卫星通信基础知识简介
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Rx (MHz) 3720 Tran. 1 V 3760 3 3800 5 3840 7 3880 9 3920 11 3960 13 4000 15 4040 17 4080 19 4120 21 4160 23
Rx (MHz) 3740 Tran. 2 H
3780 4
3820 6
3860 8
3900 10
25
B
卫星转发器 f1 fK fK
f1
频分多 路复用
调 频
发射机 f2 f3
发射机
调 频
频分多 路复用
站K
频分多 路复用 站2
调 频
发射机
卫星通信基础知识简介
---北京星空年代通信技术有限公司
卫星通信
1、卫星通信概述 2、卫星通信特点 3、卫星轨道及频段 4、通信卫星的组成 5、卫星通信系统的组成 6、卫星信道多址接入方式 7、卫星网络组成及结构 8、 VSAT
范晓晴 5 November 2015 1
卫星通信概述
卫星通信是指地球上的两个或多个无线电通信
– – – –
= 180 − t������−1
t������ ∆ sin ������������������
修正后 ������������ = ������������ + ∆������ 正南为180度，南偏西大于180度，南偏东小于180度 上试中m是地球站磁偏角=地球真北与磁北夹角 （南半球的方位角，不需要+180）
地球站 分系统
17
卫星通信系统各部分的作用
一、空间分系统
组成：通信卫星(通信装置(转发器)、遥测指令装置、控制
装置、太阳能蓄电池)。
作用：通信卫星主要是起无线电中继站的作用，是靠星上通 信装置中的转发器（微波收发信机）和天线 来完成的。
范晓晴
5 November 2015
18
卫星通信系统各部分的作用
卫星转发器
信 号 设 计
信 号 识 别
信 号 设 计
信 号 识 别
信 号 设 计
信 号 识 别
1#站
范晓晴
2#站
5 November 2015
3#站
22
一个无线电信号可以用若干个参量（指广义的参量， 下同）来表征，最基本的是：信号的射频频率，信号出现 的时间以及信号所处的空间
范晓晴
5 November 2015
cos ∆ cos ������������������− ������������ ������ 1−cos2 ∆ cos2 ������������������
S
轨道
修正后 ������������ = 0.5 ������ + ������2 + 4.132 （大气折射） r = ������������ + ������������ = ������������ + ℎ0 =轨道半径
地球站 A
范晓晴 5 November 2015
地球站 B
3
卫星通信特点
优点：
– 覆盖面积大，除了地球南、 北极地区，三颗卫星即可覆 盖地球 – 通信费用与通信距离无关
– 星际通信 – 组网灵活，建设周期短（经济 活跃时，优势明显） – 非对称信道
GEO
范晓晴
5 November 2015
4
卫星通信特点
站之间利用人造卫星作为中继站而进行的通信。从
技术上讲，卫星通信是在地面微波中继通信和空间
技术基础上发展起来的一种特殊形式的微波中继通
信，它相当于将微波中继通信的中继站搬到卫星上。
范晓晴
5 November 2015
2
卫星通信概述
卫星
本地应用 如：数据、 话音、视频
地面链路
地面链路
本地应用 如：数据、 话音、视频
需要2-3颗卫星保障连续通 对高纬度地区通 信业务 信覆盖效果差 从一颗星向另一颗星切换时 地面设备大，成 ，需要电路中继保护措施 本高，机动性差 需要多普勒移频率补偿功能 要用星上处理技 地球站必须从一颗星跟踪到 术和大功率发射 及大口径天线 另一颗星，所以系统至少需 要两副天线和一套跟踪设备 地面设备比较大，成本高 卫星天线必须有波束定位控 制系统
23
目前卫星通信系统主要多址
按 射 频 多 址 联 接 分 类 预分配 CDMA SDMA TDMA FDMA 按需分配 CDMA SDMA TDMA FDMA 随机接入 CDMA SDMA TDMA FDMA 码分多址
空分多址 时分多址
频分多址
按信道的使用和分配方式分类
范晓晴
5 November 2015
范晓晴
5 November 2015
14
转发器示意图
处理转发器 解调、信号处理、调制
放大器
混频
中频放大
合路
混频
功放
透明转发器
本振1
主振源
本振2
范晓晴
5 November 2015
15
卫星资源
转发器 卫星上的频率模块，典型的带宽是 40MHz /每转发器。 （36MHz使 用 - 2 MHz 保护带宽）部分Ku频段转发器带宽是 54MHz 或72MHz。
24
目前卫星通信系统主要多址方式
一、频分多址方式（FDMA）
FDMA的基本特征是，把卫星转发器的可用射频频带分割 成
若干互不重叠的部分，分配给各地球站所要发送的各载波使用。
因此，FDMA方式中，各载波的射频频率不同。发送的时间虽然可 以重合，但各载波占用的频带是彼此严格分开的。
范晓晴
5 November 2015
LEO：低地球轨道，500-1,500Km，15-20分钟可见
– – – – – –
MEO：中地球轨道，8,000-18,000Km，2-8小时可见
Molniya Orbit：闪电轨道（大椭圆轨道）
HAPs：高空平台（卫星），20Km
– –
一个飞艇或飞机，覆盖范围小，信号强 易布置，但需要很多个才能组网
范晓晴
5 November 2015
20
卫星通信系统各部分的作用
四、监测管理分系统
对定点后的卫星在业务开通前、后进行通信性能的监 测和控制，例如对卫星转发器功率、卫星天线增益以及各 地球站发射的功率、射频频率和带宽等基本通信参数进行 监控，以确保正常通信。
范晓晴
5 November 2015
21
多址联接方式的概述
70MHz或140MHz 下变 频器 调制/ 解调器 基带 单元
RF－RF段 IF－IF段 BB－BB段 RF－RF段：射频至射频段 IF－IF段：中频至中频段 BB－BB段：基带至基带段
范晓晴
5 November 2015
10
卫星通信要素：AZ、EL
俯仰角 ������ = tan−1
– – – –
5 November 2015 7
范晓晴
各类轨道优缺点比较
LEO/MEO HEO GEO
Байду номын сангаас优 点
可覆盖全球 传输延时短 频率可多次复用 卫星和地面设备简单 搞摧毁性好 适合个人通信
可覆盖高纬地区 开发早 地球站可工作在大仰角上， 发展星上多点波 减少大气影响 束技术，可简化 发射成本低 地面设备 适用于低纬度地 区
5 November 2015 8
缺 点
连续工作需要多颗卫星 复杂的网络设计 要使用星上处理及星间通信 等光电技术 较大的多普勒移需要频率补 偿功能 从一颗星向另一颗星切换时 ，需要电路中继保护措施 地球站必须从一颗星跟踪到 另一颗星，所以系统至少需 要两副天线和一套跟踪设备
范晓晴
5 November 2015
12
天线分系统
遥测、指令和信标天线 全向天线，以便于可靠接收指令与向地面发射遥测数据 和信标。 通信天线 全球波束天线 点波束天线 赋形波束天线
范晓晴
5 November 2015
13
转发器
是通信卫星中直接起中继站作用的部分。 要求：以最小的附加噪声和失真，足够的工作频带和输出功率业为 各地球站有效可靠地转发无线电信号。 透明转发器 对收到的信号只进行低噪声放大、变频、功率放大，对频带内 的任何信号是透明的通道。 处理转发器 除进行转发信号外，还具有信号处理功能。
– Ku-Band：12.5 ~ 18 GHz， – K-Band： 18 ~ 26.5 GHz， – Ka-Band： 26.5 ~ 40 GHz，
BSS (DBS)：广播（直播）卫星 不同卫星使用不同的频段
范晓晴 5 November 2015 9
卫星传输段分段定义
上行线 下行线
70MHz或140MHz C、Ku频带 基带 单元 调制/ 解调器 上变 频器 发射频 设备 收射频 设备
缺点：
–同步轨道卫星： 通信时延大（0.27秒） 通信端站体积大 设备价格高 操作复杂 –中、低轨道卫星： 系统复杂，使用费用高 –政策、通信安全方面 –易受恶意干扰和攻击
范晓晴
同步卫星 17.4° 卫星飞行方向 地球自旋方向
18100km
（赤道上）
同步轨道
3
m .5k 85 7 5
12756km
二、地球站分系统
组成：天线馈线设备，发射设备，接收设备，信道终端设
备，天线跟踪、伺服设备，电源设备。 作用：是无线电收发信台，用户通过地球站接入卫星 线路进行通信。
范晓晴
5 November 2015
19
卫星通信系统各部分的作用
三、跟踪遥测及指令分系统
对卫星进行跟踪测量，控制其准确进入禁止轨道上的 指定位置；待卫星正运行后，定期对卫星进行轨道修整和 位置保持。
范晓晴
通信卫星的组成
天线分系统：定向发射与接收无线电信号
通信分系统：接收、处理并重发信号。（转发器）
电源分系统：为卫星提供电能，包括太阳能电池、蓄电池和配电设备。 跟踪遥测指令分系统：跟踪部分用来为地球站跟踪卫星发送信标; 遥测 部分用来在星上测定并给地面的TTC站发送的有关卫星姿态、 星上各部件工作状态的数据指令部分用于接收来自地面的 控制指令，处理后送给控制分系统执行。 控制分系统：用来对卫星的姿态、轨道位置、各分系统工作状态进行必 要的调节与控制。
范晓晴
5965 2
6005 4
6045 6
6085 8
6125 10
6165 12
6205 14
6245 16
6285 18
6325 20
6365 22
6405 24
5 November 2015
16
卫星通信系统的组成
空间分系统
跟踪遥测 指令分系统
范晓晴
监测管理 分系统
5 November 2015
范晓晴
卫星通信频段及应用
– – – – L–Band：1 ~ 2 GHz， S-Band： 2 ~ 4 GHz， C-Band：4 ~ 8 GHz， X-Band：8 ~ 12.5 GHz， 如：军用和气象卫星 用于 MSS （移动业务） 用于 MSS 和深空研究 用于 FSS （固定业务） 用于 FSS 和陆地成像 用于 FSS 和 BSS (DBS) 用于 FSS 和 BSS 用于 FSS
������������ ������ = 0.1512 （静止轨道）
∆= 卫星的经度差 − 地球站经度 ������������������ = 地球站纬度
− sin ∆ 1−cos2 ������������������ cos2 ∆
h0
αs Rs M θ G γ Re O 赤道
方位角 ������������= 180 +
sin ∆ ������������������������������
Re
极化角∅������ = ������������−1
– –
面对天线反射面正面：南偏西为负数@逆时针转；南偏东为正数@顺时针转。 接收水平极化 @ LNB入口波导短边与地面平行；垂直极化@ LNB入口波导长边与地面平行。
5 November 2015 11
同步卫星 重叠地区 盲区
同步卫星
5 November 2015
5
卫星通信特点
星蚀与日凌
范晓晴
5 November 2015
6
卫星轨道及频段
GEO：同步静止轨道，35,863Km，24小时静止可见
– – 覆盖广、静止易跟踪、广播和多点应用 时延长和信号弱不利点对点、极地覆盖困难 时延短且信号强适合点对点 多星组网费用大、多普勒、大气阻力->轨道恶化 很少几颗卫星可组网，远少于LEO 时延和信号不如LEO，但比GEO好 俄罗斯已使用10年，高纬度和极地地区，倾角>60° 相对静止可见8小时，3 闪电轨道卫星可当1 GEO
3940 12
3980 14
4020 16
4060 18
4100 20
4140 22
4180 24
Tx (MHz) Tran. H
5945 1
5985 3
6025 5
6065 7
6105 9
6145 11
6185 13
6225 15
6265 17
6305 19
6345 21
6385 23
Tx (MHz) Tran. V
Rx (MHz) 3740 Tran. 2 H
3780 4
3820 6
3860 8
3900 10
25
B
卫星转发器 f1 fK fK
f1
频分多 路复用
调 频
发射机 f2 f3
发射机
调 频
频分多 路复用
站K
频分多 路复用 站2
调 频
发射机
卫星通信基础知识简介
---北京星空年代通信技术有限公司
卫星通信
1、卫星通信概述 2、卫星通信特点 3、卫星轨道及频段 4、通信卫星的组成 5、卫星通信系统的组成 6、卫星信道多址接入方式 7、卫星网络组成及结构 8、 VSAT
范晓晴 5 November 2015 1
卫星通信概述
卫星通信是指地球上的两个或多个无线电通信
– – – –
= 180 − t������−1
t������ ∆ sin ������������������
修正后 ������������ = ������������ + ∆������ 正南为180度，南偏西大于180度，南偏东小于180度 上试中m是地球站磁偏角=地球真北与磁北夹角 （南半球的方位角，不需要+180）
地球站 分系统
17
卫星通信系统各部分的作用
一、空间分系统
组成：通信卫星(通信装置(转发器)、遥测指令装置、控制
装置、太阳能蓄电池)。
作用：通信卫星主要是起无线电中继站的作用，是靠星上通 信装置中的转发器（微波收发信机）和天线 来完成的。
范晓晴
5 November 2015
18
卫星通信系统各部分的作用
卫星转发器
信 号 设 计
信 号 识 别
信 号 设 计
信 号 识 别
信 号 设 计
信 号 识 别
1#站
范晓晴
2#站
5 November 2015
3#站
22
一个无线电信号可以用若干个参量（指广义的参量， 下同）来表征，最基本的是：信号的射频频率，信号出现 的时间以及信号所处的空间
范晓晴
5 November 2015
cos ∆ cos ������������������− ������������ ������ 1−cos2 ∆ cos2 ������������������
S
轨道
修正后 ������������ = 0.5 ������ + ������2 + 4.132 （大气折射） r = ������������ + ������������ = ������������ + ℎ0 =轨道半径
地球站 A
范晓晴 5 November 2015
地球站 B
3
卫星通信特点
优点：
– 覆盖面积大，除了地球南、 北极地区，三颗卫星即可覆 盖地球 – 通信费用与通信距离无关
– 星际通信 – 组网灵活，建设周期短（经济 活跃时，优势明显） – 非对称信道
GEO
范晓晴
5 November 2015
4
卫星通信特点
站之间利用人造卫星作为中继站而进行的通信。从
技术上讲，卫星通信是在地面微波中继通信和空间
技术基础上发展起来的一种特殊形式的微波中继通
信，它相当于将微波中继通信的中继站搬到卫星上。
范晓晴
5 November 2015
2
卫星通信概述
卫星
本地应用 如：数据、 话音、视频
地面链路
地面链路
本地应用 如：数据、 话音、视频
需要2-3颗卫星保障连续通 对高纬度地区通 信业务 信覆盖效果差 从一颗星向另一颗星切换时 地面设备大，成 ，需要电路中继保护措施 本高，机动性差 需要多普勒移频率补偿功能 要用星上处理技 地球站必须从一颗星跟踪到 术和大功率发射 及大口径天线 另一颗星，所以系统至少需 要两副天线和一套跟踪设备 地面设备比较大，成本高 卫星天线必须有波束定位控 制系统
23
目前卫星通信系统主要多址
按 射 频 多 址 联 接 分 类 预分配 CDMA SDMA TDMA FDMA 按需分配 CDMA SDMA TDMA FDMA 随机接入 CDMA SDMA TDMA FDMA 码分多址
空分多址 时分多址
频分多址
按信道的使用和分配方式分类
范晓晴
5 November 2015
范晓晴
5 November 2015
14
转发器示意图
处理转发器 解调、信号处理、调制
放大器
混频
中频放大
合路
混频
功放
透明转发器
本振1
主振源
本振2
范晓晴
5 November 2015
15
卫星资源
转发器 卫星上的频率模块，典型的带宽是 40MHz /每转发器。 （36MHz使 用 - 2 MHz 保护带宽）部分Ku频段转发器带宽是 54MHz 或72MHz。
24
目前卫星通信系统主要多址方式
一、频分多址方式（FDMA）
FDMA的基本特征是，把卫星转发器的可用射频频带分割 成
若干互不重叠的部分，分配给各地球站所要发送的各载波使用。
因此，FDMA方式中，各载波的射频频率不同。发送的时间虽然可 以重合，但各载波占用的频带是彼此严格分开的。
范晓晴
5 November 2015
LEO：低地球轨道，500-1,500Km，15-20分钟可见
– – – – – –
MEO：中地球轨道，8,000-18,000Km，2-8小时可见
Molniya Orbit：闪电轨道（大椭圆轨道）
HAPs：高空平台（卫星），20Km
– –
一个飞艇或飞机，覆盖范围小，信号强 易布置，但需要很多个才能组网
范晓晴
5 November 2015
20
卫星通信系统各部分的作用
四、监测管理分系统
对定点后的卫星在业务开通前、后进行通信性能的监 测和控制，例如对卫星转发器功率、卫星天线增益以及各 地球站发射的功率、射频频率和带宽等基本通信参数进行 监控，以确保正常通信。
范晓晴
5 November 2015
21
多址联接方式的概述
70MHz或140MHz 下变 频器 调制/ 解调器 基带 单元
RF－RF段 IF－IF段 BB－BB段 RF－RF段：射频至射频段 IF－IF段：中频至中频段 BB－BB段：基带至基带段
范晓晴
5 November 2015
10
卫星通信要素：AZ、EL
俯仰角 ������ = tan−1
– – – –
5 November 2015 7
范晓晴
各类轨道优缺点比较
LEO/MEO HEO GEO
Байду номын сангаас优 点
可覆盖全球 传输延时短 频率可多次复用 卫星和地面设备简单 搞摧毁性好 适合个人通信
可覆盖高纬地区 开发早 地球站可工作在大仰角上， 发展星上多点波 减少大气影响 束技术，可简化 发射成本低 地面设备 适用于低纬度地 区
5 November 2015 8
缺 点
连续工作需要多颗卫星 复杂的网络设计 要使用星上处理及星间通信 等光电技术 较大的多普勒移需要频率补 偿功能 从一颗星向另一颗星切换时 ，需要电路中继保护措施 地球站必须从一颗星跟踪到 另一颗星，所以系统至少需 要两副天线和一套跟踪设备
范晓晴
5 November 2015
12
天线分系统
遥测、指令和信标天线 全向天线，以便于可靠接收指令与向地面发射遥测数据 和信标。 通信天线 全球波束天线 点波束天线 赋形波束天线
范晓晴
5 November 2015
13
转发器
是通信卫星中直接起中继站作用的部分。 要求：以最小的附加噪声和失真，足够的工作频带和输出功率业为 各地球站有效可靠地转发无线电信号。 透明转发器 对收到的信号只进行低噪声放大、变频、功率放大，对频带内 的任何信号是透明的通道。 处理转发器 除进行转发信号外，还具有信号处理功能。
– Ku-Band：12.5 ~ 18 GHz， – K-Band： 18 ~ 26.5 GHz， – Ka-Band： 26.5 ~ 40 GHz，
BSS (DBS)：广播（直播）卫星 不同卫星使用不同的频段
范晓晴 5 November 2015 9
卫星传输段分段定义
上行线 下行线
70MHz或140MHz C、Ku频带 基带 单元 调制/ 解调器 上变 频器 发射频 设备 收射频 设备
缺点：
–同步轨道卫星： 通信时延大（0.27秒） 通信端站体积大 设备价格高 操作复杂 –中、低轨道卫星： 系统复杂，使用费用高 –政策、通信安全方面 –易受恶意干扰和攻击
范晓晴
同步卫星 17.4° 卫星飞行方向 地球自旋方向
18100km
（赤道上）
同步轨道
3
m .5k 85 7 5
12756km
二、地球站分系统
组成：天线馈线设备，发射设备，接收设备，信道终端设
备，天线跟踪、伺服设备，电源设备。 作用：是无线电收发信台，用户通过地球站接入卫星 线路进行通信。
范晓晴
5 November 2015
19
卫星通信系统各部分的作用
三、跟踪遥测及指令分系统
对卫星进行跟踪测量，控制其准确进入禁止轨道上的 指定位置；待卫星正运行后，定期对卫星进行轨道修整和 位置保持。
范晓晴
通信卫星的组成
天线分系统：定向发射与接收无线电信号
通信分系统：接收、处理并重发信号。（转发器）
电源分系统：为卫星提供电能，包括太阳能电池、蓄电池和配电设备。 跟踪遥测指令分系统：跟踪部分用来为地球站跟踪卫星发送信标; 遥测 部分用来在星上测定并给地面的TTC站发送的有关卫星姿态、 星上各部件工作状态的数据指令部分用于接收来自地面的 控制指令，处理后送给控制分系统执行。 控制分系统：用来对卫星的姿态、轨道位置、各分系统工作状态进行必 要的调节与控制。
范晓晴
5965 2
6005 4
6045 6
6085 8
6125 10
6165 12
6205 14
6245 16
6285 18
6325 20
6365 22
6405 24
5 November 2015
16
卫星通信系统的组成
空间分系统
跟踪遥测 指令分系统
范晓晴
监测管理 分系统
5 November 2015
范晓晴
卫星通信频段及应用
– – – – L–Band：1 ~ 2 GHz， S-Band： 2 ~ 4 GHz， C-Band：4 ~ 8 GHz， X-Band：8 ~ 12.5 GHz， 如：军用和气象卫星 用于 MSS （移动业务） 用于 MSS 和深空研究 用于 FSS （固定业务） 用于 FSS 和陆地成像 用于 FSS 和 BSS (DBS) 用于 FSS 和 BSS 用于 FSS
������������ ������ = 0.1512 （静止轨道）
∆= 卫星的经度差 − 地球站经度 ������������������ = 地球站纬度
− sin ∆ 1−cos2 ������������������ cos2 ∆
h0
αs Rs M θ G γ Re O 赤道
方位角 ������������= 180 +
sin ∆ ������������������������������
Re
极化角∅������ = ������������−1
– –
面对天线反射面正面：南偏西为负数@逆时针转；南偏东为正数@顺时针转。 接收水平极化 @ LNB入口波导短边与地面平行；垂直极化@ LNB入口波导长边与地面平行。
5 November 2015 11
同步卫星 重叠地区 盲区
同步卫星
5 November 2015
5
卫星通信特点
星蚀与日凌
范晓晴
5 November 2015
6
卫星轨道及频段
GEO：同步静止轨道，35,863Km，24小时静止可见
– – 覆盖广、静止易跟踪、广播和多点应用 时延长和信号弱不利点对点、极地覆盖困难 时延短且信号强适合点对点 多星组网费用大、多普勒、大气阻力->轨道恶化 很少几颗卫星可组网，远少于LEO 时延和信号不如LEO，但比GEO好 俄罗斯已使用10年，高纬度和极地地区，倾角>60° 相对静止可见8小时，3 闪电轨道卫星可当1 GEO
3940 12
3980 14
4020 16
4060 18
4100 20
4140 22
4180 24
Tx (MHz) Tran. H
5945 1
5985 3
6025 5
6065 7
6105 9
6145 11
6185 13
6225 15
6265 17
6305 19
6345 21
6385 23
Tx (MHz) Tran. V