第1章 卫星通信系统概述
第一章 卫星系统概述(2011版)
一颗距地球表面36000km（距地心42000km）远 的同步通信卫星，其天线波束覆盖地域（即对地面的 视区）超过地球表面的42.4％，只需要把3颗相隔 120°的同步卫星送上天，就可以实现除南北极之外 的全球通信。 卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转 发无线电波，在两个或多个地球站之间进行的通信。 它是宇宙通信形式之一。
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(2)信息加密 对于现代侦听技术来说，防窃听已不足以解决通 信保密问题，即便是地下电缆、海缆通信，也不能有 效地防止窃听。所以，通信保密的重点应是信息加 密。现代数字通信及计算机技术为信息加密提供了技 术条件。卫星通信信道稳定，不论距离远近均可直达 通信，便于传输同步数字加密信息。所以，为保密起 见，卫星通信可选用数字通信体制及数字加密技术。
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卫星通信发展的回顾
早在1945年10月，英国空军雷达军官阿瑟· 克拉克在《无 线电世界》发表了《地球外的中继站》一文。大约20年之 后，这一设想变成现实。 卫星通信的发展过程，大致经历了以下几个阶段: 1、20世纪40年代提出构想及探索 2、20世纪50年代进入试验阶段 3、20世纪60年代中期卫星通信进入实用 4、20世纪70年代初期卫星通信进入国内通信 5、20世纪80年代VSAT问世 6、20世纪90年代卫星通信进入个人通信阶段
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我国卫星通信发展状况
“东方红1号”人造卫星的发射成功，开了我国卫星通信 事 业的先河。1984年4月8日，我国成功地发射了第一颗试验同 步通信卫星。1986年2月1日，我国第一颗实用同步通信卫星 发射成功，取名为STW，又叫“东方红2号”，向全国传送15 套 广播节目。1988年3月7日、12月22日、1990年2月4日，我国 又分别成功地发射了名为“东方红2号甲”的同步通信卫星。 展望未来，到2000年，仅广播电视占用的卫星转发器就将超 过30个，电视的人口覆盖率将从现在的84%提高到90%；大型 国内地球站将增加到32个左右，国内长途卫星通信电路增加 到几万条。卫星通信将和光纤通信、微波接力通信等通信手
卫星通信(第一章)
卫星覆盖区域达，且在其覆盖范围内的地球站基本上不受地理条件由于卫星能提供较宽范围的覆盖，卫星通信系统能为用户的无线在卫星天线覆盖范围内的任何位置都可设置地球站，这些地球站可多址通信。
卫星通信的无线电波主要是在大气层以外的宇宙空间中传播，传播通信卫星由成千上万了零部件组成，只要其中某个零部件发生故处于太空中的卫星，发生故障后修复的可能性很小，成本很高；卫星与地球相距数万公里，电磁波在自由空间传播时损耗极大；把卫星发送到预定轨道上精确定点，并保持较小的飘移，难度很为保证通信质量，需要采用高增益天线、大功率发射机、低噪声接当卫星处于太阳和地球之间且三者在一条直线上时，卫星天线在对准卫星接收信号的同时，也会因对准太阳而受到太阳的辐射干扰；由于地球站天线在对准卫星的同时也对准了太阳，使得强大的太阳当卫星进入地球的阴影区时，通信卫星上的太阳能电池不能正常工作，而星载蓄电池只能维持卫星自转，不能支持转发器工作；天的午夜，每视频广播业务是卫星通信系统支持的重要业务之一。
目前世界上用于电视和视频广播；早期的卫星电视广播是以调频方式传送模拟电视信号，由地区电电话业务是卫星通信系统支持的另一个重要业务。
但与地面光缆支持的公用电话网相比，卫星信道容量小、成本高，只有在地面250ms）,的用户协议进行数据传输，卫星通信系统应相对于地面链路，卫星链路的比特差错率高且传输延时大。
为改），以减小对于移动通信业务，卫星通信系统无论在服务质量或用户付费方面都无法与地面蜂窝网相竞争。
但卫星具有大范围的无缝覆盖能力，使基于卫星的移动通信系统可为地面蜂窝网覆盖范围外的用卫星通信适用于一些没有基本通信手段的边远地区和农村。
在这卫星通信工作频段的选择是一个十分重要的问题，它直接影响到整个卫星通信系统的传输容量、地球站与转发器的发散功率、微波频段微波频段频率高，信号不会被电离层发射，能够直接穿透电离层到达卫星；频带宽，可用获得较大的通信能量；天线增益高、尺不能用于空间通信，用于电视、调频广播、空中管制、车辆通信、导航;，用于电视、空间遥测、雷达导航、，这一频率由于卫星通信系统覆盖的范围广，必须在全球范围内对频率进行不同的高低和德国科学家开普勒根据观测太阳系内行星运动所得到的数据，推；。
卫星通信系统概述
卫星通信系统概述
卫星通信系统是指利用卫星进行通信的一种系统。
卫星通信系统利用
地球上的通信站与卫星进行通信，再通过卫星之间的通信连接实现全球范
围内的通信。
它具有广泛的覆盖范围、高可靠性和持续连接的特点，是现
代通信领域的重要组成部分。
卫星通信系统由地面控制站、卫星及通信设备组成。
地面控制站负责
管理整个系统，并通过射频系统与卫星进行通信。
卫星作为通信中继器，
负责接收、放大和转发信号。
通信设备包括地球站、航天器和卫星地面站，用于连接用户和卫星。
1.广域覆盖能力：卫星通信系统通过卫星之间的通信连接，可以实现
全球范围内的通信覆盖，即使在边远地区也能进行通信。
2.高可靠性：由于卫星通信系统具有多点接入的特点，即使一些通信
节点故障，通信仍然可以通过其他节点进行。
3.持续连接：卫星通信系统可以提供持续的通信连接，不受地理位置
和时间的限制，方便用户进行长时间的通信。
4.大容量传输：卫星通信系统具有较大的带宽和传输速率，可以同时
传输多个通道和大量的数据。
5.灵活性：卫星通信系统可以根据需求进行调整和扩展，适用于不同
规模和需求的通信应用。
然而，卫星通信系统也存在一些挑战和限制：
1.高成本：卫星通信系统的建设和运营成本较高，包括卫星的制造和
发射、地面控制站的建设和维护等。
2.延迟问题：由于信号需要经过地面站、卫星和地面站的传输，卫星通信系统存在一定的信号传输延迟，不适用于实时性要求较高的应用。
3.天气影响：卫星通信系统受天气条件的影响较大，特别是在恶劣天气下，如暴风雨或大雪，信号传输可能会受到干扰或中断。
卫星通信系统概述-文档资料
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1.4 卫星通信的特点
卫星移动通信和地面移动通信的关系： 卫星移动通信系统能扩大地面移动通信的地理
和业务覆盖范围，除提供常规的移动通信业务 外，还可向空中、海面和复杂地理结构的地面 区域的各类移动用户提供服务。 从应用来讲，地面移动通信网主要集中在高业 务量的应用环境，而卫星移动通信系统最适合 于低业务量地区、航海、航空及地面网欠发达 地区的应用环境，并且在地面网络过载或发生 故障时作为其迂回网络。
换言之，卫星通信是在地球站上，包
括地面、水面和大气层中的无线电通信站 之间，利用人造卫星作为中继站进行的通 信。
卫星通信是个人通信网的组成部分，
是地面通信网的补充。
2
1.1 卫星轨道
假设地球是质量均匀分布的圆球体，忽略 太阳、月球和其它行星的引力作用，卫星运动 服从开普勒(Kepler)三大定律。
（8）现有卫星通信系统为适应新技术发展和系统对容量的 更大要求形成了新的演变方案，如Iridium系统将其运行 的卫星数目从66颗增加至96颗。
（9）天地网络不断融合。卫星通信与有线电视、宽带互联 网、移动互联网等融合。
（10）新技术广泛应用。如星上交换与处理、多波速天线等。
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附录：通信卫星的分类
300~3000吉赫(GHz)
10
1.3 卫星通信的工根作据IE频EE段521-2002标准，L
<<<<1223>>>>频段综LSCX工。合作具上频 频 频 频：体述段段段段地要：：：：说求1468，，.///6247目应/1GGG前将.HHH5zzz大卫雷Z也波电导频卫采K句K通3是时和为的电是段范即展7率频比EGi0aa多星.g达使段波航带星用话常HI7用又高1无视M指。围英的代波R受段较KBz5m数的主等用是波系，地，说用KPH作是频线领aeC据频而则语”表段甚特国。大XG~波较e波卫z工要波。这指段统在面且，于电航（电域1波I~H、率在为中着也高高际，KE用用用。段d大段星作3应段个频。等卫站一z该卫u台空波。HE段现无在某7的被Km频频有多0，于于于的，波(通频EF~用，0范率可。星应直的波星1及和，特通，在线8些“称(（关采1）上MMMM8V频加段5信段~：是1围在被电用被正段通电航常高常频~广路场e作2HUH法用SSS1不.行率上卫2系选x1中频SSS1的用2视中广上直信FHz视海用频的率泛由合37律赋t-同频，，，~的G)范K星e2F统G在0G继率是频于广，泛方接。2台 的于 主下为使n、中0H）保 形/u的率GGG频HH围2单是微0d、4GD指率播该使(高波z广沟移要行3EEE0用无，zK是z护波2是~为e段。为AH转0选的波OOO)卫标频。和频用于段8d-G播通动用频,的线X0指，束aBz，7卫卫卫。XG”2发K择无频~H星的b波准带各段。K接.，频通于、率，7波蓝鼠9波H覆13电u星星星o多z器波~线在段~通无2段，0类首收波波z同道信短卫为表v段牙标长4盖离8~0测测测数的e功段电以或信0线的X小先.天段10段。和途星7示中、)等4范，G控控控一，波8M.率。波下特、频2型被线，的G广通“G的H围卫H。。。5段换段一波频高H率Hz效频~播信扩zX星。zz般，，
卫星通信系统概述
卫星通信系统概述卫星通信系统是指通过卫星进行信息传输和通信的一种技术系统，它由卫星、地面站和用户终端组成。
卫星通信系统具有覆盖范围广、传输速度快、通信质量好等优点，被广泛应用于全球范围内的语音通信、数据传输和互联网接入等领域。
卫星通信系统的核心是卫星，卫星通过搭载在地球轨道上的人造卫星来实现信息的传输。
卫星通信系统中的卫星分为地球同步轨道卫星和低轨道卫星两种类型。
地球同步轨道卫星位于地球上空3.6万公里左右的高度，因其轨道与地球自转速度同步，所以卫星看起来就像是一直悬停在地球上其中一点上，覆盖范围较广；低轨道卫星则位于地球上空500-2000公里之间的低轨道，覆盖范围较小，但传输速度更快，时延更低。
地面站是卫星通信系统中与卫星进行数据交互的节点，主要负责卫星信号的接收、放大、解调和编码等一系列工作。
地面站和卫星之间通过微波或光纤等方式进行数据传输。
地面站还可以与其他地面站互联，构成全球范围的通信网络，进而实现卫星与卫星之间的通信。
1.覆盖范围广：卫星通信系统可以覆盖整个地球，不受地理限制，能够实现全球通信。
2.传输速度快：卫星通信系统具有很高的传输速度，可以满足大容量数据的传输需求。
3.通信质量好：卫星通信系统可以实现高质量的音视频通信，图像清晰，声音稳定。
4.抗干扰性强：卫星通信系统使用无线传输方式，对干扰和故障具有较高的抵抗能力。
但是，卫星通信系统也存在一些不足之处，例如高昂的成本、传输时延较大等。
此外，由于天气干扰和信号衰减等原因，卫星通信系统的稳定性和可靠性也受到一定的影响。
总之，卫星通信系统是一种重要的全球通信技术，具有广泛的应用前景。
随着科技的不断进步和卫星通信技术的发展，卫星通信系统将会进一步完善，为人类的通信需求提供更加高效、方便和可靠的解决方案。
卫星通信知识点总结
卫星通信知识点总结一、卫星通信系统概述卫星通信是通过人造卫星作为中继器进行通信的一种通信方式，其优点是覆盖范围广，通信距离远，适用于远距离通信和偏远地区通信。
卫星通信系统由地面站、卫星和用户终端组成，地面站与用户终端间通过卫星进行数据传输。
二、卫星通信工作原理卫星通信系统工作原理主要包括地面站的发送和接收过程、卫星的中继传输过程、用户终端的接收和发送过程。
地面站发送的信号经过卫星中继后到达指定的用户终端，用户终端发送的信号也通过卫星中继后到达地面站。
三、卫星通信系统的分类卫星通信系统主要分为地球静止轨道通信卫星系统（GEO）、中低轨卫星通信系统（LEO/MEO）和其他非地球轨道卫星系统。
GEO卫星通信系统主要应用于广播电视、互联网接入等广泛覆盖通信需求，而LEO/MEO卫星通信系统主要应用于移动通信、数据传输等特定领域。
四、卫星通信系统的关键技术1. 卫星轨道技术卫星轨道技术是卫星通信系统设计的基础，根据通信需求选择合适的卫星轨道，包括地球静止轨道（GEO）、中低轨轨道（LEO/MEO）等。
2. 卫星天线技术卫星天线技术涉及卫星天线的设计、优化和部署，包括指向性天线、平面天线、阵列天线等不同类型，以满足不同的通信需求。
3. 卫星通信链接技术卫星通信链接技术主要包括上行链路、中继链路和下行链路，涉及调制解调、多址接入、信道编解码等关键技术。
4. 卫星通信网络技术卫星通信网络技术包括卫星网的设计、优化和管理，通过地面站和用户终端间的通信连接，在实现卫星覆盖范围内的各种通信需求。
5. 卫星通信安全技术卫星通信安全技术主要包括数据加密、用户认证、通信链路保护等技术，保障卫星通信系统的安全可靠运行。
五、卫星通信系统的应用卫星通信系统广泛应用于广播电视、军事通信、航空航天、海洋监测、移动通信、救援通信等领域，为人类的通信需求提供了便利。
总结：卫星通信系统是一种重要的通信方式，其应用范围广泛，技术含量高，对于地理位置偏僻，通信需求大的地区尤为重要。
第1章 卫星通信系统概述
第一章卫星通信系统概述l1945年，英国的科幻小学作家阿瑟·C·克拉克在世界上首次提出了使用卫星进行远距离无线电能信和无线电广播的设想，这位作家在《无线电杂志》上发表了一篇文章，提出用火箭发射一颗人造卫星，绕地球转动，然后，地面上发送信号给卫星，通过卫星再传回地面。
l1957年10月4日，原苏联成功发射了人类历史上第一颗人造地球卫星。
l在人类已经发射的卫星中，通信卫星只占其中的一部分。
目前围绕地球飞行的卫星中，大多数是有带有各种传感器的观察卫星，如气象卫星、电子侦察卫星、成像侦察卫星、海洋监视卫星、预警卫星、核爆炸探测卫星、资源卫星、天文观测卫星；其他的是通信卫星或是广播通信卫星，如亚太卫星、中星5号等。
目前在轨道上运行的通信卫星有数百颗。
在80年代和90年代初承担了国际通信业务量的70%。
l1962年7月美国成功地发射了第一颗通信卫星Telestar，实验了横跨大西洋的电视和电话传输。
但是，Telestar并非在静止轨道上。
第一颗静止轨道卫星则是1963年2月美国发射的SYNCOM实验卫星，它成功地转播了1964年东京奥运会的实况，使全世界看到了卫星通信的优越性和实用价值。
l90年代初提出的各种通信卫星系统多至几十个，其中最著名的就是“铱”移动卫星通信系统和“全球星”系统。
这两个系统可以提供覆盖全球的移动电话业务。
在波黑执行任务的美军飞行员每人都配备了一部“铱”手机。
这些卫星通信系统除了广播业务以外，基本上都只能提供话音业务。
所以从97年以后，廉价的地面通信系统的发展如光纤通信系统、蜂窝移动通信系统的蓬勃发展，一下子大大压缩了卫星通信的市场，国内国际的骨干网通信负荷的80%以上改由光纤网络承担。
获得技术上巨大成功的“铱”移动卫星通信系统也惨遭倒闭。
但是新的曙光出现了：军事通信的巨大需求和民用宽带卫星市场的急剧扩大。
l纳卫星(NanoSat)的概念最早是由美国航空航天公司(Aerospace)于1993年在一份研究报告中首次提出的,它带来了小卫星设计思想上的根本变革.纳卫星和皮卫星(PicoSat)是以微机电系统(MEMS)技术和由数个MEMS组成的专用集成微型仪器(ASIM)为基础的一种全新概念的卫星,它基于微电子技术、微机电技术、微光电技术等微纳米技术而发展的，纳卫星体现了航天器微小化的发展趋势。
西电夏克文《卫星通信》第一章
04
要解决信号传输时 延带来的影响
02
卫星通信的概念和特 点
03
缺点:
01
02
27s
54s
卫星通信的概念和特点
一．卫星通信的概念 二．静止卫星与运动卫星 三．卫星通信的特点
第 一 章
西 东
1.1 卫星通信的概念和特点
缺点: • 卫星寿命短
（1）部件故障导致的不可修复
（2）推进剂携带量有限
制卫星入轨 推进剂的应用
控
轨道位置保持 姿
姿态保持方法：
1
自旋稳定法 三轴稳定法
2
1.1 卫星通信的概念和特点
需要先进的空间和电子技术
缺点:
01
发信者发出的消息传 到收信者手中需要一 定的时间，这一时间
02
添加标题
卫星通信的概念 和特点
03
添加标题
优点:
机动灵活。
卫星通信的概 念和特点
优点:
通信链路稳定 可靠，传输质
量高。
卫星通信的概 念和特点
优点:
1.1 卫星通信的概念和特点
缺点: • 卫星寿命短
（1）部件故障导致的不可修复
（2）推进剂携带量有限
制卫星入轨 推进剂的应用
控
轨道位置保持 姿
章 亮
引 力 的 影 响：
节 一
自然轨道上的静止卫星 所受到的引力关系： 太阳引力＝1/37地球引 力
月亮引力＝1/6800地球 引力
太
章 阳
、 月
节 亮
引 力
一 的
影 响 ：
从地球 上看， 这种摄 动使 “静止” 卫星的 位置主 要在南 北方向 上缓慢 地漂移。
卫星通信基本概念及其系统组成介绍
春分
卫星通信基本概念及其系统组成介绍( PPT35 页)
秋分
卫星通信基本概念及其系统组成介绍( PPT35 页)
静止卫星的日凌中断
卫星处在太阳与地球之间，地球站的天线对准卫 星的同时，也对准了太阳，这样大量的太阳噪声进入 地球站接收设备，导致通信中断。
由一颗包或括多地颗球通站信和卫通星信组业成务，控在制空中中对 发来的心信，号其起中中有继天放馈大设和备转、发发作射用机。、每 颗通信接卫收星机均、包信括道收终发端天、线跟、踪通与信伺转发 器、跟服踪系遥统测等指。令、控制和电源等分系 统。
图1-5 卫 星通信系 统的组成
系统组成另一种说法
卫星通信基本概念及其系统组成介绍( PPT35 页)
• 图1-1 卫星通信过程示意图
卫星通信基本概念及其系统组成介绍( PPT35 页)
卫星通信基本概念及其系统组成介绍( PPT35 页) 卫星通信基本概念及其系统组成介绍( PPT35 页)
卫星通信基本概念及其系统组成介绍( PPT35 页)
卫星通信基本概念及其系统组成介绍( PPT35 页)
3、上行链路：从地球站发射信号到通信卫星所 经过的通信路径。
4、下行链路指通信卫星将信号转发到其它地球 站的通信路径。
当卫星运行轨道较高时，相距较远的两个地球站可同时“看”到卫星， 这样就可采用立即转发方式。
只用一颗卫星就能实现立即转发通信，这种系统称为立即转发式卫 星通信系统。
第１章 卫星通信概述 第２章 卫星通信基本技术 第３章 卫星通信链路设计 第４章 卫星通信网 第５章 移动卫星通信系统
第1章 卫星通信概述
➢ 1.1 卫星通信的基本概念和特点 ➢ 1.2 卫星通信地球站 ➢ 1.3 通信卫星（组成、轨道及星座设计） ➢ 1.4 卫星通信工作频段的选择及电波传输 的特点 ➢ 1.5 卫星通信的发展
最新卫星通信基本概念及其系统组成
局限性：
（1）通信卫星使用寿命较短。
*部件故障导致的不可修复 *推进剂携带量有限
控制卫星入轨 推进剂的应用 轨道位置保持
姿态保持
（2）存在日凌中断和 星蚀现象。
图1-4__静______止____卫____星______的____日____凌______中____断____和_____星_ 蚀现象
卫星通信系统指利用人造地球卫星在地球站之间进行通 信的通信系统。
通信卫星指用于实现通信目的的人造卫星。 卫星通信是地面微波中继通信的继承和发展，是微波接 力向太空的延伸。
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• 图1-1 卫星通信过程示意图
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通常以空间飞行器或通信转发体为对象的无线 电通信称为空间通信(宇宙通信)，它包括三种形式：
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1.1 卫星通信的基本概念和特点
1.1.1 卫星通信的基本概念 卫星是指在围绕行星的轨道上运行的天然天体或人造
天体，如月球是地球的卫星。
卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电 波，在两个或多个地球站之间进行的通信。其无线电波频率 使用微波频段(300 MHz～300 GHz，即波段1 m～1 mm)。
第1章卫星通信系统概述
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系统的组成
• 地面段
– 信关站Gateway, 也称为固定地球站（FES） – 网络控制中心NCC – 卫星（运行）控制中心SCC/SOCC – 用户信息管理系统CIMS – 跟踪、遥测和命令（ TT&C ）站
第1章卫星通信系统概述
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系统的组成
信关站天线
网络控制中心 韩国城南，地面中心
第1章卫星通信系统概述
第1章卫星通信系统概述
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1.1 卫星轨道
• MEO：GEO和LEO的折中
– 单星的中等覆盖面积（需要几颗到十几颗卫星 实现全球覆盖）
– 中等的传输延时和衰减 – 中等的对地移动速度（即中等的多普勒频移） – 中等的星座延时抖动 – 中等的星座管理复杂度
第1章卫星通信系统概述
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1.1 卫星轨道
系统均匀服务，易引入新业务：统一的业务提供 商，利于系统为各地区提供均匀的服务。
第1章卫星通信系统概述
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卫星通信在中国的特殊地位
• 幅员辽阔
• 人口众多
• 地区发展不平衡
• 中国有60％左右的地区是地面网盲区，如 海洋、高山、沙漠和草原等，通信的困难 甚至成为人们生存的障碍
第1章卫星通信系统概述
一门交叉学科，涵盖的知识面相当广泛，从物理学科的开普勒
三定律到数学的几何运算，从卫星的发射控制技术到卫星与地
球站之间的无线通信技术。
讲述卫星通信的基础知识，侧重于基本概念和原理，而对于复
杂的数学推导，则从略。第1章卫星通信系统概述
2
教材和参考书
• 朱立东等，《卫星通信导论》（第3版），北 京：电子工业出版社，2009年11月第1次印刷 （卫星通信课程教材）
第1章 卫星通信概述
Timothy Pratt. 卫星通信（英文版）. 电子工业出版社， 2003.
朱立东, 吴延勇, 卓永宁. 卫星通信系统（第3版）. 电子 工业出版社，2011
课程介绍
第1章 卫星通信概述 第2章 卫星通信基本技术 第3章 卫星通信链路设计 第4章 卫星通信网 第5章 移动卫星通信系统
不好，并且两极地区为通信盲区。
图1-4 静止卫星的日凌中断和星蚀现象
3 卫星通信系统的组成与分类
卫星通信系统的组成： 通信卫星 通信地球站分系统 跟踪遥测及指令分系统 监控管理分系统
图1-5 卫星通信系统的组成
3 卫星通信系统的组成与分类
（1）通信卫星 由一颗或多颗通信卫星组成，在空中对发来的信
由于卫星通信具有上述突出的优点，因而获得了迅 速的发展，成为一种强有力的现代化通信手段。
2 卫星通信的特点(局限性)
(1) 通信卫星使用寿命较短。 (2) 存在日凌中断和星蚀现象。 (3) 电波的传播时延较大且存在回波干扰。 (4) 卫星通信系统技术复杂。 (5) 静止卫星通信在地球高纬度地区通信效果
(EHF)和激光4类卫星通信系统。；
1.2 卫星通信地球站
1 地球站的分类 2 地球站的组成 3 卫星通信的基本原理
1 地球站的分类
按安装方法及设备规模，地球站可分为固定站、移动站和 可搬动站。
按天线反射面口径大小，地球站可分为20 m、15 m、10 m、 7 m、5 m、3 m和1 m等类型
卫星通信的过程
图1-1 卫星通信过程示意图
空间通信
空间通信的概念： 以空间飞行器或通信转发体为对象的无线电通
信称为空间通信，它包括三种形式： （1）地球站与空间站之间的通信； （2）各空间站之间的通信； （3）通过空间站转发或反射进行的各地球站之
通信系统第1章
卫星转发器
发射机
信道
双
终端
工
设备
器
接收机
上 f1 行
f4
天 线 馈 电 设 备
f2 下
行 f3
天
线
双
馈
工
电
器
设
备
发射机 接收机
信道 终端 设备
图 1.7 卫星通信线路的基本组成
第1章 卫星通信系统概述
1. 卫星转发器
通信卫星是一个设在空中的微波中继站，卫星中的通信系 统称为卫星转发器，其主要功能是：收到地面发来的信号(称为 上行信号)后，进行低噪声放大，然后混频，混频后的信号再进 行功率放大，然后发射回地面(这时的信号称作下行信号)。 卫 星通信中， 上行信号和下行信号的频率是不同的，这是为了避 免在卫星通信天线中产生同频率信号干扰。
第1章 卫星通信系统概述
v＝ 11 070 km卫/h 星
73 155 km 17.34°
41 765 km
18 101 km (赤 道 上 )
35 860 km
12 752
地球 赤道 km
卫星
重叠地区
盲区
图 1.4 静止卫星配置的几何关系
卫星
第1章 卫星通信系统概述
除了上述能覆盖 1/3 地球表面的全球波束(又叫覆球波束) 之外，对于固定卫星业务和陆地卫星业务，事实上只要保证覆 盖陆地即可， 没有必要覆盖海洋。对于区域通信或国内通信， 也只要求卫星能覆盖特定地区。因此，可以根据特定业务的需 要来设计卫星天线，因而出现了半球波束、区域波束、国内波 束、 点波束以及形形色色的覆盖特定区域的成形波束，如图 1.5 所示。这样的波束较全球波束窄，可以提高卫星的有效辐 射功率， 从而增加系统容量。或者说，在系统容量不变的情况 下，可减小地球站天线口径，从而增加地球站的机动性和灵活 性，使地球站更加接近用户或直接装于用户处，从而缩短或取 消地球站与用户之间的连接电路。此外，利用点波束在地理位 置上的分割、扫描等还可实现空分多址、频率再用以及其它特 殊用途。
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34
三、频率分配
卫星通信频段：目前常用频段有L，S，C，X，Ku，Ka。 L频段：1～2GHZ，一般记为1.6/1.5G(上行/ 下行) ，用于MSS，GEO卫星测控。 S频段：2～4GHz，用于MSS，GEO卫星测控。 C频段：4～7GHz，用于FSS和MSS的馈电链路。 Ku频段：12～18GHz，用于FSS，BSS。 Ka频段：20～40GHz, 用于FSS，MSS。 此外，VHF、UHF用于低轨小卫星通信。 VHF频段：0.1~0.3GHz，用于移动、导航业务 UHF频段：0.3~1.0GHz，用于移动、导航业务 更高频段 Q频段：36.0~46.0GHz， V频段：46.0~56.0GHz
29
系统的组成
信关站天线
网络控制中心 韩国城南，地面中心
30
系统的组成
• 用户信息管理系统CIMS 负责维护信关站配臵信息，完成系统记帐 和计费，实现详细通话记录
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系统的组成
• 用户段
手持终端 掌上型终端 车/舰/机载终端 便携式终端 固定终端
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三、频率分配
• 两个权威组织
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1.1 卫星轨道
• 典型卫星通信系统的轨道高度、卫星速度和轨道 周期如下表
卫星系统 轨道高度 (km) 在轨速度 (km/s) 轨道周期（时/分/秒 ）
Intelsat (GEO)
NewICO (MEO) SkyBridge (LEO) Iridium (LEO)
35786
10355 1469 780
– 国际电联ITU International Telecommunication Union – 美国联邦通信委员会FCC Federal Communications Committee
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三、频率分配
• ITU划分的频率区域划分
区域1：欧洲，非洲，前苏联地理区域，蒙古和西亚半岛 区域2：南北美洲和格陵兰岛 区域3：亚洲（除区域1部分），澳洲和西南太平洋
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卫星通信在中国的特殊地位
• • • • 幅员辽阔 人口众多 地区发展不平衡 中国有60％左右的地区是地面网盲区，如 海洋、高山、沙漠和草原等，通信的困难 甚至成为人们生存的障碍
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• 由于卫星通信相对于地面通信网的综合 造价成本高，终端贵，因此，卫星通信 的市场定位应该是地面通信网的延伸和 补充，主要服务于地面通信网不能覆盖 的区域及有特殊通信需求的人群
内范伦带： 1500～5000 km 外范伦带: 13000～20000km
LEO
MEO
GEO
Spaceway，Astrolink，Inmarsat，Intelsat
20
scale
0
10,000 Km
1.1 卫星轨道
21
1.1 卫星轨道
• GEO/GSO的主要优势
– 对地（球）位臵相对固定 – 几乎恒定的传输延时 – 广阔的覆盖区域（单星覆盖面积约占地球表面1/3）
P r 1 e cos
b e 1 a
2
P a(1 e )
2
图1 椭圆轨道的示意图
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开普勒第二定律：卫星与地心的连线在相同时 间内扫过的面积相等。
2 1 V u( ) r a
(km/s)
V为卫星在轨道上的瞬时速度。其中a为椭圆轨道的半 长轴，r为卫星到地心的距离。u为开普勒常数，u值为 398601.58*109m3/s2
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卫星通信的概念
卫星通信是指利用通信卫星转发器实现地 球站（或手持终端）之间、或者地球站与 航天器之间的无线电通信。
主要包括： 卫星固定通信 卫星移动通信 卫星直接广播 卫星中继通信
卫星通信是个人通信网的组成部分，是地面 通信网的补充。
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7
8
9
第一章 卫星通信系统概述
一、卫星轨道 二、卫星通信系统的组成 三、频率分配 四、卫星通信的特点 五、卫星通信的业务类型 六、卫星通信的发展
卫星通信
通信：在两个或多个位臵实现信息的传输、接 收和处理。 有线通信：光纤、电缆、明线 无线通信：短波/超短波通信、微波中 继通信、地面移动通信、卫 星通信
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卫星通信起源
1946年，美国科学家用雷达把电波发射 到月球，并第一次接收到它的回波。这证明 了携带信号的电波可以穿过大气层，并可以 从大气层以外的星球上反射回地球。此后， 人类发射了用来通信的人造卫星，它能够把 地球上发来的电波信号经过放大处理后，再 发回地球，这样就实现了远距离国际卫星通 信。
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1.1 卫星轨道
• HEO的主要优势
– 高纬度地区的仰角大 – 单星覆盖范围大 – 对地相对运动速度较慢（在服务时 间内）
Pentriad (Molnya HEO)
• HEO的主要缺点
– 传输延时和衰减大 – 穿越范· 艾伦带，卫星寿命较短 – 大的多普勒频移
Teledesic Skybridge Globalstar Iridium Orbcomm
• GEO/GSO的主要缺点
– – – – – 大的传输延时和衰减 仰角随着纬度的增高而降低（GEO） 不能覆盖极地地区（GEO） 轨位资源缺乏 发射费用高
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1.1 卫星轨道
• LEO的主要优势
– 低传输延时和衰减（利于使用手持终端） – 灵活的系统设计 – （单星）发射费用低
• LEO的主要缺点
GPS GLONASS Outer Van Allen Belt ICO, Spaceway NGSO Concordian of Ellipso Borealis of Ellipso Inner Van Allen Belt
LEO
MEO
GEO
Spaceway，Astrolink，Inmarsat，Intelsat
卫星通信
通向无缝覆盖全球移动通信系统之路
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课程概况
课程简介 课程名称：卫星通信 课程学时：36 课程性质：专业选修
周学时：3
课程目的 本课程是为通信工程、计算机通信、无线电技术等专业高年级 学生开设的一门专业课，其目的是使学生掌握卫星通信系统的 组成、原理和技术的基础知识。 课程特点 通信技术、计算机技术和航空航天技术相结合的通信手段，是 一门交叉学科，涵盖的知识面相当广泛，从物理学科的开普勒 三定律到数学的几何运算，从卫星的发射控制技术到卫星与地 球站之间的无线通信技术。 讲述卫星通信的基础知识，侧重于基本概念和原理，而对于复 2 杂的数学推导，则从略。
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一、卫星轨道
开普勒定律 假设地球是质量均匀分布的圆球体，忽略太阳、 月球和其它行星的引力作用，卫星运动服从开 普勒三大定律。
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开普勒（Johannes Kepler） 国籍: 德国 生卒日期:
1571.12.27 － 1630.11.15
主要成就: 发现了行星运动三定律
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开普勒第一定律：卫星以地心为一个焦点做椭 圆运动。其轨道平面的极坐标为：
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五、卫星通信的业务类型
• 移动卫星服务MSS：Mobile Satellite Service – 陆地移动卫星服务LMSS：Land MSS – 海事移动卫星服务MMSS：Maritime MSS – 航空移动卫星服务AMSS：Aeronautical MSS • 固定卫星服务FSS：Fixed Satellite Service • 广播卫星服务BSS：Broadcast Satellite Service • 无线定位服务RDSS：Radio Determination Satellite Service
教材和参考书
• 朱立东等，《卫星通信导论》（第 3 版），北 京：电子工业出版社， 2009 年 11 月第 1 次印刷 （卫星通信课程教材） • Dennis Roddy. Satellite Communications. The McGraw-Hill Companies, inc., 2002 （清华大学 出版社） • Timothy Pratt, Charles Bostian and Jeremy Allnutt. Satellite Communications. New York: John Wily and Sons, Inc., 2003 （电子工业出版社） • 张乃通等，《卫星移动通信系统》(第2版）， 北京：电子工业出版社，2000 • Erich Lutz, Markus Werner and Axel Jahn. Satellite Systems for Personal and Broad Communications. Berlin: Springer-Verlag, 2000 3
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• 圆轨道卫星具有恒定的运动速度
V＝
a
( km / s )
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开普勒第三定律：卫星运转周期的平方与轨道 半长轴的3次方成正比。
a3 Ts 2 u
u为开普勒常数，u值为398601.58 109m3/s2。
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1.1 卫星轨道
• 从轨道形状进行分类
– 圆轨道： GEO，GSO，MEO，LEO – 椭圆轨道 HEO
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五、卫星通信的业务类型
ITU (International Telecommunication Union)定义三种 业务类型：
固定卫星业务FSS (Fixed satellite service) 移动卫星业务MSS (Mobile satellite service) 广播卫星业务BSS (Broadcasting satellite service)
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1.1 卫星轨道
• 从轨道高度进行分类
– 低地球轨道LEO：Low Earth Orbit，700 ~ 2000 km – 中地球轨道MEO：Medium Earth Orbit，10000 ~ 20000 km – 同步轨道GSO：GeoSynchronous Orbit，35786 km – 静止轨道GEO：GEostationary Orbit，35786 km – 高椭圆轨道HEO：Highly Elliptical Orbits，最高点 可达40000km