第一章-卫星通信简介

现代卫星通信陈鹏E-mail:pengchen@

TimothyPratt,CharlesBostian,JeremyAllnutt,SatelliteCommunications(SecondEdition)电子工业出版社，2003TimothyPratt,CharlesBostian,JeremyAllnutt,甘良才等译，卫星通信（第二版）SatelliteCommunication，电子工业出版社，2005王丽娜、王兵、周贤伟，黄旗明等，卫星通信系统，国防工业出版社，2006储钟圻，数字卫星通信，机械工业出版社，2006教材及参考书：卫星通信技术——综合性课程数学物理：轨道、仰角、方位角计算自动控制：卫星姿态，火箭制导遥控遥测：卫星跟踪技术数字通信：调制编解码通信系统：卫星链路计算，信道模型天线技术：抛物面天线、相控阵天线、多波束天线、天线馈电网络射频微波技术：转发器、LNB、上行PA第一章卫星通信简介20世纪无线通信的快速发展推动人类远距离通信的需求，早期利用HF（短波）通信HF电报通信HF依靠电离层散射可以传输几千公里的距离人造卫星的历史缘由:1：频率资源少（3-30MHz）2：通信不稳定，易受太阳黑子活动干扰，昼夜变化较大3：天线设备庞大：HF通信的问题：ArthurC.Clarke,“Extra-terrestrialRelays”WirelessWorld,pp.305-308,1945首次提出地球同步静止轨道卫星通信35860Km35860Km最早关于卫星通信的设想:SputnikI：由苏联与1957年发射成功SputnikI重量83kg轨道时间：98分钟椭圆轨道参与了对高层大气层密度的测量世界上第一个人造卫星:1958年12月18日，首颗通信卫星——美国陆军弹道导弹局ScoreI1964年8月19日，首颗地球静止轨道卫星——美国国家航空宇航局(USA-NASA)Syncom31965年的4月6日，第一颗实用型商业通信卫星——国际卫星通信组织（INTERSAT）EarlyBird，地球静止轨道卫星（实现了ArthurC.Clarke的设想）卫星通信历史上几个首次：太空竞赛：1926年美国人罗伯特·戈达德设计了第一枚应用液体燃料的火箭。标志着战争进入航空与火箭时代（Catapultrocketry），同时还预示着太空竞赛的到来。尽管太空竞赛打着“科学”和“和平利用太空”的幌子，但却不可避免的要和各国的军事目的联系起来太空竞赛历史背景：火箭——中国人早在11世纪就将其用作武器俄国科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯——多级液体燃料火箭的设想德国人的贡献——A-4火箭、V2火箭（沃纳·冯·布劳恩）二战后苏联、英国和美国人才争夺战冯·布劳恩在内的很多德国专家转移到美国英国拿到数枚成品与半成品苏联将剩下的工厂内的生产线以及附近与生产和研发火箭有关的德国家庭全数运往国内太空竞赛的冷战根源：间谍卫星——侦查其他国家火箭能将人类送入地球轨道或月球表面——也能发射原子弹到敌国太空技术具有双重属性：为和平目的服务用于军事目的通讯卫星重大事件：1962年，Telstar：第一颗跨洋通讯实验通讯卫星1972年，Anik1：第一颗国内通讯卫星（加拿大）1974年，WESTAR：美国第一颗国内通讯卫星1976年，MARISAT：第一颗移动通讯卫星将生命送入太空：太空动物：小狗莱伊卡(Laika)——SputnikII，苏联，1957海龟——探测器5号（绕月），苏联，1968太空人尤里·加加林——东方1号，苏联，1961年4月12日阿伦·谢泼德——自由7号，美国，23日之后！瓦伦京娜·捷列什科娃（第一位女太空人）——东方6号，苏联，1963阿波罗计划——人类登月：1969年7月21日，阿波罗11首次实现成功太空竞赛其他成就（1）：探索其他行星1960年苏联首先发送了金星和火星的行星探测器1962年美国的水手2号成功探测了金星并发回金星表面的温度和大气密度数据1971年苏联的金星7号成为第一个降落在金星的人造物体1974年美国发射的水手10号，唯一一个到达过水星的太空船1965年美国发射的水手4号成为首个抵达火星轨道的探测器1971年苏联发射的火星3号是第一个在火星表面着陆的太空船1976年美国的海盗1号在火星着陆并首次传输了火星图片1973年美国的先驱者10号成功飞过木星1979年先驱者11号首次飞越土星旅行者2号（1977年）实现了唯一的一次飞越天王星和海王星！太空竞赛其他成就（2）：发射和对接1962年8月12日苏联的东方3号和东方4号实现了首次太空回汇合美国的双子座8号于1968年3月16日首次完成了太空对接1967年4月26日美国的ScoutB进行了首次海上发射1971年6月7日第一个空间站苏联的礼炮1号开始运作1970年4月24日，我国第一颗人造卫星“东方红一号”发射升空主要参数卫星质量：173公斤卫星外形：直径1米的球形72面体近地点：439公里远地点：2384公里用途：广播“东方红”乐曲我国卫星发展历史（1）：1984年4月8日中国第一颗地球静止轨道同步卫星东方红二号主体：圆柱形，高为3.6米，直径为2.1米重量：441公斤。卫星上装有4个C波段转发器，等效全向辐射功率为36dBW。卫星采用自旋稳定，其轨道保持精度为：南北±1°，东西±0.5°。我国卫星发展历史（2）：1997年5月12日东方红3号升空质量：946kg地球静止轨道，精度：东西南北均为±0.1°天线指向误差：俯仰和滚动均为±0.15°，偏航为±0.5°卫星寿命：8年24路C频段转发器，6路为中功率转发器；18路低功率转发器。中功率通道EIRP≥37dBW低功率通道EIRP≥33.5dBW。我国卫星发展历史（3）：ScoreI：星上电池寿命有限（35天）Telstar：太阳能+星上电池，转发器C波段（上行6389MHz，下行4169MHz，50MHz带宽），MEO轨道，可实现20min跨洋通信LEO/MEO轨道卫星通信系统的问题：覆盖全球需要卫星多——发射次数多，失败率较高卫星与卫星之间需要建立链路GEO覆盖广（1颗卫星覆盖1/3地球表面居住区域）HEO（高椭圆轨道）适用于俄罗斯等极地附近国家通讯卫星的发展、轨道的选择:C波段（下行4GHz，上行6GHz）天线——直径数米的抛物面，地面站以及星上天线尺寸较大，频段资源少（100~300MHz）Ku波段（下行12GHz，上行14GHz）天线——0.5-1米抛物面天线，尺寸小，频段资源多（500MHz-1GHz）卫星通信频率的提高：人造卫星的应用与服务：不同应用之卫星分类就应用方面来说，卫星约可分成下列几类：侦察卫星(SurveillanceSatellites)预警卫星(EarlyWarningSatellites)气象卫星(WeatherSatellite)天文卫星(AstronomicalSatellite)导航卫星(NavigationalSatellite)探测卫星(RemoteSensorSatellite)杀手卫星(KillerSatellite)通信卫星(CommunicationSatellite)

通讯卫星是长距离通讯的一个极佳中继站，它能克服横跨海洋和大陆的无线电通讯传播时所遭遇的困难。大部分的通讯卫星都在地球同步轨道上运行（即同步卫星），看起来就像在地球上空的特定点上静止不动一样。

通讯卫星：卫星作为通信、直播广播链路的中继站：

美国、俄罗斯、欧洲、中国均有此类卫星。美国的全球定位系统(GPS)共有24颗导航卫星，飞行器可利用四颗卫星发出的信号来计算自己的位置、高度和速度。地表上空电离层的电子密度及中性大气中水汽含量的改变，均会影响GPS的讯号。

导航卫星：卫星在无线通信领域的定位：在无线通信领域中，卫星通信将提供全球、广域之通连服务：卫星通信主要功能运用：国际电信链路(InternationalTelecommunication,如INTELSAT)电视节目传送(TVProgramDistribution)企业专用网络(VSATs)军事通信运用(MilitaryCommunications)移动通信服务(Mobilesatelliteservices,如INMARSAT)

直接影视广播(DirectVideoBroadcast,DVB)直接音频广播(DirectAudioBroadcast,DAB)紧急救助通信(EmergencyCommunication)全球移动电话(如铱计划(Iridium))因特网干线(InternetBackboneServices)卫星通信特点：卫星通信系统具有以下特征与重要作用：独特三度空间无缝隙覆盖能力独特灵活性与普及服务能力大区域的可机动性或可行动性通连广域网状网络构连能力广域Internet交互连接能力特有的广域广播与多点同时通连能力对国际/区域/本地距离连接的不敏感性对紧急救灾及故障抢救的快速灵活通信卫星轨道划分：按轨道高度划分：低轨道(LEO):300to1,500km中轨道(MEO):8,000to12,000km同步轨道(GEO):approx.36,000km按轨道形状划分：圆形轨道(Circular)椭圆轨道(Elliptical)

低轨道(1000公里以内)卫星约二至三小时绕行地球一周，出现在可视范围内时间短，因此需要较多卫星以接力方式，才能提供全球全天候的服务。通常间碟卫星就是属于这一种位于高度较低的轨道，由于轨道限制较少，因此近年大为流行。适合于通讯，因此如铱计划(Iridium)等都是用低轨道卫星来做。铱计划即采6个轨道面，各轨道含11颗卫星；Globalstar也是6个轨道面，各轨道面含8颗卫星。

低轨卫星(LEO)：在同步轨道与低轨道之间，以导航GPS卫星而言，采6个轨道面，各轨道面含4颗。中轨卫星(MEO)：

距离地球表面约36000公里的高度。绕地球旋转速度与地球自转速度一样，因此在地球上观看该卫星时，好像静止不动的停留在太空中。做为通讯使用，因为Delay严重，会造成讯息传送时间较长。同步轨道中之卫星，因与地球自转同步，因此只需三颗(一颗可覆盖42％地表)即可构成全球通信。

同步卫星(GEO)：

轨道资源有限(360º)，ITU于1985年国际卫星会议，原规划3º一颗，已改成2º一颗，经申请同意，才可布放。资源卫星、通讯卫星、军事卫星、导航卫星…都喜好长驻。东经125º至西经125º的范围是太平洋上空，其同步静止卫星较稀少。不同轨道卫星比较：型态低轨卫星LEO中轨卫星MEO同步卫星GEO高度300-1500km8000-12000km36000km可用时间15min2-4hrs24hrs优点低成本传输延迟低信号衰减低中度成本传输延迟低地表覆盖率42.2%无多普勒效应传输延迟来回时间15ms100ms250ms缺点生命周期短卫星体系复杂有多普勒效应卫星体系复杂有多普勒效应传输延迟大卫星成本较高轨道为置有限NameFullNameAttitude(Km)Amountneededtocovertheearth同步卫星(GEO)GeostationaryOrbit约35860公里3中轨卫星(MEO)MediumEarthOrbit1000~25000公里10低轨卫星(LEO)LowEarthOrbit500~1000公里48三种轨道的分界却没有很明确的标准，只能大致上用大气圈的中气层顶上，离地1000公里处作为低轨与中轨的分界；用25000公里的高度作为中轨与高轨的分界。轨道的划分：卫星轨道绕行参数：10203040x106m2420161284卫星周期[h]速度[x1000km/h]同步轨道位置35,786km与地心的距离11000km/h卫星波束可覆盖范围：HF:2500-6500公里GEO:16,960公里位置高度最大可传输距离卫星波束覆盖类别：全球覆盖：卫星天线照射地球表面最大面积，约为17.4度。区域覆盖：典型区域覆盖天线的波束宽度为5度。点波束覆盖：天线的波束宽度为2度。全球覆盖区域覆盖点波束覆盖卫星通信使用频段：卫星通信使用微波频段(300MHz~300GHz)，其原因为：获得较大频宽、提供大通信容量。卫星处于外层空间(即电离层之外)，电磁波必须能穿透电离层。频段越高、波束越窄、遭受干扰越小。频段越高、带宽越大、传输速率越高。卫星通信使用频率：为避免上、下链路于传输空间相互干扰，需将上、下链路的频带错开。因为卫星负载重量与寿命限制，上行链路使用较高频率。目前卫星通信常用的频带：频带下行频率（GHz）上行频率（GHz）备注C4（3.7-4.2）6（5.925-6.425）地面微波干扰Ku