第一章_卫星通信简介

1、现代卫星通信现代卫星通信 陈陈 鹏鹏 E-mail: Timothy Pratt, Charles Bostian, Jeremy Allnutt, Satellite Communications (Second Edition) 电子电子 工业出版社，工业出版社， 2003 Timothy Pratt, Charles Bostian, Jeremy Allnutt, 甘良才等译，卫星通信（第二版）甘良才等译，卫星通信（第二版）Satellite Communication，电子工业出版社，电子工业出版社，2005 王丽娜、王兵、周贤伟，黄旗明等，卫

2、星通信系王丽娜、王兵、周贤伟，黄旗明等，卫星通信系 统，国防工业出版社，统，国防工业出版社，2006 储钟圻，数字卫星通信，机械工业出版社，储钟圻，数字卫星通信，机械工业出版社，2006 教材及参考书：教材及参考书： 卫星通信技术卫星通信技术 综合性课程综合性课程 数学物理：轨道、仰角、方位角计算数学物理：轨道、仰角、方位角计算 自动控制：卫星姿态，火箭制导自动控制：卫星姿态，火箭制导 遥控遥测：卫星跟踪技术遥控遥测：卫星跟踪技术 数字通信：调制编解码数字通信：调制编解码 通信系统：卫星链路计算，信道模型通信系统：卫星链路计算，信道模型 天线技术：抛物面天线、相控阵天线、多波天线技术：抛物面天

3、线、相控阵天线、多波 束天线、天线馈电网络束天线、天线馈电网络 射频微波技术：转发器、射频微波技术：转发器、LNB、上行、上行PA 第一章第一章 卫星通信简介卫星通信简介 20世纪无线通信的快速发展推动人类远距离通信世纪无线通信的快速发展推动人类远距离通信 的需求，早期利用的需求，早期利用HF（短波）通信（短波）通信 HF 电报通信电报通信 HF 依靠电离层散射可以传输几千依靠电离层散射可以传输几千 公里的距离公里的距离 人造卫星的历史缘由人造卫星的历史缘由: 1：频率资源少（：频率资源少（3-30MHz） 2：通信不稳定，易受太阳黑子活动干扰，昼夜变：通信不稳定，易受太阳黑子活动干扰，昼夜变

4、 化较大化较大 3：天线设备庞大：天线设备庞大： HF通信的问题：通信的问题： Arthur C. Clarke, “Extra-terrestrial Relays” Wireless World, pp. 305-308, 1945 首次提出地球同步静止轨道卫星通信首次提出地球同步静止轨道卫星通信 35860 Km 35860 Km 最早关于卫星通信的设想最早关于卫星通信的设想: Sputnik I：由苏联与：由苏联与1957年发射成功年发射成功 Sputnik I 重量重量83kg 轨道时间：轨道时间：98分钟椭圆分钟椭圆 轨道轨道 参与了对高层大气层密参与了对高层大气层密 度的测量度的

5、测量 世界上第一个人造卫星世界上第一个人造卫星: 1958年年12月月18日，首颗通信卫星日，首颗通信卫星美国陆军弹道导弹局美国陆军弹道导弹局 Score I 1964年年8月月19日，首颗地球静止轨道卫星日，首颗地球静止轨道卫星美国国家航美国国家航 空宇航局空宇航局(USA-NASA) Syncom3 1965年的年的4月月6日，第一颗实用型商业通信卫星日，第一颗实用型商业通信卫星国际卫国际卫 星通信组织（星通信组织（INTERSAT） Early Bird，地球静止轨道卫，地球静止轨道卫 星（实现了星（实现了Arthur C. Clarke 的设想）的设想） 卫星通信历史上几个首次卫星通信

6、历史上几个首次： 太空竞赛：太空竞赛： 1926年美国人罗伯特年美国人罗伯特戈达德设计了第一枚应用液体燃料的戈达德设计了第一枚应用液体燃料的 火箭。火箭。 标志着战争进入航空与火箭时代（标志着战争进入航空与火箭时代（Catapult rocketry），同时还预示着太空竞赛的到来。尽管太空竞），同时还预示着太空竞赛的到来。尽管太空竞 赛打着赛打着“科学科学”和和“和平利用太空和平利用太空”的幌子，但却不可避的幌子，但却不可避 免的要和各国的军事目的联系起来免的要和各国的军事目的联系起来 太空竞赛历史背景：太空竞赛历史背景： 火箭火箭中国人早在中国人早在11世纪就将其用作武器世纪就将其用作武器

7、俄国科学家康斯坦丁俄国科学家康斯坦丁齐奥尔科夫斯齐奥尔科夫斯多级液体多级液体 燃料火箭的设想燃料火箭的设想 德国人的贡献德国人的贡献A-4火箭、火箭、V2火箭（火箭（沃纳沃纳冯冯布布 劳恩）劳恩） 二战后苏联、英国和美国人才争夺战二战后苏联、英国和美国人才争夺战 冯冯布劳恩在内的很多德国专家转移到美国布劳恩在内的很多德国专家转移到美国 英国拿到数枚成品与半成品英国拿到数枚成品与半成品 苏联将剩下的工厂内的生产线以及附近与生产和研发火苏联将剩下的工厂内的生产线以及附近与生产和研发火 箭有关的德国家庭全数运往国内箭有关的德国家庭全数运往国内 太空竞赛的冷战根源：太空竞赛的冷战根源： 间谍卫星间谍卫

8、星侦查其他国家侦查其他国家 火箭能将人类送入地球轨道或月球表面火箭能将人类送入地球轨道或月球表面 也能发射原子弹到敌国也能发射原子弹到敌国 太空技术具有双重属性：太空技术具有双重属性： 为和平目的服务为和平目的服务 用于军事目的用于军事目的 通讯卫星重大事件：通讯卫星重大事件： 1962年，年，Telstar：第一颗跨洋通讯实验通讯卫星：第一颗跨洋通讯实验通讯卫星 1972年，年，Anik 1：第一颗国内通讯卫星（加拿大）：第一颗国内通讯卫星（加拿大） 1974年，年，WESTAR：美国第一颗国内通讯卫星：美国第一颗国内通讯卫星 1976年，年，MARISAT：第一颗移动通讯卫星：第一颗移动通

9、讯卫星 将生命送入太空：将生命送入太空： 太空动物：太空动物： 小狗莱伊卡小狗莱伊卡(Laika)Sputnik II，苏联，苏联，1957 海龟海龟探测器探测器5号（绕月），苏联，号（绕月），苏联，1968 太空人太空人 尤里尤里加加林加加林东方东方1号，苏联，号，苏联，1961年年4月月12日日 阿伦阿伦谢泼德谢泼德自由自由7号，美国，号，美国，23日之后！日之后！ 瓦伦京娜瓦伦京娜捷列什科娃（第一位女太空人）捷列什科娃（第一位女太空人）东方东方6号号 ，苏联，苏联， 1963 阿波罗计划阿波罗计划人类登月：人类登月： 1969年年7月月21日，阿波罗日，阿波罗11首次实现成功首次实现成功

10、 太空竞赛其他成就（太空竞赛其他成就（1）：）： 探索其他行星探索其他行星 1960年苏联首先发送了金星和火星的行星探测器年苏联首先发送了金星和火星的行星探测器 1962年美国的水手年美国的水手2号成功探测了金星并发回金星表面的温度和大号成功探测了金星并发回金星表面的温度和大 气密度数据气密度数据 1971年苏联的金星年苏联的金星7号成为第一个降落在金星的人造物体号成为第一个降落在金星的人造物体 1974年美国发射的水手年美国发射的水手10号，唯一一个到达过水星的太空船号，唯一一个到达过水星的太空船 1965年美国发射的水手年美国发射的水手4号成为首个抵达火星轨道的探测器号成为首个抵达火星轨道

11、的探测器 1971年苏联发射的火星年苏联发射的火星3号是第一个在火星表面着陆的太空船号是第一个在火星表面着陆的太空船 1976年美国的海盗年美国的海盗1号在火星着陆并首次传输了火星图片号在火星着陆并首次传输了火星图片 1973年美国的先驱者年美国的先驱者10号成功飞过木星号成功飞过木星 1979年先驱者年先驱者11号首次飞越土星号首次飞越土星 旅行者旅行者2号（号（1977年）实现了唯一的一次飞越天王星和海王星！年）实现了唯一的一次飞越天王星和海王星！ 太空竞赛其他成就（太空竞赛其他成就（2）：）： 发射和对接发射和对接 1962年年8月月12日苏联的东方日苏联的东方3号和东方号和东方4号实现

12、了首次太号实现了首次太 空回汇合空回汇合 美国的双子座美国的双子座8号于号于1968年年3月月16日首次完成了太空对接日首次完成了太空对接 1967年年4月月26日美国的日美国的Scout B进行了首次海上发射进行了首次海上发射 1971年年6月月7日第一个空间站苏联的礼炮日第一个空间站苏联的礼炮1号开始运作号开始运作 1970年年4月月24日，我国第一颗人造卫星日，我国第一颗人造卫星“东方红一东方红一 号号”发射升空发射升空 主要参数主要参数 卫星质量：卫星质量：173公斤公斤 卫星外形：直径卫星外形：直径1米的球米的球 形形72面体面体 近地点：近地点：439公里公里 远地点：远地点：23

13、84公里公里 用途：广播用途：广播“东方红东方红”乐乐 曲曲 我国卫星发展历史（我国卫星发展历史（1）：）： 1984年年4月月8日日 中国第一颗地球静止轨道同步卫星中国第一颗地球静止轨道同步卫星 东方红二号东方红二号 主体：圆柱形，高为主体：圆柱形，高为 3.6米，直径为米，直径为2.1米米 重量：重量：441公斤。公斤。 卫星上装有卫星上装有4个个C波段转波段转 发器，等效全向辐射功发器，等效全向辐射功 率为率为36dBW。卫星采。卫星采 用自旋稳定，其轨道保用自旋稳定，其轨道保 持精度为：南北持精度为：南北1， 东西东西0.5。 我国卫星发展历史（我国卫星发展历史（2）：）： 1997年

14、年5月月12日日 东方红东方红3号升空号升空 质量：质量：946kg 地球静止轨道，精度：东西南北均为地球静止轨道，精度：东西南北均为0.1 天线指向误差：俯仰和滚动均为天线指向误差：俯仰和滚动均为0.15，偏航为，偏航为0.5 卫星寿命：卫星寿命：8年年 24路路C频段转发器，频段转发器，6路为路为 中功率转发器；中功率转发器；18路低功路低功 率转发器。中功率通道率转发器。中功率通道 EIRP37dBW 低功率通道低功率通道 EIRP33.5dBW。 我国卫星发展历史（我国卫星发展历史（3）：）： Score I：星上电池寿命有限（：星上电池寿命有限（35天）天） Telstar：太阳能：

15、太阳能+星上电池，转发器星上电池，转发器C波段（上行波段（上行 6389MHz，下行，下行4169MHz，50MHz带宽），带宽）， MEO轨道，可实现轨道，可实现20min跨洋通信跨洋通信 LEO/MEO轨道卫星通信系统的问题：轨道卫星通信系统的问题： 覆盖全球需要卫星多覆盖全球需要卫星多发射次数多，失败率较高发射次数多，失败率较高 卫星与卫星之间需要建立链路卫星与卫星之间需要建立链路 GEO覆盖广（覆盖广（1颗卫星覆盖颗卫星覆盖1/3地球表面居住区域）地球表面居住区域） HEO（高椭圆轨道）适用于俄罗斯等极地附近国家（高椭圆轨道）适用于俄罗斯等极地附近国家 通讯卫星的发展、轨道的选择通讯卫

16、星的发展、轨道的选择: C波段（下行波段（下行4GHz，上行，上行6GHz）天线）天线直径数米的抛直径数米的抛 物面，地面站以及星上天线尺寸较大，频段资源少（物面，地面站以及星上天线尺寸较大，频段资源少（ 100300MHz） Ku波段（下行波段（下行12GHz，上行，上行14GHz）天线）天线0.5-1米抛米抛 物面天线，尺寸小，频段资源多（物面天线，尺寸小，频段资源多（500MHz-1GHz） 卫星通信频率的提高：卫星通信频率的提高： 人造卫星的应用与服务：人造卫星的应用与服务： 不同应用之卫星分类不同应用之卫星分类 就应用方面来说，卫星约可分成下列几类：就应用方面来说，卫星约可分成下列几

17、类： 侦察卫星侦察卫星(Surveillance Satellites) 预警卫星预警卫星(Early Warning Satellites) 气象卫星气象卫星(Weather Satellite) 天文卫星天文卫星(Astronomical Satellite) 导航卫星导航卫星(Navigational Satellite) 探测卫星探测卫星(Remote Sensor Satellite) 杀手卫星杀手卫星(Killer Satellite) 通信卫星通信卫星(Communication Satellite) 通讯卫星是长距离通讯的一个极佳中继站，它能通讯卫星是长距离通讯的一个极佳中继站

18、，它能 克服横跨海洋和大陆的无线电通讯传播时所遭遇克服横跨海洋和大陆的无线电通讯传播时所遭遇 的困难。大部分的通讯卫星都在地球同步轨道上的困难。大部分的通讯卫星都在地球同步轨道上 运行（即同步卫星），看起来就像在地球上空的运行（即同步卫星），看起来就像在地球上空的 特定点上静止不动一样。特定点上静止不动一样。 通讯卫星：通讯卫星： 卫星作为通信、直播广播链路的中继站：卫星作为通信、直播广播链路的中继站： l美国、俄罗斯、欧洲、中国均有此类卫星。美国的全美国、俄罗斯、欧洲、中国均有此类卫星。美国的全 球定位系统球定位系统(GPS)共有共有24颗导航卫星，飞行器可利用四颗导航卫星，飞行器可利用四

19、颗卫星发出的信号来计算自己的位置、高度和速度。颗卫星发出的信号来计算自己的位置、高度和速度。 地表上空电离层的电子密度及中性大气中水汽含量的地表上空电离层的电子密度及中性大气中水汽含量的 改变，均会影响改变，均会影响GPS的讯号。的讯号。 导航卫星：导航卫星： 卫星在无线通信领域的定位：卫星在无线通信领域的定位： 在无线通信领域中，卫星通信将提供全球、广域在无线通信领域中，卫星通信将提供全球、广域 之通连服务：之通连服务： 卫星通信主要功能运用：卫星通信主要功能运用： 国际电信链路国际电信链路(International Telecommunication,如如INTELSAT) 电视节目传送

20、电视节目传送(TV Program Distribution) 企业专用网络企业专用网络 (VSATs) 军事通信运用军事通信运用 (Military Communications) 移移动通信服务动通信服务(Mobile satellite services , 如如 INMARSAT) 直接影直接影视视广播广播(Direct Video Broadcast, DVB) 直接音直接音频频广播广播(Direct Audio Broadcast, DAB) 紧急救紧急救助助通信通信(Emergency Communication) 全球全球移动电话移动电话(如铱计划如铱计划(Iridium) 因

21、特网干线因特网干线(Internet Backbone Services) 卫星通信特点：卫星通信特点： 卫星通信系统具有以下特征与重要作用：卫星通信系统具有以下特征与重要作用： 独特三度空间无缝隙覆盖能力独特三度空间无缝隙覆盖能力 独特灵活性与普及服务能力独特灵活性与普及服务能力 大区域的可机动性或可行动性通连大区域的可机动性或可行动性通连 广域网状网络构连能力广域网状网络构连能力 广域广域Internet交互连接能力交互连接能力 特有的广域广播与多点同时通连能力特有的广域广播与多点同时通连能力 对国际对国际/区域区域/本地距离连接的不敏感性本地距离连接的不敏感性 对紧急救灾及故障抢救的快速

22、灵活对紧急救灾及故障抢救的快速灵活 通信卫星轨道划分：通信卫星轨道划分： 按轨道高度划分：按轨道高度划分： 低轨道低轨道(LEO): 300 to 1,500 km 中轨道中轨道(MEO): 8,000 to 12,000 km 同步轨道同步轨道(GEO): approx. 36,000 km 按轨道形状划分：按轨道形状划分： 圆形轨道圆形轨道(Circular) 椭圆轨道椭圆轨道(Elliptical) l低轨道低轨道(1000公里以内公里以内)卫星约二至三小时绕行卫星约二至三小时绕行 地球一周，出现在可视范围内时间短，因此地球一周，出现在可视范围内时间短，因此 需要较多卫星以接力方式，才能

23、提供全球全需要较多卫星以接力方式，才能提供全球全 天候的服务。天候的服务。 l通常间碟卫星就是属于这一种位于高度较低通常间碟卫星就是属于这一种位于高度较低 的轨道，由于轨道限制较少，因此近年大为的轨道，由于轨道限制较少，因此近年大为 流行。流行。 l适合于通讯，因此如铱计划适合于通讯，因此如铱计划(Iridium)等都是等都是 用低轨道卫星来做。铱计划即采用低轨道卫星来做。铱计划即采6个轨道面，个轨道面， 各轨道含各轨道含11颗卫星；颗卫星；Globalstar也是也是6个轨道个轨道 面，各轨道面含面，各轨道面含8颗卫星。颗卫星。 低轨卫星低轨卫星(LEO)： l在同步轨道与低轨道之间，以导航

24、在同步轨道与低轨道之间，以导航GPS卫星卫星 而言，采而言，采6个轨道面，各轨道面含个轨道面，各轨道面含4颗。颗。 中轨卫星中轨卫星(MEO)： l距离地球表面约距离地球表面约36000公里的高度。绕地球旋公里的高度。绕地球旋 转速度与地球自转速度一样，因此在地球上观转速度与地球自转速度一样，因此在地球上观 看该卫星时，好像静止不动的停留在太空中。看该卫星时，好像静止不动的停留在太空中。 l做为通讯使用，因为做为通讯使用，因为Delay严重，会造成讯息严重，会造成讯息 传送时间较长。同步轨道中之卫星，因与地球传送时间较长。同步轨道中之卫星，因与地球 自转同步，因此只需三颗自转同步，因此只需三颗

25、(一颗可覆盖一颗可覆盖42地地 表表)即可构成全球通信。即可构成全球通信。 同步卫星同步卫星(GEO)： l轨道资源有限轨道资源有限(360) ，ITU于于1985年国际卫年国际卫 星会议，原规划星会议，原规划3一颗，已改成一颗，已改成2一颗，经一颗，经 申请同意，才可布放。申请同意，才可布放。 l资源卫星、通讯卫星、军事卫星、导航卫资源卫星、通讯卫星、军事卫星、导航卫 星星都喜好长驻。都喜好长驻。 l东经东经125至西经至西经125的范围是太平洋上空，的范围是太平洋上空， 其同步静止卫星较稀少。其同步静止卫星较稀少。 不同轨道卫星比较：不同轨道卫星比较： 型态型态 低轨卫星低轨卫星 LEO

26、中轨卫星中轨卫星 MEO 同步卫星同步卫星 GEO 高度高度300-1500 km8000-12000 km36000 km 可用时间可用时间15min2-4hrs24hrs 优点优点 低成本低成本 传输延迟低传输延迟低 信号衰减低信号衰减低 中度成本中度成本 传输延迟低传输延迟低 地表覆盖率地表覆盖率 42.2% 无多普勒效应无多普勒效应 传输延迟传输延迟 来回时间来回时间 15ms100ms250ms 缺点缺点 生命周期短生命周期短 卫星体系复杂卫星体系复杂 有多普勒效应有多普勒效应 卫星体系复杂卫星体系复杂 有多普勒效应有多普勒效应 传输延迟大传输延迟大 卫星成本较高卫星成本较高 轨道为

27、置有限轨道为置有限 NameFull NameAttitude (Km) Amount needed to cover the earth 同步卫星同步卫星 (GEO) Geostationary Orbit 约35860公里3 中轨卫星中轨卫星 (MEO) Medium Earth Orbit 100025000公里10 低轨卫星低轨卫星 (LEO) Low Earth Orbit5001000公里48 三种轨道的分界却没有很明确的标准，只能大致三种轨道的分界却没有很明确的标准，只能大致 上用大气圈的中气层顶上，离地上用大气圈的中气层顶上，离地1000公里处作为公里处作为 低轨与中轨的分界；

28、用低轨与中轨的分界；用25000公里的高度作为中公里的高度作为中 轨与高轨的分界。轨与高轨的分界。 轨道的划分：轨道的划分： 卫星轨道绕行参数：卫星轨道绕行参数： 10203040 x106 m 24 20 16 12 8 4 卫星周期卫星周期 h 速度速度 x1000 km/h 同步轨道位置同步轨道位置 35,786 km 与地心与地心的的距离距离 11000 km/h 卫星波束可覆盖范围：卫星波束可覆盖范围： HF:2500-6500公里公里 GEO:16,960公里公里 位位 置置 高高 度度 最大可传输距离最大可传输距离 卫星波束覆盖类别：卫星波束覆盖类别： 全球覆盖：卫星天线照射地球

29、表面最大面积，约为全球覆盖：卫星天线照射地球表面最大面积，约为17.4度。度。 区域覆盖：典型区域覆盖天线的波束宽度为区域覆盖：典型区域覆盖天线的波束宽度为5度。度。 点波束覆盖：天线的波束宽度为点波束覆盖：天线的波束宽度为2度。度。 全球覆全球覆盖盖区区域覆域覆盖盖 点点波束覆波束覆盖盖 卫星通信使用频段：卫星通信使用频段： 卫星通信使用微波频段卫星通信使用微波频段 (300MHz300GHz)，其原，其原 因为：因为： 获得较大频宽、提供大获得较大频宽、提供大 通信容量。通信容量。 卫星处于外层空间卫星处于外层空间(即即 电离层之外电离层之外)，电磁波，电磁波 必须能穿透电离层。必须能穿透

30、电离层。 频段越高、波束越窄、遭受干扰越小。频段越高、波束越窄、遭受干扰越小。 频段越高、带宽越大、传输速率越高。频段越高、带宽越大、传输速率越高。 卫星通信使用频率：卫星通信使用频率： 为避免上、下链路于传输空间相互干扰，需将上、下链路为避免上、下链路于传输空间相互干扰，需将上、下链路 的频带错开。的频带错开。 因为卫星负载重量与寿命限制，上行链路使用较高频率。因为卫星负载重量与寿命限制，上行链路使用较高频率。 目前卫星通信常用的频带：目前卫星通信常用的频带： 频带频带 下行频率下行频率 （GHz） 上行频率上行频率 （GHz） 备注备注 C4（3.7-4.2）6（5.925-6.425）地面微波干扰 Ku11（11.7-12.2）14（14.0-14.5） 降雨衰减较大， 地面微波干扰 Ka20（17.7-21.7）30（27.5-30.5） 降雨衰