4卫星通信系统基础详解

吕晶教授南京通信工程学院卫星通信系统基础11概述1、1卫星通信的基本概念什么是卫星通信利用人造地球卫星作为中继站转发或反射无线电信号，在两个或多个地球站之间进行的通信。通信卫星地球站地球站21概述1、1卫星通信的基本概念“地球站”与“地面站”地球站指在地球表面的无线电通信站，包括地面站、机载站和船（舰）载站。地面站机载站船（舰）载站31概述1、1卫星通信的基本概念“视距”通信在视线可达、“看得见”人造卫星的范围通信41概述1、1卫星通信的基本概念是一种特殊的微波中继通信方式属宇宙通信之一地球站与宇宙站之间宇宙站之间通过宇宙站的转发或反射进行的地球站之间51概述1、1卫星通信的基本概念星间链路与星际链路同轨道卫星之间的通信链路－－ISL（Inter-SatelliteLinks）不同轨道宇宙站之间的通信链路－－IOL（Inter-OrbitLinks）61概述1、2卫星通信系统的基本组成空间分系统（通信卫星）监控管理分系统地球站地球站地球站跟踪、遥测、指令分系统通信地球站分系统71概述1、2卫星通信系统的基本组成跟踪遥测及指令分系统放射阶段：对卫星进行跟踪测量，限制其精确进入指定轨道的指定位置。运行阶段：对在轨卫星的轨道、位置及姿态进行监视和校正（轨道修正和位置保持）。81概述1、2卫星通信系统的基本组成监控管理分系统对在轨卫星的通信性能及参数进行业务开通前的监测和业务开通后的例行监测和限制，以保证通信卫星的正常运行和工作。91概述1、2卫星通信系统的基本组成空间分系统－通信卫星无线电中继站电源装置通信装置遥测指令装置控制装置101、2卫星通信系统的基本组成通信地球站分系统无线电收发信台，是用户接入卫星线路的接口。1概述111概述1、3卫星通信系统的组网形式网状网Mesh-likenetwork星状网Star-likenetwork121概述1、4卫星通信系统的发展及动向从应用上看国际---国内、地区---企业、住家---手持从业务范围看固定业务---移动业务点对点多路复用电话和电视节目的中继传输---数据、传真、会议电视等---多媒体、ISDN业务（利用VSAT构成卫星广域网）---流媒体、数字广播131概述1、4卫星通信系统的发展及动向从技术上看模拟---数字（兼容性、灵敏性、经济性、可再生、差错限制等）多种多址技术更高的频段（干扰、容量）星上设备和功能越来越简洁、功率小设备和功能日趋困难和完善、功率大141概述1、4卫星通信系统的发展及动向从技术上看地球站中心站技术越来越困难、功能日趋齐全远端站多功能、小型化、低成本（全数字化、软件化）轨道多样化、困难化总的来看，围绕四大资源的有效利用进行。151概述1、5卫星通信系统的四大资源频带功率时间（寿命）轨道位置161概述1、6卫星通信的特点卫星通信的优点无缝隙覆盖实力宽域的困难的网络拓扑构成实力移动性距离不敏感性171概述1、6卫星通信的特点卫星通信存在的问题时延问题高速宽带问题高性能、低误码率问题网络限制协议优化设计问题轨道/频谱支配与干扰协调问题182卫星通信的电波传播和工作频段2、1电波传播192卫星通信的电波传播和工作频段2、1电波传播卫星通信系统中的传播损伤

传播损伤物理原因主要影响对象衰减和太空噪声的增加大气层中的大气、云、雨大约10GHz以上的频率信号去极化降雨、冰晶C和Ku波段的双极化系统（与系统配置有关）折射、大气层的多径大气层中的大气低仰角时的通信和跟踪信号闪烁对流层和电离层的折射率起伏对流层：10GHz以上的频率和低仰角；电离层：10GHz以下的频率反射多径、阻挡地表面、地球表面上的物体卫星移动业务传播时延、变化对流层、电离层精确定时和定位系统，时分复用多址接入(TDMA)系统系统间干扰风管、散射、衍射目前主要是C波段；降雨散射可能会影响更高频率202卫星通信的电波传播和工作频段2、1电波传播大气吸取损耗大气吸取损耗是由地球大气层的气体吸取能量引起的。大气吸取损耗随着频率的变更而变更。212卫星通信的电波传播和工作频段2、1电波传播 大气吸取损耗气压＝1个标准大气压温度＝20C水蒸气含量＝7.5g/m3222卫星通信的电波传播和工作频段2、1电波传播大气吸取损耗大气吸取存在两个吸取峰值点：第一个峰值点在22.3GHz频率处，主要是由水蒸气(H2O)谐振吸取引起的。其次个峰值点在60GHz频率处，主要是由氧气(O2)谐振吸取引起的。在明显离开峰值点的其它频率处，吸取损耗相当的低。232卫星通信的电波传播和工作频段2、1电波传播大气闪烁效应是一种衰落现象。由大气层中不同的折射率而引起电磁波的聚焦和扩散，造成传播路径的不同而引起。衰落周期约几十秒。链路预算时引入备余量来补偿。242卫星通信的电波传播和工作频段2、1电波传播电离层效应电离层中自由电子的不规则变更引起的信号随机起伏变更。影响包括闪烁、吸取、到达方向变更、传播时延、散射、频率变更和极化（法拉第）旋转。对卫星通信而言，主要是闪烁和极化旋转。全部影响随频率增加而减小，且大多数与频率平方成反比。252卫星通信的电波传播和工作频段2、1电波传播电离层闪烁电离层闪烁的主要影响是对信号可能产生严峻的衰落。可能持续几分钟。链路预算时引入备余量来补偿。262卫星通信的电波传播和工作频段2、1电波传播极化旋转极化偏移的角度（法拉第旋转）与电磁波通过电离层路径的长度、地球磁场强度、电子密度等因素有关。法拉第旋转与频率的平方成反比，10GHz以上时可忽视。圆极化时不对电场的同极化或交叉极化重量产生影响；线极化则需极化跟踪。272卫星通信的电波传播和工作频段2、1电波传播降雨衰减是由于雨滴的散射和吸取引起。单位降雨衰减是降雨率的函数。降雨率指雨水蓄积的速度；降雨率超过指定值的时间百分比。单位降雨衰减与频率和极化方式有关。降雨衰减与信号经过降雨区域的有效路径长度有关。282卫星通信的电波传播和工作频段2、1电波传播降雨衰减292卫星通信的电波传播和工作频段2、1电波传播各种外部噪声宇宙噪声大气噪声－与频率、仰角有关降雨噪声－与雨量、频率、仰角有关地面噪声干扰噪声302卫星通信的电波传播和工作频段2、2卫星通信的工作频段卫星通信工作频段的选择是一个特殊重要的问题，它将影响到系统的传输容量、地球站及转发器的放射功率、天线尺寸和设备困难程度等。312卫星通信的电波传播和工作频段2、2卫星通信的工作频段选择原则电离层不能成障碍天线系统接收的外界噪声尽量小电波传输损耗尽量小各种干扰尽可能避开具有较宽的可用频带322卫星通信的电波传播和工作频段2、2卫星通信的工作频段无线电频率分区区域1：欧洲、非洲、前苏联和蒙古。区域2：南北美洲和格陵兰岛。区域3：亚洲（除区域1中的地区外）、澳大利亚和 西南太平洋在这些区域，卫星频带被支配给各种卫星业务。一种给定的业务在不同的区域可能支配给不同的频带——防止同频干扰；也可能支配给相同的频带——提高频谱利用率。332卫星通信的电波传播和工作频段2、2卫星通信的工作频段卫星供应的业务卫星固定业务（FSS）卫星广播业务（BSS）卫星移动业务（MSS）卫星导航业务卫星气象业务卫星间业务342卫星通信的电波传播和工作频段2、2卫星通信的工作频段卫星通信目前运用的频段VHF（0.1～0.3GHz）UHF（0.3～1GHz）L波段（1.0～2.0GHz）S波段（2.0～4.0GHz）C波段（4.0～8.0GHz，4/6GHz）X波段（8.0～12.0GHz）Ku波段（12～18GHz，11/14GHz，12/14GHz）K波段（18～27GHz）Ka波段（27～40GHz，20/30GHz，20/40GHz）352卫星通信的电波传播和工作频段2、2卫星通信的工作频段363通信卫星3、1卫星轨道开普勒定律普遍适用于宇宙中通过重量相互作用的随意两个物体。（主体和副体或卫星）开普勒定律卫星围绕地球的运动轨迹是一个椭圆，且地心在这个椭圆的一个焦点上。对于相同的时间间隔，地心指向卫星的矢量扫过的面积相同。轨道周期的平方正比于地心到卫星的平均距离的立方。此平均距离等于长半轴。373通信卫星3、1卫星轨道卫星轨道分类按轨道形态－圆轨道和椭圆轨道按轨道平面倾角－赤道轨道、极轨道和倾斜轨道按轨道高度－静止轨道、中轨道、低轨道和长椭圆轨道按运转周期及相对地球运动关系－同步轨道和非同步轨道383通信卫星3、1卫星轨道卫星轨道分类LEOMEOGEOHEO393通信卫星3、1卫星轨道对地静止轨道相对地球表面的固定视察者呈现静止状态的卫星，称作对地静止卫星，简称静止卫星。对地静止卫星运行的轨道称为对地静止轨道，简称静止轨道。403通信卫星3、1卫星轨道成为对地静止轨道的三个条件卫星必需以与地球相同的旋转速度向东运动。轨道必需是圆形的。轨道的倾角必需为零度。对地静止轨道只有一条，资源珍贵413通信卫星3、1卫星轨道卫星的摄动－偏离开普勒定律所确定的志向轨道的现象太阳、月亮引力的影响－南北漂移地球引力场不匀整的影响－东西漂移地球大气层阻力的影响太阳辐射压力的影响－东西漂移必需实行位置保持技术，克服摄动423通信卫星3、1卫星轨道星蚀和日凌中断日凌星蚀星蚀秋分春分433通信卫星3、1卫星轨道轨道平面倾斜效应OΔθ

Δφ

A1B1Δφ＝φB－φAΔθΔφ443通信卫星3、2通信卫星的覆盖地球覆盖区分类453通信卫星3、2通信卫星的覆盖地球覆盖区分类463通信卫星3、2通信卫星的覆盖亚洲四号Ku波束点波束覆盖图实例473通信卫星3、3通信卫星的组成有效载荷收发天线支持通信传输的电子设备－转发器483通信卫星3、3通信卫星的组成卫星平台舱体电源－太阳能帆板、蓄电池姿态限制－空间指向的限制轨道限制－轨道位置的保持温度限制－维持固定的温度条件TT&C（遥测、跟踪和指令系统）493通信卫星3、3通信卫星的组成透亮转发器实质上是一部宽频带的收、发信机503通信卫星3、3通信卫星的组成透亮转发器中宽带接收机513通信卫星3、3通信卫星的组成透亮转发器中去复用器523通信卫星3、3通信卫星的组成透亮转发器中功率放大器533通信卫星3、3通信卫星的组成透亮转发器中功率放大器543通信卫星3、3通信卫星的组成处理（再生）转发器

LNA主振源本振本振变频

变频

解调

功放

信号处理单元

调制接收天线发射天线553通信卫星3、3通信卫星的组成处理（再生）转发器相对透亮转发器的优势避开上下链路噪声的积累上下行链路性能、调制解调方式一样时，总体性能再生卫星优隔离上下行链路中非线性的影响可降低对地球站的要求（EIRP、G/T值）563通信卫星3、4转发器的主要性能指标G/T值（“性能因数”或“品质因数”）EIRP（有效全向辐射功率）SFD（W）饱合通量密度带宽与极化方向输入补偿BOi与输出补偿BOo573通信卫星584地球站4、1地球站的主要性能指标全向有效辐射功率（EIRP）－放射实力品质因数（G/T）－接收灵敏度射频工作范围载波频率精确度和稳定度EIRP的稳定度594地球站4、2地球站的组成一个典型的收发双工地球站，一般包括天线分系统、放射分系统、接收分系统、信道终端设备分系统、伺服跟踪设备分系统、监控分系统、用户接口分系统和电源分系统等组成。604地球站4、2地球站的组成用户接口分系统发基带处理单元调制器上变频器极化变换极化分离跟踪信号检测解制器下变频器路合器收基带处理单元接收波分离低噪声放大器跟踪接收机功率放大器驱动装置程序跟踪角度检测电源分系统发射分系统接收分系统市电至各分系统至各分系统信道终端设备分系统伺服跟踪分系统监控分系统天线分系统614地球站4、2地球站的组成天线分系统完成发送信号、接收信号和跟踪卫星的任务，是确定地球站容量和通信质量的关键组成部分之一。要求：工作频率范围足够宽；具有较高的增益和合乎要求的辐射波瓣；尽可能低的等效噪声温度；良好的旋转性能及机械精密度等。624地球站4、2地球站的组成放射分系统将基带信号对中频进行调制，合路后经上变频和功率放大，最终馈送给天线。要求：足够的输出功率，以满足EIRP的要求；放射功率、频率稳定；通频带足够。634地球站4、2地球站的组成接收分系统对收到的微弱信号进行放大、下变频和解调。要求：低噪声；宽频带；选择性好。644地球站4、2地球站的组成信道终端设备分系统完成基带信号的处理和变换。包括信道编码、话音编码、数据压缩等。用户接口分系统完成对外部及与地面通信线路的接口。654地球站4、2地球站的组成监控分系统监视系统内各种设备的工作状态，发生故障是能告警及故障处理。可能包括网管代理。伺服跟踪设备分系统保证地球站天线对准卫星。664地球站4、2地球站的组成电源分系统对全部通信设备及帮助设备供电。要求：定电压、高牢靠、不间断。675多址技术5、1多址接入单址接入卫星上的一个转发器通道被来自地球站的一个发送信号全部占用，这种工作方式称为单址接入工作模式。多址接入多个载波共用一个转发器，这些载波来自地理上相隔很远的很多地球站，每个地球站可能放射一个或多个载波，这种工作模式被称为多址接入。685多址技术5、1多址接入基本的多址接入方式FDMATDMACDMASDMA多址接入与多路复用是两个不同的概念695多址技术5、1多址接入地球站（a）频分多址（b）时分多址（c）码分多址卫星卫星卫星

t1t2t3t4tN

时间

123N

地址码f1f2f3fN频率705多址技术5、1多址接入三种基本多址方式的三维表示715多址技术5、1多址接入三种基本多址方式的三维表示SDMAPDMASDMA+PDMA725多址技术5、2多址支配制度基本概念为了充分利用卫星转发器的功率和频率资源而进行的卫星通道的支配方式。这里的通道对应着FDMA的频带、TDMA的时隙、CDMA的码型、SDMA的窄波束。735多址技术5、2