第1章卫星通信系统概述

1、u 课程简介课程名称：卫星通信课程学时：32 周学时：4课程性质：专业选修u 课程目的本课程是为通信工程、计算机通信、无线电技术等专业高年级学生开设的一门专业课，其目的是使学生掌握卫星通信系统的组成、原理和技术的基础知识。u 课程特点讲述卫星通信的基础知识，侧重于基本概念和原理，而对于复杂的数学推导，则从略。课程成绩计算 平时成绩：30（半期考试和作业各占15） 期末考试：70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、地面移动通信、卫 星通信 卫星通信是个人通信网的组成部分，是卫星通信是个人通信网的组成部分，是

2、地面通信网的补充。地面通信网的补充。 卫星通信n卫星通信的概念 卫星通信是指利用通信卫星转发器实现地球站（或手持终端）之间、或者地球站与航天器之间的无线电通信。教材和参考书 朱立东等，卫星通信导论（第3版），北京：电子工业出版社，2009年11月第1次印刷（卫星通信课程教材） Dennis Roddy. Satellite Communications. The McGraw-Hill Companies, inc., 2002 （清华大学出版社） Timothy Pratt, Charles Bostian and Jeremy Allnutt. Satellite Communicatio

3、ns. New York: John Wily and Sons, Inc., 2003 （电子工业出版社） 张乃通等，卫星移动通信系统(第2版），北京：电子工业出版社，2000 Erich Lutz, Markus Werner and Axel Jahn. Satellite Systems for Personal and Broad Communications. Berlin: Springer-Verlag, 2000第一章第一章 卫星通信系统概述卫星通信系统概述一、卫星轨道一、卫星轨道二、卫星通信系统的组成二、卫星通信系统的组成三、卫星通信的业务类型三、卫星通信的业务类型四、频率

4、分配四、频率分配五、卫星通信的特点五、卫星通信的特点六、卫星通信的发展历史六、卫星通信的发展历史七、通信卫星的分类七、通信卫星的分类八、卫星通信的研究动态八、卫星通信的研究动态九、卫星通信的应用九、卫星通信的应用一、卫星轨道一、卫星轨道1cosPre21bea2(1)Pae图1 椭圆轨道的示意图21() (km/s)VuraV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32saTu(1) 地球非球形引起的摄动，表现为：l卫星的轨道面绕地轴缓慢转动l近地点位置变化（2）大气阻力的影响l卫星轨道的远地点降低，长轴缩短，即运行周

5、期缩短l偏心率减小，轨道愈变愈圆二、卫星通信系统的组成二、卫星通信系统的组成三、卫星三、卫星通信通信的业务类型的业务类型四、频率分配四、频率分配大气吸收附加损耗与频率的关系五、卫星通信的特点五、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 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

6、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。卫星移动通信和地面移动通信六、世界卫星通信的发展历史六、世界卫星通信的发展历史 1945年Clarke A. C. 提出三颗同步卫星覆盖全球 1957年前

7、苏联发射世界上第一颗卫星Sputnik 1963年美国发射世界上第一颗同步轨道卫星SYNCOM 1964年INTERSAT成立 1965年第一颗商用同步卫星“晨鸟”进入轨道 1975年第一次通过卫星成功实现直接广播试验卫星通信的发展历史（续）卫星通信的发展历史（续） 1979年INMARSAT成立 1982年国际海事卫星通信进入运行 1984年第一个DTH系统在日本进入运行 1987年INMARSAT成功进行地面移动卫星通信试验 19891990年INMARSAT将全球移动卫星通信业务扩展到地面和空间移动通信领域 1995年WRC对非静止轨道卫星系统分配新频谱；商用LEO卫星系统ORBCOM第

8、一次传送低速数据试验成功 1998年通过LEO星座引入手机通信业务 19992000年引入卫星直接广播语音业务 20002005年引入宽带个人通信，Ka频段发展迅速中国卫星通信的发展 中国第一颗试验卫星“东方红一号”于1970年4月24日发射成功，重37Kg，运转周期110分钟，绕地球一周，以旋极化的全球波束向全球广播“东方红乐曲”。东方红一号中国卫星发展史（续） 1984年8月8日成功发射第一颗同步轨道试验通信卫星“东方红二-1”，定位在125E，重433Kg，携带2个8W的C频段转发器，以全球波束辐射，中心波束为23.4dBW。 1986年2月1日“东方红二号-2“成功定位在103E，携带

9、2个C频转发器，以区域椭圆波束辐射传送，重 433Kg，中心波束为34.5dBW。携带2个8W的C频段转发器，以全球波束辐射，中心波束为 23.4dBW。中国卫星发展史（续） 1988年3月7日“东方红二号甲-1“简称“东二甲-1“，对外称“中卫一号“定位在87.5E，波束中心指向101.7E，34.11N，中心波束为36dBW。4个C频段转发器，二个8W，二个10W，以区域椭圆波束辐射传送。卫星重441Kg，寿命7年。 1990年2月4日“东方红二号甲3“简称“东二甲3“，对外称“中卫三号“定位在98E，波束中心指向103.23E，33.84N，中心波束36dBW。4个C频段转发器以区域椭圆

10、波束辐射传送。卫星重441Kg。中国卫星发展史（续）中国卫星发展史（续）l1998年5月30日新的“中卫一号”发射成功。它是第一颗携带Ku频段的新型大功率的卫星，携带18个 C频段转发器，定位在87.5E。l1998年7月18日“鑫诺一号”发射成功。携带14个Ku频段转发器和24个C频段转发器和一对C-Ku频段互联转发器，定位在 110.5 E。 中国卫星发展史（续）l2003年10月21日11时16分，太原卫星发射中心用“长征”四号乙运载火箭成功地将中国与巴西联合研制的第二颗“资源一号”卫星和中国科学院研制的“创新一号”小卫星送入太空。火箭发射13分钟后，“资源一号”卫星进入太阳同步轨道。火

11、箭继续飞行约40秒后，“创新一号”卫星与火箭分离，进入预定轨道。 中国卫星发展史（续）l2003年10月15日，神州五号在酒泉卫星发射中心成功发射。l2005年10月12日，神州五号在酒泉卫星发射中心成功发射。l2008年9月25日成功发射神州五号中国卫星发展史（续）l2006年10月29日“鑫诺二号”卫星在西昌发射成功，但是在定点过程中出现技术故障，致使太阳帆板二次展开和通信天线展开未能完成，无法提供通信广播传输服务 2000年10月31日、12月21日、2003年5月25日、2007年2月3日先后成功发射四颗北斗导航试验卫星 2007年4月14日中国成功发射了第一颗北斗导航卫星北斗导航试验

12、卫星一号（Beidou-1）中国卫星发展史（续）l2007年6月1日 “鑫诺三号”卫星在西昌发射成功，轨道位置：E125o，覆盖中国及周边国家和地区。l2008年4月25日中国首颗数据中继卫星“天链一号01星”在西昌发射成功，其任务是为卫星、飞船等航天器提高数据中继和测控服务l2009年4月15日第2颗北斗导航卫星在西昌卫星发射中心成功发射l2010年1月17日第3颗北斗导航卫星在西昌卫星发射中心成功发射卫星通信的发展趋势传统的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

13、系统。静止轨道卫星移动通信系统服务对象将从原有的传统用户转移至缺少陆地服务的边远地区。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、ASTROLINK和PAS等。 卫星通信的发展趋势（续）窄带的中、低轨道卫星移动通信系统投入运行，如Iridium 、ICO和Globalstar等系统。宽带低轨道系统正在加紧开发之中，预计在21世纪初可陆续发射，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。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 America

14、n和 GEMnet等系统。 全球定位卫星系统将面临升级换代的问题。 中、低轨道卫星系统为适应新技术发展和系统对容量的更大要求已形成了新的演变过渡方案，如Iridium系统将其运行的卫星数目从66颗增加至96颗。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。卫星通信的发展趋势（续） 同步卫星向大容量、多波束、智能化方向发展 低轨卫星与地面蜂窝通信相结合，实现全球个人通信 小卫星通信地面站的广泛应用 数字视频广播(DVB)和数字音频广播步入家庭和个人用户 多媒体通信和Internet接入 微小卫星、纳卫星和皮卫星的快速发展卫星通

15、信技术 空间段技术 地面段技术 用户终端技术卫星通信技术空间段技术 卫星通信系统空间段：卫星重量、功率和尺寸，星上通信设备。卫星转发器数目增多，从最少1个增加到48个，同时每个转发器的容量增加到36MHz(C波段)/54MHz(Ku波段)；使用频段从C波段(6/4GHz)移向Ku波段(14/12GHz或14/11GHz；星上天线增多，从第四代卫星开始逐步形成由全球波束、半球波束、区域波束和点波束组成的多波束系统，频率复用次数增多；实现星上波束交换 卫星通信技术（续） 地面段技术 以前：超低温参数放大器，速调管或行波管放大器； 现在：全固化常温低噪声放大器和全固化功率放大器发展起来；卫星功率不断

16、增大，地面站逐步由大变小，天线直径由30米减小到几米甚至不到1米。 需要发展的一些技术 更高频段的开发和多频段共用 多星共位 大型可展开天线技术 动态可调功率放大器技术 先进的调制、编码和压缩技术 高功率、高EIRP技术星座卫星系统关键技术 星座设计 星间链路 多波束天线技术 星上交换和处理 移动性管理技术 网络控制和管理技术 卫星系统与地面系统的综合应用 （微）小卫星技术七、通信卫星的分类七、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

17、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5001000小卫星100500微小卫星10100纳卫星110皮卫星0.11飞卫星0.1八、卫星通信的研究动态八、卫星通信的研究动态国外卫星研究动态国外卫星研究动态 英国：Surrey大学，ICO全球通信公司的ICO(10355km, 12颗卫星，轨道倾角45度 美国：Motorola铱系统，Loral和Qualcomm的全球星系统，Microsoft公司参与的“Teledesic”系统 俄罗斯：Informcosmos的Marathon-Acros（GEO,5)，2003年预计发射40余颗通信卫星和探测卫星 德国：SATCON公司的LEO SAT COURIER(800km，77颗卫星，轨道倾角77度） 法国：Alcatel Espace的SkyBridge (1457km, 64颗卫星）美国大学纳卫星计划项目承担单位“3星”星群（3-Sat）亚历桑那大学，科罗拉多大学，新墨西哥大学电磁辐射与闪光探测（Emerald）斯坦福大学和克拉拉大学电离层探测与卫星编队（ION-F）犹他大学，弗吉尼亚工学院，华盛顿大学星群开拓者（CP）波士顿大学太阳帆（SB）纳卫星卡内基美隆大学纳卫星的发射与释放美国空军研究实验室九、卫星通信应用九、卫星通信应用 卫星视频广