有以下一些特点：卫星通信与其他通信手段相比，具有以下一些特点： 优点优点： 1 1、卫星通信系统能以较低的成本提供较宽范围的无、卫星通信系统能以较低的成本提供较宽范围的无 缝覆盖，缝覆盖，图 1-2) 2 2、可利用频带宽，传输容量大，可进行多址通信；、可利用频带宽，传输容量大，可进行多址通信； 3 3、 4 4、且费用与通信距离无关；且费用与通信距离无关；

11、5 5、卫星通信具有灵活性和普遍性；、卫星通信具有灵活性和普遍性； 6 6、统一的业务提供商有助于系统的、统一的业务提供商有助于系统的 1.4 卫星通信的特点卫星通信的特点 缺点缺点： 1 1、静止卫星的发射与控制比较复杂；、静止卫星的发射与控制比较复杂； 2 2、对于静止卫星，地球高纬度地区通信效果不好，、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；并且两极地区为通信盲区； 3 3、存在、存在日凌中断日凌中断和和星蚀现象星蚀现象； 4 4、电波的、电波的传播时延较大传播时延较大，且存在，且存在回波干扰回波干扰。 1.4 卫星通信的特点卫星通信的特点 由于卫星通信相对于

12、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通信的特点 卫星移动通信和地面移动通信的关系： l 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。 l 从应用来讲，地面移动

13、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 卫星通信的特点卫星通信的特点 1.5 卫星卫星通信系统通信系统的业务类型的业务类型 卫星卫星通信系统通信系统的业务类型有的业务类型有 1.5 卫星卫星通信系统通信系统的业务类型的业务类型 4个阶段个阶段 卫星卫

14、星通信系统通常用于支持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 卫星卫星通信系统通信系统的业务类型的业务类型 卫星通信的其它应用：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 卫星卫星通信系统通信系统的业务类型的业务类型 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150

15、00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、GE American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

16、、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

17、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）

18、大卫星1000 中型卫星5001000 小卫星100500 微小卫星10100 纳卫星110 皮卫星0.11 飞卫星0.1 宇宙噪声 (冷空) 宇宙噪声 (热空) 大气噪 声 当当“太阳太阳卫星卫星地地 球球”走成一线时，将发生走成一线时，将发生 “日凌日凌”，此时，卫星处，此时，卫星处 于光照最强的位置，受到于光照最强的位置，受到 太阳辐射的干扰，由太阳太阳辐射的干扰，由太阳 引起的强大噪声从天线引引起的强大噪声从天线引 入，这种情况发生在每年入，这种情况发生在每年 的春分（的春分（3 3月月2121日）和秋分日）和秋分 （9 9月月2222日）前后，持续大日）前后，持续大 约约6 6天，每

19、次约数分钟，时天，每次约数分钟，时 间虽然不长，但影响严重，间虽然不长，但影响严重， 能中断通信。能中断通信。 日凌日凌 地星蚀地星蚀 当当“太阳太阳地球地球卫卫 星星”走成一线时，将发生走成一线时，将发生 地星蚀地星蚀，卫星处于地球的，卫星处于地球的 阴影区，此时，星上的太阴影区，此时，星上的太 阳能电池缺乏光照，只能阳能电池缺乏光照，只能 靠蓄电池供电，这种情况靠蓄电池供电，这种情况 也发生在每年的春分和秋也发生在每年的春分和秋 分前后，持续大约分前后，持续大约2121天，天， 春分和秋分两天的遮挡时春分和秋分两天的遮挡时 间最长，达间最长，达7272分钟，为了分钟，为了 保证通信，通常采

20、用轮流保证通信，通常采用轮流 关闭部分转发器的办法，关闭部分转发器的办法， 以节省能源。以节省能源。 月星蚀月星蚀 当当“太阳太阳月球月球卫星卫星”走成一线时，发生走成一线时，发生月星蚀月星蚀， 卫星处于月球的阴影区，也会影响星上太阳能电池的正常卫星处于月球的阴影区，也会影响星上太阳能电池的正常 工作，这种情况不是每年都会出现，但有时一年则会出现工作，这种情况不是每年都会出现，但有时一年则会出现 数次，每次短则数分钟，长则数次，每次短则数分钟，长则2 2小时，平均每次约小时，平均每次约4040分钟。分钟。 图1 椭圆轨道的示意图 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