卫星通信系统课件

1、第四章 卫 星 通 信 系 统 4.1 概述4.2 卫星通信定义4.3 通信卫星的轨道4.4 同步静止轨道卫星4.5 卫星通信的发展概况4.6 卫星通信的特点4.7 卫星通信的应用范围4.8 卫星通信系统4.9 卫星通信工作波段4.10 星蚀、日凌中断及传输时延4.1 概述为了增加地面通信距离，采用中继接力的方法可以部分克服地球曲率对电波传播的阻挡，使点对点的通信距离加大。通信距离与天线架高有关，微波中继通信是视距通信，中继接力的距离为50km，若进行长距离如18101 km通信，则需要设置360个中继站，造价高、维护不便、而且经过多次转发后信号质量会受到较大的影响。随着航天技术的发展，人们必

2、然想把中继通信站放到距离地面很高的卫星上，并使天线对准地球表面，由于视野十分开阔，便可达到地面接力无法达到的“中继”效果。由此引入一种新的中继通信方式-卫星通信。4.2 卫星通信定义卫星通信，简单的说就是地球上（包括地面、水面和低层大气中）的无线电通信站之间利用人造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之间通信的一种通信方式。它是一种无线通信方式，可以承载多种通信业务，是当今社会重要的通信手段之一。 4.3 通信卫星的轨道卫星运行的轨迹和趋势称为卫星运行轨道；其轨道近似于椭圆或圆形，地心就处在椭圆的一个焦点或圆心上，按照轨道平面与赤道平面的夹角i（轨道倾角）的不同，地球卫

3、星的轨道有赤道轨道（i=0）、极轨道（i=90）、倾斜轨道（0i90）之分。4.4 同步静止轨道卫星卫星运行轨道处于地球赤道平面内，运行方向与地球自转方向一致，绕地球一圈的时间与地球自转一周的时间相同（24小时）的卫星称为同步静止轨道卫星（此时卫星距地面高度为35785.6公里）。从地面看卫星是“静止”不动的，即地面上各点与卫星之间的相对位置不变，因此称之为静止轨道卫星（同步卫星）。 静止卫星距赤道的高度为35786km，从卫星向地球引两条切线，切线夹角为17.34，两切点的弧线距18101km（此为每颗卫星可以通信的最远距离）。若以120的等间隔在静止轨道上配置3颗静止卫星，则卫星至地球覆盖

4、边缘的最远距离41756km，卫星与卫星之间的空间距离为73511km，地球赤道上的直径约12740km，则在地球表面除两级地区未被卫星波束覆盖外，其他地区均在覆盖范围内，而且其中一部分地区还是两个静止卫星天线波束覆盖的重叠区域，借助于重叠区域内地球站的中继，便可实现在不同卫星覆盖区的地球站的通信。这样，利用3颗等间隔配置的静止卫星就可以实现全球通信。 利用静止卫星建立全球通信示意图4.5 卫星通信的发展概况1945年五月英国人阿瑟克拉克提出关于静止卫星的设想。1954-1964 卫星通信试验，1957年10月4日苏联发射了第一颗人造卫星，1963年7月美国发射了第一颗地球同步卫星，他们都进行

5、了卫星通信试验。1965年国际通信卫星组织的IS-1（国际通信卫星）发射，卫星通信进入实用阶段。我国于1970年4月24日，成功地发射了自行研制的东方红一号卫星，1984年4月发射了我国第一颗同步通信卫星东方红二号，1997年5月12日月发射了我国第一颗三轴稳定的同步通信卫星东方红三号。我国自1972年开始运行卫星通信业务，目前全球共有地球同步静止轨道卫星约210颗。中国的卫星通信经过近三十年的发展，从无到有，已经初具规模，但是发展速度仍比较缓慢。注册的卫星运营公司已有中国通信广播卫星公司、中国东方通信卫星有限责任公司、鑫诺卫星通信有限公司、亚洲卫星通信有限公司、亚太卫星控股有限公司五家（在大

6、陆注册三家），共拥有10颗卫星, 342个转发器单元（C波段236个、Ku波段106个，均已折合至每转发器36MHz带宽）。其业务已覆盖到亚洲大部分地区和欧洲部分地区。4.6 卫星通信的特点卫星通信的优点1、通信距离远，覆盖面积大；2、便于实现多址连接通信；3、通信频带宽，传输容量大；4、机动灵活；5、通信线路稳定可靠，传输质量高；6、成本与通信距离无关；卫星通信的缺点1、要有高可靠和长寿命的通信卫星；2、卫星的发射与控制技术比较复杂；3、卫星通信具有较大的信号传输延迟和回声干扰；4、存在星蚀和日凌中断现象。 4.7 卫星通信的应用范围 卫星通信的应用范围很广，涉及长途电话、传真、电视广播、娱

7、乐、计算机联网、电视会议、电话会议、交互型远程教育、医疗数据、应急业务、新闻广播、交通信息、船舶、飞机的航行数据及军事通信等。 目前国内公众卫星通信网的干线已有37个大型C波段地球站，运行着3万5千条双向电路（占国内长途电路的56），另有4个试验地球站和约30台移动卫星通信车载站工作在Ku波段。 国际通信方面我国运营15座国际通信卫星地球站，开通了约1万3千条双向电路（占国际长途电路的26%）。中国通信广播卫星公司等具有国际点对点业务许可的单位开通了150200条国际双向VSAT电路。公众通信约使用50个转发器 。 我国已有中央电视台的12套节目，中央人民广播电台和国际台的32路声音广播节目，

8、以及31个省、自治区、直辖市的广播电视节目均通过通信卫星向全国传送。目前我国广播电视节目共使用了11颗通信卫星（亚太1A、亚洲2号、亚洲3S、鑫诺1号、亚太2R、泛美3R号、泛美8号、泛美9号、泛美3R号、泛美10号、银河3R和热鸟3号）的32个转发器。 VSAT(Very Small Aperture Terminal )于20世纪80年代最先在美国兴起，发展速度很快，是30多年来卫星通信技术的转折性发展。VSAT系统有两种类型，一种是双向VSAT系统，它由中心站控制许多VSAT终端来提供数据传输、语音和传真等业务；另一种是单向VSAT系统，在这种系统中，图像和数据等信号从中心站传输到许多单

9、收VSAT终端。 VSAT是一种天线口径很小的卫星通信地球站，又称微型地球站或小型地球站。其特点是天线直径很小(一般为0.3-2.4米)，设备结构紧凑、固体化、智能化、价格便宜、安装方便、对使用环境要求不高，且不受地面网络的限制，组网灵活。 我国已建成的广播电视卫星地球站共31座，地面卫星收转台站52万多座。与1985年上卫星时相比，我国广播电视人口覆盖率已由68.3%和68.4%上升为2001年底的92.9%和94.1%。 4.8 卫星通信系统 卫星通信系统的重要组成部分是通信卫星和各种卫星通信地球站，了解它们的组成结构是掌握卫星通信系统的基础。1、卫星通信系统的组成及工作过程（1）组成 卫

10、星通信系统是一个非常复杂的系统，它由地面部分和空间部分组成。主要包括：通信地球站分系统、跟踪遥测指令分系统、监控管理分系统及空间分系统共4大部分，如图所示。 空间分系统是卫星通信的核心，即通信卫星，起无线电中继站作用，主体是通信装置，包括一个或多个转发器（微波收、发信机）和天线，保障部分星体上的遥测指令、控制系统和能源装置等。 监控管理分系统，也称为监控中心，主要负责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（如对转发器功率、卫星天线增益、各地球站发射功率、带宽等参数进行监控）。跟踪遥测指令分系统 跟踪遥测指令分系统负责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；定期对卫

11、星进行轨道修正和位置保持。通信地球站分系统 地球站是微波无线电收、发信台（站），用户通过他们接入卫星线路。主要包括：天线、发射设备、功率放大器、接收设备、信道终端设备、跟踪/伺服设备以及电源设备等等。（2）工作过程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。整个系统的全部通信任务就是利用这些线路分别完成的，在卫星通信线路中，通常把从发信地球站到卫星这一段称为上行线路（或称上行链路）。从卫星到收信地球这一段称为下行线路（或称下行链路）。两者合起来就构成一条最简单的单工线路，如图所示。4.9 卫星通信工作频段 1、卫星工作频段 卫星通信使用的频率范围选在微波波段是最合适的

12、。且必须高于100MHz，以便不受电离层的吸收和衰减影响。世界无线电行政会议规定，卫星通信的使用频段为136MHZ-275GHZ。中间有许多频段被其他领域使用，如航天、移动、广播、海上等。目前，大多数卫星选择频段如下： （1）C波段（3.4-6.65GHz）星系、卫星通信、远星、通信卫星、星际卫星等（电视、电话、视频会议） （2）Ku波段(10.95-18GHz) 全球星（电视、直接广播、太空站） （3）Ka波段(18-40GHz) 高级通信技术卫星（移动电话） （4）L波段(1.12-2.6GHz)大型低轨道地球卫星 （5）VHF波段（136-137MHz和148MHz）低轨道地球气象卫星

13、（6）UHF波段（200-400MHz）轨道通信卫星（航空对空通信和移动通信） 2、 C波段与Ku波段比较C波段Ku 波段资源较丰富易受地面干扰天线口径较大不受天气影响资源较为紧张不易受到干扰天线口径较小在地球站和天线一定时波束较窄在浓云、密雾、暴雨等恶劣天气情况下，信号损耗较大4.10 星蚀、日凌中断及传输时延1、 星蚀所有静止卫星在每年春分和秋分前后各23天中，当星下点（卫星与地心连线同地球表面的交点）进入当地时间午夜前后，卫星、地球和太阳共处在一条直线上，卫星进入地球阴影区而造成星蚀；此时一般靠星载蓄电池来供给能源。卫星位置西移1，星蚀开始时间可推迟4分钟，东移1则可提前4分钟。2、 日凌中断 在每年春分秋分前后，当卫星星下点进入当地中午前后时，卫星处在太阳和地球中间，天线在对准卫星的同时也会对准太阳，会因接收到强大的太阳热噪声而使通信无法进行，称为日凌中断（每次延续约6天）；月亮也会引起类似问题，但其噪声比太阳小的多，不会造成中断。每天出现中断的最长时间与天线口径、工作频率有关。3、 传输时延 一条单跳的卫星通信线路，由发送端到接收端的单程传输时延为： t=上行下行空间传输路径距离和/C（其中：C为电波在自由空间的传播速度） 当卫星为静止卫星时，空间传输距离和最