第三章航天器通信内容之遥感和卫星通信

ContentsofSpacecraftCommunication（Remotesensingandsatellitecommunication）(遥感和卫星通信)1RemoteSensingImageMicrowaveImagingTechnology（微波成像）Microwave:electromagneticwaveswithfrequencyof300MHz~300GHz,correspondingtoawavelengthof1m~1mm;withahighfrequencyandfrequencybandwidth,largeinformationcapacity,andsmallwavelength,itcanpenetratetheionosphere（电离）andhasgooddirectionfeatures.MicrowaveImaging:Aimagingmeanusingmicrowaveastheinformationcarrier.Theory:Usemicrowavetoirradiate(照射)theobject,andthenreconstructtheobjectoritspermittivity（介电常数）distributionbymeasuringtheexternalscattered（散射）fieldoftheobject.2SyntheticApertureRadar(SAR)合成孔径雷达

Usingtherelativemotionoftheradarandthetarget,synthesize（合成）arealsmallsizeantennaaperture（孔径）asalargeequivalent（等价的）antennaapertureradar.

Characteristic:Highresolution,canworkaroundtheclock（全天候）,canefficientlyidentifycamouflage(伪装)andpenetratecovering(穿透掩盖物)Purpose:Aerialsurvey航空测量,aerialremotesensing航空遥感,satelliteoceanobservations卫星海洋观测,spacesurveillance航天侦察,imagematchingguidance图像匹配制导DeepSpaceExploration:Explorethegeologicalstructure地质结构oftheMoonandtheVenus3Three-dimensionalDigitalImaging（三维数字成像）Formatdigitalimagewiththethree-dimensionalcoordinates（坐标）ofgroundtargets.Theory:Whileobtainingmulti-bandspectralthatreflectsgroundtargetsradiation（辐射）’senergyinformation,synchronouslyacquirethevariousdataandparametersaboutearthpositioning(X,Y,Z).Bysimplesynchronouscalculationandreal-timeprocessing,sothatinindigitalimage,eachpixel象元constitutedofmulti-bandspectralenergyinformationofgroundtargetscontainsthree-dimensionalgeographiccoordinatevalues​​(X,Y,Z).4Hyperspectral（高光谱）ImageSpectralresolutionintherangeofmagnitude(量级)λ/10Intheelectromagneticspectrum:visible可见,nearinfrared近红外,themid-infrared中红外andthermalinfraredrange热红外Acontinuousimagedatatechnologybygettingalotofverynarrowspectral.Whileacquirethesurfaceoftheimageinformation,alsoobtainspectralinformation.Itfirstlycombinesthespectraandimage,andcontainsawealthoftripleInformationincludingspace,radiationandspectral.5Theimageinformationmayreflectthequalityoftheexternalcharacteristicsofsize,shape,defects（瑕疵）,sample,whileSpectralinformationcanfullyreflectthedifferencesinthephysicalstructureandchemicalcompositionofthesampleinterior（本质）.6OthercontentsofDeepSpaceCommunicationSound:VoicebetweenAstronautsandgroundSpacecraftsoundmonitorSoundonotherplanetsData:EquipmentmonitoringdataScientificexperimentaldataScientificMetrology（计量）andSurveying（测绘）data7卫星通信卫星通信，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一8卫星通信示意图9（1）轨道形状圆形：地球的中心处于圆形轨道的圆心椭圆形：地球的中心应处于椭圆轨道一个焦点上（2）卫星轨道倾角赤道轨道：卫星轨道平面与地球赤道平面重合，即轨道倾角为0°极地轨道：卫星轨道平面与地球南北极的轴线重合，即轨道倾角为90°倾斜轨道：卫星轨道平面与地球赤道平面之间的夹角在0°～90°之间

卫星的轨道10（3）卫星轨道离地面的高度按卫星轨道离地面的高度分成：低轨道（LEO）。高度为500km～2000km或500km～3000km（许多在1500km以下），运行周期约2～4小时中轨道（MEO）。高度为2000km～20000km或3000km～20000km，周期约为5h～6h（对约10000km高度而言）高轨道（HEO）。通常高度在20000km以上，周期大于12h。

11（4）

同步卫星（静止卫星）何谓同步卫星：卫星的轨道与地球赤道平面相重合、且离地球表面高度为35786.6km的圆形轨道上沿与地球的自转方向相同的方向飞行，则卫星绕地球一周的时间为23小时56分04秒。同步卫星的通信范围卫星所能照射的地球上区域

全球表面积的42.4%

1213卫星通信工作频段地球站发射，通信卫星接收所使用的频率叫做上行频率；通信卫星发射，地球站接收所使用的频率叫做下行频率。卫星通信上下行通信频率卫星通信的工作频段常用：上（下）行（线）／下（上）行（线）频段来表示

比如，6／4GHz频段

上下行分开是为了免于相互干扰。目前大都实用C波段的6／4GHz频段上行频率为5.925～6.425GHz；下行频段为3.7～4.2GHz。可用带宽500MHz，可设12个转发器，40MHz/转发器，14政府、军事：x频段的8／7GHz频段上行频率为7.9GHz～8.4GHz下行频率为7.25~7.75GHz。

这样，将民间卫星通信频段和政府部门、军事部门卫星通信频段分开，可以避免相互之间的干扰。

15ku频段的14／11GHz频段上行频率为14～14.5GHz下行频率为11.7～12.2GHz，或为10.95～11.2GHz和11.45GHz～11.7GHz并已用于卫星通信和卫星广播业务中。目前卫星通信又使用ka频段的30／20GHz频段，

上行频率为27.5~31GHz下行频率为17.7～21.2GHz；可利用带宽可达3500MHz16

卫星通信的特点（1）优点通信距离远，而通信的成本与通信距离无关。

利用静止卫星单跳最大通信距离达1800km。建站费用和运行费用不应通信站之间的距离不同而改变，通信覆盖面积大，具有多址通信能力一颗同步卫星可覆盖地球表面积的42%左右，在这个覆盖范围内的地球站，不论是地面、海上或空间，都可同时共用这一颗通信卫星来转发信号，即实现双边和多边通信。这种同时实现多个方向、多个地球站之间直接通信的特性称为多址连接。17通信频率宽，传输容量大，适于多种业务传输

由于卫星使用微波频段，因而可使用频带宽，通信容量大，适于传送电话、电报、数据、宽带电视等多种业务。一颗卫星的通信容量达数千以至上万路电话，其通信容量仅次于光纤通信。通信线路稳定可靠，通信质量高

卫星通信的电波主要是在大气层以外的宇宙空间传输，而宇宙空间差不多处于理想的真空状态，因此电波传输比较稳定，受天气、季节或人为干扰的影响小，所以卫星通信稳定可靠，通信质量高，卫星线路的畅通率都在99.8%以上。通信电路灵活卫星通信不受地形、地貌等自然条件的影响，如丘陵、沙漠、丛林、高空及海洋上都能实现卫星通信。18卫星通信的应用范围长途电话、传真电视广播、娱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19卫星通信和地面通信的对比名称卫星通信地面通信覆盖范围广泛局部传输方式一跳或两跳多结点接力固定资费低高传输质量高高设备投资低低端站搬迁灵活搬动、自动开通有限区域内搬动，申请之后开通20通信卫星的外观（一）21通信卫星的外观（二）22通信卫星与地球站1．通信卫星通信卫星是卫星通信系统的核心，由通信装置及其辅助设备组成。通信装置包括卫星天线和通信转发器，辅助设备由姿态控制（跟踪、遥测与指令分系统）、电源等辅助设备组成。

231)卫星天线通信卫星上使用的天线有两种类型：全向测控天线和定向通信天线(1)全向测控天线用来接收地球站发给卫星的指令，并向地球站发送遥测数据和信号。以便在任意卫星姿态可靠地接收指令和向地面发射遥测数据及信号；当卫星收到指令后，将它送到控制单元，以调整卫星的运行轨道和卫星的自旋姿态，使卫星天线准确地指向地球上的波束覆盖区。24(2)定向通信天线它与地面微波通信天线类似。参见图5-29，按照天线发射电磁波束所覆盖地面区域的大小，可将定向通信天线分为以下三类：252)卫星转发器

通信用的转发器是卫星上的主要设备，直接起中继站作用的部分。完成接收、处理、发射信号作用。对卫星通信而言，转发器是一台宽频带的微波收发信机；在卫星通信系统中，转发器给系统引进的附加噪声和失真应该尽可能小，并能够提供足够的功率放大能力，以输出足够的微波信号功率，有效、可靠地为地球站转发微波信号26转发器功能可简述如下：从发送地球站发出的上行频率信号，经卫星的接收天线接收及双工器后被送入低噪声放大器放大。然后经频率变换器变换成下行频率，再经功率放大器放大后通过双工器由同一通信天线发向地球站。其中，双工器对发送和接收的信号进行隔离，而变频处理是为了使上行信号和下行信号工作频率是不同的，其原因是为避免在卫星通信天线中产生同频信号干扰。由此可见，转发器的功能并不仅仅是简单地转发微波信号，而且还要对转发的微波信号进行相应的处理。27卫星上转发器的数量各不相同，通常把卫星的整个工作频带划分为多个信道，每个信道占用不同的频带，并且有各自的功放。信道数目就是该卫星的转发器数目。例如，IS-Ⅳ卫星把整个通信频带（500MHz）划分为12个信道，因此该卫星共有12个转发器。283)轨道校正与姿态控制（跟踪、遥测与指令分系统）卫星在其轨道上运行时，由于受到地球、月亮、太阳等引力的作用而缓缓移动，使卫星偏离预定的轨道而产生“摄动”，并使卫星不能保持一定的姿态而翻滚。摄动：由于地球、太阳、月球等引力和大气阻力影响造成的卫星轨道参数的变化，导致卫星偏离轨道、产生漂移的现象。可通过跟踪、遥测与指令系统来完成29遥测设备是用各种传感器和敏感元件等器件不断测得有关卫星姿态及星内各部分工作状态等的数据，经处理后，通过专用的发射机和天线发给地面的跟踪、遥测指令系统。地面的跟踪、遥测指令系统接收并检测出卫星发来的遥测信号，转送给卫星监控中心进行分析和处理，然后再由地面的跟踪、遥测指令系统向卫星发出有关姿态和位置校正、星体内温度调节、主备用部件切换、转发器增益换档等控制指令信号。

30指令设备专门用来接收地面的跟踪、遥测指令系统发给卫星的指令，进行解调与译码后储存起来，并经遥测设备发回地面进行校对。在核实无误后发出"指令执行"信号，指令设备收到后，再将储存的各种指令发送到控制分系统，再由各执行机构正确地完成控制动作。

31卫星在轨道上的漂移(摄动)，必须予以定期(一月左右)的校正，否则产生的不良后果:①轨道上相邻位置的卫星如果漂移太近，电波波束将产生邻星干扰；②对于大天线的地球站，波束宽度很窄(比如，30m的A型天线，波束宽为0.18°)。天线自动跟踪有一定范围，卫星过大的偏离轨道将使波束不能对准卫星。克服：（校正卫星轨道的方法）启动星体上多个有不同方向喷嘴的小火箭。静止通信卫星上的控制分系统是由一系列机械的或电子的可控调整装置组成，如各种喷气推进器、驱动装置、加热及散热装置，各种转换开关等等。他是在跟踪、遥测指令系统的指令控制下完成对卫星的各种控制。32卫星在轨道上不能保持正常的姿态(产生翻滚)，将使通信用天线的波束不能对准地球，使通信无法进行。姿态控制的方法分星体自旋稳定方式和三轴姿势控制方式两种。自旋稳定方式是让卫星以一个惯性主轴为中心旋转，利用陀螺旋转原理(慧星稳定姿势的原理)来稳定卫星的姿势。三轴姿势控制方式比旋转稳定方式其控制要复杂一些，但由于能搭载大的太阳能电池板，所以随着卫星的大功率化，三轴姿势控制方式已成主流。

334)卫星上的电源星蚀卫星上的电源有太阳能电池和化学蓄电池、原子能电池等。目前仍以太阳能电池和化学电池（镍隔蓄电池）为主。国际卫星7号(IS－Ⅶ)的电池单元片固定在两块长度为10m的臂面板上，可提供3900W的功率。太阳能电池是把太阳辐射的光能直接转换为电能的装置。大多用N－P型单晶硅薄片贴在星体表面的绝缘膜上或专用的帆板上，将各片的电极适当分组串、并联起来，构成输出功率较大的太阳能电池阵。但它的输出的电压很不稳定，须经电压调节器后才能使用。

34在有太阳照射时，用太阳能电池供电并使化学电池充电，而星上备有的蓄电池是供卫星产生日蚀时使用的。这里所谓“日蚀”(也称星蚀)，是每年春分和秋分前后在每天午夜后的十～几十分钟内(最长76分钟)，卫星、地球和太阳将共处在一条直线上，此时卫星处于地球的阴影区内，即发生了“日蚀”。卫星的寿命主要取决于太阳能电池的寿命、星载燃料的消耗(作轨道校正等控制机构的能源)和通信系统元器件(主要是功率放大器)寿命等因素。352．地球站：典型的地球站由天线馈线设备、发射设备、接收设备、信道终端设备、跟踪伺服设备、电源设备及监控设备组成。

地球站接收系统

地球站天线分系统36静止通信卫星实际上并非完全静止。虽然星上有位置控制设备，但它还是有一定的漂移，而一般地球站天线的波来很窄，因此卫星的漂移可能导致地球站天线瞄准的方向不是最佳指向。从而大大减弱卫星收到的信号能量。为使地球站天线始终对准卫星，需要跟踪设备。地球站天线跟踪卫星的方法有三种自动跟踪、手动跟踪、程序跟踪。自动跟踪能使天线连续跟踪卫星且精度较高。在大型标准地球站中，通常以自动跟踪为主，手动跟踪和程序跟踪为辅。37卫星通信系统的基本组成

1．卫星通信系统的基本组成卫星通信系统主要由空间部分(通信卫星)和地面部分(地球站、测控系统、监控管理系统)组成。通信卫星和地球站是直接用来进行通信的，测控系统、监测管理系统是为保证系统的正常运行而设置的。38卫星通信系统的基本组成测控管理分系统跟踪遥测指令分系统通信地球站系统空间分系统39测控系统的任务在卫星发射过程中对卫星进行跟踪并控制卫星准确地进入轨道上的定点位置。在卫星正常运行过程中，测控系统将对它的轨道校正、位置和姿态保持进行控制监控管理系统的任务：在通信开通之前，对通信系统的参数进行测试和鉴定。在通信业务开展过程中，对卫星和地球站的各项通信参数进行监视和管理。

40卫星通信系统的工作流程当A地的N个用户要与B地的N个用户通话时，A地用户的电话信号先经A地市内通信线路送到地球站A的终端设备，进行多路复用。复用后所得基带信号再送到调制器对中频(如70MHz)副载波进行调制。然后再将中频信号经上变频变为频率为ƒ1(如6GHz)的微波信号，最后经功率放大后送往天线发射上卫星。信号经上行线路到达卫星时，要穿过大气层和自由空间，因此会受到衰减，并会遭受噪声等干扰的影响。卫星中的转发器在对信号进行放大、变频等处理后，以频率为ƒ2(如4GHz)的微波信号进行功放、发射，经下行线路传到地球站B。41由于卫星转发器的功率、天线增益等均有限，同时，信号经下行线路到B站时也要经过自由空间并穿过大气层，这使到达B站的信号功率很微弱。经地球站B用高增益的天线和低噪声的接收机接收、放大后，进入下变器变成中频信号再进一步放大，然后送到解调器，解调器输出的基带信号经多路分解设备分解成各路话音信号，最后通过B地市内通信线路送到相应用户。B地向A地送话音信号的过程与上述一样，但上行频率为ƒ3、下行频率用ƒ4，为避免干扰，取ƒ3≠ƒ1，ƒ4≠ƒ2。注意这里的多址方式是认为采用了频分多址的方式，即各地球站均以不同的射频频率与卫星联接。425.4.4卫星通信系统的基本组成2．卫星通信系统的工作过程43卫星通信中的多址方式多路复用和多址(联接)方式都是利用一条信道同时传输多个信号。在实际应用中，多址技术常与多路复用技术混合使用。下面简单介绍卫星通信中的多路复用和多址联接方式。多址联接方式和多路复用(例如，FDM和TDM)有类似的含义；多路复用：将同一信道传输的多路复用(例如，FDM和TDM)信号分割到“路”(一路就是一个用户)。卫星通信中多路复用是指把通过一个地球站传输的多个用户的信号，如电话或电视信号，通过变换组合在一起，形成一路复用信号。44多址联接方式：卫星：同时实现多个方向、多个地球站之间直接通信的特性称为多址连接。扩充：将同一无线信道传输的多个无线电已调波信号分割到“址”，例如，卫星通信中的地球站、地面微波站、移动通信中的基站；452、卫星通信中的多址联接从地球站角度：多址连接是指在卫星的覆盖区内，各地球站通过同一个卫星，同时分别建立相互之间的通信线路而实现的各地球站之间通信的一种方式。从卫星通信角度：多址连接方式下卫星通信能同时实现多方向多个地面站之间的相互联系。关键技术：卫星波束覆盖区内的多个地球站，以何种方式各自占有信道接入共同的卫星从卫星转发下来的总信号中分出发给自己的信号。接收信号，从而实现各地球站相互之间通信的一种方式。4647实现多址连接的技术基础：信号分割，就是在发端对信号进行适当的设计，使系统中各地球站所发射的信号各有差别；而要求各地球站具有信号识别能力，能从卫星转发的总信号中只收本站所需的信号。常用的多址连接方式有：频分多址FDMA时分多址TDMA码分多址CDMA空分多址SDMA

或混合多址等。48(1)频分多址(FDMA)FDMA方式示意图当多个地球站共用卫星转发器时，如果根据配置的载波频率的不同来区分地球站的地址，这种多址联接方式就叫FDMA方式。其转发器频带资源占用特点是：频分复用的多址用户利用不同的频段，可在同一时间互不重叠地共享信道(转发器)的带宽资源。49频分多址（FDMA）SFTWF50FDMA转发器图站1站2站k51(2)时分多址(TDMA)时分多址TDMA的原理是用不同的时隙来区分地球站的地址，该系统中只允许各地球站在规定时隙内发射信号，这些射频信号通过卫星转发器时，在时间上是严格依次排序、互不重叠的。采用TDMA方式，一般需要一个时间基准站提供共同的标准时间，保证各地球站发射的信号进入转发器时在规定的时隙而不互相干扰。其转发器资源占用特点是：时分复用的各多址用户利用不同的时隙，在不同的时间，可使用相同的载波频率，独自占用信道的全部频带资源。52时分多址（TDMA）SFTT53TDMA方式示意PfABC54TDMA方式55(3)空分多频(SDMA)容分多址空分多址方式是利用天线的方向性来区分各区域的地球站信号，即在卫星上安装多个天线，各天线的波束分别指向地球上不同的区域。这时，即使不同区域地球站在同一时间用相同的频率工作，但因各区域的地球站发出的信号在空间不重叠，不会产生干扰，从而可以容纳更多的用户，起到频率再用的作用。不过这种方式要求卫星天线有多个窄波束(即点波束)并且所指的方向十分准确。56空分多址（SDMA）FTSS57各类波束示意图区域波束点波束全球波束

地球58(4)码分多址(CDMA)码分多址是近年来推出的新的多址方式，由于其抗干扰性强，高保密性等特点，早期在军事通信领域应用较广，近年逐步发展到民用技术如卫星通信和移动通信中。在CDMA方式中，各站在通信时都被分配一个特殊的编码信号，称为地址码。地址码的区分就是利用地址码编码信号码型结构上的不同来实现的。而且只有相互通信的地面站被指定使用相同的地址码，任意两个没有通信关系的两个站的地址码不仅各不相同且都是相互正交的。59不同码，在一个周期内积分，结果为0；相同码，在一个周期内积分，结果大于0；60在CDMA通信中，各站所发射的载波一般要被两种信号调制：一是受待发送基带信号(一般是数字基带信号)的调制；二是受地址码的调制。各站接收时，所接收的信号虽然为各地面站所发信号的叠加信号，但只有与发送地面站所用地址码相对应的收信机才能检测出发给自已的信号，其他收信机由于没有相应的地址码，因而没有输出，或者说仅表现为背景噪声，而且它们可以被接收地面站相关的电路去掉。可见，CDMA方式是按照信号码型不同来区分地球站的。其转发器资源占用特点是：各地球站可在任意的时间，使用同一个载波，共用一个频带，也不会相互干扰。61码分多址（CDMA）62另外指出，由于发送信号经地址码加工处理后，其频率范围(频谱宽度)大为扩展，故通常又将CDMA多址方式称为“扩展频谱多址方式”，属于扩频通信的范畴。通常所说的扩频通信，是指用高速率数字信号调制载波，将信号频谱扩展到更宽广频带的一种通信。这样做的结果，将使被携带消息(数字信号)的幅度低于噪声幅度，使之淹没到噪声中去，以此来提高通信的隐藏性和抗噪声干扰能力，颇有点：“以毒攻毒”的思想。

63(5)混合多址混合多址方式是以上四种多址方式的混合运用，如在SDMA方式的情况下，同一波束覆盖区内的若干个地球站再以FDMA或TDMA方式区分，则构成SDMA—FDMA混合方式或SDMA—TDMA混合方式。64频分多址（FDMA）：不同地面站通过不同的载频区分各话路时分多址（TDMA）：不同地面站通过路时隙区分各话路空分多址（SDMA）：通过星上多根窄波束天线，对准不同地面站。码分多址（CDMA）：各地面站使用同频传输，通过携带不同的地址码区分不同地面站。6566各种多址方式的比较方式优点缺点频分多址FDMA1、调制器工作速度低2、不需复杂同步即可避免与其他站所发信号的干扰，易实现多址联接1、每个转发器的传输容量小2、不易适应各种速率的数字信号传输时分多址TDMA1、可最大限度的利用转发器的发信功能2、可灵活处理各地球站电路容量的变化1、需采取同步措施，基带处理电路复杂2、发信功率需与每个转发器相对应码分多址CDMA1、可按需多发信号2、抗干扰性能强1、需要较宽的频带转发器2、原采用的技术频谱利用率低67VSAT卫星通信网68VSAT是英文“VerySmallApertureTerminal”(甚小口径终端)的缩写，简称小站。它是国外20世纪80年代发展起来的一个卫星通信新领域。所谓VSAT，是指一类具有甚小口径天线的智能化小型或微型地球站。这类小站可以很方便地安装在用户处。通常，大量这类小站与一个大站协同工作，构成一个卫星通信网，能够支持范围广泛的单向或双向数据、话音、图像及其它综合电信及信息业务。它的出现，是一系列先进技术综合运用的结果。发展背景

VSAT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。利用这种系统进行通信具有灵活性强，可靠性高，成本低，使用方便以及小站可直接装在用户端等特点。借助VSAT用户数据终端可直接利用卫星信道与远端的计算机进行联网，完成数据传递、文件交换或远程处理，从而摆脱了本地区的地面中继线问题，这在地面网络不发达、通信线路质量不好或难于传输高速数据的边远地区，使用VSAT作为数据传输手段是一种很好的选择。它将是未来电信系统的重要组成部分，依赖地面超大容量光纤网，以及空间宽带卫星网，使用户设备方便地直接接入全国或全球宽带网络。VSAT具有很多优点，设备简单、体积小、耗电少；组网灵活、容易扩充用，安装维护简便；通信效率高，性能质量好，可靠性高；适用于大量分散的业务量较小的用户共享主站，所以许多部门和企业多使用VSAT网来建设内部专用网。70

VSAT网的组成

典型的VSAT网是由主站、卫星和许多远端小站(VSAT)三部分组成的，通常采用星形网络结构。图VSAT网络组成72(1)主站(中心站)主站又称中心站(中央站)或枢纽站(HUB)，它是VSAT网的心脏。它与普通地球站一样，使用大型天线，其天线直径一般为3.5~8m(Ku波段)或7~13m(C波段)，并配有高功率放