卫星通信系统

4.1 卫星通信系统的组成
空间分系统是指包括通信装置在内的通信卫星主体以及星体 的遥测指令、控制系统和能源装置等。
地球站群包括中央和若干个普通地球站。
跟踪遥测及指令系统的功能主要是完成对卫星跟踪测量和控 制，使其准确进入卫星轨道上的指定位置，并对卫星定期进行轨 道修正和位置保持。
监控管理系统的功能主要是在业务开通前后对定点卫星进行 通信性能检测和控制。
6/4
6/4；14/11&12 6/4；14/11&12
6/4；14/11&12
4.1 卫星通信系统的组成
2. 通信卫星的组成
（1）对通信卫星的技术要求。符合维持通信卫星正常工作的 供电要求；保持正常的卫星姿态；保持稳定的自旋速度；保持在 规定的轨道上；卫星上的设备应工作在稳定的温度环境下。
（2）通信卫星的组成
4.1 卫星通信系统的组成
图4-3 卫星通信线路的组成
4.1 卫星通信系统的组成
卫星转发器的接收器中，首先对微波频率为f1的上行信号进 行低噪声放大，然后将其转换成为频率为f2的下行微波信号，再 经过卫星发射机的功率放大，通过双工器由天线将信号发往地面 站。
2. 地球站的基本构成
（1）对地球站的性能要求。为了保证地球站与通信卫星之间 的正常通信，因此国际上有关部门对标准地球站的必备性能做出 了规范。
4.5～5 3.5
4.5～5.5
0.6～2.4 1.2～11
0.6～32
最小（G/T）值/（ dB/K）
35.0（原40.7） 37.0（原39）
31.7
29.0 34.0 27.0 29.0
22.7 2 500 22.7
5.5Hale Waihona Puke 165.5～16业务
电话、数据、TV、IDR、IBS 电话、数据、TV、IDR、IBS 电话、数据、TV、IDR、IBS
第四章 卫星通信系统
4.1 卫星通信系统的组成 4.2 多址及随机多址访问方式 4.3 卫星移动通信系统 4.4 VSAT卫星通信系统
4.1 卫星通信系统的组成
4.1.1 卫星通信系统的基本概念
卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站，转发或反射无 线电波，在两个或多个地球站之间进行通信。地球站是指设在地 球表面，包括地面、海洋和大气中的通信站。
（3）卫星转发器。卫星转发器常分为透明转发器和处理转发 器两种。
①透明转发器。透明转发器也称非再生转发器，包括单变频 转发器和双变频转发器两种。
单变频转发器是目前使用最多的一种转发器，如图4-7（a） 所示。双变频转发器的结构如图4-7（b）所示。
②处理转发器。处理转发器是指除了具有转发功能之外，还 具有处理功能的转发器，其结构如图4-7（c）所示。
表4-1各类地球站的天线尺寸、工作性能以及适用业务类型
类型
地球站标准
大型站（国 家）
中型站（卫 星通信）
小型站（商 用）
VSAT TVRO 国内
A C B
F—3 E—3 F—2 E—2
F—1 E—1 D—1
G
Z
天线尺寸/m
15～18（原30～32） 12～14（原15～18）
11～13
9～10 8～10 7～8 5.0～7.0
⑤电源分系统：通信卫星上常使用两种电池，即太阳能电池 和化学电池。
⑥温控分系统：当卫星围绕地球运转时，时而面向太阳，时 而绕到地球背面，两者的温差变化很大，且频繁。因此必须采用 温控装置来控制卫星内部的温度，以保证卫星发射频率的稳定。
4.1 卫星通信系统的组成
图4-6 通信卫星组成示意图
4.1 卫星通信系统的组成
4.2 多址及随机多址访问方式
①固定预分配（FPA）方式。固定预分配是指按事先规定半永 久性地分配给每个地球站固定数量的信道，这样各地球站只能各 自在特定的信道上完成与其他地球站的通信，其他地球站不得占 用该信道。如图4-10（a）所示。
②按时预分配（TPA）方式。事先知道了各地球站间业务随时 间的变化规律，那么在一天内可按约定对信道做几次固定的调整， 这种方式就是按时预分配（TPA）方式。
按卫星的结构划分，通信卫星又可分为无源卫星和有源卫星。 按卫星的运转轨道划分，通信卫星又可分为静止卫星和运动卫星。
静止卫星就是只发射到赤道上空35800km附近圆形轨道上的卫 星，其运动方向与地球自转方向一致，并绕地球一周的时间恰好 为24h，与地球自转周期相同，因而从地球看过去，如同静止一般， 因而称为静止卫星。以静止卫星作为中继站所组成的通信系统为 静止卫星通信系统或同步卫星通信系统。
4.2 多址及随机多址访问方式
4.2.1 多址技术的基本概念及信道分配方式
多址技术是指在卫星覆盖区内的多个地球站，通过同一颗卫 星的中继建立两址和多址之间通信的技术。
多址技术是建立在信号分割基础之上的，即在发射端利用信 号之间参量的差别来进行信号设计，使接收端能够按发端所设计 的信号差别，从所接收信号中分离出各路信号，因而不同的控制 策略构成不同的多址访问方式。多址技术包括多址方式和多址分 配方式。
图4-1中标示出了地球与静止卫星之间的相对位置。
4.1 卫星通信系统的组成
图4-1 静止卫星配置几何关系
4.1 卫星通信系统的组成
4.1.2 卫星通信系统的组成
一个完整的卫星通信系统是由空间分系统、地球站群、跟踪 遥测及指令系统和监控管理系统4部分组成，如图4-2所示。各部 分的功能介绍如下。
图4-2 卫星通信系统的基本组成
4.1 卫星通信系统的组成
图4-10 多址分配示意图
4.2 多址及随机多址访问方式
频分多址访问方式（FDMA）是卫星通信多址技术中的一种比 较简单的多址访问方式。
时分多址访问方式（TDMA）是以时间为参量来进行分割的， 其在频率和空间上无法分开，那么不同的信号占据不同时间段， 彼此互不重叠。
空分多址访问方式（SDMA）是以空间作为参量来进行分割的， 其在频率和时间上无法分开，因而不同的信道占据不同的空间， 这样卫星可根据空间位置接收相应覆盖区域中的各地球站发送的 上行链路信号。
（2）每载波单路SCPC-FDMA方式。每载波单路FDMA方式是指在 SCPC系统中，每个载波中仅传送一路信号，这样在SCPC工作过程 中，将无须进行基带复用、基带滤波和基带去复用处理。
（3）地球站的天馈线系统。地球站天线系统是一个庞大的系 统。根据地球站天线口径的大小，可将地球站划分为A、B、C3种 站型。VSAT称为甚小口径终端。性能以及适用业务类型如表4-1所 示。
4.1 卫星通信系统的组成
图4-4 国际卫星通信频分多址方式A型标准地球站的组成方框图
4.1 卫星通信系统的组成
4.1 卫星通信系统的组成
③控制分系统：负责完成姿态控制和位置控制功能。姿态控 制用以保证卫星对地球或其他基准物保持正确的姿态。
④遥测与指令分系统：为了随时了解卫星内部设备的运行状 态和便于地球站天线进行卫星跟踪，需要发射一系列的遥测信号， 包括卫星内部工作状态信号、来自传感器的信号、指令证实信号 等。指令信号是由地面控制站根据需要发起的，由转发器中的遥 测指令天线负责接收，送至控制分系统。
码分多址访问方式（CDMA）是以信号的波形、码型为参量来 实现多址访问的，其频率、时间、空间上均无法分开，因而不同 的地球站使用不同的码型作为地址码，并且这些码型相互正交或 准正交。
4.2 多址及随机多址访问方式
4.2.2 频分多址技术
1. 频分多址技术工作原理与应用特点
（1）工作原理。如图4-11所示。
①地球站的品质因数指标。地球站的品质因数是指地球站接 收天线的增益G与地球站接收系统的等效噪声温度T之比，它代表 地球站接收微弱信号的能力，用符号G/T表示，不同类型的标准地 球站的品质因数不同。
A型站 G / T 35.0 20lg f
4
B型站 G / T 31.7 20lg f
4
(dB / K) (dB / K)
（2）应用特点。最突出的特点是简单、可靠、易于实现。
2. FDMA的分类
根据每个地球站在其发送载波中是否采用复用技术，又可将 FDMA分为两大类：每载波多路信道的FDMA（MCPC-FDMA）和每载波 单路信道的FDMA（SCPC-FDMA）。通常采用卫星交换FDMA（SSFDMA）以实现不同波束区内地球站之间的互通。
C型站 G / T 37.0 20lg f (dB / K)
11.2
4.1 卫星通信系统的组成
②有效全向辐射功率EIRP。有效全向辐射功率表示地球或卫 星的发射能力的强弱。 EIRP PT GT
③稳定的射频频率。
④射频能量的扩散。
⑤干扰影响限制。
（2）地球站的构成。图4-4所示为一个典型的标准地球站的结 构示意图，主要由天线分系统、发射机分系统、接收机分系统、 通信控制分系统、信道终端设备分系统和电源分系统6个分系统组 成。分别为：天线分系统、发射机分系统、接收机分系统、信道 终端设备分系统、通信控制分系统和电源分系统。
1. 信道分配方式
信道分配方式实际上就是指如何进行信道分配。所采用的多 址方式不同，其信道的内含不同。在FDMA方式中，信道分配是指 各地球站所占用的转发器的频段；在TDMA方式中，则是指各地球 站所占用的时隙，而在CDMA方式中却是指各地球站所使用的码型。
（1）预分配方式。预分配（PA）方式又可分为固定预分配 （FPA）和按时预分配（TPA）。
1. 卫星通信系统的工作原理
图4-3所示为一个典型的卫星通信线路，其中包括收发地球站、 上下行无线传输线路和通信卫星。
当发端地球站A欲将来自市话局的多路电信号发往地球站B时， 首先对这些多路信号进行复用，从而构成多路基带信号，然后由 发射设备进行中频调制经上变频，将70MHz的中频信号变换成微波 信号，再经射频功率放大器、双工器和地球站天线发往处于外层 空间的卫星。信号经过大气层和宇宙空间传播。
其组成结构图如图4-6所示。具体包括天线分系统、通信分系 统、控制分系统、遥测与指令系统、电源分系统和温控分系统等6 个部分。
①天线分系统：共配置了两种不同用途的天线，一种是用于 收发用户信息的通信天线，另一种是适用于收发遥测指令信号的 天线。通常遥测指令天线采用全向天线。
②通信分系统：也称为卫星转发器或中继器，它是一部宽频 带的收发信机。每个转发器使用一定的频段，负责覆盖指定的区 域。因此要求转发器能够提供稳定可靠地工作环境，并要求附加 噪声小和失真要小。
（2）按需分配方式。按需分配（DA）方式是一种分配可变的 制度，这个可变是指按申请进行变化的信道分配。根据信道分配 可变的程度不同，按申请分配制度又 可分为以下几种类型：收端 可变、发端固定的DA方式；收端固定、发端可变的DA方式；收、 发可变DA方式；动态分配；随机分配。
2. 多址技术
可分为频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址 （CDMA）和空分多址（SDMA）。
电话、数据、IBS、TV、IDR 电话、数据、IBS、TV、IDR 电话、数据、IBS、TV、IDR 电话、数据、IBS、TV、IDR
IBS、TV IBS、TV VISTA
INTELNET TV
国内
频段/GHz
6/4 14/11&12
6/4
6/4 14/11&12
6/4 14/11&12
6/4 14/11&12
4.1 卫星通信系统的组成
图4-11 频分多址方式示意图
4.1 卫星通信系统的组成
图4-12 以MCPC-FDMA方式实现两个地球站之间通信的示意图
4.2 多址及随机多址访问方式
射频频带BA之中，并沿上行链路发送给卫星接收器。在卫星上通 常所接收的信号中包含许多频谱互不重叠的载波。当经过卫星合 路、变频和放大处理之后，转发到下行链路之中。
（4）通信卫星的天线系统。卫星天线大致可分为两种类型。 一种是用于遥测、遥控和标信信号的全向天线，这类天线常用鞭 状、螺旋形、绕杆式或套筒偶极子天线；是一种高频或甚高频天 线。根据波束二代宽度不同，它又分为3类：全球波束天线；点波 束天线；区域波束天线。
4.1 卫星通信系统的组成
图4-7 卫星转发器
（1）每载波多路MCPC-FDMA方式。图4-12所示为采用每载波多 路MCPC-FDMA方式的系统工作原理示意图，它是利用A、B地球站实 现A、B、C、D地球站通信的实例。从图中可以看出，在发送地球 站A，首先基带复用器按接收站归类将发往B、C和D地球站的几路 数据信号复用成基带复用信号，其频谱如图所示，然后将其送往 调制器和发射机进行信号调制、上变频，使之位于分配给A站的