衛(wèi)星通信基礎(chǔ)技術(shù)培訓(xùn)講義第一講：緒論1.1衛(wèi)星通信的定義與特點(diǎn)衛(wèi)星通信，顧名思義，是以人造地球衛(wèi)星為中繼站，在地球站之間或地球站與航天器之間建立的無線電通信。它是現(xiàn)代通信技術(shù)的重要組成部分，憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢，在全球通信、廣播電視、導(dǎo)航定位、氣象觀測、應(yīng)急救災(zāi)等諸多領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。與其他通信方式相比，衛(wèi)星通信具有以下顯著特點(diǎn)：*覆蓋范圍廣：一顆靜止軌道衛(wèi)星可覆蓋地球表面約三分之一的區(qū)域，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)廣大地域，特別是偏遠(yuǎn)地區(qū)、海洋、空中的通信覆蓋，這是地面通信手段難以比擬的。*通信距離遠(yuǎn)：兩點(diǎn)間的通信距離與成本無關(guān)，只要在衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)，通信成本不隨距離增加而顯著變化。*大容量與多業(yè)務(wù)：現(xiàn)代通信衛(wèi)星具備較大的通信容量，可同時(shí)傳輸語音、數(shù)據(jù)、圖像等多種業(yè)務(wù)類型。*靈活性高：衛(wèi)星通信系統(tǒng)部署相對(duì)靈活，可根據(jù)需要快速建立通信鏈路，尤其適用于應(yīng)急通信和臨時(shí)通信需求。*獨(dú)立性強(qiáng)：不易受地面自然災(zāi)害和人為事件的影響，通信鏈路相對(duì)穩(wěn)定。當(dāng)然，衛(wèi)星通信也存在一些固有的挑戰(zhàn)，如傳播時(shí)延較大、易受外部干擾、初期建設(shè)成本較高等，這些在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用中均需加以考慮。1.2衛(wèi)星通信發(fā)展歷程與應(yīng)用領(lǐng)域衛(wèi)星通信的構(gòu)想最早可追溯至20世紀(jì)中葉。自第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功以來，衛(wèi)星通信技術(shù)經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字，從低容量到高容量，從單一業(yè)務(wù)到綜合業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展。從早期的實(shí)驗(yàn)性衛(wèi)星到如今的高通量衛(wèi)星、低軌星座系統(tǒng)，每一步技術(shù)革新都極大地拓展了其應(yīng)用邊界。衛(wèi)星通信的應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，主要包括：*廣播電視傳輸：為全球或區(qū)域提供電視、廣播節(jié)目信號(hào)的傳輸與覆蓋。*固定通信業(yè)務(wù)：為偏遠(yuǎn)地區(qū)、跨國企業(yè)提供長途電話、數(shù)據(jù)專線等服務(wù)。*移動(dòng)通信業(yè)務(wù)：包括衛(wèi)星電話、衛(wèi)星應(yīng)急通信等，為地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到的區(qū)域提供服務(wù)。*數(shù)據(jù)通信與互聯(lián)網(wǎng)接入：為企業(yè)、機(jī)構(gòu)及個(gè)人用戶提供寬帶數(shù)據(jù)接入服務(wù)。*導(dǎo)航定位服務(wù)：如全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，為各類用戶提供精確的位置、速度和時(shí)間信息。*氣象觀測與環(huán)境監(jiān)測：通過氣象衛(wèi)星獲取全球氣象數(shù)據(jù)，服務(wù)于天氣預(yù)報(bào)和氣候研究。*軍事通信：提供抗干擾、抗摧毀的保密通信鏈路，保障軍事指揮與協(xié)同。*應(yīng)急通信與救災(zāi)：在自然災(zāi)害或突發(fā)事件發(fā)生后，地面通信設(shè)施受損時(shí)，衛(wèi)星通信成為重要的應(yīng)急保障手段。第二講：衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成一個(gè)完整的衛(wèi)星通信系統(tǒng)通常由空間段、地面段和用戶段三大部分構(gòu)成。2.1空間段——通信衛(wèi)星空間段的核心是通信衛(wèi)星，它主要由以下幾個(gè)關(guān)鍵分系統(tǒng)組成：*有效載荷：這是衛(wèi)星用于完成通信功能的核心部分，主要包括：*天線分系統(tǒng)：負(fù)責(zé)接收來自地球站的信號(hào)，并向地球站發(fā)射信號(hào)。按波束覆蓋范圍可分為全球波束天線、區(qū)域波束天線和點(diǎn)波束天線等。*轉(zhuǎn)發(fā)器分系統(tǒng)：是衛(wèi)星的"心臟"，其功能是將接收的地球站上行信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大、變頻、功率放大后，再通過天線發(fā)回地面。轉(zhuǎn)發(fā)器的數(shù)量和性能直接決定了衛(wèi)星的通信容量。常見的轉(zhuǎn)發(fā)器類型有透明轉(zhuǎn)發(fā)器和處理轉(zhuǎn)發(fā)器。*衛(wèi)星平臺(tái)：為有效載荷提供支撐、電源、姿態(tài)控制、熱控制、軌道控制等服務(wù)，確保衛(wèi)星能夠在太空中穩(wěn)定運(yùn)行并完成其使命。主要包括：*結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)：衛(wèi)星的骨架，支撐所有設(shè)備。*電源分系統(tǒng)：通常由太陽能電池陣和蓄電池組成，為衛(wèi)星各部分供電。*姿態(tài)與軌道控制分系統(tǒng)（AOCS）：保持衛(wèi)星在預(yù)定軌道上的正確姿態(tài)和位置，確保天線波束準(zhǔn)確指向地球表面的特定區(qū)域。*熱控制分系統(tǒng)：維持衛(wèi)星各部件在允許的溫度范圍內(nèi)工作。*遙測、跟蹤與指令分系統(tǒng)（TT&C）：與地面測控站配合，完成對(duì)衛(wèi)星的狀態(tài)監(jiān)測、軌道測量和控制指令的發(fā)送。2.2地面段地面段是衛(wèi)星通信系統(tǒng)與用戶之間的接口，也是系統(tǒng)的控制管理中心，主要包括：*地球站：*大型固定地球站：通常具有高增益天線、大功率發(fā)射機(jī)和高靈敏度接收機(jī)，用于與衛(wèi)星進(jìn)行大容量信息傳輸，是衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點(diǎn)。*中型地球站與小型地球站（VSAT）：中型站用于一定規(guī)模的業(yè)務(wù)傳輸，VSAT站則具有體積小、成本低、安裝靈活等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于企業(yè)網(wǎng)、專用網(wǎng)等。*測控站：負(fù)責(zé)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤、遙測和指令控制，確保衛(wèi)星的正常運(yùn)行和軌道維持。*運(yùn)營控制中心（OCC）/網(wǎng)絡(luò)管理中心（NMC）：負(fù)責(zé)整個(gè)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行管理、業(yè)務(wù)調(diào)度、信道分配、故障診斷與維護(hù)等。*關(guān)口站：在某些衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中，關(guān)口站負(fù)責(zé)連接衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面公共電話網(wǎng)（PSTN）或互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)用戶終端與地面網(wǎng)絡(luò)的互通。2.3用戶段用戶段是指各類衛(wèi)星通信服務(wù)的最終使用者所使用的終端設(shè)備。根據(jù)業(yè)務(wù)類型的不同，用戶終端形態(tài)各異，例如：*固定業(yè)務(wù)用戶終端：如VSAT終端、數(shù)據(jù)接收卡等。*移動(dòng)業(yè)務(wù)用戶終端：如衛(wèi)星電話、車載衛(wèi)星終端、船載衛(wèi)星終端、機(jī)載衛(wèi)星終端等。*廣播電視接收終端：如衛(wèi)星電視接收機(jī)（機(jī)頂盒）和衛(wèi)星接收天線。第三講：衛(wèi)星通信傳輸鏈路衛(wèi)星通信傳輸鏈路是指從發(fā)送地球站經(jīng)衛(wèi)星到接收地球站的信號(hào)傳輸路徑。對(duì)傳輸鏈路的分析和設(shè)計(jì)是衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。3.1傳輸鏈路組成一條典型的衛(wèi)星通信上行鏈路（地球站到衛(wèi)星）和下行鏈路（衛(wèi)星到地球站）共同構(gòu)成了一個(gè)雙向通信的傳輸通道。信號(hào)在鏈路上傳輸時(shí)，會(huì)經(jīng)歷發(fā)射、空間傳播、接收等過程，并受到各種損耗和噪聲的影響。3.2主要傳輸損耗與增益信號(hào)在傳輸過程中會(huì)受到多種損耗，同時(shí)也會(huì)獲得天線增益等。主要包括：*自由空間傳播損耗（Lfs）：這是電磁波在均勻理想介質(zhì)（自由空間）中傳播時(shí)，由于能量擴(kuò)散而引起的損耗。它是衛(wèi)星鏈路中最主要的損耗，與信號(hào)頻率和傳播距離的平方成正比。*大氣吸收損耗：電磁波穿過地球大氣層時(shí)，會(huì)被大氣中的氧氣、水汽等吸收而產(chǎn)生損耗。頻率越高，大氣吸收越顯著，且與大氣條件（如濕度、溫度）有關(guān)。*雨衰：降雨會(huì)對(duì)電磁波產(chǎn)生吸收和散射，導(dǎo)致信號(hào)衰減，尤其在高頻段（如Ku、Ka頻段）更為嚴(yán)重，是鏈路設(shè)計(jì)中必須考慮的重要因素。*大氣折射與閃爍：大氣密度的不均勻會(huì)導(dǎo)致電磁波傳播路徑彎曲（折射）和信號(hào)強(qiáng)度的隨機(jī)起伏（閃爍）。*天線增益（Gt,Gr）：發(fā)射天線和接收天線將能量集中向特定方向輻射或接收的能力。天線增益與天線口徑、工作頻率以及天線效率有關(guān)。*極化損耗：由于發(fā)射與接收天線極化方式不匹配而產(chǎn)生的損耗。*指向誤差損耗：由于天線指向衛(wèi)星不夠精確而導(dǎo)致的增益下降。3.3鏈路預(yù)算鏈路預(yù)算是評(píng)估衛(wèi)星通信鏈路傳輸質(zhì)量的重要工具，其目的是計(jì)算接收端的信號(hào)功率與噪聲功率之比（載噪比C/N或信噪比S/N），并確保其滿足系統(tǒng)要求的門限值。鏈路預(yù)算的基本思路是：接收功率=發(fā)射功率+發(fā)射天線增益+接收天線增益-各種傳輸損耗載噪比（C/N）則是接收信號(hào)功率（C）與接收端噪聲功率（N）的比值。噪聲功率主要來源于接收系統(tǒng)內(nèi)部噪聲（如接收機(jī)噪聲系數(shù)）和外部噪聲（如宇宙噪聲、大氣噪聲等）。鏈路設(shè)計(jì)中，通常需要留有一定的余量（鏈路余量），以應(yīng)對(duì)各種不可預(yù)見的損耗和惡化因素，保證鏈路在大部分時(shí)間內(nèi)可靠工作。3.4鏈路設(shè)計(jì)考慮因素*工作頻段選擇：不同頻段各有優(yōu)缺點(diǎn)，如C頻段雨衰小、技術(shù)成熟，但帶寬相對(duì)有限；Ku、Ka頻段帶寬大、容量高，但雨衰嚴(yán)重，需要更大的鏈路余量或采用抗雨衰措施。*調(diào)制編碼方式：選擇合適的調(diào)制（如QPSK,8PSK,16QAM等）和前向糾錯(cuò)編碼（FEC）方式，以在給定的C/N條件下獲得盡可能高的傳輸速率和可靠性。*天線尺寸與類型：根據(jù)鏈路需求和安裝條件選擇合適的天線。*系統(tǒng)可用性目標(biāo)：根據(jù)業(yè)務(wù)的重要性，確定系統(tǒng)需要達(dá)到的可用性指標(biāo)（如99.9%，99.99%），并據(jù)此進(jìn)行鏈路余量的分配。第四講：衛(wèi)星軌道與星座衛(wèi)星的軌道特性直接影響其覆蓋范圍、運(yùn)行周期、信號(hào)傳播時(shí)延等關(guān)鍵性能。4.1軌道類型根據(jù)衛(wèi)星離地面的高度，可將衛(wèi)星軌道分為：*低地球軌道（LEO）：高度通常在數(shù)百公里至兩千公里左右。特點(diǎn)是運(yùn)行周期短（約____分鐘），與地面相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度快，信號(hào)傳播時(shí)延小，路徑損耗相對(duì)較小。但單星覆蓋范圍小，為實(shí)現(xiàn)全球覆蓋需要多顆衛(wèi)星組成星座。*中地球軌道（MEO）：高度介于LEO和GEO之間，通常在數(shù)千公里。其覆蓋范圍和時(shí)延特性也介于兩者之間。*高地球軌道（HEO）：通常指橢圓軌道，遠(yuǎn)地點(diǎn)距離地面可達(dá)數(shù)萬公里?？梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)特定高緯度地區(qū)的長時(shí)間覆蓋。*地球靜止軌道（GEO）：這是一種特殊的圓形赤道軌道，高度約為三萬六千公里。衛(wèi)星運(yùn)行周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同，且方向一致，因此從地面上看，衛(wèi)星似乎靜止不動(dòng)。GEO衛(wèi)星覆蓋范圍大，一顆衛(wèi)星即可覆蓋約1/3地球表面，非常適合廣播電視和區(qū)域通信服務(wù)。但信號(hào)傳播時(shí)延較大（單程約0.27秒），且對(duì)高緯度和極地地區(qū)覆蓋效果差。4.2軌道參數(shù)描述衛(wèi)星軌道的常用參數(shù)包括：*軌道傾角（i）：衛(wèi)星軌道平面與地球赤道平面的夾角。*軌道半長軸（a）：決定了衛(wèi)星運(yùn)行周期和軌道高度。*偏心率（e）：描述軌道的橢圓程度，e=0為圓形軌道。*升交點(diǎn)赤經(jīng)（Ω）：衛(wèi)星軌道升交點(diǎn)（由南向北穿過赤道的點(diǎn)）與春分點(diǎn)之間的角距離。*近地點(diǎn)幅角（ω）：從升交點(diǎn)到近地點(diǎn)的角距離。*平近點(diǎn)角（M）：描述衛(wèi)星在軌道上特定時(shí)刻的位置。4.3衛(wèi)星星座為了實(shí)現(xiàn)全球或更廣泛區(qū)域的連續(xù)覆蓋，尤其是對(duì)于LEO和MEO衛(wèi)星，通常需要多顆衛(wèi)星按一定規(guī)律排列組成衛(wèi)星星座。常見的星座構(gòu)型有：*極軌道星座：衛(wèi)星軌道傾角接近90度，可覆蓋地球兩極地區(qū)。*傾斜軌道星座：軌道傾角小于90度，通過合理設(shè)計(jì)衛(wèi)星數(shù)量和相位，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的高重訪率或連續(xù)覆蓋。星座設(shè)計(jì)需要考慮覆蓋性能、衛(wèi)星數(shù)量、切換策略、星際鏈路等復(fù)雜問題。4.4軌道資源管理靜止軌道位置和無線電頻率是寶貴的稀缺資源。國際電信聯(lián)盟（ITU）負(fù)責(zé)全球衛(wèi)星軌道和頻率資源的協(xié)調(diào)與管理，各國需按照相關(guān)規(guī)則和程序申請(qǐng)和使用軌道頻率資源，以避免相互干擾。第五講：調(diào)制解調(diào)與多址技術(shù)調(diào)制解調(diào)與多址技術(shù)是衛(wèi)星通信中提高頻譜利用率、實(shí)現(xiàn)多用戶共享衛(wèi)星資源的關(guān)鍵技術(shù)。5.1調(diào)制與解調(diào)調(diào)制是將基帶信號(hào)（如語音、數(shù)據(jù)）加載到高頻載波上，使其適合在衛(wèi)星信道中傳輸?shù)倪^程。解調(diào)則是調(diào)制的逆過程，從已調(diào)信號(hào)中恢復(fù)出原始基帶信號(hào)。*模擬調(diào)制：如幅度調(diào)制（AM）、頻率調(diào)制（FM），早期衛(wèi)星通信中曾廣泛使用，目前主要用于某些特定模擬業(yè)務(wù)。*數(shù)字調(diào)制：現(xiàn)代衛(wèi)星通信普遍采用數(shù)字調(diào)制技術(shù)，具有抗干擾能力強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)加密和差錯(cuò)控制、便于與數(shù)字網(wǎng)絡(luò)接口等優(yōu)點(diǎn)。常見的數(shù)字調(diào)制方式有：*相移鍵控（PSK）：如BPSK,QPSK,8PSK等。QPSK因具有較好的頻譜效率和功率效率，在衛(wèi)星通信中應(yīng)用廣泛。*正交幅度調(diào)制（QAM）：如16QAM,64QAM等，在信噪比條件較好時(shí)可提供更高的頻譜效率，但抗干擾能力相對(duì)較弱。*頻移鍵控（FSK）：如2FSK,4FSK等，抗干擾能力較強(qiáng)，但頻譜效率較低。5.2多址技術(shù)多址技術(shù)允許多個(gè)地球站或用戶終端同時(shí)共享衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的頻率資源和時(shí)間資源進(jìn)行通信，而不會(huì)相互干擾。主要的多址方式有：*頻分多址（FDMA）：將衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的可用帶寬分割成若干個(gè)互不重疊的子頻段，每個(gè)地球站或用戶分配一個(gè)或多個(gè)子頻段進(jìn)行通信。實(shí)現(xiàn)簡單，但頻譜利用率不高，靈活性較差。*時(shí)分多址（TDMA）：將衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的可用時(shí)間分割成若干個(gè)互不重疊的時(shí)隙，每個(gè)地球站或用戶在指定的時(shí)隙內(nèi)發(fā)送信號(hào)。頻譜利用率高于FDMA，便于實(shí)現(xiàn)按需分配，但對(duì)系統(tǒng)定時(shí)同步要求較高。*碼分多址（CDMA）：所有用戶在同一時(shí)間、同一頻率上發(fā)送信號(hào)，但每個(gè)用戶使用獨(dú)特的偽隨機(jī)碼（擴(kuò)頻碼）對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。接收端通過相關(guān)檢測技術(shù)識(shí)別出特定用戶的信號(hào)。CDMA具有抗干擾能力強(qiáng)、保密性好、可軟容量等優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較高，同步要求嚴(yán)格。*空分多址（SDMA）：利用衛(wèi)星天線的波束指向能力，將不同方向的波束分配給不同的用戶或區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)頻率資源的空間復(fù)用。常與其他多址方式結(jié)合使用，以進(jìn)一步提高頻譜利用率。在實(shí)際應(yīng)用中，常常將上述多址方式結(jié)合使用，如FDMA/TDMA、CDMA/FDMA等，形成混合多址方式，以優(yōu)化系統(tǒng)性能。第六講：編碼與差錯(cuò)控制衛(wèi)星信道屬于典型的隨參信道，存在各種噪聲、干擾和衰落，容易導(dǎo)致信號(hào)傳輸錯(cuò)誤。編碼與差錯(cuò)控制技術(shù)是提高衛(wèi)星通信可靠性的重要手段。6.1信道編碼的基本概念信道編碼，又稱差錯(cuò)控制編碼，是通過在原始信息碼元序列中按照一定規(guī)則加入冗余碼元（監(jiān)督碼元），使接收端能夠發(fā)現(xiàn)或糾正傳輸過程中產(chǎn)生的錯(cuò)誤。*檢錯(cuò)碼：只能發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，但不能糾正錯(cuò)誤。如奇偶校驗(yàn)碼、循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC）。*糾錯(cuò)碼：不僅能發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，還能糾正錯(cuò)誤。根據(jù)糾錯(cuò)能力可分為分組碼和卷積碼等。6.2常用差錯(cuò)控制編碼*分組碼：將信息序列分成若干組，每組獨(dú)立進(jìn)行編碼。如漢明碼、BCH碼、RS（里德-所羅門）碼等。RS碼在糾正突發(fā)錯(cuò)誤方面性能優(yōu)異，常與卷積碼級(jí)聯(lián)使用（如Turbo碼出現(xiàn)前的主流級(jí)聯(lián)碼方案：卷積碼+RS碼）。*卷積碼：編碼時(shí)不僅考慮當(dāng)前組的信息碼元，還與前面若干組的信息碼元有關(guān)，具有記憶性。卷積碼的譯碼通常采用維特比（Viterbi）算法，在中等碼率下性能良好。*Turbo碼：一種具有接近香農(nóng)極限性能的先進(jìn)編碼方案，通過兩個(gè)或多個(gè)分量編碼器和一個(gè)交織器級(jí)聯(lián)構(gòu)成，其譯碼采用迭代譯碼算法。Turbo碼在衛(wèi)星通信中，特別是在對(duì)誤碼率要求高、信噪比裕量小的鏈路中得到廣泛應(yīng)用。*LDPC碼（低密度奇偶校驗(yàn)碼）：另一種接近香農(nóng)極限的優(yōu)秀編碼，具有譯碼復(fù)