2025/11/23第四章衛(wèi)星通信系統(tǒng)

2025/11/234.1概述4.2衛(wèi)星通信定義4.3通信衛(wèi)星的軌道4.4同步靜止軌道衛(wèi)星4.5衛(wèi)星通信的發(fā)展概況4.6衛(wèi)星通信的特點4.7衛(wèi)星通信的應(yīng)用范圍4.8衛(wèi)星通信系統(tǒng)4.9衛(wèi)星通信工作波段4.10星蝕、日凌中斷及傳輸時延2025/11/234.1概述為了增加地面通信距離，采用中繼接力的方法可以部分克服地球曲率對電波傳播的阻擋，使點對點的通信距離加大。通信距離與天線架高有關(guān)，微波中繼通信是視距通信，中繼接力的距離為50km，若進行長距離如18101km通信，則需要設(shè)置360個中繼站，造價高、維護不便、而且經(jīng)過多次轉(zhuǎn)發(fā)后信號質(zhì)量會受到較大的影響。隨著航天技術(shù)的發(fā)展，人們必然想把中繼通信站放到距離地面很高的衛(wèi)星上，并使天線對準地球表面，由于視野十分開闊，便可達到地面接力無法達到的“中繼”效果。由此引入一種新的中繼通信方式----衛(wèi)星通信。2025/11/234.2

衛(wèi)星通信定義

衛(wèi)星通信，簡單的說就是地球上（包括地面、水面和低層大氣中）的無線電通信站之間利用人造衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)或反射無線電波，以此來實現(xiàn)兩個或多個地球站之間通信的一種通信方式。它是一種無線通信方式，可以承載多種通信業(yè)務(wù)，是當今社會重要的通信手段之一。

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通信衛(wèi)星的軌道

衛(wèi)星運行的軌跡和趨勢稱為衛(wèi)星運行軌道；其軌道近似于橢圓或圓形，地心就處在橢圓的一個焦點或圓心上，按照軌道平面與赤道平面的夾角i（軌道傾角）的不同，地球衛(wèi)星的軌道有赤道軌道（i=0o）、極軌道（i=90o）、傾斜軌道（0o<i<90o）之分。2025/11/234.4

同步靜止軌道衛(wèi)星

衛(wèi)星運行軌道處于地球赤道平面內(nèi)，運行方向與地球自轉(zhuǎn)方向一致，繞地球一圈的時間與地球自轉(zhuǎn)一周的時間相同（24小時）的衛(wèi)星稱為同步靜止軌道衛(wèi)星（此時衛(wèi)星距地面高度為35785.6公里）。從地面看衛(wèi)星是“靜止”不動的，即地面上各點與衛(wèi)星之間的相對位置不變，因此稱之為靜止軌道衛(wèi)星（同步衛(wèi)星）。2025/11/23

靜止衛(wèi)星距赤道的高度為35786km，從衛(wèi)星向地球引兩條切線，切線夾角為17.34°，兩切點的弧線距18101km（此為每顆衛(wèi)星可以通信的最遠距離）。若以120°的等間隔在靜止軌道上配置3顆靜止衛(wèi)星，則衛(wèi)星至地球覆蓋邊緣的最遠距離41756km，衛(wèi)星與衛(wèi)星之間的空間距離為73511km，地球赤道上的直徑約12740km，則在地球表面除兩級地區(qū)未被衛(wèi)星波束覆蓋外，其他地區(qū)均在覆蓋范圍內(nèi)，而且其中一部分地區(qū)還是兩個靜止衛(wèi)星天線波束覆蓋的重疊區(qū)域，借助于重疊區(qū)域內(nèi)地球站的中繼，便可實現(xiàn)在不同衛(wèi)星覆蓋區(qū)的地球站的通信。這樣，利用3顆等間隔配置的靜止衛(wèi)星就可以實現(xiàn)全球通信。2025/11/23

利用靜止衛(wèi)星建立全球通信示意圖2025/11/234.5

衛(wèi)星通信的發(fā)展概況1945年五月英國人阿瑟克拉克提出關(guān)于靜止衛(wèi)星的設(shè)想。1954-1964衛(wèi)星通信試驗，1957年10月4日蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星，1963年7月美國發(fā)射了第一顆地球同步衛(wèi)星，他們都進行了衛(wèi)星通信試驗。1965年國際通信衛(wèi)星組織的IS-1（國際通信衛(wèi)星）發(fā)射，衛(wèi)星通信進入實用階段。我國于1970年4月24日，成功地發(fā)射了自行研制的東方紅一號衛(wèi)星，1984年4月發(fā)射了我國第一顆同步通信衛(wèi)星東方紅二號，2019年5月12日月發(fā)射了我國第一顆三軸穩(wěn)定的同步通信衛(wèi)星東方紅三號。2025/11/23我國自1972年開始運行衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)，目前全球共有地球同步靜止軌道衛(wèi)星約210顆。中國的衛(wèi)星通信經(jīng)過近三十年的發(fā)展，從無到有，已經(jīng)初具規(guī)模，但是發(fā)展速度仍比較緩慢。注冊的衛(wèi)星運營公司已有中國通信廣播衛(wèi)星公司、中國東方通信衛(wèi)星有限責任公司、鑫諾衛(wèi)星通信有限公司、亞洲衛(wèi)星通信有限公司、亞太衛(wèi)星控股有限公司五家（在大陸注冊三家），共擁有10顆衛(wèi)星,342個轉(zhuǎn)發(fā)器單元（C波段236個、Ku波段106個，均已折合至每轉(zhuǎn)發(fā)器36MHz帶寬）。其業(yè)務(wù)已覆蓋到亞洲大部分地區(qū)和歐洲部分地區(qū)。2025/11/234.6

衛(wèi)星通信的特點

衛(wèi)星通信的優(yōu)點1、通信距離遠，覆蓋面積大；2、便于實現(xiàn)多址連接通信；3、通信頻帶寬，傳輸容量大；4、機動靈活；5、通信線路穩(wěn)定可靠，傳輸質(zhì)量高；6、成本與通信距離無關(guān)；2025/11/23衛(wèi)星通信的缺點1、要有高可靠和長壽命的通信衛(wèi)星；2、衛(wèi)星的發(fā)射與控制技術(shù)比較復(fù)雜；3、衛(wèi)星通信具有較大的信號傳輸延遲和回聲干擾；4、存在星蝕和日凌中斷現(xiàn)象。2025/11/234.7

衛(wèi)星通信的應(yīng)用范圍

衛(wèi)星通信的應(yīng)用范圍很廣，涉及長途電話、傳真、電視廣播、娛樂、計算機聯(lián)網(wǎng)、電視會議、電話會議、交互型遠程教育、醫(yī)療數(shù)據(jù)、應(yīng)急業(yè)務(wù)、新聞廣播、交通信息、船舶、飛機的航行數(shù)據(jù)及軍事通信等。

目前國內(nèi)公眾衛(wèi)星通信網(wǎng)的干線已有37個大型C波段地球站，運行著3萬5千條雙向電路（占國內(nèi)長途電路的5~6‰），另有4個試驗地球站和約30臺移動衛(wèi)星通信車載站工作在Ku波段。2025/11/23

國際通信方面我國運營15座國際通信衛(wèi)星地球站，開通了約1萬3千條雙向電路（占國際長途電路的26%）。中國通信廣播衛(wèi)星公司等具有國際點對點業(yè)務(wù)許可的單位開通了150~200條國際雙向VSAT電路。公眾通信約使用50個轉(zhuǎn)發(fā)器。我國已有中央電視臺的12套節(jié)目，中央人民廣播電臺和國際臺的32路聲音廣播節(jié)目，以及31個省、自治區(qū)、直轄市的廣播電視節(jié)目均通過通信衛(wèi)星向全國傳送。目前我國廣播電視節(jié)目共使用了11顆通信衛(wèi)星（亞太1A、亞洲2號、亞洲3S、鑫諾1號、亞太2R、泛美3R號、泛美8號、泛美9號、泛美3R號、泛美10號、銀河3R和熱鳥3號）的32個轉(zhuǎn)發(fā)器。2025/11/23

VSAT(VerySmallApertureTerminal)于20世紀80年代最先在美國興起，發(fā)展速度很快，是30多年來衛(wèi)星通信技術(shù)的轉(zhuǎn)折性發(fā)展。VSAT系統(tǒng)有兩種類型，一種是雙向VSAT系統(tǒng)，它由中心站控制許多VSAT終端來提供數(shù)據(jù)傳輸、語音和傳真等業(yè)務(wù)；另一種是單向VSAT系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，圖像和數(shù)據(jù)等信號從中心站傳輸?shù)皆S多單收VSAT終端。

VSAT是一種天線口徑很小的衛(wèi)星通信地球站，又稱微型地球站或小型地球站。其特點是天線直徑很小(一般為0.3-2.4米)，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、固體化、智能化、價格便宜、安裝方便、對使用環(huán)境要求不高，且不受地面網(wǎng)絡(luò)的限制，組網(wǎng)靈活。2025/11/23

我國已建成的廣播電視衛(wèi)星地球站共31座，地面衛(wèi)星收轉(zhuǎn)臺站52萬多座。與1985年上衛(wèi)星時相比，我國廣播電視人口覆蓋率已由68.3%和68.4%上升為2019年底的92.9%和94.1%。

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衛(wèi)星通信系統(tǒng)

衛(wèi)星通信系統(tǒng)的重要組成部分是通信衛(wèi)星和各種衛(wèi)星通信地球站，了解它們的組成結(jié)構(gòu)是掌握衛(wèi)星通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)。1、衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成及工作過程（1）組成衛(wèi)星通信系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，它由地面部分和空間部分組成。主要包括：通信地球站分系統(tǒng)、跟蹤遙測指令分系統(tǒng)、監(jiān)控管理分系統(tǒng)及空間分系統(tǒng)共4大部分，如圖所示。

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空間分系統(tǒng)是衛(wèi)星通信的核心，即通信衛(wèi)星，起無線電中繼站作用，主體是通信裝置，包括一個或多個轉(zhuǎn)發(fā)器（微波收、發(fā)信機）和天線，保障部分星體上的遙測指令、控制系統(tǒng)和能源裝置等。

監(jiān)控管理分系統(tǒng)，也稱為監(jiān)控中心，主要負責對定點的衛(wèi)星在業(yè)務(wù)開通前、后進行通信性能的監(jiān)測和控制（如對轉(zhuǎn)發(fā)器功率、衛(wèi)星天線增益、各地球站發(fā)射功率、帶寬等參數(shù)進行監(jiān)控）。2025/11/23

跟蹤遙測指令分系統(tǒng)

跟蹤遙測指令分系統(tǒng)負責對衛(wèi)星進行跟蹤測量，控制其準確進入靜止軌道上的指定位置；定期對衛(wèi)星進行軌道修正和位置保持。④通信地球站分系統(tǒng)

地球站是微波無線電收、發(fā)信臺（站），用戶通過他們接入衛(wèi)星線路。主要包括：天線、發(fā)射設(shè)備、功率放大器、接收設(shè)備、信道終端設(shè)備、跟蹤/伺服設(shè)備以及電源設(shè)備等等。2025/11/23（2）工作過程在一個衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，各地球站經(jīng)過衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)可以組成多條衛(wèi)星通信線路。整個系統(tǒng)的全部通信任務(wù)就是利用這些線路分別完成的，在衛(wèi)星通信線路中，通常把從發(fā)信地球站到衛(wèi)星這一段稱為上行線路（或稱上行鏈路）。從衛(wèi)星到收信地球這一段稱為下行線路（或稱下行鏈路）。兩者合起來就構(gòu)成一條最簡單的單工線路，如圖所示。2025/11/232025/11/234.9

衛(wèi)星通信工作頻段

1、衛(wèi)星工作頻段衛(wèi)星通信使用的頻率范圍選在微波波段是最合適的。且必須高于100MHz，以便不受電離層的吸收和衰減影響。世界無線電行政會議規(guī)定，衛(wèi)星通信的使用頻段為136MHZ-275GHZ。中間有許多頻段被其他領(lǐng)域使用，如航天、移動、廣播、海上等。目前，大多數(shù)衛(wèi)星選擇頻段如下：

（1）C波段（3.4-6.65GHz）星系、衛(wèi)星通信、遠星、通信衛(wèi)星、星際衛(wèi)星等（電視、電話、視頻會議）

（2）Ku波段(10.95-18GHz)全球星（電視、直接廣播、太空站）

（3）Ka波段(18-40GHz)高級通信技術(shù)衛(wèi)星（移動電話）

（4）L波段(1.12-2.6GHz)大型低軌道地球衛(wèi)星（5