第三章卫星通信系统3

1、第三章第三章 卫星通信系统卫星通信系统 2 3.1 卫星通信基本概念卫星通信基本概念 3.2 通信卫星与地球站通信卫星与地球站 3.3 卫星通信体制卫星通信体制 3.4 卫星通信线路的设计卫星通信线路的设计 3.5 军事通信卫星网军事通信卫星网 本章内容 3 3.1 3.1 卫星通信的基本概念卫星通信的基本概念 3.1.1 卫星通信的定义及特点卫星通信的定义及特点 3.1.2卫星通信系统的组成及网络形式卫星通信系统的组成及网络形式 3.1.3 卫星通信线路的组成卫星通信线路的组成 3.1.4 卫星通信的工作频段卫星通信的工作频段 4 卫星通信是在微波接力通信技术和航天 技术的基础上发展起来的一

2、门新兴的通信技术， 可以说，卫星通信是地面微波接力通信的继承 和发展，是微波接力通信向太空的延伸，其发 展速度很快，现已成为一种重要的传输手段。 3.1.1 卫星通信的定义及特点卫星通信的定义及特点 5 微波中继通信是一种“视距”通信， 即只有在“看得见”的范围内才能通信。 而通信卫星的作用相当于离地面很高的微 波中继站。由于作为中继的卫星离地面很 高，因此经过一次中继转接之后即可进行 长距离的通信。 3.1.1 卫星通信的定义及特点卫星通信的定义及特点 6 卫星通信是地球上两个或多个地球站利用空中人 造通信卫星作为中继站，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。 地球站是指设

3、在地球表面(包括陆地、海洋和大 气中)上的无线电通信站。 用于转发各地球站信号,实现通信目的人造地球 卫星叫作通信卫星。 3.1.1 卫星通信的定义及特点卫星通信的定义及特点 7 通信卫星的种类繁多，按不同的标准有不 同的分类。 v 几种常用的卫星种类 (1)按卫星的结构可分为：无源卫星和有源卫星 两类。 3.1.1 卫星通信的定义及特点卫星通信的定义及特点 8 无源卫星是运行在特定轨道上的球形或其 它形状的反射体，没有任何电子设备，它是靠 其金属表面对无线电波进行反射来完成信号中 继任务的。在20世纪5060年代进行卫星通 信试验时，曾利用过这种卫星。 3.1.1 卫星通信的定义及特点卫星通

4、信的定义及特点 9 目前，几乎所有的通信卫星都是有源卫星， 一般多采用太阳能电池和化学能电池作为能源。 这种卫星装有收、发信机等电子设备，能 将地面站发来的信号进行接收、放大、频率变 换等其它处理，然后再发回地球。这种卫星可 以部分地补偿在空间传输所造成的信号损耗。 3.1.1 卫星通信的定义及特点卫星通信的定义及特点 10 (2)按通信卫星的运行轨道可分为： 赤道轨道卫星（指轨道平面与赤道平面夹角 =0）； 极轨道卫星（=90）； 倾斜轨道卫星（090）。 3.1.1 卫星通信的定义及特点卫星通信的定义及特点 3.1.1 卫星通信的定义及特点卫星通信的定义及特点 赤 道 赤 道 赤道轨道 倾

5、斜轨道 极轨道 北极 图图3.1 通信卫星的轨道通信卫星的轨道 3.1.1 卫星通信的定义及特点卫星通信的定义及特点 (3)按卫星离地面最大高度h的不同可分为： 低高度卫星h5000km； 中高度卫星5000kmh20000km。 13 轨道卫星轨道卫星太阳同步轨道太阳同步轨道 3.1.1 卫星通信的定义及特点卫星通信的定义及特点 14 美国铱星资料照片美国铱星资料照片美国铱星与俄卫星相撞美国铱星与俄卫星相撞 3.1.1 卫星通信的定义及特点卫星通信的定义及特点 15 铱星系统铱星系统 3.1.1 卫星通信的定义及特点卫星通信的定义及特点 GPS卫星卫星 16 (4) 按卫星与地球上任一点的相

6、对位置的不同可分为：按卫星与地球上任一点的相对位置的不同可分为： 同步卫星（静止卫星） 同步卫星是指在赤道上空约35860km高的圆形轨 道上与地球自转同向运行的卫星。由于其运行方向和周 期与地球自转方向和周期均相同，因此从地面上任何一 点看上去，卫星都是“静止”不动的，所以把这种对地 球相对静止的卫星简称为同步（静止）卫星，其运行轨 道称为同步轨道。 3.1.1 卫星通信的定义及特点卫星通信的定义及特点 17 非同步卫星非同步卫星 非同步卫星的运行周期不等于（通常小于）地球非同步卫星的运行周期不等于（通常小于）地球 自转周期，其轨道倾角、轨道高度、轨道形状（圆形自转周期，其轨道倾角、轨道高度

7、、轨道形状（圆形 或椭圆形）可因需要而不同。从地球上看，这种卫星或椭圆形）可因需要而不同。从地球上看，这种卫星 以一定的速度在运动，故又称为移动卫星或运动卫星。以一定的速度在运动，故又称为移动卫星或运动卫星。 3.1.1 卫星通信的定义及特点卫星通信的定义及特点 18 通信卫星 空中移动站 电缆或光缆 可搬移站 指挥所 移动站 电缆或光缆 控制中心 跟踪遥测指令站 海上移动站 固定站 通信枢纽 微波接力 卫星通信系统卫星通信系统 19 v 同步卫星的特点同步卫星的特点 第一，同步卫星距地面第一，同步卫星距地面高达高达35866.6km（为为 简单起见，经常称简单起见，经常称35860km，离心

8、力与地球对卫星离心力与地球对卫星 的引力正好抵消），一颗卫星的覆盖区（从卫星上能的引力正好抵消），一颗卫星的覆盖区（从卫星上能 “看到看到”的地球区域）可达地球总面积的的地球区域）可达地球总面积的40%左右，左右， 地面地面最大跨距可达最大跨距可达18101km。因此只需三颗卫星适因此只需三颗卫星适 当配置，就可建立除两极地区（南极和北极）以外的当配置，就可建立除两极地区（南极和北极）以外的 全球性通信。全球性通信。 3.1.1 卫星通信的定义及特点卫星通信的定义及特点 20 地球 赤道 18 101 km (赤道上) 卫星 12 752 km 35 860 km 73 155 km 41 7

9、65 km 卫星 v11 070 km/h 17.34 重叠地区盲区 卫星 静止卫星配置的几何关系静止卫星配置的几何关系 21静止卫星的配置静止卫星的配置 v=3.075km/s 41700k m 22 图中，每两颗相邻卫星都有一定的重叠覆盖 区，但南、北两极地区则为盲区。目前正在使用 的国际通信卫星 (INTELSAT,简称IS)系统就是 国际卫星通信组织按这个原理建立的，三颗同步 卫星分别位于太平洋、印度洋和大西洋上空，其 中，印度洋卫星能覆盖我国的全部领土，太平洋 卫星覆盖我国的东部地区，即我国东部地区处在 印度洋卫星和太平洋卫星的重叠覆盖区中。 3.1.1 卫星通信的定义及特点卫星通信

10、的定义及特点 23 卫星通信卫星通信 24 用同步卫星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 务。 第二，由于同步卫星相对于地球是静止 的，因此，地面站天线易于保持对准卫星，不 需要复杂的跟踪系统；通信连续，不会出现信 号中断；信号频率稳定，不会因卫星相对于地 球运动而产生多卜勒频移。 3.1.1 卫星通信的定义及特点卫星通信的定义及特点 卫星通信的主要优点：卫星通信的主要优点： 通信距离远，建站成本与通信距离无关通信距离远，建站成本与通信距离无关 利用静止卫星，最大的通信距离达18000公 里左右。卫星的视区可达全球表面积的42.2%。 原则上只需三颗卫星适当配

11、置，就可建立除两 极以外全球不间断通信。 3.1.1 卫星通信的定义及特点卫星通信的定义及特点 工作频段宽，通信容量大，适合于多种业务传输工作频段宽，通信容量大，适合于多种业务传输 由于射频采用微波波段，可供使用的频带很宽， 加上星上能源和卫星转发器的功率保证越来越充 分，随着新体制、新技术的不断发展，卫星通信 的通信容量越来越大，传输的业务类型越来越多。 如美国的“COMSTAR”可提供14400路双向电话。 3.1.1 卫星通信的定义及特点卫星通信的定义及特点 通信线路稳定可靠，通信质量高通信线路稳定可靠，通信质量高 由于卫星通信采用微波波段,可供使用的频段 比较宽。同时，电波传播的路径绝

12、大部分是自由 空间，电波传播稳定，几乎不受天侯、季节变化 的影响，就是发生磁暴和核爆炸的情况下，线路 仍能畅通无阻。 3.1.1 卫星通信的定义及特点卫星通信的定义及特点 以广播形式工作，便于实现多址联接以广播形式工作，便于实现多址联接 在卫星天线波束的覆盖区内，无论在什么地方， 都可以利用共同卫星进行相互间的通信。这种能 同时实现多方向、多地点通信的能力，称为“多 址联接”技术。应该说，这是卫星通信系统突出 的优点，它为通信网络的组成提供了高效率和灵 活性。 3.1.1 卫星通信的定义及特点卫星通信的定义及特点 可以自发自收进行监测可以自发自收进行监测 由于地球站以卫星为中继站，卫星将系统

13、内所有地球站发来的信号转发回地面，因此进 入地球站接收机的信号中，一般包含有本站发 出的信号，从而可以监视本站所发消息是否正 确，以及传输质量的优劣。 3.1.1 卫星通信的定义及特点卫星通信的定义及特点 31 同步卫星的缺点表现在： （1）两极地区为通信盲区,高纬度地区通信效果不佳； （2）卫星的发射、在轨测控技术比较复杂； （3）有较大的通信延迟和回波干扰； （4）卫星通信需要有高可靠、长寿命的通信卫星； （5）地球站有大功率发射机、高灵敏度接收机和高增益天线； （6）在春分和秋分前后，还存在着星蚀（卫星进入地球的阴 影区）和日凌中断（卫星处于太阳和地球之间，受强 大的太阳噪声影响而使通信

14、中断）现象。 3.1.1 卫星通信的定义及特点卫星通信的定义及特点 太阳、地球、卫星共处一线，地球 挡住阳光，卫星进入地球的阴影区，造 成了卫星的日蚀即星蚀。 星蚀期间，每天发生星蚀的持续时 间不等，其持续时间最长为72分钟。 3.1.1 卫星通信的定义及特点卫星通信的定义及特点 星蚀期间，卫星上的太阳能供电装置无法正常工作， 而星载蓄电池又难以为各转发器提供充分的电能。因此我 们调整星蚀发生时间使其发生在服务区的通信业务量最低 的时间里。为调整星蚀发生时间，可以适当使卫星东移或 西移。卫星位置西移1度，星蚀开始时间可推迟4分钟；东 移1度则可提前4分钟. 3.1.1 卫星通信的定义及特点卫星

15、通信的定义及特点 当卫星处于太阳与地球之间时 ，地球站天线在对 准卫星的同时也会对准太阳，这时强大的太阳噪声使 通信无法进行，这种现象称日凌中断。 这种中断每年发生两回，每回延续约6天。对静止 卫星系统来说，日凌中断一般是难以避免的。除非用 两颗不同时发生日凌中断的卫星，在日凌中断出现前 将信道转接到备用卫星工作。 3.1.1 卫星通信的定义及特点卫星通信的定义及特点 35 3.1.1 卫星通信的定义及特点卫星通信的定义及特点 36 37 卫星的发射速度卫星的发射速度 静止通信卫星一般发射重量在几百千克到几千千 克。 国际号卫星的发射重量为3750 kg。 如何把这 样重的卫星送到约 36 0

16、00 km高的静止轨道上去运行 而不掉下来， 关键在于速度。 只要有一种发射运载工 具能够提供适当的速度，使卫星绕地球作匀速圆周运动 所需的向心力等于地球对卫星的引力，就能解决上述问 题了。 38 如不考虑空气的阻力，在地面以 7.9 km/s 的速 度把卫星向水平方向抛出去，它将沿着以地球为中心的 圆轨道运行，这是在地面发射人造地球卫星所需的最小 速度，叫环绕速度，也叫圆轨道速度或第一宇宙速度。 如果我们使卫星速度增加，圆轨道运动就要受到破坏， 使轨道从圆变成椭圆。速度越加快，椭圆拉得越长。 卫星的发射速度卫星的发射速度 39 当速度增大到 11.2 km/s 时，卫星将摆脱地球 的引力，呈

17、抛物线轨道飞出地球去，像地球围绕太阳 运行一样，成了人造行星。这个脱离地球而去的速度 叫脱离速度， 也叫第二宇宙速度。如卫星速度再继续 增加， 除借助地球绕太阳的 30 km/s 的速度外， 再 增加一个 16.7 km/s的速度， 则称第三宇宙速度， 卫星将飞出太阳系。 卫星的发射速度卫星的发射速度 40不同速度的卫星轨道 双 曲 线 抛 物 线 椭 圆 速 度 约 等 于 7.9 k m/s 速度大于7.9 km/s 小于11.2 km/s 速度约等于11.2 km/s 速度大于11.2 km/s 卫星的发射速度卫星的发射速度 41 环绕速度和脱离速度随 卫星高度不同而不同，卫 星轨道越高

18、，地球对卫星 的引力越小(即卫星重量越 轻), 其环绕速度和脱离速 度就越小。下面是卫星高 度与速度的关系 。 卫星的发射速度卫星的发射速度 42 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 7.9km/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。 卫星的发射速度卫星的发射速度 43 44 发发 射射 卫卫 星星 的的 三三 级级 火火 箭箭 45 1.系统的组成 一个完整的卫星通信系统，通常是由

19、空 间分系统、通信地球站、跟踪遥测及指令分 系统和监控管理分系统四大部分组成。 3.1.2 卫星通信系统的组成及网络形式卫星通信系统的组成及网络形式 46 卫星通信系统的基本组成 47 （1 1）空间分系统）空间分系统 即通信卫星。由天线分系统、通信分系统(转发 器)、跟踪遥测与指令分系统、控制分系统和电源分 系统组成。通信装置主要是起无线电中继站的作用， 它是靠通信装置中的转发器（微波收、发信机）和天 线来完成的。 3.1.2 卫星通信系统的组成及网络形式卫星通信系统的组成及网络形式 电源装置 通信装置 遥测指令装置 控制装置 空间分系统的组成 主体主体 保障保障 部分部分 3.1.2 卫星

20、通信系统的组成及网络形式卫星通信系统的组成及网络形式 （2 2）通信地球站群）通信地球站群 它们是微波无线电收发信台（站），用户通过 它们接入卫星线路，进行通信。一个典型的地球站 组成方框图，大体上可分为：天线、馈线设备、发 射设备、接收设备、信道终端设备、跟踪伺服设备、 电源设备等。 3.1.2 卫星通信系统的组成及网络形式卫星通信系统的组成及网络形式 地球站组成 接口接口 电路电路 基带处理基带处理 及调制器及调制器 上变上变 频器频器 合合 路路 器器 功率放功率放 大器大器 双工器双工器天线天线 接口接口 电路电路 解调器及解调器及 基带处理基带处理 下变下变 频器频器 分分 路路 器

21、器 低噪声低噪声 放大器放大器 天线驱天线驱 动装置动装置 跟踪设备跟踪设备 信道与接口设备信道与接口设备 下变下变 频器频器 发射设备发射设备 接收接收 设备设备 天线、馈天线、馈 线设备线设备 跟踪、伺服设备跟踪、伺服设备 电源电源 3.1.2 卫星通信系统的组成及网络形式卫星通信系统的组成及网络形式 51 （3 3）跟踪遥测及指令分系统）跟踪遥测及指令分系统 用以接收卫星发来的信标和各种状态数据，经分用以接收卫星发来的信标和各种状态数据，经分 析处理后向卫星发出指令信号，控制卫星的位置、姿析处理后向卫星发出指令信号，控制卫星的位置、姿 态及各部分工作状态。即对卫星进行跟踪测量，控制态及各

22、部分工作状态。即对卫星进行跟踪测量，控制 其准确进入静止轨道上的指定位置，并对在轨卫星的其准确进入静止轨道上的指定位置，并对在轨卫星的 轨道、位置及姿态进行监视和校正。轨道、位置及姿态进行监视和校正。 3.1.2 卫星通信系统的组成及网络形式卫星通信系统的组成及网络形式 （4 4）监控管理分系统）监控管理分系统 它的任务是对定点的卫星在业务开通前、后进 行通信性能的监测和控制，例如对卫星转发器功率、 卫星天线增益以及各地球站发射的功率、射频功率 和带宽等基本通信参数进行监控，以保证正常通信。 3.1.2 卫星通信系统的组成及网络形式卫星通信系统的组成及网络形式 53 与地面通信系统一样，每个卫

23、星通信系统都有一 定的网络结构，使各地球站通过卫星按一定形式进行 联系。由多个地球站构成的通信网络主要有两种网络 形式分别是：(a)星形网和(b)网格形。 2.网络形式网络形式 3.1.2 卫星通信系统的组成及网络形式卫星通信系统的组成及网络形式 在星形网络中，外围各小站仅与主站直接发生联系， 小站之间不能通过卫星直接相互通信（必要时，经主站转 接才能建立联系）。 主站主站 小站小站 小站小站 小站小站 主站主站 小站小站 小站小站 小站小站 在网格形网络中的各站，彼此可经过卫星直接沟通。 因此，在星形网中，由于小站间不可以直接通 信，因此小站的设备比较简单，而在网格形网络中， 小站之间可以直

24、接通信，因此，小站的设备不可能 太简单。 除此之外，也可以是上述两种网络的混合形式。 网络的组成，根据用户的需要，在系统总体设计中加 以考虑。 3.1.2 卫星通信系统的组成及网络形式卫星通信系统的组成及网络形式 57 卫星通信传输线路有： 单跳工作的线路 发送的信号只经过一次卫星转发后就被对方站 接收。 双跳工作的线路 发送的信号要经过两次卫星转发后才被对方站 接收。 3.1.2 卫星通信系统的组成及网络形式卫星通信系统的组成及网络形式 58 双跳传输大体应用于两种场合： o 分别位于两颗卫星覆盖区内的地球站之间的通 信，必须经重叠覆盖区内的地球站中继； o 在同一卫星覆盖区内的星形网络中，

25、边远站之 间需经中心站的中继，两次通过同一卫星的转 发。 3.1.2 卫星通信系统的组成及网络形式卫星通信系统的组成及网络形式 单跳单跳双跳双跳 A AB B 3.1.2 卫星通信系统的组成及网络形式卫星通信系统的组成及网络形式 共视区共视区 A站站 B B站站 双跳双跳 C C站站 1 1 2 2 3.1.2 卫星通信系统的组成及网络形式卫星通信系统的组成及网络形式 61 在一个卫星通信系统中，各地球站经过卫 星的转发可以组成多条卫星通信线路。一条卫 星通信线路要由发端地面站、上行线路、卫星 转发器、下行线路和收端地面站组成。 上行线路：从发信地球站到卫星 下行线路：从卫星到收信地球站 两者

26、合起来就构成一条最简单的单工线路。 3.1.3 卫星通信线路的组成卫星通信线路的组成 62 卫星通信线路的组成（单工线路） 63 在地面站要构成双工通信，既要向卫星发射信号， 也要接收从卫星转发其它地面站送给本站的信号。这 就需要两条共用同一卫星但传播方向相反的单工线路 构成一条双工卫星通信线路。 每个地球站都有收、发设备和相应的信道终端， 加上收、发共用天线。 3.1.3 卫星通信线路的组成卫星通信线路的组成 64 卫星通信线路的组成（双工线路） 65 当甲地一些用户要与乙地的某些用户通话 甲地首先要把本站的信号组成基带信号，经过调 制器变换为中频信号(70MHz)，再经上变频变 为微波信号，经高功放放大后，经天线发向卫星 (