卫星应用概论(通信卫星)

1、卫星应用概论 卫星通信武汉大学 测绘学院 黄劲松11.概述2概述通信将搭载有信息的信号通过某种媒介从一点传递到另一点的过程，所搭载的信息形式可以是语言、文字、图片和数据等。现代通信任何时间、任何空间、任何地点、任何对象之间以任何方式进行信息交换的过程。信道两点间传输或交换信息信号所用的媒介（或通路）被称为通信的信道（Channel）。3概述通信系统传递信息所需要的一切技术、设备和信道的总称。通信系统的结构4概述卫星通信地球上（包括地面、水面和低层大气中）的无线通信站之间，利用人造地球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通信。5概述卫星通信的优点通信距离远、覆盖面积大组网

2、络灵活，便于多址联接 通信质量高、容量大 卫星通信所存在的问题静止卫星发射与控制技术复杂高纬地区效果差，两极为盲区存在日凌中断和星蚀现象时延大，存在回波干扰6概述卫星通信发展简史1957 Sputnik1960 NASA发射ECHO（回声）1961 正式启动 TELSTAR、RELAY和SYNCOM项目1962 TELSTAR and RELAY launched 1962 Communications Satellite Act (U.S.) 1963 SYNCOM发射 1964 INTELSAT成立 1965 COMSAT的 EARLY BIRD: 第一颗商业通信卫星 1969 INTEL

3、SAT-III 系列提供全球覆盖 1979 INMARSAT成立1984 中国发射第一颗实用静止通信卫星7概述卫星通信系统的类型按卫星运动方式分 静止卫星通信系统、低轨道行动卫星通信系统按通信覆盖区分国际卫星通信系统、区域卫星通信系统、国内卫星通信系统按使用者分公用卫星通信系统、专用卫星通信系统按通信业务分固定地面站卫星通信系统、移动地面站卫星通信系统、广播业务卫星通信系统、科学试验卫星通信系统按多址方式分频分多址卫星通信系统、时分多址卫 星通信系统、空分多址卫星通信系统、码分多址卫星通信系统、混合多重撷取卫星通信系统按基频信号分模拟卫星通信系统、数字卫星通信系统82.卫星通信系统的组成及工作

4、原理 9卫星通信系统的组成及工作原理卫星通信系统的组成监控管理分系统跟踪遥测指令分系统（测控系统）地(球)面站空间分系统（通信卫星）10卫星通信系统的组成及工作原理卫星通信系统的工作原理通信卫星发射设备接收设备终端设备来自地面通信线路终端设备至地面通信线路发端地球站收端地球站113.通信卫星的运行轨道12通信卫星的运行轨道地球静止轨道地球静止轨道优点通信距离远覆盖全球所需卫星少缺点传输时延大路径损耗大两极附近存在盲区轨道资源有限地球站设备庞大13通信卫星的运行轨道非地球静止轨道非地球静止轨道优点传输时延小路径损耗低 用户终端小卫星互为备份抗摧毁能力强 缺点覆盖全球需要卫星数量多，需要复杂的卫星

5、星座144.卫星通信线路、调制和多址方式及频段 15卫星通信线路、调制和多址方式及频段卫星线路的组成通信卫星发射设备接收设备终端设备来自地面通信线路终端设备至地面通信线路发端地球站收端地球站16卫星通信线路、调制和多址方式及频段卫星通信的频段工作频段选择原则传播损耗小有效频带宽与地面通信系统兼容性好且相互干扰小与其它系统相互干扰小通信设备重量轻、功耗低穿透电离层能力强可供选用频段UHF波段（400/200MHz）、L波段（1.6/1.5GHz）、C波段（6/4 GHz）、X波段（8/7GHz）、K波段（14/11GHz和14/12GHz）、准毫米波段（Ka波段）（30/20GHz）ITU（国际

6、电信联盟）1979年世界无线电行政大会（WARC）文件有详细规定17卫星通信线路、调制和多址方式及频段多路复用（Multiplexing）技术定义将来自众多不同信源的输入信号在发信端进行合并后，再在信道上传输，到达收端后又将它们分开。实现前提多路信号分量之间相互正交方法频分复用（FDM Frequency Division Multiplexing）时分复用（TDM Time Division Multiplexing）码分复用（ CDM Code Division Multiplexing ）18卫星通信线路、调制和多址方式及频段多址技术（Multiple Access）定义多个接点间相互进

7、行通信的技术。在卫星通信中指的是多个地球站通过共同的卫星，同时建立各自的信道，从而实现各个地球站间的相互通信。方法频分多址（ FDMA Frequency Division Multiple Access）时分多址（ TDMA Time Division Multiple Access）码分多址（ CDMA Code Division Multiple Access）空分多址（ SDMA Crequency Division Multiple Access ）19卫星通信线路、调制和多址方式及频段各多址方式的优缺点FDMA优点：可沿用传统微波通信技术和设备设备简单无需同步缺点互调噪声无法充分利

8、用频带和卫星功率上行功率和频率需要监控大、小地球站不兼容通信容量中、大20卫星通信线路、调制和多址方式及频段各多址方式的优缺点TDMA优点：无互调问题可充分利用频带和卫星功率上行功率无需严格控制便于大小地球站兼容缺点需要精确的时间同步通信容量中、大21卫星通信线路、调制和多址方式及频段各多址方式的优缺点SDMA优点：频率利用率高可提高转发器容量对地球站的要求低缺点对卫星控制技术要求高星上设备复杂需要交换设备通信容量大22卫星通信线路、调制和多址方式及频段各多址方式的优缺点CDMA优点：抗干扰能力强对信号功率要求低无需网定时缺点频率利用率低通信容量小地址码选择难捕获时间长通信容量小235.天象对

9、卫星通信的影响 24天象对卫星通信的影响地星蚀定义卫星全部或部分位于地影中发生时间春分(3月21日)和秋分(9月22日)前后总天数约90天期间，每天1小时左右影响导致星上供电紧张解决方法通过轨道的定点设计使星蚀的发生避开通信高峰时段25天象对卫星通信的影响日凌中断定义卫星位于太阳与地球之间发生时间春、秋分前后总天数每年2次，没次持续6天，每天约2分钟影响太阳噪声干扰通信解决方法单颗卫星无法避免，使用多颗卫星进行转接26天象对卫星通信的影响月星蚀定义卫星全部或部分位于月影中发生时间不定影响与地星蚀相似276.卫星电视广播28卫星电视广播电视广播技术地面微波中继同轴电缆系统传输卫星广播卫星广播的优

10、点传输质量好覆盖面积大性能稳定、可靠成本低地面微波中继卫星广播29卫星电视广播电视广播的方式转播模式方法：电视信号利用通信卫星转发，经接收站所在地的电视广播系统或经集体接收用的卫星电视接收站收转。特点：一批用户仅需要一个地面站，但需要地面电视广播系统（无线或有线系统）的支持。直播模式方法：利用电视直播卫星直接向地面用户播送。特点：广大用户直接采用小型天线即可直接接收，但卫星必须发送相当大功率的信号。30卫星电视广播卫星广播系统的组成上行地球站广播卫星卫星电视接收站遥测遥控跟踪站317.地球同步轨道卫星移动通信系统32地球同步轨道卫星移动通信系统概述卫星移动通信系统的作用为舰船、车辆、飞机、边远

11、地区用户提供通信手段的一种卫星通信系统解决大量稀路由通信地区的通信、乡村通信、客运、货运、海运、旅游、航空、抢险救灾、野外勘探、公安侦察、部队调动等等移动载体的“动中通”业务个人全球通信业务与地面移动通信系统的比较覆盖范围广33地球同步轨道卫星移动通信系统概述卫星移动通信系统的类型地球同步轨道卫星移动通信系统Imarsat中轨道卫星移动通信系统Odyssey低轨道卫星移动通信系统GlobalstarIridium34地球同步轨道卫星移动通信系统GEO卫星移动通信系统的组成空间部分位于地球静止轨道上的卫星地面部分卫星移动无线电台和天线关口站和基站35地球同步轨道卫星移动通信系统INMARSAT概

12、况由成立于1979年的原名国际海事卫星组织（IMSO International Maritime Satellite Organization）1994年12月更名为国际移动卫星组织（IMSO International Mobile Satellite Organization）政府间合作组织所建立的通信卫星系统。1982年开始提供商业卫星通信服务。最初为船舶的航行提供全球通信服务，后将其服务扩展到陆地和飞机。36地球同步轨道卫星移动通信系统INMARSAT的组成全体成员国大会由所有成员国组成，一国一票，每两年召开一次。理事会由投资最多的18位签字方代表及4位由大会所选出的代表（中国为其中

13、之一，中国签字方为中华人民共和国交通通信中心）组成，每年至少召开3次会议，投票权与其投资股份相等。执行局负责日常工作，由总干事领导，雇员来自各国，有数百人。37地球同步轨道卫星移动通信系统INMARSAT通信系统的组成空间段地面站地面移动终端38地球同步轨道卫星移动通信系统INMARSAT通信系统的组成空间段由4颗位于地球同步轨道上的工作卫星和若干备用卫星（目前为1颗）所组成。目前的卫星型号为Inmarsat I-3。卫星由位于英国伦敦总部的卫星控制中心（SCC Satellite Control Center）控制SCC接受从全球跟踪、遥测和控制站（TT&C Tracking, Teleme

14、try and Control）（分别位于意大利的Fucino、中国的北京、加拿大西部的Lake Cowichan和加拿大东部的Pennant Point，挪威有Eik还有一个备用站）所提供的数据。39地球同步轨道卫星移动通信系统INMARSAT通信系统的组成空间段INMARSAT-A的卫星覆盖40地球同步轨道卫星移动通信系统INMARSAT通信系统的组成地面站作用：提供卫星与国内、国际电信网络的链路。组成：地面站网（LESs Land Earth Stations）（目前位于29国公30个）网络操作中心（NOC Network Operation Center）（位于总部）网络协调站（NCS

15、 Network Coordination Stations）（每个洋区一个）41地球同步轨道卫星移动通信系统INMARSAT通信系统的组成地面移动终端作用：用户使用地面移动终端使用INMARSAT服务。特点：使用不同的INMARSAT服务类型，需要采用不同的终端。Integral antenna Compass SIM card Battery External power USB Indicators EthernetRegional BGAN satellite IP modem42地球同步轨道卫星移动通信系统INMARSAT所提供的服务企业级的解决方案海事通信航空43地球同步轨道卫星移

16、动通信系统INMARSAT所提供的服务海事通信Fleet（舰队），包括F77、F55和F33等Inmarsat mini-MInmarsat CInmarsat mini-CInmarsat D+Inmarsat E/E+Inmarsat AInmarsat BInmarsat M44地球同步轨道卫星移动通信系统INMARSAT所提供的服务企业级的解决方案GAN（Global Area Network）Regional GANGAN Mobile ISDNMPDS（GAN Mobile Packet Data Service）Inmarsat mini-MInmarsat mini-CInma

17、rsat D+45地球同步轨道卫星移动通信系统INMARSAT所提供的服务航空Swift64Aero HAero IAero Mmini-M AeroAero C46地球同步轨道卫星移动通信系统INMARSAT的通信系统Inmarsat-A：Inmarsat的第一个系统，主要为船舶提供通信服务Inmarsat-C：体积小，重量轻Inmarsat-M：船上与陆地的移动通信Inmarsat-B：使用数字技术，是Inmarsat-A的后续Inmarsat-D+：双向数字通信，集成GPSInmarsat-E/E+：提供EPIRB, emergency position indicating radio

18、 beaconInmarsat-P47地球同步轨道卫星移动通信系统INMARSAT的通信系统48地球同步轨道卫星移动通信系统地球同步轨道卫星移动通信系统的特点优点GEO卫星移动通信技术成熟，所要求的卫星数量少、全球覆盖、24小时通信不必切换卫星、卫星跟踪控制简单等优点缺点轨道高、传播路径远、延时长等不足，特别是随着纬度的增大，地面观察卫星的仰角不断减少，地形地物对移动用户的阻挡不可忽视。个人移动通信业务中手持机的体积小、功率低（一般不超过12W），若采用GEO卫星则要求卫星提供窄波束、大转发功率。在目前情况下，难以利用同步静止轨道卫星使全球移动用户终端的体积和重量达到与地面蜂窝电话手持机相当的

19、水平。498.中轨道卫星移动通信中低轨道卫星移动通信的特点优点路径损耗通常比GEO低很多，发射功率低，传播时延小，缺点MEO和LEO通信卫星相对于地球上的观察者不再是静止的，为了保证在地球上任一点均可以实现24小时不间断的通信，必须精心配置多条轨道及一大群具有强大处理能力的通信卫星，涉及技术和经济上的一系列问题，投资高，风险大 50中轨道卫星移动通信代表性的MEO卫星移动通信系统Inmarsat-POdysseyMAGSS-14等 51中轨道卫星移动通信OdysseyTRW公司建立12颗中轨卫星，分布在倾角55的3个轨道面上，轨道高度10354km系统的基本设计基于CDMA方式每颗卫星可提供1

20、9个（或扩展到37个）波束，总容量为2800 条电路 529.低轨道卫星移动通信53低轨道卫星移动通信低轨道卫星移动通信系统的组成卫星星座（空间段）关口地球站（地面段）系统控制中心（地面段）网络控制中心（地面段）用户单元 （用户段）54低轨道卫星移动通信低轨道卫星移动通信网美Motorola公司的铱系统（Iridium）多国集团LQSS公司（Loral和Qualcomm的合资公司）的全球星系统（Globalstar）55低轨道卫星移动通信铱系统（Iridium）概况拥有者：铱系统有限责任公司，美国摩托罗拉公司控股，现有18个股东，摩托罗拉公司占有18.8%的股份，我国航天工业总公司和国防科工委

21、共同占有3.7%的股份。1987年开始研究，1990年提出。与现有通信网结合 ,可实现全球数字化个人通信。可向全球用户提供传统的电话、传真、寻呼以及基于GSM的补充和承载业务该系统原设计为77颗小型卫星，因卫星数与铱原子的电子数相同而得名，后虽改为66颗卫星，但仍保留原名。56低轨道卫星移动通信铱系统（Iridium）铱系统的组成空间段、系统控制段、用户段、关口站段。铱系统的组成空间段用户段关口站段系统控制段57低轨道卫星移动通信铱系统（Iridium）空间段组成：6个极圆轨道面，每个轨道面11颗在轨运行卫星和1颗备用星，共72颗星（包括6颗备用星），轨道高度约780km，卫星重386kg 。

22、保证全球任何地区在任何时间至少有一颗卫星覆盖。作用：铱系统星座网提供手机到关口站的接入信令链路、关口站到关口站的网路信令链路、关口站到系统控制段的管理链路58低轨道卫星移动通信铱系统（Iridium）空间段卫星可向地面投射48个点波束，形成48个相同小区的网络，每个小区的直径为689km，共可构成直径为4700km的覆盖区。每颗卫星能提供1920条话音信道。用户看到一颗卫星的时间约为10min。卫星采用3轴稳定，寿命约5年。每颗卫星有条星际链路，一条为前向，一条为反向，另两条为交叉连接。59低轨道卫星移动通信铱系统（Iridium）系统控制段作用：控制中心。提供卫星星座的操作、支持和控制，将卫

23、星跟踪数据交付关口站，利用寻呼终端控制器进行终端控制。组成：遥测跟踪控制、操作支持网和控制设备。功能：空间操作、网络操作、寻呼终端控制。外部接口：至关口站， 至卫星。系统控制段卫星操作中心60低轨道卫星移动通信铱系统（Iridium）用户段是使用铱系统业务的用户终端设备包括手持机（ISU）和寻呼机（MTD），将来也可能包括航空终端、太阳能电话单元、边远地区电话接入单元等ISU是铱系统移动电话机，包括两个主要部件：SIM卡及无线电话机，可向用户提供话音、数据、传真服务。MTD类似于目前市场上的寻呼机，分两种：数字式和字符式61低轨道卫星移动通信网铱系统（Iridium）关口站段作用：关口站提供铱

24、系统业务和支持铱系统网络的地面设施，主要提供移动用户、漫游用户的支持和管理，通过PSTN提供铱系统网络到其它电信网的连接。一个或多个关口站提供每一个铱系统呼叫的建立、保持和拆除，支持寻呼信息的收集和交付。组成：交换分系统（西门子D900交换机）、地球终端（ET）、地球终端控制器（ETC）、消息发起控制器（MOC）、关口站管理分系统（GMS）。关口站有个外部接口：至卫星、至国际交换中心（ISC）、至铱系统商务支持系统（IBSS）和至系统控制段（SCS）。62低轨道卫星移动通信网铱系统（Iridium）铱系统提供的业务种主要的业务：铱全球卫星服务、铱全球漫游服务、铱全球寻呼服务和铱全球付费卡服务。

25、另外还包括许多类似于GSM的“增值服务” ，包括：个人信箱、数字消息、语音信箱、文本消息、呼叫转移、呼出限制、紧急呼叫等使用铱全球卫星服务，用户需要有一部铱手机以及相应的SIM卡63低轨道卫星移动通信网铱系统（Iridium）铱系统的工作原理64低轨道卫星移动通信网铱系统（Iridium）铱系统所存在的问题问题：手机天线必须完全伸展，并指向卫星，仅能在露天使用，无法在室内使用，若需在车内使用，需架设外部天线。解决方法：采用寻呼机。65低轨道卫星移动通信网铱系统（Iridium）铱系统技术总结66低轨道卫星移动通信网全球星系统（Globalstar）特点为地面蜂窝移动通信系统或其它移动通信系统的

26、延伸。可与多个独立的公用网或专用网同时运行，允许网间互连。服务范围不受限制，可在室内、车上、飞机上使用。可面向漫游的用户和出国旅行者。系统设计具有高技术、低成本和高可靠性的特点。铱系统与全球星系统的比较67低轨道卫星移动通信网全球星系统（Globalstar）服务类型语音短信漫游定位传真数据传输68低轨道卫星移动通信网全球星系统（Globalstar）系统构成空间段关口地球站网控关口设备（NCG）网控中心（NCC）用户段69低轨道卫星移动通信网全球星系统（Globalstar）空间段8个轨道面，轨道倾角52，每轨道面6颗卫星，共48颗卫星。轨道高度1389 km。保证每一服务区3-4颗卫星覆盖

27、。每颗卫星可与用户保持10-12 min的连接与通信。卫星采用三轴稳定方式设计。70低轨道卫星移动通信网全球星系统（Globalstar）关口地球站作用：与网络中心互连，用公用电话网互连。71低轨道卫星移动通信网全球星系统（Globalstar）网控关口设备（NCG）作用：关口地球站通过网控关口设备与网控中心互连，一个网控中心可与一个或多个网控关口设备连接。72低轨道卫星移动通信网全球星系统（Globalstar）网控中心（NCC）网控中心通过网控关口设备与所有数据库通信，完成下列功能：数据库管理系统软件装载管理计费呼叫路由选择接入管理系统控制和管理73低轨道卫星移动通信网全球星系统（Glob

28、alstar）用户段单模移动终端：仅限于Globalstar系统内部使用。双模移动终端：既可在Globalstar系统内部使用，也可在地面蜂窝移动通信系统内使用。74低轨道卫星移动通信网全球星系统（Globalstar）系统运行全球星系统的网络运行75低轨道卫星移动通信网全球星系统（Globalstar）特点系统无星际交叉链路，不会旁路现有公共网，降低了通话费用面系统存在多种标准，为与其兼容，无星上处理CDMA技术辐射安全方面，手持机平均功率不到1W采用多端放大器，既可以自动把用户分配给各波束，也可以把用户集中到一个波束上用户端的功率可以控制，当电波遇到障碍的时候，瞬时功率可以增至67W。通过

29、卫星分集作用为移动用户提供仰角（超过40），使用户在高层建筑附近也不至于受到阻挡，同时还提高了通信质量7610.VSAT77VSATVSATVery Small Aperture TerminalVSAT卫星通信网利用大量小口径天线的小型地球站与一个大站协调工作构成的卫星通信网。VSAT卫星通信网的业务范围单向或双向数据、语音、图像及其它业务。VSAT卫星通信网的特点地球站设备简单，体积小，重量轻，造价低，安装与操作简单。组网灵活方便。通信质量好。直接面向用户，特别适合于用户分散、稀路由和业务量小的专用通信网。78VSATVSAT卫星通信网的组成主站VSAT网的核心。组成：高功率放大器、低噪声

30、放大器、上/下变频器、调制/解调器及数据接口设备等。主站还设有监控管理中心。远端VSAT小站组成：小口径天线、室外单元和室内单元卫星转发器79VSATVSAT卫星通信网的工作原理主站发射功率大（EIRP值高）、能接收微弱的信号（G/T值大），可与远端VSAT小站直接进行通信。远端VSAT小站发射功率低（EIRP值小）、不能接收微弱的信号（G/T值低），远端VSAT小站间不能直接进行通信，必须经主站转发，以“双跳”方式进行工作。8011.军事通信卫星系统 81军事通信卫星系统分类战略通信卫星提供全球战略指挥、控制、通信和情报传输（包括侦察卫星回去的情报）战术通信卫星提供地区性战术通信，包括军用飞机、舰船、车辆、分队和单兵的移动通信82军事通信卫星系统特点机动性抗干扰保密性生存能力83军事通信卫星系统军事通信卫星系统实例国防卫星通信系统（美）舰队通信卫星系统（美）空军卫星通信系统（美）8412.中国的卫星通信系统85中国的卫星通信系统“东方红一号”第一颗试验卫星，1970年4