卫星通信[1]

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(4)20世纪70年代初期,卫星通信进入国内通信阶段
1972年加拿大首次发射了国内通信卫星“ANIK”,率先开展 了国内卫星通信业务,取得了明显的规模经济效益。地球站开始 采用21m、18m、10m等较小口径的天线,用几百瓦级行波管发 射机、常温参量放大器接收机,使地球站向小型化迈进一大步, 成本也大为下降。
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① 太阳、月亮的引力。对于低高度的卫星,由于地球的引力 占绝对优势,所以太阳、月亮以及其他行星的作用可以忽略不计。 但对高高度的卫星,太阳、月亮的引力就较大了。例如,对静止卫 星来说,太阳的引力约为地球引力的1/37,月亮的引力约为地球
引 力的1/6 800。这些引力不断使卫星在轨道上的位置发生微小摆 动,累计起来约使卫星轨道的倾角平均发生0.85°/年的变化。
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(3)日凌中断
与星蚀原因相似的另一现象,是每年春分和秋分 的前后几天中,当星下点进入当地中午前后的一段时 间里,卫星处于地球与太阳之间的连线上。这时,对 准卫星的地球站天线也就同时对准了太阳,强大的太 阳噪声会使信噪比下降或信号被淹没而使通信中断, 这种现象就是所谓的日凌中断,如图2.4所示。日凌 中断每年在春分或秋分前后各发生一次,每次约持续 6天,每天日凌中断的最长时间与地球站的天线口径、 工作频率等有关。
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3.卫星通信系统的分类
卫星通信系统按不同的角度分,可以分成以下几类:
(1)按卫星运动方式分
(2)按通信覆盖区域分
国际卫星通信系统 国内卫星通信系统 区域卫星通信系统
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(3)按用户分
(气象、军事等)
(4)按通信业务分
固定地球站卫星通信系统 移动地球站卫星通信系统 广播业务卫星通信系统 科学实验卫星通信系统
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② 由于卫星相对于地球表面是静止的,因此地球 站不需要复杂的跟踪系统就能使自己的天线对准卫 星。
③ 多谱勒频移可以忽略。 ④ 通信中不会因更换卫星而使通信中断。 ⑤ 因大气层的厚度一般认为是16km,因此,绝 大部分的通信信道位于自由空间,信道特性稳定。
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(1)从传输损耗、噪声方面考虑
当频率f小于10GHz时,大气层对电磁波的吸收小,但当 频率f大于10GHz后,大气层对电磁波的吸收将猛增。另外, 当频率f小于1GHz时,存在的外部噪声较大,但当频率f大于
1GHz时,存在的外部噪声却很小。因此,综合以上分析,卫 星通信的最佳工作频段应在1GHz~10GHz之间。
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图2.4 静止卫星发生星蚀和日凌中断的原理
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2.1.3 卫星通信的工作频段
1.卫星通信工作频段的选择
卫星通信工作频段的选择十分重要,因为它会影响到系统的传 输容量、质量、地球站与转发器的发射功率、天线尺寸的大小和设 备的复杂程度以及成本的高低等。所以在选择卫星通信的工作频段 时应考虑以下因素: (1)频带足够宽,能满足所传输信息的要求; (2)电波传播时产生的衰耗应尽可能小; (3)天线系统接收到的外部噪声应尽可能小; (4)尽可能利用现有的通信技术和设备; (5)与其他通信或雷达等微波设备之间的干扰尽可能小。 归纳起来就是从容量大、信噪比大和成本低三个方面考虑。
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展望未来,卫星通信的发展方兴未艾,20世纪90 年代,VSAT卫星通信更加普及;移动卫星通信发展迅 速,随着21世纪信息时代的到来,人们对信息传输的 可靠性、有效性及灵活性的要求越来越高,卫星通信 将以它独特的优势具备广阔的发展前景。
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卫星通信的应用如图2.3所示。
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② 地球的两极存在“盲区”,高纬度地区通信效果不好。 ③ 卫星发射和控制技术比较复杂。 ④ 由于静止卫星轨道只有一条,因此,轨道上所能容纳 的静止卫星数量有限。
3.影响静止卫星通信的因素
(1)摄动 在地球卫星轨道上运行的卫星主要受到地球的引
力,还要受到其他一些较次要因素的影响,使卫星实际 的运行轨道逐渐偏离开普勒定律规定的理想轨道,这就 是所谓的摄动。卫星产生摄动的主要原因有:
2.地球卫星的轨道 地球卫星的轨道有圆形和椭圆形两种形状,地心处
在圆形轨道的圆心位置或椭圆轨道的一个焦点上。如果
设卫星的轨道平面与地球的赤道平面之间的夹角为i, 则当i =0°时,地球卫星的轨道叫做赤道轨道,如图
2.2所示。
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图2.2 卫星轨道
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图2.3 卫星通信的应用
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2.1.2 静止卫星通信的特点
1.静止卫星通信
目前,绝大多数通信卫星是地球同步卫星(静止卫星)。静止 卫星的条件为:
(1)卫星的运行轨道在赤道平面内; (2)卫星运行的轨道形状为圆形轨道; (3)卫星距地面的高度约为35786.6km; (4)卫星运行的方向与地球自转的方向相同,即自西向东; (5)卫星绕地球运行一周的时间恰好是24h,和地球的自转周 期等。
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图2.1 卫星通信示意图
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图2.1表示在一颗通信卫星天线的波束所覆盖的地 球表面区域内的各种地球站,都可以通过卫星中继转 发信号来进行通信。因此可以说,卫星通信是地面微 波中继通信的发展,是微波中继通信的一种特殊方式。
1979年世界无线电行政会议(WARC)规定宇宙 无线电通信有三种基本形式:
(1)宇宙站与地球站之间的通信; (2)宇宙站之间的通信; (3)通过宇宙站的转发或反射而进行的地球站之间 的通信。
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卫星通信属于宇宙无线电通信中的第三种方式。这 里,宇宙无线电通信是指以宇宙飞行体或通信转发体为 对象的无线电通信。宇宙站是指设在地球的大气层以外 的宇宙飞行体或其他行星、月球等天体上的通信站。地 球站是指设在地球表面的通信站,包括陆地上、水面上、 大气低层中移动的或固定的地球站。
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2.卫星通信的工作频段
从选择卫星通信工作频段时应考虑的因素来看,卫星通信 的频率范围应选在微波波段。因为微波波段的频谱很宽,并且 可以利用现有的微波通信设备。至于在微波波段中具体采用哪 个频段,就要综合考虑传输损耗、噪声、与其他通信业务之间 的干扰等与频率有关的问题。
当i =90°时,卫星的轨道为极轨道。当i为
0°~90°之间时,卫星的轨道叫做倾斜轨道。如 果卫星的轨道是圆形的,而且轨道平面与地球赤道
平面重合,即i=0°时,卫星离地球表面的高度为
35786.6km,卫星的飞行方向又与地球的自转方 向相同。这时,卫星绕地球一周的时间恰好为24h, 如果从地球表面任何一点看卫星,卫星都是“静止” 不动的。这种相对地球表面静止的卫星称为静止卫 星或同步卫星,利用这种卫星来进行通信的系统称 为静止卫星通信系统。
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( 5 ) 20 世 纪 80 年 代 , VSAT ( Very Small Aperture Terminal)卫星通信系统问世,卫星通信进 入了一个突破性的发展阶段。
VSAT是集通信、电子、计算机技术于一体的、固 态化、智能化的小型无人值守地球站。一般C频段 VSAT站的天线口径约3m,Ku频段为1.8m、1.2m或 更小。可以把这种小站建在用户的楼顶上或就近地方直 接为用户服务。VSAT技术的发展,为大量专业卫星通 信网的发展创造了条件,开创了卫星通信应用发展的新 局面。
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(5)按多址方式分
频分多址卫星通信系统 时分多址卫星通信系统 空分多址卫星通信系统 码分多址卫星通信系统 混合多址卫星通信系统
(6)按基带信号分
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4.卫星通信的发展与应用
利用人造地球卫星进行通信的设想是20世纪40年代中期提 出的,历经了20年的探索、试验后,终于在20世纪60年代中期 投入实用,并在应用与发展上取得了举世瞩目的伟大成就。今 天,卫星通信已成为人们普遍使用的重要通信手段,并且它以 信道稳定可靠、通信覆盖面积大、有多址通信能力、建设方便、 组网灵活、见效快等优势,深受广大用户青睐。
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(2)静止卫星通信有以下缺点:
① 由于卫星的高度为35 786.6km,信号的传 输损耗、传输时延和回波干扰都较大。在静止卫星 通信系统中,从地球站发射的信号经过卫星转发到 另一地球站时,单程传播时间约为0.27s。进行双向 通信时,一问一答往返传播延迟约为0.54s,通话时 给人一种不自然的感觉。此外,如果不采取特殊措 施,由于混合线圈不平衡等因素还会产生“回波干 扰”,即发话者在0.54s以后会听到反射回来的自己 讲话的回声,成为一种干扰。
(2)20世纪50年代进入试验阶段
1957年10月,第一颗人造地球卫星上天后,卫星通信 的试验很快就转入利用人造地球卫星试验阶段。主要试验项 目是有源无源卫星试验和各种不同轨道卫星试验。试验证明:
① 无源卫星不可取。主要缺点是要求地面大功率发射 和高灵敏接收,通信质量差,不宜宽带通信,卫星反射体面 积要大,且受流星撞击干扰,卫星只能是低轨道等。1964 年后,无源卫星试验宣告终止。
② 通过对各种轨道高度的有源通信卫星的试验,证明 了高轨道特别是同步定点轨道对于远距离、大容量、高质量 的通信最有利。所以,试验及试用逐步集中到同步定点卫星 方面。
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(3)20世纪60年代中期,卫星通信进入实用阶段
1965 年 成 立 了 国 际 通 信 卫 星 组 织 INTELSAT , 相 继 发 射 了 IS-Ⅰ、IS-Ⅱ、IS-Ⅲ通信卫星。一些国家建立了一批地球站,初 步构成了国际卫星通信网络,开拓了国际卫星通信业务。限于当 时的技术条件,地球站设备十分庞大,采用30m口径的大型天线、 几千瓦速调管发射机、致冷参量放大器接收机,建设一座地球站 耗资巨大。
(1)20世纪40年代提出构想及探索
1945年10月,英国科学家阿瑟·克拉克发表文章,提出利 用同步卫星进行全球无线电通信的科学设想。最初利用月球反 射进行探索试验,证明可以进行通信。但由于回波信号太弱、 时延长、提供通信时间短、带宽窄、失真大等缺点,因此没有 发展前途。
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因此,从地球上看,卫星与地球的相对位置如同 静止一般,故叫静止卫星。利用静止卫星作为中继站 组成的通信系统称为静止卫星通信系统或同步卫星通 信系统。
2.静止卫星的特点
(1)静止卫星在通信中有如下优点: ① 由于卫星的高度较高,因而一颗卫星对地球表
面的覆盖区域面积大。该区域的面积达到全球表面的 42.4%,因此只需设置彼此间隔为120°的三颗卫星, 就可以建立起除南、北两极地区以外的全球通信。
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2020/11/13
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第2章 卫星通信
2.1 卫星通信概述 2.2 通信卫星
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2.1 卫星通信概述 2.1.1 卫星通信的概念
1.卫星通信的定义 卫星通信是指
利用人造地球卫星 作为中继站转发无 线电信号,在两个 或多个地球站之间 进行的通信,如图 2.1所示。
② 其他原因。如地球引力不均匀,地球大气层的阻力和太阳 的辐射压力等也会引起卫星摄动。
对于静止卫星通信系统来说,必须采取卫星位置稳定技术,以 便克服摄动的影响,从而使静止卫星的经度、纬度稳定在允许的误 差范围内。
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(2)星蚀
在每年的春分和秋分前后各23天中,当静止卫星和地心的 连线在地球表面的交点(称为星下点)进入当地的午夜时间前后, 太阳、地球和卫星处在一条直线上。此时卫星进入了地球的阴影 区,即地球挡住了照射到卫星上的太阳光,发生了卫星的日蚀, 这就是星蚀,如图2.4所示。在发生星蚀期间,卫星的主电池— —太阳能电池因没有太阳光而无法工作,卫星只能依靠星载蓄电 池来供给能源。星载蓄电池虽然能满足卫星运动的需要,但毕竟 受卫星质量的限制,不能为全部转发器提供足够的电能。因此, 要尽量把星蚀发生的时间调整到卫星服务区通信业务量最低的时 间内。
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