7铱星及卫星移动通信系统

卫星移动通信的特点和问题
– 卫星功率有限与移动台低天线增益之间的矛盾 十分突出；
– 系统在衰落信道中工作，电波传播情况复杂； – 众多用户共享有限的卫星资源（频率和功率）
； – 移动台要求高度的机动性，在卫星不能保持固
定覆盖的情况下对网络管理（切换、路由等） 提出较高要求
卫星移动通信关键技术
• 抗衰落通信技术
• 2.铱星计划及其衰落
铱星计划
➢ 第一个全球覆盖的LEO卫星蜂窝系统，支持话音、数据和 定位业务
➢ 由于采用了星际链路，系统可以在不依赖于地面通信网的 情况下支持地球上任何位置用户之间的通信。
➢ 铱系统于上世纪八十年代末由Motorola推出，九十年代初 开始开发，耗资37亿美元，于1998年11月开始商业运行
卫星与地面移动通信系统的比较
卫星移动通信系统 易于快速实现大范围的完全覆盖
全球通用
地面移动通信系统
覆盖范围随地面基础设施的建设 而持续增长
多标准，难以全球通用
频率利用率低
频率利用率高（蜂窝小区小）
遮蔽效应使得通信链路恶化
适合于低人口密度、有限业务量的 农村环境
提供足够的链路余量以补偿信号衰落
适用于该人口密度、大业务量的城市 环境
传输方向 ↓ ↓ ↓ ↓ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑
业务类型 LMSS和MMSS MMSS和低速率LMSS AMSS（可公用）
LMSS MMSS和低速率LMSS
LMSS和MMSS MMSS和低速率LMSS
AMSS（可公用） LMSS
• WARC-92为全球3个频 率区域分配了NGEO卫 星移动通信业务和卫 星无线定位业务（ RDSS）的使用频Hale Waihona Puke Baidu， 包括VHF、UHF，L和 S波段
近地轨道移动通信卫星的缺点
①由于一颗卫星不能对某一地区进行连续覆盖，必 须利用多卫星构成星座。 ②星座中任一颗对地面的覆盖时间都是有限的(一般 小于15分钟)，为保证通信的连续性，需要频繁切换 ，技术复杂。 ③通信过程中，用户天线应该对运动中的卫星进行 跟踪，或者，用户天线需要是全向天线. ④由于卫星绕地球的公转和地球自身的自转而产生 的多普勒频移很大，需要进行补偿。 ⑤卫星每轨都有太阳阴影区，对星载蓄电池提出了 更高的容量要求。
• 系统空间段 ➢空间段提供网络用户与信关站之间的连接
；
➢空间段由1个或多个卫星星座构成，每个星 座又涉及到一系列轨道参数和独立的卫星 参数；
➢空间段轨道参数通常根据指定覆盖区规定 的服务质量（QoS）要求，在系统设计的最
• 系统地面段 ➢通常包括：信关站（也称为固定地球站FES
）、网络控制中心（NCC）和卫星控制中 心（SCC）
➢卫星移动通信系统与地面移动网络（如 GSM和CDMA网络）的集成带来了一些附 加的问题，必须在信关站中解决
• 系统地面段——网络控制中心
➢又称为网络管理站（NMS），与用户信息 管理系统CIMS相连，协同完成卫星资源的 管理、网络管理和控制相关的逻辑功能， 按照功能又可以划分为网络管理功能组和 呼叫控制功能组。
• ETSI建议的卫星个人通信网络结构
➢结构（b）同样没有采用星际链路，使用静 止轨道卫星提供信关站之间的连接。静止 卫星的使用减少了系统对地面网络的依赖 ，但会带来数据的长距离传输。该结构中 ，移动用户间的呼叫传输延时至少等于非 静止轨道卫星两跳的传输延时加上静止轨 道卫星一跳的传输延时。
• ETSI建议的卫星个人通信网络结构
性有很大的影响
卫星移动通信系统网络结构
• 卫星移动通信系统的基本网络结构
• ETSI建议的卫星个人通信网络结构
• ETSI建议的卫星个人通信网络结构
➢结构（a）中，空间段采用透明转发器，系 统依赖于地面网络来连接信关站，卫星没 有建立星际链路的能力，移动用户间的呼 叫传输延时至少等于非静止轨道卫星两跳 的传输延时加上信关站间的地面网络传输 延时。全球星系统采用该结构方案为移动 用户提供服务。
• 铱系统空间段 ➢ 铱系统星座最初的设计由77颗LEO卫星组成，它与铱元素
的77个电子围绕原子核运行类似，系统因此得名
➢ 实际星座包括66颗卫星，它们分布在6个圆形的、倾角 86.4º的近极轨道平面上，面间间隔27º，轨道高度780km
➢ 每个轨道平面上均匀分布11颗卫星，每颗卫星的重量为 689kg，卫星设计寿命5~8年。
➢结构（c）使用了星际链路来实现相同轨道 结构的卫星进行互连。系统仍然需要信关 站来完成一些网络功能，但对其的依赖性 已经下降。移动用户间的呼叫传输延时是 变化的，依赖于在卫星和星际链路构成的 空中骨干网络路由选择。铱系统采用该结 构方案为移动用户提供服务。
• ETSI建议的卫星个人通信网络结构
➢结构（d）中使用了双层卫星网络构建的混 合星座结构。非静止轨道卫星使用星际链 路进行互连，使用轨间链路（IOL：InterOrbit Links）与静止轨道数据中继卫星互连 。移动用户间的呼叫传输延时等于两个非 静止轨道卫星半跳的延时加上非静止轨道 卫星到静止轨道卫星的一跳的延时。在该 结构中，为保证非静止轨道卫星的全球性 互连，需要至少3颗静止轨道中继卫星。
• 铱系统地面段
➢ 铱系统的地面段包括信关站、用户终端和遥测、跟踪和控 制站（TT&C）
➢ 由于铱系统采用了星际链路，因此只需在全球设置少数几 个信关站即可。考虑到国家和地区的主权和经济利益，实 际上系统按照国家和地域差别在全球设置了共12个信关站 ，分别位于美国阿利桑那州坦佩、泰国的曼谷、俄罗斯的 莫斯科、日本东京、韩国汉城、巴西里约热内卢、意大利 罗马、印度孟买、中国北京、台湾地区台北、沙特的吉达 ，外加一个美军专用关口站在夏威夷。
➢用户信息管理系统（CIMS）是负责维护信 关站配置数据，完成系统计费、生成用户 账单并记录呼叫详情的数据库系统，与信 关站、网络控制中心和卫星控制中心协同 工作
• 系统地面段——信关站 ➢信关站通过本地交换提供系统卫星网络（
空间段）到地面现有核心网络（如公用电 话交换网PSTN和公用地面移动网络PLMN ）的固定接入点
为零，因此星际链路天线的指向角是固定 的，也无需跟踪功能
星际链路（ 续）
• 面间星际链路 ➢由于卫星间存在相对运动，因此星际链路
天线的方位角、仰角以及链路长度都是时 变的，因此需要采用跟踪天线
星际链路（ 续）
• 层间星际链路 ➢不同高度轨道平面内的卫星间存在相对运
动，使得层间星际链路会发生重建 ➢需要采用跟踪天线 ➢接入卫星选择策略对层间星际链路的稳定
➢ “铱”公司于2000年3月宣告破产。目前，美国国防部出资 维持铱系统的运行
➢ 铱星通过南北极运行在 780千米的轨道上，每 条轨道上除布星11颗外 ，还多布1至2颗作为备
用。这些卫星可以覆盖 全球，用户用手持话机 直接接通卫星进行通信 ，而无需几米直径的抛 物面天线就可以进行全 球范围内的通话
• 铱系统空间段部署过程
➢ 从1997年5月5日到1999年6月12日的2年期间，共有88颗铱 系统卫星发射到轨道中，其中前1年发射了72颗
➢ 3种运载火箭被用于发射这88颗卫星，其中11枚美国波音 公司的德尔塔2型（DeltaII）火箭发射了55颗，3枚俄罗斯 质子（Proton）火箭发射了21颗，7枚中国的长征2型（ 2C/SD）火箭发射了14颗。
➢卫星控制功能组的主要任务包括：产生和 分发星历；产生和传送对卫星有效载荷和 公用舱的命令；接收和处理遥测信息；传 输波束指向命令；产生和传送变轨操作命 令；执行距离校正
• 系统用户段 ➢用户段由各种用户终端组成； ➢主要分为两个主要的类别：移动（Mobile）
终端 和便携（Portable）终端
7铱星及卫星移动通信系 统
2020年5月25日星期一
主要内容
➢1.卫星移动通信及其关键技术 ➢2.铱星计划及其衰落 ➢3.宇宙垃圾与空间碎片产生及危害 ➢4.星座构型设计与保持技术、轨道摄动理论
• 1. 卫星移动通信及其关键技术
• 概念纠偏：
卫星移动通信中的“移动”，指的是终端 的“移动”，而不是卫星的“移动”。
– 调制解调技术、分集和均衡技术、纠错编码技 术、功率控制技术
• 网络管理与控制
– 多址、切换、路由、交换技术
• 天线及射频技术
– 多波束天线、大口径天线
• 空间段与地面段相匹配的优化设计技术
– 星座设计、星上处理转发器技术
星际链路
• 面内星际链路 ➢通常，一颗卫星和同一轨道面内位于其前
后的各一颗卫星建立面内星际链路 ➢因为同一轨道面内卫星间的相对运动几乎
• 卫星移动通信系统可以工作于多个频段
• 频段的选取主要取决于系统提供的服务类 型
• 卫星移动通信业务频率分配是先后通过87 年和92年的世界无线电行政大会（WARC87、92），95、97和2000年世界无线电大 会（WRC-95、97、2000）分配
WARC-87分配的MSS频谱
频率（MHz） 1530.0-1533.0 1533.0-1544.0 1545.0-1555.0 1555.0-1559.0 1626.5-1631.5 1631.5-1634.5 1634.5-1645.5 1646.5-1656.5 1656.5-1660.5
➢网络管理功能组的主要任务包括：管理呼 叫通信流的整体概况；系统资源管理和网 络同步；运行和维护（OAM）功能；站内 信令链路管理；拥塞控制；提供对用户终 端试运行的支持
• 系统地面段——卫星控制中心
➢负责监视卫星星座的性能，控制卫星的轨 道位置。与卫星有效载荷相关的特殊呼叫 控制功能也能够由卫星控制中心来完成， 按照功能又可以划分为卫星控制功能组和 呼叫控制功能组
• 铱系统空间段 ➢ 铱”星座中的每颗卫星提供48个
点波束，在地面形成48个蜂窝小 区，在最小仰角8.2º的情况下， 每个小区直径为600km，每颗卫 星的覆盖区直径约4700km，星 座对全球地面形成无缝蜂窝覆盖 ，如图所示
➢ 每颗卫星的一个点波束支持80个 信道，单颗卫星可提供3840个信 道
铱星手机
➢ 尽管移动通信网络似乎无所不在，但实际上这一网络只覆 盖了全球约8%的地区。在其他尚无移动通信网络覆盖的地 区，人们只能通过铱星或同类公司开发的卫星电话通信。
➢ 用铱星系统的手机打电话与用普通蜂窝制式的手机打电话 是一样的。铱星系统的手机事实上是两用的, 铱星系统的 手机既可以用来打铱星系统电话, 也可用来打普通蜂窝制 式的移动电话。不过打普通蜂窝制式电话的费用要比打铱 星电话的费用低, 所以在能够打蜂窝制式电话的地区应尽 量选用蜂窝制式。只有在蜂窝制式通信范围以外的地区打 电话时, 才需要使用铱星手机通过铱星系统打电话。
• 卫星移动通信主要分为静止轨道和低轨卫 星通信两种，本章主要介绍近地轨道卫星 移动通信系统
你认为卫星移动通信有哪些优 点、哪些特点？
近地轨道移动通信卫星的优点
①由于卫星轨道高度低，链路传播损耗小，有利于 系统为手持移动终端用户提供服务。 ②传输延时小，对话音通信不存在回声问题；实时 性较好。 ③采用极地轨道或大倾角轨道时，可以为高纬度地 区提供服务。 ④可利用多普勒频移进行定位。 ⑤星座能够对用户提供多重覆盖。因此可以采用分 集接收技术，星座中的个别卫星失效，系统仍可运 行。
·1988年，Inmarsat-C成为第1个陆地卫星移动数据通信系统 ·1993年，Inmarsat-M和澳大利亚的Mobilesat成为第1个数字陆地卫星移动电话系统 支持公文包大小的终端 ·1996年，Inmarsat-3可支持便携式的膝上型电话终端
第三代卫星移动通信系统：手持终端
·1998年，铱（Iridium）系统成为首个支持手持终端的全球低轨卫星移动通信系统 ·2003年以后，集成了卫星通信子系统的全球移动通信系统（UMTS/IMT-2000）
➢ 铱星计划革命性的想法从何而来？对于摩托 罗拉的工程师巴里·伯蒂格来说，它来自于 妻子在加勒比海度假时的抱怨，说她无法用 手机联系到她的客户。回到家以后，巴里和 摩托罗拉在亚利桑那州工作的卫星通信小组 的另外两名工程师想到了一种铱星解决方案 —由77颗近地卫星组成的星群，让用户从世 界上任何地方都可以打电话
卫星移动通信系统发展过程
第一代卫星移动通信系统：模拟信号技术
·1976年，由3颗静止卫星构成的MARISAT系统成为第1个提供海事移动通信服务的 卫星系统（舰载地球站40W发射功率，天线直径1.2米）
·1982年，Inmarsat-A成为第1个海事卫星移动电话系统
第二代卫星移动通信系统：数字传输技术