卫星通信系统

一、 多址方式 目前，已经使用的多址方式有频分多址 (FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址 (CDMA)和空分多址(SDMA)。
1. 频分多址方式
2. 时分多址方式 3. 码分多址方式 4. 空分多址方式
1. 频分多址
（Frequency Division Multiple Access）
卫星系统各部分的功能
1. 空间分系统是指包括通信装置在内的通信卫星主体 以及星体的遥测指令、控制系统和能源装置等。实现 信号的接收、处理与转发。 2. 地球站包括中央站和若干个普通地球站。普通地球 站具有接收、发信功能；中央站除具有普通地球站的 功能外，还具有业务调度与管理功能和对普通地球站 进行检测控制功能。 3. 跟踪遥测及指令分系统的功能主要是完成卫星跟踪 测量和控制，使其准确进入静止卫星轨道上的指定位 置，并对卫星定期进行轨道修正和位置保持。 4. 监控管理分系统的功能主要是在业务开通后对定点 卫星进行通信性能检测和控制。
卫星通信系统的发展（续）
1975年，第一次通过卫星从美国到印度成功实现了直接广播试验， 广播卫星业务（BSS）开始。 1976年，第一代移动通信卫星发射（3颗静止卫星MARISAT），移 动卫星业务（MSS）开始。 1979年国际海事卫星组织INMARSAT宣告成立，是一个提供全球范 围内移动卫星通信的政府间合作机构。 1982年，第一个直接到家庭（DTH）系统在日本进入运行。 1990年，INMARSAT启用了第一个商用航空地球站航空系统，从此 开始利用INMARSAT卫星服务于全球。 1995年，商用卫星系统（ORBCOM）第一次传送低速率数据试验 成功。 1998年，”铱“星系统投入使用，引入了手机通信业务。 2000年至2005年，引入了宽带个人通信。 至今，全球发射了数千颗卫星，我国共发射了70多颗卫星。
卫星通信系统的发展（续）
1957年前苏联发射成功了第一颗有源人造地球卫星，命名为 Sputnik I，它能够在地面站之间接收、放大和转发信息。这颗卫星 共发送了21天的遥测数据。 1958年，美国发射了第一课卫星，第一次通过卫星实现了话音通信。 1962年，美国电话电报公司（AT&T）发射了“电星”（Telsat，可 进行电话、电视、传真和数据的传输。 1963年美国发射成功地球同步卫星（实验卫星），并于1965年4月6 日美国发射成功实用的地球同步卫星，定名为辰鸟（ Early bird ）， 首先在大西洋地区开始进行商用国际通信业务，并由“国际电信卫 星组织” INTELSAT (The International Telecommunications Satellite Organization)定名为 INTELSAT-1, 简称为IS-1。这标志着第1代实用 的国际卫星已开始应用。 1968年，美国军方发射了“林肯“试验卫星(IES-6). 1969年，美国军方发射了第一代战术通信卫星（TACSAT-1），能转 发10000条话音信号。
卫星通信的特点
（1）通信距离远（卫星单跳最大通信距离达 1800km ），且费用与距离无关 （2）覆盖面积大（1颗卫星覆盖地球表面42%） 可进行多址通信 （3）通信频带宽，传输容量大 （4）通信线路稳定可靠（畅通率在99.8%以 上 ），经济效益高 （5）系统容量大，可提供多种通信业务，从而 使通信业务向多样化和综合化方向发展，实现 区域及全球个人移动通信 （6）在使用静止轨道的同时，也可使用中、低 轨道卫星，使业务性能更优良。
多普勒效应
1. 多普勒效应产生的原因 如果无线收发终端之间存在相对运动，那么就 会使接收端所接收到的信号频率与原发送端的 发送信号频率不同，这种现象便被称之为多普 勒效应。而由此所产生的附加频率变化量(频移) 被称为多普勒频移。 在卫星移动通信系统中，由于卫星总是相对于 地球做高速运动，即使是GEO卫星也存在摄动 和漂移现象，因而多普勒频移普遍存在于任何 两个处于相对运动的、需进行无线通信的收发 终端之间。
卫星通信在通信网中的位置
卫星通信系统的起源
1667年，牛顿在开普勒三定律的基础上，总结 出万有引力定律。卫星和地球也服从万有引力 定律，该定律成为卫星诞生的理论基础。 1945年10月，英国空军雷达军官阿瑟克拉克 （Arthur C.Clark）在《无线电世界》杂志上发表 关于“地球外的中继站”（Extra-Terrestrial Relays）学术性文章，克拉克提出在赤道轨道 上空35786km处配置三颗卫星，用太阳能做动力， 可实现全球通信。这是人类在理论基础上，第 一次确切的提出了关于卫星的构想。
卫星通信存在的问题
1. 电波传播的时延较大并存在回波干扰。 2. 存在日凌现象。卫星处在太阳和地球之间的 一条线上，地面接收器对准太阳，受到太阳的 强辐射，会出现短暂的通信中断。 3. 星蚀现象。当地球处在太阳和卫星之间的一 条线上时，由于地球对卫星的遮蔽，卫星处在 地球的阴影下而产生星蚀现象，对同步卫星来 说，太阳能电池无法使用，此时，必须由卫星 自带的电能供电。 4. 地球高纬度地区的通信效果较差，并且两极 地区为通信盲区。 5. 存在多普勒效应。
卫星通信系统的发展（续）
我国于1970年4月24日成功发射了东方红一号卫星（ DFH-1）。并于1972年租用第四代国际 卫星（ IS-IV），引进国外设备在上海建立一座30m直径天线的大型地球站；在北京建立三 座同样的地球站，开展了国际性商业卫星通信业务。 1976年我国参加了国际卫星通信组织，并租用 IS-V 卫星进行各种卫星通信业务。 1984年4月8日，我国成功地发射了实验性的静止轨道卫星，定名为 STW-1,定点于125°E （东经）。是中国国内用于远距离电视传输的主要卫星，使中国成为世界上第5个独立研 制和发射静止轨道卫星的国家。 1986年2月1日，我国发射了实用的静止轨道卫星，定名为东方红二号（ DFH-2）, 定点于 103°E。
多普勒频移公式
多普勒频移的大小是由两收发终端之间的相对 运动速度和工作频率决定，具体关系如下：
fd f0 UD ( Hz) c
式中：f0为工作频率；fd为多普勒频移；UD为收 发终端之间的相对速度；c为光速。从式中可 看出，两收发终端的相对运动速度越高，工作 频率越高，则所产生的多普勒频移也越大
卫星通信系统的发展
最简单的通信卫星是一个能将信号从一个地方反射到 另一个地方的无源反射器。无源卫星只是把信号反 射到地球，由于没有功率放大器及检测装置，因此 无法对收到的信号进行放大和整形处理。月球就是 地球的天然卫星，1954年美国海军通过中继方式 （地球－月球－地球）第一次成功地传送了电报。 1956年又开通了从华盛顿到夏威夷的月球中继业务， 直到1962年，仍然依靠月球提供可靠的远距离通信。 但这些业务受到月球可用性的限制。经过一段时间 的使用得出结论，由于月球相对地球的位置经常变 化，而且只有一半的时间在地平线上，利用月亮作 为通信卫星既不方便也不可靠。
10.7 卫星移动通信
深圳大学信息工程学院
主要内容
卫星通信的基本概念、系统组成、分类、特点 卫星通信的起源与发展
卫星通信在通信网中的位置
国际卫星通信组织 卫星通信中的多址方式 同步卫星通信系统 移动卫星通信系统 卫星通信的发展趋势 低轨道卫星系统 卫星通信在中国
卫星通信的基本概念及其系统组成
所谓卫星通信是指人们利用人造地球卫星作为中 继站，转发地球上任意两个或多个地球站之间用 于进行通信的无线电波。 卫星通信又是宇宙无线电通信形式之一，而宇宙 通信是指以宇宙飞行体为对象的无线电通信，它 有三种形式：
2. 时分多址
（Time Division Multiple Access）
按时间来传输各地球站发射的信号，即各地球站 的载波信号只有在规定的时隙内通过转发器，任 何一个时间内只有一个地球站的信号通过转发器。 每个地球站只能在给定的时隙内使用同一载波频 率向通信卫星发送信号，通信卫星按时间顺序讲 不同时隙进入转发器的信号进行排列，彼此互不 重叠，排列信号在卫星转发器中经过放大处理后， 被重新发回地面。 需要精确网同步。
卫星通信中的多址技术
所谓多址技术是指在卫星覆盖区内的多个地球站，通 过同一颗卫星的中继建立两址和多址之间的通信技术。 在卫星移动通信系统中，各关口站和卫星移动终端均 向处于外层空间的通信卫星发射信号，因而要求卫星 能够同时接收这些信号，并及时地完成各种处理任务 和不同波束之间的交换任务，以便随后向地球的某个 地区或某些地区进行转发。此间关键的问题是以何种 信号方式才能便于卫星识别与区分各关口站和卫星移 动通信终端的信号，同时各关口站和卫星移动通信终 端又能从卫星转发的信号中识别出应接收的信号。多 址技术可解决此问题。
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GEO卫星的摄动
对于静止卫星来说，由于宇宙射线、太 阳、月亮和地球结构的不均匀等因素的 影响，通信卫星的轨道参数将随时发生 变化，变化的结果使得卫星的运动发生 “漂移”，不断偏离开普勒法则的理想 轨道，这种现象称为卫星的摄动。
引起摄动的原因
1. 太阳和月亮对卫星的影响：太阳和月亮对于 静止卫星的引力分别为地球对卫星引力的1/37 和1/6800，正是由于这些引力的存在，使卫星 轨道位置矢量每天都发生微小的摆动，轨道倾 角会发生积累性的变化； 2. 地球引力场不均匀的影响：地球是个扁平的 椭球体，表面起伏不平，分布有山脉和海洋， 地球周围的引力场分布不均匀； 3. 地球大气阻力的影响：大气阻力对高轨道卫 星的影响可忽略不计，但对于低轨道卫星，由 于大气阻力的影响，使得卫星运行轨道会日趋 降低。
1997年5月12日，我国发射了东方红三号（ DFH-3）卫星，定点于125°E。
国际重要的卫星通信组织
国际卫星通信系统（INETELSAT） 国际海事卫星通信系统（INMARSAT）
国际卫星通信系统
国际海事卫星通信系统
成立于1976年，现拥有81个成员国（2010） 最初业务为海事通信，现为全球提供海 上、空中、陆地、救险、定位等业务 现有11颗在轨运行和备用卫星 现已更名为国际卫星移动组织
按频率来排列各地球站发射的信号，即按频率 来区分各地球站的地址。 是讲转发器的带宽细分成若干个小的频带，每 个地球站用一个或多个这种细分的带宽来传输 信号，为了各载波之间不造成相互干扰，它们 的中心频率之间要有足够的间隔。 优点：可沿用地面微波通信的成熟技术和设备； 设备比较简单，不需要网同步。 缺点：不能充分利用卫星功率和频带。
（1）宇宙站与地球站之间的通信； （2）宇宙站之间的通信； （3）通过宇宙站转发或反射而进行的地球站间的通信。

通信卫星的作用相当于高地面很高的中继站。利用卫星进行通信的过程，可用上图说明。例如图中A、B、 C······等分别表示进行通信的各地球站。只有两个地球站都能同时“看’到卫星时，才能经卫星转发 无线电信号，进行通信。当卫星的运行轨道属于低轨道，并且只利用一颗卫星进行通信时，那么相距较远的两 个地球站便不能同时“看”到卫星了。这时，如果要进行远距离实时通信，必须利用多颗低轨道卫星，这种系 统就是通常所说的低轨道移动卫星通信系统；这种系统则称为延迟转发式卫星通信系统；当卫星运行轨道较高 时，相距较远的两个地球站便可同时“看”到卫星，并且可将一个地球站发出的信号，经卫星处理后，立即转 发给另一地球站。因此，这种系统称为立即转发式卫星通信系统。
通信卫星的分类
通信卫星的分类
卫星通信频段及业务
二、 卫星通信系统的组成
利用卫星进行通信，除应有通信卫星和地球站以外， 为了保证通信的正常进行，还需要对卫星进行跟踪测 量并对卫星在轨道上的位置及姿态进行监视和控制， 完成这一功能的就是跟踪遥测和指令系统。而且为了 对卫星的通信性能及参数进行通信业务开通前和开通 后的监测与管理，还需要监控管理系统。所以，通常 卫星通信系统是由地球站、通信卫星、跟踪遥测及指 令系统和监控管理系统4大部分组成的，如下图所示。
1988年3月7日，我国又发射了东方红二号甲－1（ DFH-2A-1），定点于87.5°E。同年12月22 日，再发射了东方红二号甲－2（ DFH-2A-2）卫星，定点于110.5°E。两颗卫星各有四个转 发器，均工作在 C 波段（6／4 GHz）。
1990年2月4日我国发射了东方红甲－3号（ DFH-2A-3），定点于98°E。