第6章卫星通信系统

1第6章卫星通信系统6.1卫星通信概述6.2卫星运行轨道6.3卫星通信的多址方式6.4VSAT系统6.5卫星导航定位系统26.1概述6.1.1卫星通信发展简史6.1.2卫星通信的特点6.1.3卫星通信的工作频段6.1.4卫星通信系统的组成6.1.5卫星通信系统的分类36.1概述卫星通信是指设置在地球上（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地球卫星作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的通信。卫星通信是在地面微波中继通信和空间电子技术的基础上发展起来的一种通信方式，它是宇宙无线通信的主要形式之一，也是微波通信发展的一种特殊形式。46.1.1卫星通信发展简史卫星通信的起源56.1.1卫星通信发展简史1957年10月，前苏联成功发射了世界上第一颗低轨人造地球卫星Sputnik。1958年，美国宇航局发射了“SCORE”卫星，并通过该卫星广播了美国总统圣诞节祝词。1962年，美国电话电报公司发射了“电星”，它可进行电话、电视、传真和数据的传输。1964年8月，美国发射了首颗静止轨道的通信卫星“辛康姆3号”（SYNCOM-3），并利用它成功地进行了电话、电视和传真的传输试验。

1965年4月，INTELSAT把原名为“晨鸟”的第1代“国际电信卫星”射入地球静止轨道。1970年4月24日，我国在酒泉卫星发射中心成功地发射了第一颗人造地球卫星“东方红一号”。

66.1.1卫星通信发展简史1976年，第一代移动通信卫星发射1979年，国际海事卫星组织宣告正式成立。1984年我国首次成功发射了“东方红二号”静止轨道卫星1990年，INMARSAT启用了第一个商用航空地球站航空系统。1997年我国成功发射了第三代通信卫星“东方红三号”1998年，通过LEO星座引入手机通信业务，非静止轨道卫星进入实用运行阶段。76.1.2卫星通信的特点通信时延较长通信链路易受外部条件影响存在星蚀和日凌中断现象

（a）日凌中断现象（北半球）（b）星蚀现象（北半球）86.1.3卫星通信的工作频段选择工作频段时考虑的因素工作频段的电磁波应能轻易穿透电离层；电波传播损耗应尽可能地小；天线系统引入的外部噪声要小；有较宽可用频带，与地面现有的通信系统的兼容性要好，且相互间的干扰要小；星上设备重量要轻，消耗的功率要小；尽可能地利用现有的通信技术和设备；与其他通信、雷达等电子系统或电子设备之间的相互干扰要小。96.1.3卫星通信的工作频段卫星通信的频段范围卫星通信的频率范围一般选在微波频段（300MHz~300GHz）。微波频段的特点是：有较宽的频谱，可以获得较大的通信容量；天线增益高、尺寸小；现有的微波通信设备稍加改造就可以利用。此外，考虑到卫星处于电离层之外的外层空间，而微波频率恰恰能够较容易地穿透电离层。

106.1.3卫星通信的工作频段微波频段频率范围（GHz）微波频段频率范围（GHz）微波频段频率范围（GHz）L1~2K18~26E60~90S2~4Ka26~40W75~110C4~8Q33~50D110~170X8~12U40~60G140~220Ku12~18V50~75Y220~325116.1.4卫星通信系统的组成126.1.4卫星通信系统的组成空间段的组成13通信卫星系统的组成146.1.4卫星通信系统的组成通信分系统卫星上的通信分系统又称为转发器，它实际上是一个提供卫星发射天线和接收天线之间链路连接的设备，是构成卫星通信的中枢，其功能是使卫星具有接收、处理并重发信号的能力。转发器按照变频方式和传输信号形式的不同可分为单变频转发器、双变频转发器和星上处理转发器。

156.1.4卫星通信系统的组成单变频转发器166.1.4卫星通信系统的组成双变频转发器176.1.4卫星通信系统的组成星上处理转发器186.1.4卫星通信系统的组成天线分系统天线分系统承担了接收上行链路信号和发射下行链路信号的双重任务。卫星天线分为遥测指令天线和通信天线两类。

196.1.4卫星通信系统的组成跟踪、遥测和指令（TT&C）分系统

跟踪设备用来为地球站跟踪卫星发送信标。遥测部分用来对所有的卫星分系统进行监测，获得有关卫星姿态及星内各部分工作状态等的数据，经放大、多路复用、编码、调制等处理后，通过专用的发射机和天线发给地面的TT&C站。指令部分专门用来接收和译出TT&C站发给卫星的指令，控制卫星的运行。206.1.4卫星通信系统的组成控制分系统

控制分系统（CS）由一系列机械的或电子的可控调整装置组成，在TT&C站的指令控制下完成对卫星轨道位置、姿态、工作状态等的调整与控制。CS需要完成两种控制，即姿态控制和位置控制。姿态控制主要是保证天线波束始终对准地球，同时确保太阳能电池帆板始终对准太阳。位置控制用来消除天体引力产生的摄动影响，使卫星与地球的相对位置保持固定。

216.1.4卫星通信系统的组成电源分系统

通信卫星的电源除要求体积小、重量轻、效率高之外，最主要的还应在其寿命期内保持输出足够的电能。在宇宙空间，阳光是最重要的能源，在有光照时，主要使用太阳能电池产生功率；当卫星处于发射状态或处于地球阴影区时，使用蓄电池来保证电源功率。

226.1.4卫星通信系统的组成地面段236.1.5卫星通信系统的分类按照卫星的运动状态（制式），可分为静止卫星通信系统和非静止卫星通信系统，非静止卫星通信系统又可进一步分为随机运动卫星通信系统和相位运动卫星通信系统。按照卫星的通信覆盖区范围，可分为全球卫星通信系统、国际卫星通信系统、国内卫星通信系统和区域卫星通信系统。246.1.5卫星通信系统的分类按照卫星的结构，可分为无源卫星通信系统（被动卫星通信系统）和有源卫星通信系统（主动卫星通信系统）。按照多址方式，可分为频分多址卫星通信系统、时分多址卫星通信系统、码分多址卫星通信系统、空分多址卫星通信系统、混合多址卫星通信系统等。按照所传输信号的体制，可分为模拟卫星通信系统和数字卫星通信系统。256.1.5卫星通信系统的分类按照用户性质，可分为商用卫星通信系统、专用卫星通信系统和军用卫星通信系统。按照通信业务种类，可分为固定业务卫星通信系统、移动业务卫星通信系统、广播电视卫星通信系统、科学实验卫星通信系统以及教学、气象、导航、军事等卫星通信系统等。按照工作频段，可分为特高频卫星通信系统、超高频卫星通信系统、极高频卫星通信系统和激光卫星通信系统。266.2卫星运行轨道6.2.1卫星运动的基本规律6.2.2卫星轨道分类6.2.3卫星轨道的摄动276.2.1卫星运动的基本规律开普勒第一定律——轨道定律卫星运动的轨道一般是一个椭圆，一个椭圆有两个焦点，双体系统的质量中心称为质心，它始终处在其中一个焦点上。质心与地球中心是重合的，即地球的中心始终位于该椭圆的一个焦点上。286.2.1卫星运动的基本规律开普勒第二定律——面积定律在单位时间内，卫星的地心向径，即地球质心与卫星质心间的距离向量，扫过的面积相等。296.2.1卫星运动的基本规律开普勒第三定律——轨道周期定律卫星围绕地球运动一圈的周期为，其平方与轨道椭圆半长轴的立方之比为一常数，而该常量等于地球引力常数的倒数。306.2.2卫星轨道分类按轨道高度分类低轨道（LEO：LowEarthOrbit）：距离地球表面大约为700~1500km；中轨道（MEO：MediumEarthOrbit）：距离地球表面10000km左右；高椭圆轨道（HEO：HighlyEllipticOrbit）:距离地球表面的最近点为1000~21,000km，最远点为39,500~50,600km；同步轨道（GEO：GeostationaryEarthOrbit）：距离地球表面35,786km。316.2.2卫星轨道分类按轨道高度分类326.2.2卫星轨道分类按轨道形状分类圆形轨道（e=0）椭圆形轨道（1>e>0）按轨道平面倾角分类

赤道轨道：i=0°，轨道面与赤道面重合。倾斜轨道：0°<

i<90°，轨道面与赤道面成一个夹角，倾斜于赤道面。极轨道：i=90°，轨道面穿过地球的南北两极，与赤道面呈垂直状。

336.2.3卫星轨道的摄动引起卫星轨道摄动的主要力学因素地球引力场的不均匀性地球大气层阻力太阳、月亮引力的作用太阳光压346.3卫星通信的多址方式6.3.1频分多址6.3.2时分多址6.3.3码分多址6.3.4空分多址356.3.1频分多址366.3.2时分多址376.3.3码分多址386.3.4空分多址39上述四种多址方式的比较多址方式特点识别方法主要优缺点适用场合FDMA各站发的载波在转发器内所占频带互不重叠（所发信号频率正交）；各载波的包络恒定；转发器工作于多载波。滤波器优点：可沿用地面微波通信的成熟技术和设备；设备比较简单；不需要网同步。缺点：有互调噪声，不能充分利用卫星功率和频带；上行功率、频率需要监控；FDM/FM/FDMA方式多站运用时效率低，大、小站不易兼容。FDM/FM/FDMA方式适合站少、容量中、大的场合，TDM/PSK/FDMA方式适合站少、容量中等的场合，SCPC系统适合站多、容量小的场合TDMA各站发的突发在转发器内所占时间互不重叠（所发信号时间正交）；转发器工作于单载波。时间选通门优点：没有互调问题，卫星的功率与频带能充分利用；上行功率不需严格控制；便于大、小站兼容，站多时通信容量仍较大。缺点：需要精确网同步；低业务量用户也需相同的EIRP。中、大容量线路CDMA各站使用不同的地址码进行扩展频谱调制（所发信号码型准正交）；各载波包络恒定，在时域和频域均互相混合相关器优点：抗干扰能力较强；信号功率谱密度低，隐蔽性好；不需要网定时；使用灵活。缺点：频带利用率低，通信容量较小；地址码选择较难；接收时地址码的捕获时间较长。军事通信；小容量线路SDMA各站发的信号只进入该站所属通信区域的窄波束中（所发信号空间正交）；可实现频率重复使用；转发器成为空中交换机。窄波束天线优点：可以提高卫星频带利用率，增加转发器容量或降低对地球站的要求。缺点：对卫星控制技术要求严格；星上设备较复杂，需要交换设备。大容量线路406.4VSAT系统6.4.1VSAT网的组成6.4.2VSAT的工作过程416.4.1VSAT网的组成426.4.1VSAT网的组成主站（中心站）主站又称中心站（中央站）或枢纽站，是VSAT网的重要组成部分。主站使用大型天线，其天线直径一般约为3.5~8m（Ku波段）或7~13m（C波段），并配有高功率放大器、低噪声放大器、上/下变频器、调制解调器及数据接口设备等。主站内设有一个网络控制中心，对全网运行状况进行监控和管理。主站的设备皆设有备份。436.4.1VSAT网的组成小站（VSAT）VSAT小站由小口径天线、室外单元和室内单元组成。VSAT天线有正馈和偏馈两种形成，正馈天线尺寸较大，而偏馈天线尺寸小、性能好，且结构上不易积冰雪，因此常被采用。室外单元主要包括GaAsFET固态功放、低噪声场效应管放大器、上/下变频器和相应的监测电路等。室内单元主要包括调制解调器、编译码器和数据接口设备等。446.4.1VSAT网的组成空间段VSAT网的空间部分是C频段或Ku频段同步卫星转发器。456.4.2VSAT的工作过程在VSAT网中，小站和主站通过卫星转发器连成星型网络结构，所有的小站可直接与主站互通。小站之间的通信以双跳方式来完成，即由小站首先将信号发送给主站，然后由主站转发给其它小站。在VSAT网中，一般采用分组传输方式，任何进入网络的数据在网内发送之前首先要进行格式化，即每份较长的数据分解成若干固定长度的“段”，每“段”再加上必要的地址和控制信息并按规定的格式进行排列作为信息传输单位，通常称之为“分组”。466.4.2VSAT的工作过程出站（outbound）传输

在VSAT网中，主站向外方向发送的数据，也即从主站通过卫星向小站方向传输的数据称为出站传输。出站信道通常采用时分复用（TDM）或统计时分复用（STDM）技术组成TDM帧，通过卫星以广播方式发向所有远端小站。476.4.2VSAT的工作过程TDM帧结构486.4.2VSAT的工作过程入站（inbound）传输

各远端小站通过卫星向主站传输的数据称为入站传输数据。在VSAT网中，各用户终端可以随机地产生信息，由此入站数据一般采用随机方式发射突发性信号。采用信道共享协议，一个入站信道可以同时容纳许多小站。

496.4.2VSAT的工作过程TDMA信道帧结构506.5卫星导航定位系统6.5.1全球定位系统（GPS）6.5.2Galileo全球卫星导航定位系统6.5.3“北斗一号”卫星导航定位系统516.5.1全球定位系统（GPS）GPS构成空间部分（GPS星座）控制部分（地面监控系统）用户部分（GPS信号接收机）526.5.1全球定位系统（GPS）536.5.1全球定位系统（GPS）空间部分（空间段）由运行在20,200km高空的24颗GPS工作卫星组成的卫星星座，其中包括21颗用于导航的卫星和3颗在轨备用卫星。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55º，各个轨道平面之间夹角为60º，每颗卫星的正常运行周期为11h58min，若考虑地球自转等因素，将提前4min进入下一个周期。

546.5.1全球定位系统（GPS）控制部分（控制段）由分布在全球的若干个跟踪站组成的监控系统构成，具有跟踪、计算、更新及监视功能，用于控制系统中所有的卫星。根据跟踪站作用的不同，又可将其分为主控站、监控站和注入站。556.5.1全球定位系统（GPS）用户部分（用户段）所有用户装置及其支持设备的集合。典型的用户设备包括一部GPS接收机/处理器、一部天线、计算机和CDU（控制和显示单元）四个主要部件。566.5.1全球定位系统（GPS）GPS定位原理GPS的定位原理就是利用空间分布的卫星以及卫星与地面点的距离交会得出地面点位置，简言之，GPS定位原理是一种空间的距离交会原理。

576.5.2GPS伪距单点定位方法被动式定位的三大基本条件①

导航卫星及其导航定位信号②

导航电文③

卫星信号接收设备

被动式定位的基本条件586.5.2GPS伪距单点定位方法（1）GPS伪距测量

三种时间系统之间的相互关系596.5.2GPS伪距单点定位方法（2）伪距单点定位

用一台GPS信号接收机作单点定位606.5.2GPS伪距单点定位方法被动式定位

被动式定位的基本原理616.5.2GPS伪距单点定位方法距离交会法

626.5.3Galileo全球卫星导航定位系统空间部分VSAT网的空间部分是C频段或Ku频段同步卫星转发器。636.5.3Galileo全球卫星导航定位系统Galileo系统组成全球设施部分区域设施部分局域设施部分用户接收机及终端646.5.3Galileo全球卫星导航定位系统全球设施部分Galileo系统的空间段由30颗MEO导航星组成，距离地面约23，616km，分布在三个轨道倾角为56º的等间距的轨道上。地面段由Galileo控制中心、Galileo上行链路站、Galileo监测站网络和Galileo全球通信网络组成，具有卫星控制和任务控制功能。卫星控制通过使用TT&C上行链路进行监控来实现对星座的管理；任务控制是指对导航任务的核心功能（如定规、时钟同步），以及通过MEO卫星发布完好性消息进行全球控制。

656.5.3Galileo全球卫星导航定位系统区域设施部分区域设施部分由完好性监测站网络、完好性控制中心和完好性注入站组成。区域范围内服务的提供者可独立使用Galileo系统提供的完好性上行链路通道发布区域完好性数据，这将确保每个用户能够收到至少由两颗仰角在25º以上的卫星提供的完好性信号。全球最多可设8个区域性地面设施。666.5.3Galileo全球卫星导航定位系统局域设施部分局域设施部分根据当地的需要增强系统的性能。局域设备需要确保完好性检测，数据的处理和发射。局域设施部分应包括本地精确导航设备、本地高精度导航设备、本地导航辅助设备和本地扩大可用性导航设备组成。676.5.2Galileo全球卫星导航定位系统用户接收机及终端用户接收机及终端的基本功能是在用户段实现Galileo系统所提供各种卫星无线导航服务。68Galileo系统与GPS的各种参数比较系统GalileoGPS卫星总数2724轨道高度23,61620,230轨道平面数36轨道仰角5655轨道形状圆轨道圆轨道定位载波L1、L2、L3L1、L2使用频段1164~1215MHz1260~1300MHz1559~1591MHzf1=1575.42MHzf2=1227.6MHz6.5.3Galileo全球卫星导航定位系统696.5.4“北斗一号”卫星导航定位系统“北斗一号”卫星导航定位系统是我国自行研制的导航定位系统，也称为双星区域导航定位系统，它是一个全天候、全天时提供卫星导航信息的区域性导航系统，该系统覆盖范围为东经70°~145°，北纬5°~55°，可以无缝覆盖我国全部本土和周边海域，在中国全境范围内具有良好的导航定位可用性。706.5.4“北斗一号”卫星导航定位系统

系统组成空间部分地面中心控制系统用户终端71空间部分空间部分由两颗地球静止轨道卫星和一颗备用卫星组成，卫星不发射导航电文，也不配备高精度的原子钟，只是用于在地面中心站与用户之间进行双向信号中继。

6.5.4“北斗一号”卫星导航定位系统72地面中心控制系统地面中心控制系统是北斗导航系统的中枢，包括一个配有电子高程图的地面中心站、地面网管中心、测轨站、测高站和数十个分布在全国各地的