卫星通信系统概述PPT

1.4 卫星通信的特点
卫星通信在中国的特殊地位： • 幅员辽阔； • 人口众多； • 地区发展不平衡； • 中国有60％左右的地区是地面网盲区，如 海洋、高山、沙漠和草原等，通信的困难 甚至成为人们生存的障碍。
1.5 卫星通信系统的业务类型
ITU定义的卫星通信系统的业务类型有三种：

固定卫星业务FSS (Fixed satellite service) 移动卫星业务MSS (Mobile satellite service) 广播卫星业务BSS (Broadcasting satellite service)
附录：通信卫星的分类
• 按轨道分：GEO， HEO，MEO，LEO。 • 按工作区域分：国际通信卫星、国内通信 卫星、区域通信卫星。 • 按应用领域分：广播电视卫星、跟踪与数 据中继卫星、军事通信卫星（如战略、战 术通信卫星、舰队通信卫星、军用数据转 发卫星等）。
卫 星 通 信
主讲人：葛延良
通信工程教研室
第 1章
卫星通信系统概述
通信：在两个或多个位置实现信息的传输、接 收和处理。
有线通信：光纤、电缆、明线 无线通信：短波/超短波通信、微波中 继通信、卫星通信
卫星通信的概念
卫星通信：是指利用通信卫星作为中继 站转发或反射无线电波，以此来实现两个 或多个地球站（或手持终端）之间或者地 球站与航天器之间通信的一种通信形式。
1.6 卫星通信的发展趋势
（4）随着1997年9月26日美国FCC频率申请计划新周期的开始， Q、V段新系统纷纷推出，各公司开始申请Q和V频段新系 统。 （5）不断发展新业务，如无线Internet、组播和交互式TV、移 动语音、数据通信、数字视频广播(DVB)和数字音频广播 (DAB)步入家庭和个人用户、多媒体通信和Internet接入等。 （6）地面终端的发展呈现小型化、综合化和智能化。终端可工 作在多个频段，支持综合业务，适应多种多址接入方式、 调制方式、编码方式，传输速率可改变。
1.3 卫星通信的工作频段
从上述三方面考虑，卫星通信的工作频率一般选在 1-10GHz范围内较为适宜，而且最理想的频段是在4-6GHz 附近。 除上述三个方面以外，还应考虑如下因素： （4）有较宽的可用频带，以满足信息传输的要求； （5）与地面微波通信、雷达等其他无线系统间的相互干 扰要小； （6）能充分利用现有通信技术，并便于与现有地面通信 设备配合使用； （7）设备尺寸要小。
1.5 卫星通信系统的业务类型
卫星通信的其它应用：
• • • • • • • 卫星导航 卫星遥感（对空和对地遥感） 气象观测 地球资源勘探、海洋监视 侦察（包括照相侦察和电子侦察）、预警 支持载人航天 远程教育、远程医疗
1.6 卫星通信的发展趋势
（1）传统的C、Ku频段静止轨道卫星将保持稳定发展，并将 以大容量(转发器数量在50个左右)、高功率(功率为8000瓦 至15000瓦)和长寿命(寿命在15年左右)的新系统逐步更换 现有系统。同步卫星向大容量、多波束、智能化方向发展。 Ka频段静止轨道卫星系统已逐步走向实用化，卫星通信网 从窄带向宽带过渡，如覆盖美洲的EchoStar-Ka、PAS和 ASTROLINK等。 （2）微小卫星、纳卫星和皮卫星的快速发展，小卫星通信地 面站广泛应用。小型低轨卫星系统已陆续投入运行，用于 低速数据传输，如E-Sat、GE American和 GEMnet等系统。 （3）对地静止轨道资源非常有限，因此ITU鼓励采用中低轨道、 高倾斜椭圆轨道以及IGSO轨道。
频率划分:
段号 1 2 3 4 频段名称 极低频(ELF) 超低频(SLF) 特低频(ULF) 甚低频(VLF) 3~30赫(Hz) 30~300赫(Hz) 300~3000赫(Hz) 3~30千赫(KHz) 频段范围
5 6
7 8 9 10 11 12
低频(LF) 中频(MF)
高频(HF) 甚高频(VHF) 特高频(UHF) 超高频(SHF) 极高频(EHF) 至高频(THF)
1.5 卫星通信系统的业务类型
从应用的角度来看，卫星通信可分为4个阶段：
第一阶段：主要用于国际通信；
第二阶段：开始提供电视传送；
第三阶段：提供国内公众通信和各种专网通信；
第四阶段：提供卫星移动通信。
1.5 卫星通信系统的业务类型
卫星通信系统通常用于支持： 1、卫星视频广播业务 2、卫星电话等交互式业务 3、数据通信和Internet业务 4、卫星移动通信业务
1.3 卫星通信的工作频段
选择工作频段时，应考虑的重要因素：
（1）电波传播衰减及其它衰减要小；（图 1-14） 在0.3-10GHz频段，大气吸收衰减最小，称为“无线 电窗口”。另外，在30GHz附近也有一个衰减的低谷，称 为“半透明无线电窗口”。
（2）天线接收的外界噪声要小；（图 1-15） 从降低接收系统噪声的角度来考虑，工作频段最好 选在1-10GHz之间工作。 （3）大气层中雨、雾、云的影响； （图 1-16）
1.3 卫星通信的工作频段 根据IEEE 521-2002标准，L
1.3 卫星通信的工作频段
1.4 卫星通信的特点
卫星通信与其他通信手段相比，具有以下一些特点： 优点： 1、卫星通信系统能以较低的成本提供较宽范围的无 缝覆盖，服务范围宽且不受地理条件限制；(图 1-2) 2、可利用频带宽，传输容量大，可进行多址通信； 3、卫星通信系统与地面通信基础设施相对独立，网络 路由简捷； 4、网络建设速度快、成本低，且费用与通信距离无关； 5、卫星通信具有灵活性和普遍性； 6、统一的业务提供商有助于系统的均匀服务，并有利 于引入新业务。
换言之，卫星通信是在地球站上，包 括地面、水面和大气层中的无线电通信站 之间，利用人造卫星作为中继站进行的通 信。 卫星通信是个人通信网的组成部分， 是地面通信网的补充。
1.1 卫星轨道
假设地球是质量均匀分布的圆球体，忽略 太阳、月球Leabharlann Baidu其它行星的引力作用，卫星运动 服从开普勒(Kepler)三大定律。

卫星通信系统的组成


空间段 主要是卫星本身。星体包括两大子系统： 星载设备和卫星母体。 地面段 典型的地面段即地球站，包括地面卫星控 制中心（SCC, Satellite control center）及其跟 踪、遥测和指令站（TT&C, Tracking, telemetry and command station）。 用户段 各种用户终端。

开普勒定律 开普勒第一定律：卫星以地心为一个焦点做椭 圆运动。其轨道平面的极坐标为：
P r 1 e cos
b e 1 a
2
P a(1 e2 )
图1 椭圆轨道的示意图
开普勒第二定律：卫星与地心的连线在相同时 间内扫过的面积相等。
2 1 V u( ) r a
(km/s)
V为卫星在轨道上的瞬时速度。其中a为椭圆轨道的半 长轴，r为卫星到地心的距离。u为开普勒常数，u值为 398601.58 km3/s2
开普勒第三定律：卫星运转周期的平方与轨道 半长轴的3次方成正比。
a3 Ts 2 u
u为开普勒常数，u值为398601.58 km3/s2。
1.2
1.6 卫星通信的发展趋势
（7）宽带低轨道系统正在加紧开发之中，用于高速数据和 可视电话传输。如Teledesic系统共包括288颗卫星，工作 于Ka频段，寿命设计为10年左右。 （8）现有卫星通信系统为适应新技术发展和系统对容量的 更大要求形成了新的演变方案，如Iridium系统将其运行 的卫星数目从66颗增加至96颗。 （9）天地网络不断融合。卫星通信与有线电视、宽带互联 网、移动互联网等融合。 （10）新技术广泛应用。如星上交换与处理、多波速天线等。
1.4 卫星通信的特点
缺点： 1、静止卫星的发射与控制比较复杂； 2 、对于静止卫星，地球高纬度地区通信效果不好， 并且两极地区为通信盲区； 3、存在日凌中断和星蚀现象； 4、电波的传播时延较大，且存在回波干扰。
1.4 卫星通信的特点
• 由于卫星通信相对于地面通信网的综合造价成本 高，终端贵，因此，卫星通信的市场定位应该是 地面通信网的延伸和补充，主要服务于地面通信 网不能覆盖的区域及有特殊通信需求的人群。 • 卫星覆盖区域广，可以较经济地为地面蜂窝网覆 盖范围以外的用户---“唯星用户”提供移动通信 业务。 • 解决边远地区通信服务、企业专网、洲际通信、 国防通信，与地面通信网结合解决广域无缝覆盖。
30~300千赫(KHz) 300~3000千赫(KHz)
3~30兆赫(MHz) 30~300兆赫(MHz) 300~3000兆赫(MHz) 3~30吉赫(GHz) 30~300吉赫(GHz) 300~3000吉赫(GHz)
据IEEE 521-2002 标准， X波段 波段是指频率在 1~2 GHz 的无线 主要应用：中继、卫星通信、 综合上述要求，应将卫星的工作频段选在微波频段或特 C波段，是频率 4~8GHz 的一段 是指频率在 8~12 GHz 的无线电波波 电波波段。可被用于 DAB 、卫星 雷达等。 现在广泛使用的蓝牙、 高频。具体地说，目前大多数卫星通信系统是选择在以下频 频带，在卫星电视广播和各类小型 段。而在某些场合中， X波段的频率 导航系统等。 ZigBee 、无线路由、无线鼠标等 段工作： Ka 波段的频率范围为 27~40GHz 。 卫星地面站应用中，该频段首先被 范围则为 7~11.2 GHz 。X 波段中的 X 甚高频 (VHF) 是指频带 K 波段 (18~27GHz), Ku 波段的频 也使用这个范围的频率。 Ka 代表着K的正上方 (K-above) ，换 采用，且一直被广泛使用。 即英语中的“ extended” ，表示“扩 30MHz~300MHz 的频段。多数 率受国际有关法律保护， 12~18GHz 特高频（ UHF ）是指波长范围 <1> L 频段： 1.6/1.5 GHz 用于MSS，GEO卫星测控。 句话说，该波段直接高于 K波段。 展的” 。 是用作电台及电视台广播，同 频段。 Ku 波段卫星单转发器功率一般 为 1m~1dm ，频率为 300~3000MHz <2> S 频段： 4/2 GHz 用于MSS，GEO卫星测控。 Ka 波段也被称作 30/20 GHz波段， X 波段通常的下行频率为 7.25~ 时又是航空和航海的沟通频道。 比较大，多采用赋形波束覆盖，卫星 <2> C 频段： 6/4 GHz 的无线电波，常用于移动通信和广播 用于MSS，GEO卫星测控。 通常用于卫星通信。 7.75 GHz ，上行频率为 7.9~8.4 GHz， HF ）不同的是，电离 EIRP 较大，加上 Ku波段接收天线效 电视领域。特高频主要用于短途通信， <3> X 频段： 8/7 GHz 和高频（ 也常被称为 7/8 GHz 波段。据 ITU无 层通常不会反射 VHF 的信号。 率高于C 波段接收天线，因此接收 Ku 可以用小而短的天线作收发，适合移 <4> Ku 频段： 14/12 GHz 用于 FSS ，BSS 。 线电规则第 8 条， X 频段在空间应用 波段卫星节目的天线口径远小于 C波 动通信。 <5> Ka 频段： 30/20 GHz 用于 FSS ， BSS 。 方面有：空间研究、广播卫星、固定 段，从而可有效地降低接收成本，方 此外，VHF、UHF用于低轨小卫星通信。 通讯业务卫星、地球探测卫星、气象 便个体接收。 <6> VHF 频段：0.1～0.3 GHz 用于移动、导航业务。 卫星等用途。 <7> UHF 频段：0.3～1.0 GHz 用于移动、导航业务。 更高频段：Q 频段：36～46 GHz， V 频段：46～56 GHz。 太赫兹频段：0.1～10THz。
1.4 卫星通信的特点
卫星移动通信和地面移动通信的关系： 卫星移动通信系统能扩大地面移动通信的地理 和业务覆盖范围，除提供常规的移动通信业务 外，还可向空中、海面和复杂地理结构的地面 区域的各类移动用户提供服务。 从应用来讲，地面移动通信网主要集中在高业 务量的应用环境，而卫星移动通信系统最适合 于低业务量地区、航海、航空及地面网欠发达 地区的应用环境，并且在地面网络过载或发生 故障时作为其迂回网络。