1、通信工程教研室,主講人：葛延良,衛(wèi) 星 通 信,1,優(yōu)選課講,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,2,優(yōu)選課講,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,3,優(yōu)選課講,1.1 衛(wèi)星軌道,假設(shè)地球是

2、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,4,優(yōu)選課講,圖1 橢圓軌道的示意圖,5,優(yōu)選課講,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(zhǎng)軸，r為衛(wèi)星到地心的距離。u為開普勒常數(shù)，u值為398601.58 km3/s2,6,優(yōu)選課講,開普勒第三定律：衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)周期的平方與軌道半長(zhǎng)軸的3次方成正比。 u為開普勒常數(shù)，u值為398601.58 km3/s2,7,優(yōu)選課講,1.2 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的

3、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, Satellite control center）及其跟蹤、遙測(cè)和指令站（TT&C, Tracking, telemetry and command station）。 用戶段 各種用戶終端,8,優(yōu)選課講,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??；（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

4、-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,9,優(yōu)選課講,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螅?（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?。?（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,10,優(yōu)選課講,頻率劃分,11,優(yōu)選課講,綜

5、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： 1.6/1.5 GHz 用于MSS，GEO衛(wèi)星測(cè)控。 S頻段： 4/2 GHz 用于MSS，GEO衛(wèi)星測(cè)控。 C 頻段： 6/4 GHz 用于MSS，GEO衛(wèi)星測(cè)控。 X 頻段： 8/7 GHz Ku 頻段： 14/12 GHz 用于FSS，BSS。 Ka 頻段： 30/20 GHz 用于FSS，BSS。 此外，VHF、UHF用于低軌小衛(wèi)星通信。 VHF 頻段：0.10.3 GHz 用于移動(dòng)、導(dǎo)航業(yè)務(wù)。 UHF 頻段：0.31.0 GHz 用于移動(dòng)、導(dǎo)航業(yè)務(wù)。 更高頻段：Q

6、頻段：3646 GHz， V 頻段：4656 GHz。 太赫茲頻段：0.110THz,1.3 衛(wèi)星通信的工作頻段,K波段(1827GHz), Ku波段的頻率受國(guó)際有關(guān)法律保護(hù)，1218GHz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)IEEE 521-2002標(biāo)準(zhǔn)，X波段是指頻率在812 GHz的無線電波波段。而在某

7、些場(chǎng)合中，X波段的頻率范圍則為711.2 GHz。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 7.75 GHz，上行頻率為7.98.4 GHz，也常被稱為7/8 GHz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(cè)衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星等用途,根據(jù)IEEE 521-2002標(biāo)準(zhǔn)，L波段是指頻率在12 GHz的無線電波波段?？杀挥糜贒AB、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等,C波段，是頻率48GHz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2740G

8、Hz。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30/20 GHz波段，通常用于衛(wèi)星通信,甚高頻(VHF)是指頻帶30MHz300MHz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(zhǎng)范圍為1m1dm，頻率為3003000MHz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,12,優(yōu)選課講,1.3 衛(wèi)星通信的工作頻段,13,優(yōu)選課講,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)

9、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(duì)獨(dú)立，網(wǎng)絡(luò) 路由簡(jiǎn)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),14,優(yōu)選課講,缺點(diǎn)： 1、靜止衛(wèi)星的發(fā)射與控制比較復(fù)雜； 2、對(duì)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

10、的特點(diǎn),15,優(yōu)選課講,由于衛(wèi)星通信相對(duì)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(chǎng)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(guó)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),16,優(yōu)選課講,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)

11、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),17,優(yōu)選課講,衛(wèi)星通信在中國(guó)的特殊地位： 幅員遼闊； 人口眾多； 地區(qū)發(fā)展不平衡； 中國(guó)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),18,優(yōu)選課講,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 (Fixed satellite service) 移動(dòng)衛(wèi)星業(yè)務(wù)MSS (Mob

12、ile satellite service) 廣播衛(wèi)星業(yè)務(wù)BSS (Broadcasting satellite service,19,優(yōu)選課講,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(guó)際通信； 第二階段：開始提供電視傳送； 第三階段：提供國(guó)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,20,優(yōu)選課講,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,21,優(yōu)選課講,衛(wèi)星通信的其它應(yīng)用： 衛(wèi)星導(dǎo)航 衛(wèi)星遙感（對(duì)空和

13、對(duì)地遙感） 氣象觀測(cè) 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,22,優(yōu)選課講,1.6 衛(wèi)星通信的發(fā)展趨勢(shì),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(zhǎng)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，

14、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、GE American和 GEMnet等系統(tǒng)。 （3）對(duì)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,23,優(yōu)選課講,4）隨著1997年9月26日美國(guó)FCC頻率申請(qǐng)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(qǐng)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

15、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(shì),24,優(yōu)選課講,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(duì)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(shì),

16、25,優(yōu)選課講,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(guó)際通信衛(wèi)星、國(guó)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,26,優(yōu)選課講,衛(wèi)星按重量分類,27,優(yōu)選課講,28,優(yōu)選課講,29,優(yōu)選課講,30,優(yōu)選課講,圖 1-14 大氣中自由電子、離子、氧和水汽分子對(duì)電波的吸收衰減,1.4 衛(wèi)星通信的工作頻段,31,優(yōu)選課講,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,32,優(yōu)選課講,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,33,優(yōu)選課講,靜止衛(wèi)星配置的幾何關(guān)系,34,優(yōu)選課講,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(zhǎng)，但影響嚴(yán)重，能中斷通信,日凌中斷條件,日凌,35,優(yōu)選課講,地星蝕,當(dāng)“太陽地球