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通信工程教研室 主講人 葛延良 衛(wèi)星通信 通信 在兩個(gè)或多個(gè)位置實(shí)現(xiàn)信息的傳輸 接收和處理 有線通信 光纖 電纜 明線無線通信 短波 超短波通信 微波中繼通信 衛(wèi)星通信 第1章衛(wèi)星通信系統(tǒng)概述 衛(wèi)星通信的概念衛(wèi)星通信 是指利用通信衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)或反射無線電波 以此來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)地球站 或手持終端 之間或者地球站與航天器之間通信的一種通信形式 換言之 衛(wèi)星通信是在地球站上 包括地面 水面和大氣層中的無線電通信站之間 利用人造衛(wèi)星作為中繼站進(jìn)行的通信 衛(wèi)星通信是個(gè)人通信網(wǎng)的組成部分 是地面通信網(wǎng)的補(bǔ)充 1 1衛(wèi)星軌道 假設(shè)地球是質(zhì)量均勻分布的圓球體 忽略太陽 月球和其它行星的引力作用 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)服從開普勒 Kepler 三大定律 開普勒定律開普勒第一定律 衛(wèi)星以地心為一個(gè)焦點(diǎn)做橢圓運(yùn)動(dòng) 其軌道平面的極坐標(biāo)為 圖1橢圓軌道的示意圖 開普勒第二定律 衛(wèi)星與地心的連線在相同時(shí)間內(nèi)掃過的面積相等 V為衛(wèi)星在軌道上的瞬時(shí)速度 其中a為橢圓軌道的半長軸 r為衛(wèi)星到地心的距離 u為開普勒常數(shù) u值為398601 58km3 s2 開普勒第三定律 衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)周期的平方與軌道半長軸的3次方成正比 u為開普勒常數(shù) u值為398601 58km3 s2 1 2衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成 空間段主要是衛(wèi)星本身 星體包括兩大子系統(tǒng) 星載設(shè)備和衛(wèi)星母體 地面段典型的地面段即地球站 包括地面衛(wèi)星控制中心 SCC Satellitecontrolcenter 及其跟蹤 遙測和指令站 TT C Tracking telemetryandcommandstation 用戶段各種用戶終端 選擇工作頻段時(shí) 應(yīng)考慮的重要因素 1 電波傳播衰減及其它衰減要小 圖1 14 在0 3 10GHz頻段 大氣吸收衰減最小 稱為 無線電窗口 另外 在30GHz附近也有一個(gè)衰減的低谷 稱為 半透明無線電窗口 2 天線接收的外界噪聲要小 圖1 15 從降低接收系統(tǒng)噪聲的角度來考慮 工作頻段最好選在1 10GHz之間工作 3 大氣層中雨 霧 云的影響 圖1 16 1 3衛(wèi)星通信的工作頻段 從上述三方面考慮 衛(wèi)星通信的工作頻率一般選在1 10GHz范圍內(nèi)較為適宜 而且最理想的頻段是在4 6GHz附近 除上述三個(gè)方面以外 還應(yīng)考慮如下因素 4 有較寬的可用頻帶 以滿足信息傳輸?shù)囊?5 與地面微波通信 雷達(dá)等其他無線系統(tǒng)間的相互干擾要小 6 能充分利用現(xiàn)有通信技術(shù) 并便于與現(xiàn)有地面通信設(shè)備配合使用 7 設(shè)備尺寸要小 1 3衛(wèi)星通信的工作頻段 頻率劃分 綜合上述要求 應(yīng)將衛(wèi)星的工作頻段選在微波頻段或特高頻 具體地說 目前大多數(shù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)是選擇在以下頻段工作 L頻段 1 6 1 5GHz用于MSS GEO衛(wèi)星測控 S頻段 4 2GHz用于MSS GEO衛(wèi)星測控 C頻段 6 4GHz用于MSS GEO衛(wèi)星測控 X頻段 8 7GHzKu頻段 14 12GHz用于FSS BSS Ka頻段 30 20GHz用于FSS BSS 此外 VHF UHF用于低軌小衛(wèi)星通信 VHF頻段 0 1 0 3GHz用于移動(dòng) 導(dǎo)航業(yè)務(wù) UHF頻段 0 3 1 0GHz用于移動(dòng) 導(dǎo)航業(yè)務(wù) 更高頻段 Q頻段 36 46GHz V頻段 46 56GHz 太赫茲頻段 0 1 10THz 1 3衛(wèi)星通信的工作頻段 K波段 18 27GHz Ku波段的頻率受國際有關(guān)法律保護(hù) 12 18GHz頻段 Ku波段衛(wèi)星單轉(zhuǎn)發(fā)器功率一般比較大 多采用賦形波束覆蓋 衛(wèi)星EIRP較大 加上Ku波段接收天線效率高于C波段接收天線 因此接收Ku波段衛(wèi)星節(jié)目的天線口徑遠(yuǎn)小于C波段 從而可有效地降低接收成本 方便個(gè)體接收 主要應(yīng)用 中繼 衛(wèi)星通信 雷達(dá)等 現(xiàn)在廣泛使用的藍(lán)牙 ZigBee 無線路由 無線鼠標(biāo)等也使用這個(gè)范圍的頻率 據(jù)IEEE521 2002標(biāo)準(zhǔn) X波段是指頻率在8 12GHz的無線電波波段 而在某些場合中 X波段的頻率范圍則為7 11 2GHz X波段中的X即英語中的 extended 表示 擴(kuò)展的 X波段通常的下行頻率為7 25 7 75GHz 上行頻率為7 9 8 4GHz 也常被稱為7 8GHz波段 據(jù)ITU無線電規(guī)則第8條 X頻段在空間應(yīng)用方面有 空間研究 廣播衛(wèi)星 固定通訊業(yè)務(wù)衛(wèi)星 地球探測衛(wèi)星 氣象衛(wèi)星等用途 根據(jù)IEEE521 2002標(biāo)準(zhǔn) L波段是指頻率在1 2GHz的無線電波波段 可被用于DAB 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等 C波段 是頻率4 8GHz的一段頻帶 在衛(wèi)星電視廣播和各類小型衛(wèi)星地面站應(yīng)用中 該頻段首先被采用 且一直被廣泛使用 Ka波段的頻率范圍為27 40GHz Ka代表著K的正上方 K above 換句話說 該波段直接高于K波段 Ka波段也被稱作30 20GHz波段 通常用于衛(wèi)星通信 甚高頻 VHF 是指頻帶30MHz 300MHz的頻段 多數(shù)是用作電臺(tái)及電視臺(tái)廣播 同時(shí)又是航空和航海的溝通頻道 和高頻 HF 不同的是 電離層通常不會(huì)反射VHF的信號(hào) 特高頻 UHF 是指波長范圍為1m 1dm 頻率為300 3000MHz的無線電波 常用于移動(dòng)通信和廣播電視領(lǐng)域 特高頻主要用于短途通信 可以用小而短的天線作收發(fā) 適合移動(dòng)通信 1 3衛(wèi)星通信的工作頻段 衛(wèi)星通信與其他通信手段相比 具有以下一些特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) 1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)能以較低的成本提供較寬范圍的無縫覆蓋 服務(wù)范圍寬且不受地理?xiàng)l件限制 圖1 2 2 可利用頻帶寬 傳輸容量大 可進(jìn)行多址通信 3 衛(wèi)星通信系統(tǒng)與地面通信基礎(chǔ)設(shè)施相對獨(dú)立 網(wǎng)絡(luò)路由簡捷 4 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)速度快 成本低 且費(fèi)用與通信距離無關(guān) 5 衛(wèi)星通信具有靈活性和普遍性 6 統(tǒng)一的業(yè)務(wù)提供商有助于系統(tǒng)的均勻服務(wù) 并有利于引入新業(yè)務(wù) 1 4衛(wèi)星通信的特點(diǎn) 缺點(diǎn) 1 靜止衛(wèi)星的發(fā)射與控制比較復(fù)雜 2 對于靜止衛(wèi)星 地球高緯度地區(qū)通信效果不好 并且兩極地區(qū)為通信盲區(qū) 3 存在日凌中斷和星蝕現(xiàn)象 4 電波的傳播時(shí)延較大 且存在回波干擾 1 4衛(wèi)星通信的特點(diǎn) 由于衛(wèi)星通信相對于地面通信網(wǎng)的綜合造價(jià)成本高 終端貴 因此 衛(wèi)星通信的市場定位應(yīng)該是地面通信網(wǎng)的延伸和補(bǔ)充 主要服務(wù)于地面通信網(wǎng)不能覆蓋的區(qū)域及有特殊通信需求的人群 衛(wèi)星覆蓋區(qū)域廣 可以較經(jīng)濟(jì)地為地面蜂窩網(wǎng)覆蓋范圍以外的用戶 唯星用戶 提供移動(dòng)通信業(yè)務(wù) 解決邊遠(yuǎn)地區(qū)通信服務(wù) 企業(yè)專網(wǎng) 洲際通信 國防通信 與地面通信網(wǎng)結(jié)合解決廣域無縫覆蓋 1 4衛(wèi)星通信的特點(diǎn) 衛(wèi)星移動(dòng)通信和地面移動(dòng)通信的關(guān)系 衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)能擴(kuò)大地面移動(dòng)通信的地理和業(yè)務(wù)覆蓋范圍 除提供常規(guī)的移動(dòng)通信業(yè)務(wù)外 還可向空中 海面和復(fù)雜地理結(jié)構(gòu)的地面區(qū)域的各類移動(dòng)用戶提供服務(wù) 從應(yīng)用來講 地面移動(dòng)通信網(wǎng)主要集中在高業(yè)務(wù)量的應(yīng)用環(huán)境 而衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)最適合于低業(yè)務(wù)量地區(qū) 航海 航空及地面網(wǎng)欠發(fā)達(dá)地區(qū)的應(yīng)用環(huán)境 并且在地面網(wǎng)絡(luò)過載或發(fā)生故障時(shí)作為其迂回網(wǎng)絡(luò) 1 4衛(wèi)星通信的特點(diǎn) 衛(wèi)星通信在中國的特殊地位 幅員遼闊 人口眾多 地區(qū)發(fā)展不平衡 中國有60 左右的地區(qū)是地面網(wǎng)盲區(qū) 如海洋 高山 沙漠和草原等 通信的困難甚至成為人們生存的障礙 1 4衛(wèi)星通信的特點(diǎn) 1 5衛(wèi)星通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)類型 ITU定義的衛(wèi)星通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)類型有三種 固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)FSS Fixedsatelliteservice 移動(dòng)衛(wèi)星業(yè)務(wù)MSS Mobilesatelliteservice 廣播衛(wèi)星業(yè)務(wù)BSS Broadcastingsatelliteservice 1 5衛(wèi)星通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)類型 從應(yīng)用的角度來看 衛(wèi)星通信可分為4個(gè)階段 第一階段 主要用于國際通信 第二階段 開始提供電視傳送 第三階段 提供國內(nèi)公眾通信和各種專網(wǎng)通信 第四階段 提供衛(wèi)星移動(dòng)通信 衛(wèi)星通信系統(tǒng)通常用于支持 1 衛(wèi)星視頻廣播業(yè)務(wù)2 衛(wèi)星電話等交互式業(yè)務(wù)3 數(shù)據(jù)通信和Internet業(yè)務(wù)4 衛(wèi)星移動(dòng)通信業(yè)務(wù) 1 5衛(wèi)星通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)類型 衛(wèi)星通信的其它應(yīng)用 衛(wèi)星導(dǎo)航衛(wèi)星遙感 對空和對地遙感 氣象觀測地球資源勘探 海洋監(jiān)視偵察 包括照相偵察和電子偵察 預(yù)警支持載人航天遠(yuǎn)程教育 遠(yuǎn)程醫(yī)療 1 5衛(wèi)星通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)類型 1 6衛(wèi)星通信的發(fā)展趨勢 1 傳統(tǒng)的C Ku頻段靜止軌道衛(wèi)星將保持穩(wěn)定發(fā)展 并將以大容量 轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)量在50個(gè)左右 高功率 功率為8000瓦至15000瓦 和長壽命 壽命在15年左右 的新系統(tǒng)逐步更換現(xiàn)有系統(tǒng) 同步衛(wèi)星向大容量 多波束 智能化方向發(fā)展 Ka頻段靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)已逐步走向?qū)嵱没?衛(wèi)星通信網(wǎng)從窄帶向?qū)拵н^渡 如覆蓋美洲的EchoStar Ka PAS和ASTROLINK等 2 微小衛(wèi)星 納衛(wèi)星和皮衛(wèi)星的快速發(fā)展 小衛(wèi)星通信地面站廣泛應(yīng)用 小型低軌衛(wèi)星系統(tǒng)已陸續(xù)投入運(yùn)行 用于低速數(shù)據(jù)傳輸 如E Sat GEAmerican和GEMnet等系統(tǒng) 3 對地靜止軌道資源非常有限 因此ITU鼓勵(lì)采用中低軌道 高傾斜橢圓軌道以及IGSO軌道 4 隨著1997年9月26日美國FCC頻率申請計(jì)劃新周期的開始 Q V段新系統(tǒng)紛紛推出 各公司開始申請Q和V頻段新系統(tǒng) 5 不斷發(fā)展新業(yè)務(wù) 如無線Internet 組播和交互式TV 移動(dòng)語音 數(shù)據(jù)通信 數(shù)字視頻廣播 DVB 和數(shù)字音頻廣播 DAB 步入家庭和個(gè)人用戶 多媒體通信和Internet接入等 6 地面終端的發(fā)展呈現(xiàn)小型化 綜合化和智能化 終端可工作在多個(gè)頻段 支持綜合業(yè)務(wù) 適應(yīng)多種多址接入方式 調(diào)制方式 編碼方式 傳輸速率可改變 1 6衛(wèi)星通信的發(fā)展趨勢 7 寬帶低軌道系統(tǒng)正在加緊開發(fā)之中 用于高速數(shù)據(jù)和可視電話傳輸 如Teledesic系統(tǒng)共包括288顆衛(wèi)星 工作于Ka頻段 壽命設(shè)計(jì)為10年左右 8 現(xiàn)有衛(wèi)星通信系統(tǒng)為適應(yīng)新技術(shù)發(fā)展和系統(tǒng)對容量的更大要求形成了新的演變方案 如Iridium系統(tǒng)將其運(yùn)行的衛(wèi)星數(shù)目從66顆增加至96顆 9 天地網(wǎng)絡(luò)不斷融合 衛(wèi)星通信與有線電視 寬帶互聯(lián)網(wǎng) 移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等融合 10 新技術(shù)廣泛應(yīng)用 如星上交換與處理 多波速天線等 1 6衛(wèi)星通信的發(fā)展趨勢 附錄 通信衛(wèi)星的分類 按軌道分 GEO HEO MEO LEO 按工作區(qū)域分 國際通信衛(wèi)星 國內(nèi)通信衛(wèi)星 區(qū)域通信衛(wèi)星 按應(yīng)用領(lǐng)域分 廣播電視衛(wèi)星 跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星 軍事通信衛(wèi)星 如戰(zhàn)略 戰(zhàn)術(shù)通信衛(wèi)星 艦隊(duì)通信衛(wèi)星 軍用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星等 衛(wèi)星按重量分類 圖1 14大氣中自由電子 離子 氧和水汽分子對電波的吸收衰減 1 4衛(wèi)星通信的工作頻段 圖1 15宇宙及大氣噪聲與頻率的關(guān)系 1 4衛(wèi)星通信的工作頻段 宇宙噪聲 冷空 宇宙噪聲 熱空 大氣噪聲 圖1 16雨 霧 云引起的吸收衰減 1 4衛(wèi)星通信的工作頻段 靜止衛(wèi)星配置的幾何關(guān)系 當(dāng) 太陽 衛(wèi)星 地球 走成一線時(shí) 將發(fā)生 日凌 此時(shí) 衛(wèi)星處于光照最強(qiáng)的位置 受到太陽輻射的干擾 由太陽引起的強(qiáng)大噪聲從天線引入 這種情況發(fā)生在每年的春分 3月21日 和秋分 9月22日 前后 持續(xù)大約6天 每次約數(shù)分鐘 時(shí)間雖然不長 但影響嚴(yán)重 能中斷通信 日凌中斷條件 日凌 地星蝕 當(dāng) 太陽 地球 衛(wèi)星 走成一線時(shí) 將發(fā)生地星蝕 衛(wèi)星處于地球的陰影區(qū) 此時(shí) 星上的太陽能電池缺乏光照 只能靠蓄電池供電 這種情況也發(fā)生在每年的春分和秋分前后 持續(xù)大約21天 春分和秋分兩天的遮擋時(shí)間最長 達(dá)72分鐘 為了保證通信 通常采用輪流關(guān)閉部分轉(zhuǎn)發(fā)器的辦法 以節(jié)省能源 太陽 地球和月亮的空間關(guān)系示意圖 月星蝕 當(dāng) 太陽 月球 衛(wèi)星 走成一線時(shí) 發(fā)生月星蝕 衛(wèi)星處于月球的陰影區(qū) 也會(huì)影響星上太陽能電池的正常工作 這種情況不是每年都會(huì)出現(xiàn) 但有時(shí)一年則會(huì)出現(xiàn)數(shù)次 每次短則數(shù)分鐘 長則2小時(shí) 平均每次約40分鐘