卫星通信系统2

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典型卫星通信系统 (3)
“轨道通信”系统----Orbcomm
是全球第一个低轨道商用数据通信系统，通常称为 小LEO系 统。有美国轨道科学公司和加拿大Teleglobe公司开发、经营。 该系统设计将发射的卫星数为48颗。在实施中有所调整，到 目前为止，由35颗卫星组成。分为A、B、C、D、E、F、G七个 轨道面。卫星为微卫星，每颗质量为43kg。
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卫星的应用
基本应用环境
陆地设备无法到达的远程通信 点对多点通信
典型系统
铱星系统(Iridium) 国际海事卫星系统(Inmarsat) 全球星系统(Globalstar)
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主要内容
卫星通信概述 卫星的轨道与频带 卫星通信系统概述 典型卫星通信系统 卫星互联网技术
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通信卫星工作的基本原理
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通信卫星实际上就是一个悬挂在空中的通信中 继站。 它居高临下，视野开阔，只要在它的覆盖照射 区以内，不论距离远近都可以通信，通过它转 发和反射电报、电视、广播和数据等无线信号。
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工作的基本原理
地面站1发出无线电信号， 这个微弱的信号被卫星通信天线接收， 在通信转发器中进行放大，变频和功率放大， 再由卫星的通信天线把放大后的无线电波重新 发向地面站2， 实现两个地面站或多个地面站的远距离通信。
地球同步卫星(GEO)
是使用最普遍的卫星 工作方式
卫星位于地面之上35 863km的圆形轨道 在赤道所在平面上旋转 与地球一样的角速度旋转，并保持在赤道上 空的同一个点上
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地球同步卫星
优点
相对地球位置固定，无多普勒效应 地面站跟踪卫星简单 三颗卫星基本覆盖全球
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主要内容
卫星通信概述 卫星的轨道与频带 卫星通信系统的组成 典型卫星通信系统 卫星互联网技术
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典型卫星通信系统 (1)
Iridium (铱)星系统
它是一个全球LEO卫星蜂窝系统，支持话音、数据和定位业 务。由于采用了星际链路，系统在不依赖地面网的情况下可支持 地球上任何位置用户之间的通信。 系统于20世纪80年代末有 Motorola推出，90年代初开始开 发，耗资57亿美元，于1998年11月开始商业运行。由于昂贵的通 话费和平平的服务质量，系统的用户数比预计的少得多（至1999 年8月，用户数尚不足3万，而系统不亏的最少用户数为65万）， 庞大的系统运行、维护开支和巨额的亏损与债务，迫使 Iridium 公司于2000年3月宣告破产，停止提供“铱星”服务（该系统于 2001年3月又起死回生）。
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主要内容
卫星通信概述 卫星的轨道与频带 卫星通信系统的组成 典型卫星通信系统 卫星互联网技术
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卫星通信系统的组成
星上系统 测控系统 控制与管理系统 地球站
通信卫星
测控系统
地面部
管理系统
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卫星通信系统各部功能
星上系统负责进行无线电中继，包括转 发器和天线 测控系统由指挥控制中心、数据交换中 心、各地监控站组成 控制与管理系统用来保证卫星通信系统 正常运行的重要组成部分 地球站是卫星通信的地面部分，用户通 过它接入卫星进行通信
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广播卫星
广播卫星目前都为静止 卫星。静止卫星是实现 卫星电视的基础，它为 波束覆盖区内所有卫星 广播站（或卫星单收站） 提供信道转发信号，形 成卫星电视网。
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卫星直播电视
指由卫星播送或转发电视信号，供一般用户直接收看 的电视系统。 利用这种方式转播电视信号时，有全国电视中心控制 和调度的几十套以上的电视节目，以致国际转播的电 视节目，都可经过电视直播卫星向全国各地播送。 由于卫星传输系统具有多址通信的特点，因此包括那 些不便设置电视台的地方（如海洋、沙漠和高山地带） 都可直接收看卫星广播的电视节目，而不必经电视台 转播。同时，还可将其中一部分频道用作电视教学和 科学实验等等。
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卫星通信的发展历史
提出：1945年，英国科学家发表论文“地 球外的中继” 实验阶段：1954-1964 实用阶段：1964国际海事卫星系统
铱系统 全球星
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低轨道卫星阶段
1957年10月4日前苏联成功发射了第一颗人造地球卫 星； 1958年12月美国发射了“斯科尔”（SCORE）广播 试验卫星，进行磁带录音信号的传输； 1960年8月，美国发射了“回声”（ECHO）无源发射 卫星，首次完成了有源延迟中继通信； 1962年7月美国发射了“电星一号”（TELESTAR-1） 低轨道通信卫星，在6GHz/4GHz实现了横跨大西洋的 电话、电视、传真和数据的传输，奠定了商用卫星通 信的技术基础；
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卫星通信的优、缺点
卫星的优点
通信距离远,通信成本和距离关系小 覆盖范围广,可以进行多址通信 对地球拓扑不敏感 通信频带宽、容量大 通信质量好，可靠性高
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卫星的缺点
初装成本高 GEO系统传输时延较大 环境干扰问题 需要许可证 某些区域内分配受限制 自然现象造成影响
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选择卫星通信频段需要考虑的因素
工作频段内的噪声与干扰小； 电波传播过程的损耗小； 尽可能有较宽的带宽，以满足通信业务要求； 充分利用现有的通信技术与现有的通信设备； 与其他通信或雷达等微波设备之间的干扰尽 可能小
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卫星的频带
卫星使用两个频带:上行链路和下行链路 卫星通信使用的频谱资源
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不同轨道系统的性能比较
项目 轨道高度 波束数 天线直径 卫星信道数 射频功率 卫星成本合计 卫星寿命 地面站投资 高仰视角时间率 使用 卫星切换 地面网连接 轨道展开时间
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低轨道 700～1200km 6～48 约1米 500～1500 50～200W 高 3～7 年 高 低 复杂 频繁 差 慢
中轨道 8000～13000km 19～150 约2米 1000～4000 200～600W 低 12～15 年 低 高 普通 频度小 好 普通
高轨道 35800km 58～200 8 米以上 3000～8000 600～900W 中 12～15 年 中 中 长 容易 无 容易 快
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卫星可视域通过时间 短（10～12min） 中（约 90min）
GEO
LEO/MEO
Internet 地面控制 中心
用户终端 用户终端 Internet 地面控制 中心 地面用户站 地面用户站
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卫星通信的特点
与其他通信方式比较,特点如下:
通信距离远,且通信成本与距离无关 下行广播，覆盖范围广 通信链路相对稳定(与地面无线通信链路比较) 通信容量大，可提供较大的带宽和数据速率 信号传输时延长、衰减大 卫星设备管理和控制复杂
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铱星系统星座原设计由77颗LEO卫星组成，它与铱元素有77个 电子围绕原子核运行类似，因此系统命名为“铱”。后来改为66颗 卫星，分布在6个圆形极轨道平面上（轨道平面倾角为86.40），轨 道高度为785km,每个轨道平面上均匀分布11颗卫星，每颗卫星的质 量为688kg ，卫星设计寿命5—8年。
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一个简单的例子
北京市某用户要通过卫星与大洋彼岸的 另一用户打电话:
STEP1: 通过长途电话局，由它把用户电话 线路与卫星通信系统中的北京地面站连通; STEP2: 地面站把电话信号发射到卫星， STEP3: 卫星接到这个信号后通过功率放大 器，将信号放大再转发到大西洋彼岸的地面 站， STEP4: 地面站把电话信号取出来，送到受 话人所在的城市长途电话局转接用户。
至此，经过通信卫星的试验，使卫星通信的实 用价值得到了广泛的承认。
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移动卫星业务
1976年 “海事卫星1号”（MARISAT-1）发射到大西 洋上空； 1979年 “国际海事卫星组织”（INMARSAT）成立；
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我国的卫星通信发展
1970年4月，我国成功发射了第一颗卫星； 1984年4月，我国成功发射第一颗试验用“同步通信 卫星”STW-1（即东方红二号）； 1986年2月，我国用长征3号火箭成功发射第二颗“实 验通信卫星”STW-2； 1988年3月，我国用长征3号火箭发射成功第一颗“实 用通信卫星”； 1988年12月又发射了“东二甲－2”卫星，说明我国 的卫星通信技术已经迈入国际领先领域；
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卫星的轨道
按轨道形状划分
圆轨道 椭圆轨道
按环绕平面划分
赤道轨道 极地轨道 倾斜轨道
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卫星的轨道(续)
按卫星运行高度划分
地球同步轨道(GEO)
Inmarsat系统
中地轨道(MEO)
奥迪塞系统(Odyssey) InmarsatP-21
低地轨道(LEO)
铱星系统(Iridium) 全球星系统(Globalstar)
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电视节目的转播
与电话传输相似 由于各国的电视制式标准不一样，在接 收设备中还要有相应的制式转换设备， 将电视信号转换为本国标准。
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其他业务
电报、传真、广播、数据传输等业务与 电话传输过程相似， 不同的是需要在地面站中采用相应的终 端设备。
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典型卫星通信系统 (4)
Inmarsat-国际移动卫星通信系统
它是由国际移动卫星组织倡导建立起来的一个全球卫星移动通 信系统。该系统已经历了3代，使用的都是对地静止轨道卫星。 第三代系统由4颗静止轨道卫星组成，分别覆盖太平洋（卫星 定位于东经1780）、印度洋（东经650）、大西洋东区（西经160） 和大西洋西区（西经540）。系统的网控中心（NOC）设在伦敦 Inmarsat（国际移动卫星组织）总部。
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我国第一颗卫星
1970年4月24日发射的第一颗人造地球卫星。 卫星的主要任务是向太空播放“东方红”乐曲，同时进行 卫星技术试验，探测电离层和大气密度。 星上采用银锌蓄电池作电源，电池寿命有限，卫星运行20 天后，电池耗尽，“东方红”乐曲停止播放，卫星结束了 它的工作寿命。
现代通信网络
张 冬 梅 (zhangdm@bupt.edu.cn)
北京邮电大学计算机科学与技术学院
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卫星通信系统与网络
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主要内容
卫星通信概述 卫星的轨道与频带 卫星通信系统的组成 典型卫星通信系统 卫星互联网技术
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卫星通信的概念
卫星通信是利用卫星作为中继站，转发微 波信号，实现两个或多个地球站间的通信
存在的问题
信号衰减大 高纬度地区服务质量差 传输延迟大
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卫星的频带
卫星通信涉及两个频带
上行链路:地面到卫星 下行链路:卫星到地面
上行链路波段总是高频率
原因:高频率相对低频而言有更快的传播和真空 原因 高频率相对低频而言有更快的传播和真空 损耗， 损耗，地面站可提供较高功率
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低轨道卫星
1962年11月美国发射了“中继1号” （RELAY-1）低轨道卫星，完成了横跨太平洋 的美、日之间的电视传播；
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同步卫星
1963年7月美国发射“辛康2号”（SYNCOM-Ⅱ）卫 星，其轨道高度升高后，可使卫星在赤道上空绕地球 一周的时间与地球自转一周的时间相等； 1964年10月该卫星向全世界转播了东京奥运会的实况。 1965年前苏联发射了“闪电”（MOLNIYA）同步卫星， 完成了苏联和东欧之间的区域性通信和电视广播。
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典型卫星通信系统 (2)
Globalstar（全球星）系统
全球星系统是以支持话音业务为主的全球低轨卫星移动通信 系统。该系统用户通过卫星链路接入地面公用网，在地面网的支 持下实现全球卫星通信。它只是地面网的补充和延伸。系统较简 单、风险低、运营费低。它由美国劳拉、高通等公司倡导发展的 系统。 采用倾斜轨道星座，共48颗星，分布在8个轨道平面上（每 轨道6颗卫星）。高度1414km，轨道平面倾角为520。卫星质量 为450kg，设计寿命为7.5年，每颗卫星可提供2800条话音信道。