卫星通信技术的应用与发展

卫星通信技术的应用与发展

中国电子科技集团公司第五十四研究所史世念

【摘要】自20世纪90年代以来，卫星移动通信的迅猛发展推动了天线技术的进步。卫星通信具有覆盖范围广、通信容量大、传输质量好、组网方便迅速、便于实现全球无缝链接等众多优点，被认为是建立全球个人通信必不可少的一种重要手段。本文主要研究分析了卫星通信技术的应用及发展方向。

【关键词】卫星通信应用发展

1 卫星通信的系统概念

卫星通信系统实际上也是一种微波通信，它以卫星作为中继站转发微波信号，在多个地面站之间通信，卫星通信的主要目的是实现对地面的“无缝隙”盖，由于卫星工作于几百、几千、甚至上万公里的轨道上，因此覆盖范围远大于一般的移动通信系统。但卫星通信要求地面设备具有较大的发射功率，因此不易普及使用。

自 1957 年前苏联发射第一颗人造卫星以来，人造卫星即被广泛应用于通信，广播，电视等领域。1965 年第一颗商用国际通信卫星被送入大西洋上空同步轨道，开始了利用静止卫星的商业通信。

卫星通信系统由卫星端、地面端、用户端三部分组成。卫星段在空中起中继站的作用，即把地面站发上来的电磁波放大后再返送回另一地面站，卫星星体又包括两大子系统：星载设备和卫星母体。地面站则是卫星系统与地面公众网的接口，地面用户也可以通过地面站出入卫星系统形成链路，地面站还包括地面卫星控制中心，及其跟踪、遥测和指令站。用户段即是各种用户终端。

在微波频带，整个通信卫星的工作频带约有 500MHz 宽度，为了便于放大和发射及减少变调干扰，一般在星上设置若干个转发器。每个转发器被分配一定的工作频带。目前的卫星通信多采用频分多址技术，不同的地球站占用不同的频率，即采用不同的载波。比较适用于点对点大容量的通信。近年来，时分多址技术也在卫星通信中得到了较多的应用，即多个地球站占用同一频带，但占用不同的时隙。与频分多址方式相比，时分多址技术不会产生互调干扰、不需用上下变频把各地球站信号分开、适合数字通信、可根据业务量的变化按需分配传输带宽，使实际容量大幅度增加。另一种多址技术是码分多址(CDMA)，即不同的地球站占用同一频率和同一时间，但利用不同的随机码对信息进行编码来区分不同的地址。CDMA 采用了扩展频谱通信技术，具有抗干扰能力强、有较好的保密通信能力、可灵活调度传输资源等优点。它比较适合于容量小、分布广、有一定保密要求的系统使用。

距地面 35800km，卫星绕地球一周的时间恰好与地球自转一周（23 小时 56 分 4 秒）一致，从地面看上去如同静止不动一般，所以叫做“静止卫星”即同步静止轨道。理论上，用三颗相距 120 度高轨道卫星即可以实现全球覆盖。传统的同步轨道卫星通信系统的技术最为成熟，自从同步卫星被用于通信业务以来，用同步卫星来建立全球卫星通信系统已经成为了建立卫星通信系统的传统模式。但是，同步卫星有一个不可克服的障碍，就是较长的传播时延和较大的链路损耗，严重影响到它在某些通信领域的应用，特别是在卫星移动通信方面的应用。首先，同步卫星轨道高，链路损耗大，对用户终端接收机性能要求较高。这种系统难于支持手持机直接通过卫星进行通信，或者需要采用 l2m 以上的星载天线 (L波段)，这就对卫星星载通信有效载荷提出了较高的要求，不利于小卫星技术在移动通信中的使用。其次，由于链路距离长，传播延时大，单跳的传播时延就会达到数百毫秒，加上语音编码器等的处理时间则单跳时延将进一步增加，当移动用户通过卫星进行双跳通信时，时延甚至将达到秒级，这是用户、特别是话音通信用户所难以忍受的。为了避免这种双跳通信就必须采用星上处理使得卫星具有交换功能，但这必将增加卫星的复杂度，不但增加系统成本，也有一定的技术风险。

2 卫星通信系统的分类

2.1 按照工作轨道区分：

卫星通信系统一般分为以下3 类：低轨道卫星通信系统(LEO), 中轨道卫星通信系统(MEO), 高轨道卫星通信系统(GEO)

2.2 按照通信范围区分：

卫星通信系统可以分为国际通信卫星、区域性通信卫星、国内通信卫星。

2.3 按照用途区分：

卫星通信系统可以分为综合业务通信卫星、军事通信卫星、海事通信卫星、电视直播卫星等。

2.4 按照转发能力区分：

卫星通信系统可以分为无星上处理能力卫星、有星上处理能力卫星。

3 卫星通信在自然灾害下的应用

卫星通信在各种灾害条件下，能确保灾情现场图像信息和防灾调度指令的及时、迅速、准确、可靠地上传下达，进一步缩短灾情预报期，争取防洪抗灾的主动性，保障国家和人民生命财产安全；是对防汛抗旱工程措施的有效补充，也是投资省、见效快、技术新颖、行之有效的防洪减灾途径和切实可行的重要非工程性措施，对促进防灾、减灾工作的发展和社会主义建设有着深远的社会意义。

在汶川地震中，抽调黄委会信息中心的卫星通信车到灾区，卫星通信车参与了地震灾后救援，为相关部门的人员和资源的调配、整体的组织、协调和指挥，以及迅速掌握第一现场信息资料的能力高低，影响到事件应对的成与败，起到了很重要的的作用。

在汶川地震中，由于地震破坏，电信设施受损，常规通信不畅。而卫星通信车在在汶川地震中几乎起到了“奇兵”的重要作用。并且在此之后的重大公共突发时间中，并通过图像、语音、视频、数据双向传输等综合手段，实现了指挥作战的网络化、扁平化、可视化、信息化、现代化。卫星通信车在保障通信，保障公共安全上起到的作用越来越重大。

卫星通信车工作原理（传输系统主要包含图像传送和勤务话音传送两部分）

3.1 图像传送传输路径为：现场图像＋伴音→无线微波引接设备→卫通车→卫星转发器→固定站指挥中心→指挥中心大屏(及会商系统)。

卫星转发器接收到上行信号, 经变频变为下行信号转发出去。

固定站 4.5 米天线接收卫星转发的下行信号,经下变频输出中频信号,送入解调器解出数据编码信号, 经数字电视编解码器解压缩将恢复的防汛现场的汛情图像伴音信号送至指挥中心显示屏及会商系统,供领导分析、决策。

同理，指挥中心会商室的视音频信号也可通过上述过程传输到车载站，形成双向视频接入。

3.2 勤务话音传送：

车载站到固定站: 话音信号经调制器编码调制复接后，形成 70MHz 的载频，再将其送入室外单元（ODU），经上变频大, 经波导将功率信号输送到 1.2 米车载天线,由天线发射到卫星上。

卫星转发器接收到上行信号, 经变频变为下行信号转发出去。

固定站 4.5 米天线接收卫星转发的下行信号,经下变频输出 70MHz 的中频信号,经解调器解调送至勤务话机，完成话音通信。

4 未来卫星通信系统主要有以下的发展趋势：

4.1 数字卫星成为主流，传统的弯管式卫星网将被具有星上处理和交换功能的卫星所替代。

4.2 通过卫星通信系统承载数字视频直播(DVB)和数字音频广播(DAB)；卫星电视直播成为卫星应用产业的支柱产业。现在世界上DBS／DTH 的卫星电视直播用户有4500 多万户。

4.3 卫星业务综合化。由于数字技术的应用，可灵活地组合多种业务，将通信、电视、声音广播、数字广播、因特网和视频点播等功能集卫星于一体。这是数字化、网络化发展的必然结果。卫星通信系统将与 IP 技术结合，用于提供多媒体通信和因特网接入，即包括用于国际、国内的骨干网络，也包括用于提供用户直接接入；卫星通信网与互联网和陆基电信网的相互融合正在扩展卫星通信的新领域。卫星互联网内容传送和宽带接入服务等数据传递业务成为推动市场繁荣的新动力，使卫星通信应用向综合化方向发展。在卫星通信市场中，就话音和数据业务相比，话音业务所占比重逐步减少，数据业务应用的比重将逐渐上升。

4.4 宽带卫星系统将与地面的电视网、TV网和计算机网融为一体，一旦实现全数字化，电视、通信、计算机这些迄今相互分离的技术将融

为一体，使这些业务互相渗透、融合汇聚，形成一种广义上的网络。宽带多媒体卫星通信系统在不远的将