第一章_卫星通信简介

卫星通信特点：

卫星通信系统具有以下特征与重要作用： – 独特三度空间无缝隙覆盖能力 – 独特灵活性与普及服务能力 – 大区域的可机动性或可行动性通连 – 广域网状网络构连能力 – 广域Internet交互连接能力 – 特有的广域广播与多点同时通连能力 – 对国际/区域/本地距离连接的不敏感性 – 对紧急救灾及故障抢救的快速灵活
燃料火箭的设想 德国人的贡献——A-4火箭、V2火箭（沃纳· 冯· 布 劳恩） 二战后苏联、英国和美国人才争夺战
– 冯· 布劳恩在内的很多德国专家转移到美国 – 英国拿到数枚成品与半成品 – 苏联将剩下的工厂内的生产线以及附近与生产和研发火 箭有关的德国家庭全数运往国内
太空竞赛的冷战根源：
300-1500 km 15min 低成本 传输延迟低 信号衰减低 15ms 生命周期短 卫星体系复杂 有多普勒效应
中轨卫星 MEO
8000-12000 km 2-4hrs
同步卫星 GEO
36000 km 24hrs 地表覆盖率 42.2% 无多普勒效应 250ms 传输延迟大 卫星成本较高 轨道为置有限
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直接影视广播(Direct Video Broadcast, DVB) 直接音频广播(Direct Audio Broadcast, DAB) 紧急救助通信(Emergency Communication) 全球移动电话(如铱计划(Iridium)) 因特网干线(Internet Backbone Services)

就应用方面来说，卫星约可分成下列几类： – 侦察卫星(Surveillance Satellites) – 预警卫星(Early Warning Satellites) – 气象卫星(Weather Satellite) – 天文卫星(Astronomical Satellite) – 导航卫星(Navigational Satellite) – 探测卫星(Remote Sensor Satellite) – 杀手卫星(Killer Satellite) – 通信卫星(Communication Satellite)
通信卫星轨道划分：
按轨道高度划分： – 低轨道(LEO): 300 to 1,500 km – 中轨道(MEO): 8,000 to 12,000 km – 同步轨道(GEO): approx. 36,000 km 按轨道形状划分： – 圆形轨道(Circular) – 椭圆轨道(Elliptical)
卫星通信简介
人造卫星的历史缘由:
20世纪无线通信的快速发展推动人类远距离通信
的需求，早期利用HF（短波）通信
HF 电报通信
HF 依靠电离层散射可以传输几千 公里的距离
HF通信的问题：
1：频率资源少（3-30MHz） 2：通信不稳定，易受太阳黑子活动干扰，昼夜变
化较大 3：天线设备庞大：

低轨卫星(LEO)：
低轨道(1000公里以内)卫星约二至三小时绕行 地球一周，出现在可视范围内时间短，因此 需要较多卫星以接力方式，才能提供全球全 天候的服务。 通常间碟卫星就是属于这一种位于高度较低 的轨道，由于轨道限制较少，因此近年大为 流行。 适合于通讯，因此如铱计划(Iridium)等都是 用低轨道卫星来做。铱计划即采6个轨道面， 各轨道含11颗卫星；Globalstar也是6个轨道 面，各轨道面含8颗卫星。
卫星通信技术 —— 综合性课程
数学物理：轨道、仰角、方位角计算 自动控制：卫星姿态，火箭制导
遥控遥测：卫星跟踪技术
数字通信：调制编解码
通信系统：卫星链路计算，信道模型
天线技术：抛物面天线、相控阵天线、多波
束天线、天线馈电网络 射频微波技术：转发器、LNB、上行PA
第一章
间谍卫星——侦查其他国家 火箭能将人类送入地球轨道或月球表面——
也能发射原子弹到敌国 太空技术具有双重属性：
– 为和平目的服务 – 用于军事目的
通讯卫星重大事件：
1962年，Telstar：第一颗跨洋通讯实验通讯卫星 1972年，Anik 1：第一颗国内通讯卫星（加拿大） 1974年，WESTAR：美国第一颗国内通讯卫星 1976年，MARISAT：第一颗移动通讯卫星
将生命送入太空：
太空动物：
– 小狗莱伊卡(Laika)——Sputnik II，苏联，1957 – 海龟——探测器5号（绕月），苏联，1968 太空人 – 尤里· 加加林——东方1号，苏联，1961年4月12日 – 阿伦· 谢泼德——自由7号，美国，23日之后！ – 瓦伦京娜· 捷列什科娃（第一位女太空人）——东方6号 ，苏联， 1963
通讯卫星的发展、轨道的选择:
Score I：星上电池寿命有限（35天） Telstar：太阳能+星上电池，转发器C波段（上行 6389MHz，下行4169MHz，50MHz带宽）， MEO轨道，可实现20min跨洋通信 LEO/MEO轨道卫星通信系统的问题： 覆盖全球需要卫星多——发射次数多，失败率较高 卫星与卫星之间需要建立链路 GEO覆盖广（1颗卫星覆盖1/3地球表面居住区域） HEO（高椭圆轨道）适用于俄罗斯等极地附近国家
通讯卫星：
–
通讯卫星是长距离通讯的一个极佳中继站，它能 克服横跨海洋和大陆的无线电通讯传播时所遭遇 的困难。大部分的通讯卫星都在地球同步轨道上 运行（即同步卫星），看起来就像在地球上空的 特定点上静止不动一样。

卫星作为通信、直播广播链路的中继站：
导航卫星：

美国、俄罗斯、欧洲、中国均有此类卫星。美国的全 球定位系统(GPS)共有24颗导航卫星，飞行器可利用四 颗卫星发出的信号来计算自己的位置、高度和速度。 地表上空电离层的电子密度及中性大气中水汽含量的 改变，均会影响GPS的讯号。
现代卫星通信
陈 鹏
E-mail: pengchen@emfield.org
教材及参考书：
Timothy Pratt, Charles Bostian, Jeremy Allnutt,
Satellite Communications (Second Edition) 电子 工业出版社， 2003 Timothy Pratt, Charles Bostian, Jeremy Allnutt, 甘良才等译，卫星通信（第二版）Satellite Communication，电子工业出版社，2005 王丽娜、王兵、周贤伟，黄旗明等，卫星通信系 统，国防工业出版社，2006 储钟圻，数字卫星通信，机械工业出版社，2006
1970年4月24日，我国第一颗人造卫星“东方红一
号”发射升空
主要参数 卫星质量：173公斤 卫星外形：直径1米的球 形72面体 近地点：439公里 远地点：2384公里 用途：广播“东方红”乐 曲
我国卫星发展历史（2）：
1984年4月8日 中国第一颗地球静止轨道同步卫星
东方红二号
主体：圆柱形，高为3.6 米，直径为2.1米 重量：441公斤。 卫星上装有4个C波段转 发器，等效全向辐射功 率为36dBW。卫星采用 自旋稳定，其轨道保持 精度为：南北±1°， 东西±0.5°。
太空竞赛其他成就（2）：
发射和对接 – 1962年8月12日苏联的东方3号和东方4号实现了首次太 空回汇合 – 美国的双子座8号于1968年3月16日首次完成了太空对接 – 1967年4月26日美国的Scout B进行了首次海上发射 – 1971年6月7日第一个空间站苏联的礼炮1号开始运作
我国卫星发展历史（1）：
卫星通信频率的提高：
C波段（下行4GHz，上行6GHz）天线——直径数米的抛
物面，地面站以及星上天线尺寸较大，频段资源少（ 100~300MHz）
Ku波段（下行12GHz，上行14GHz）天线——0.5-1米抛
物面天线，尺寸小，频段资源多（500MHz-1GHz）
人造卫星的应用与服务：
不同应用之卫星分类
最早关于卫星通信的设想:
Arthur C. Clarke, “Extra-terrestrial Relays” Wireless World, pp. 305-308, 1945 首次提出地球同步静止轨道卫星通信
35860 Km
世界上第一个人造卫星:
Sputnik I：由苏联与1957年发射成功



轨道资源有限(360º ) ，ITU于1985年国际卫 星会议，原规划3º 一颗，已改成2º 一颗，经 申请同意，才可布放。

资源卫星、通讯卫星、军事卫星、导航卫 星…都喜好长驻。
东经125º 至西经125º 的范围是太平洋上空， 其同步静止卫星较稀少。

不同轨道卫星比较：
型态 高度 可用时间 低轨卫星 LEO
SBiblioteka Baiduutnik I 重量83kg 轨道时间：98分钟椭圆 轨道 参与了对高层大气层密 度的测量
卫星通信历史上几个首次：
1958年12月18日，首颗通信卫星——美国陆军弹道导弹局
Score I 1964年8月19日，首颗地球静止轨道卫星——美国国家航 空宇航局(USA-NASA) Syncom3 1965年的4月6日，第一颗实用型商业通信卫星——国际卫 星通信组织（INTERSAT） Early Bird，地球静止轨道卫 星（实现了Arthur C. Clarke 的设想）
太空竞赛：
1926年美国人罗伯特· 戈达德设计了第一枚应用液体燃料的
火箭。 标志着战争进入航空与火箭时代（Catapult rocketry），同时还预示着太空竞赛的到来。尽管太空竞 赛打着“科学”和“和平利用太空”的幌子，但却不可避 免的要和各国的军事目的联系起来
太空竞赛历史背景：
火箭——中国人早在11世纪就将其用作武器 俄国科学家康斯坦丁· 齐奥尔科夫斯——多级液体
阿波罗计划——人类登月：
1969年7月21日，阿波罗11首次实现成功
太空竞赛其他成就（1）：
探索其他行星
– 1960年苏联首先发送了金星和火星的行星探测器 – 1962年美国的水手2号成功探测了金星并发回金星表面的温度和大 气密度数据 – 1971年苏联的金星7号成为第一个降落在金星的人造物体 – 1974年美国发射的水手10号，唯一一个到达过水星的太空船 – 1965年美国发射的水手4号成为首个抵达火星轨道的探测器 – 1971年苏联发射的火星3号是第一个在火星表面着陆的太空船 – 1976年美国的海盗1号在火星着陆并首次传输了火星图片 – 1973年美国的先驱者10号成功飞过木星 – 1979年先驱者11号首次飞越土星 – 旅行者2号（1977年）实现了唯一的一次飞越天王星和海王星！

卫星在无线通信领域的定位：

在无线通信领域中，卫星通信将提供全球、广域 之通连服务：
卫星通信主要功能运用：
– 国际电信链路(International Telecommunication,如INTELSAT) – 电视节目传送(TV Program Distribution) – 企业专用网络 (VSATs) – 军事通信运用 (Military Communications) – 移动通信服务(Mobile satellite services , 如 INMARSAT)


中轨卫星(MEO)：

在同步轨道与低轨道之间，以导航GPS卫星 而言，采6个轨道面，各轨道面含4颗。
同步卫星(GEO)：

距离地球表面约36000公里的高度。绕地球旋 转速度与地球自转速度一样，因此在地球上观 看该卫星时，好像静止不动的停留在太空中。 做为通讯使用，因为Delay严重，会造成讯息 传送时间较长。同步轨道中之卫星，因与地球 自转同步，因此只需三颗(一颗可覆盖42％地 表)即可构成全球通信。
我国卫星发展历史（3）：
1997年5月12日 东方红3号升空
24路C频段转发器，6路为 中功率转发器；18路低功 率转发器。中功率通道 EIRP≥37dBW 低功率通道 EIRP≥33.5dBW。
质量：946kg 地球静止轨道，精度：东西南北均为±0.1° 天线指向误差：俯仰和滚动均为±0.15°，偏航为±0.5° 卫星寿命：8年