卫星通信原理

The Principal of Satellite Communication

卫星通信原理

张珏 10211155

电子信息工程学院

北京交通大学

摘要(Abstract)

交大没有笨学生只有懒学生

卫星通信简单地说就是地球上的无线电通信站间利用卫星作为中继而进行的通信。本论文将介绍直播卫星、卫星通信的原理、卫星通信系统等。近年来卫星通信新技术的发展层出不穷。卫星通信也是未来全球信息高速公路的重要组成部分，成为中国当代远距离通信的支柱。

关键字卫星通信系统多址联接直播卫星

一、前言（Introduction）

卫星通信简单地说就是地球上（包括地面和低层大气中）的无线电通信站间利用卫星作为中继而进行的通信。卫星通信系统由卫星和地球站两部分组成。卫星通信的特点是：通信范围大；只要在卫星发射的电波所覆盖的范围内，从任何两点之间都可进行通信；不易受陆地灾害的影响（可靠性高）；只要设置地球站电路即可开通（开通电路迅速）；同时可在多处接收，能经济地实现广播、多址通信（多址特点）；电路设置非常灵活，可随时分散过于集中的话务量；同一信道可用于不同方向或不同区间（多址联接）。

本文从以下结构来介绍卫星通信：第二部分讲述了现代卫星通信技术的背景以为卫星通信的优缺点；第三部分介绍了卫星通信的基本原理；第四部分介绍了卫星通信的基本概念；第五部分主要介绍了卫星通信系统的构成；第六部分介绍了卫星通信的特点和它所需要的关键技术；第七部分则介绍了有关直播卫星的相关知识；第八部分着重讲解了多址联接方式的内容；第九和第十部分总结了我国卫星通信的发展以及思考。

二、背景（Background）

近年来卫星通信新技术的发展层出不穷。例如甚小口径天线地球站（VSAT）系统，中低轨道的移动卫星通信系统等都受到了人们广泛的关注和应用。卫星通信也是未来全球信息高速公路的重要组成部分。它以其覆盖广、通信容量大。通信距离远、不受地理环境限制、质量优、经济效益高等优点，1972年在中国首次应用，并迅速发展，与光纤通信、数字微波通信一起，成为中国当代远距离通信的支柱。

卫星通信由于它不受地理条件的限制，具有灵活的可移动性，所以仍依它的优势创新发展。但亦受到迅速发展的光纤通信的挑战，它比卫星通信的容量大，传输速率高，有很多越洋通信被海底光缆所替代，陆地干线亦有类似情况。20世纪90年代中后期卫星电视直播（DBs——Direct Broadcast Satellite或DTH——Direct To Home）、卫星声音广播、卫星移动通信以及卫星宽带多媒体通信成为新的四大发展潮流。

目前，全球绝大多数卫星通信系统都是采用GEO卫星作为整个系统的中继平台，这是由于采用GEO卫星来提供通信业务具有下列优点：

1、地球站天线易于保持对准卫星，不需要复杂的跟踪系统。

2、通信连续，不必频繁更换卫星。

3、多普勒频移可忽略。

4、对地面的通信覆盖区面积大，单颗对地静止轨道卫星可覆盖地球表面积的42．2％，便于实施广播和多址联接。

5、技术相对成熟．简单。

6、信道的绝大部分在自由空间中．工作稳定、通信质量高。

尤其是在20世纪80年代，因特网和地面移动通信的发展尚处于初期．主要的信息传输手段是公共交换电话网(PSTN)。但是PSTN只限于发达地区，提供全球通信的惟一手段是GEO卫星．利用三颗GEO卫星可以实现对南北纬70度以内区域的无缝覆盖．因此，全球建立了相当多的基于GEO卫星的通信系统。但这样的卫星通信系统存在以下问题：

1、向高纬度地区和特定地形内的用户提供通信业务比较困难。

2、传播时延较大．不能满足某些业务对实时性的要求。

3、由于需要大的功放和天线．终端小型化困难。

4、使用费用居高不下．大而贵的卫星通信终端主要用于其他通信手段无法经济解决的应用．

5、用户基数小，达不到规模效益。

6、卫星较大，制造和发射均很困难，风险较大。

7、轨道位置和轨道类型单一，卫星数较少．易受干扰，抗摧毁能力较弱．电磁兼容和轨道协调困难。

8、两极附近有盲区。有日凌中断和星蚀现象。

上述问题主要源自一个根源：即通信卫星位于赤道上空35786km的轨道。20世纪80年代末个人通信概念的提出．使得电信行业意识到必须要解决这个轨道问题引起的“传播距离远”问题，否则无法实现个人卫星通信。

三、基本原理（Principal）

卫星从用途上可以分为：资源探测卫星，气象卫星，军事卫星，通信卫星，直播卫星等。从理论上讲，如果在地球赤道上空相对于地球静止的卫星轨道上放置三颗间隔各１２０度的卫星，就可以实现全球通信或全球广播。

卫星电视传输是在卫星通信的基础上发展起来的，它是在地球赤道上空３５８００ｋｍ处静止卫星上，装载转发器和天线系统向地面转发广播电视信号，直接进行大面积广播电视覆盖的一项技术。它能覆盖区内的广大用户直接收看千百里之外乃至地球另一面广播电视节目。我国幅员辽阔，地形复杂，人口众多，而且分布又很不均匀，如果完全依赖传统的地面无线传输方式解决广播电视覆盖率是极其困难的。利用卫星传输广播和电视节目，作为一种提高广播电视人口覆盖率，改进传输质量的最有效、最经济、最先进的手段，在过去的十几年里它得到了蓬勃的发展和广泛应用。

四、卫星通信的概念（Conception）

卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电波，在两个或多个地球站之间进行的通信。它是微波通信和航天技术基础上发展起来的一门新兴的无线通信技术，所使用的无线电波频率为微波频段（300MHz～300GHz，即波段1m～1mm）。这种利用人造地球卫星在地球站之间进行通信的通信系统，则称为卫星通信系统，而把用于实现通信目的的人造卫星称为通信卫星，其作用相当于离地面很高的中继站。因此，可以认为卫星通信是地面微波中继通信的继承和发展，是微波接力通向太空的延伸。

卫星通信具有以下特点：（1）通信距离远，且费用与通信距离无关；（2）通信范围大，只要卫星发射的波束覆盖进行的范围均可进行通信，可进行多址通信；（3）通信频带宽，传输容量大；（4）机动灵活，可用于车载、船载、机载等移动通信；（5）通信链路稳定可靠，传输质量高；（6）不易受陆地灾害影响；7）建设速度快；（8）电路和话务量可灵活调整；（9）同一信通可用于不同方向和不同区域。

同样，其局限性包括：（1）通信卫星使用寿命短；（2）存在日凌中断和星蚀现象；（3）电波的传输时延较大且存在回波干扰，天线受太阳噪声的影响。；（4）卫星通信系统技术复杂；（5）静止卫星通信在地球高纬度地区通信效果不好，并且两极地区为通信盲区。（6）由于两地球站向电磁波传播距离有72000Km，信号到达有延迟。(7) 10GHz以上频带受降雨雪的影响。

五、卫星通信系统(System)

卫星通信系统由卫星和地球站两部分组成。卫星在空中起中继站的作用，即把地球站发上来的电磁波放大后再返送回另一地球站。地球站则是卫星系统与地面公众网的接口，地面用户通过地球站出入卫星系统形成链路。由于静止卫星在赤道上空3600Km，它绕地球一周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。三颗相距120°的卫生就能覆盖正个赤道圆周。故卫星通信易于实现越洋和洲际通信。最适合卫星通信的频率是1～10GHz频段。为了满足越来越多的需求，已开始研究应用新的频如12GHz，14GHz，20GHz及30GHz。