衛(wèi)星通信系統(tǒng)

現(xiàn)代通信技術(shù)概論2第6章衛(wèi)星通信系統(tǒng)6.1概述6.2衛(wèi)星運行軌道6.3衛(wèi)星通信的多址方式6.4VSAT系統(tǒng)6.5衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)36.1概述衛(wèi)星通信開展簡史衛(wèi)星通信的特點衛(wèi)星通信的工作頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成衛(wèi)星通信系統(tǒng)的分類46.1概述衛(wèi)星通信是指設(shè)置在地球上〔包括地面、水面和低層大氣中〕的無線電通信站之間利用人造地球衛(wèi)星作中繼站轉(zhuǎn)發(fā)或反射無線電波，在兩個或多個地球站之間進行的通信。衛(wèi)星通信是在地面微波中繼通信和空間電子技術(shù)的根底上開展起來的一種通信方式，它是宇宙無線通信的主要形式之一，也是微波通信發(fā)展的一種特殊形式。56.1.1衛(wèi)星通信開展簡史衛(wèi)星通信的起源66.1.1衛(wèi)星通信開展簡史1957年10月，前蘇聯(lián)成功發(fā)射了世界上第一顆低軌人造地球衛(wèi)星Sputnik。1958年，美國宇航局發(fā)射了“SCORE〞衛(wèi)星，并通過該衛(wèi)星播送了美國總統(tǒng)圣誕節(jié)祝詞。1962年，美國電報公司發(fā)射了“電星〞，它可進行、電視、和數(shù)據(jù)的傳輸。1964年8月，美國發(fā)射了首顆靜止軌道的通信衛(wèi)星“辛康姆3號〞〔SYNCOM-3〕，并利用它成功地進行了、電視和的傳輸試驗。1965年4月，INTELSAT把原名為“晨鳥〞的第1代“國際電信衛(wèi)星〞射入地球靜止軌道。1970年4月24日，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功地發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅一號〞。76.1.2衛(wèi)星通信的特點通信時延較長通信鏈路易受外部條件影響存在星蝕和日凌中斷現(xiàn)象

86.1.3衛(wèi)星通信的工作頻段選擇工作頻段時考慮的因素工作頻段的電磁波應(yīng)能輕易穿透電離層；電波傳播損耗應(yīng)盡可能地小；天線系統(tǒng)引入的外部噪聲要??；有較寬可用頻帶，與地面現(xiàn)有的通信系統(tǒng)的兼容性要好，且相互間的干擾要??；星上設(shè)備重量要輕，消耗的功率要?。槐M可能地利用現(xiàn)有的通信技術(shù)和設(shè)備；與其他通信、雷達等電子系統(tǒng)或電子設(shè)備之間的相互干擾要小。96.1.3衛(wèi)星通信的工作頻段衛(wèi)星通信的頻段范圍衛(wèi)星通信的頻率范圍一般選在微波頻段〔300MHz~300GHz〕。微波頻段的特點是：有較寬的頻譜，可以獲得較大的通信容量；天線增益高、尺寸??；現(xiàn)有的微波通信設(shè)備稍加改造就可以利用。此外，考慮到衛(wèi)星處于電離層之外的外層空間，而微波頻率恰恰能夠較容易地穿透電離層。106.1.3衛(wèi)星通信的工作頻段微波頻段頻率范圍（GHz）微波頻段頻率范圍（GHz）微波頻段頻率范圍（GHz）L1~2K18~26E60~90S2~4Ka26~40W75~110C4~8Q33~50D110~170X8~12U40~60G140~220Ku12~18V50~75Y220~325116.1.4衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成126.1.4衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成空間段13通信衛(wèi)星的組成146.1.4衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成通信分系統(tǒng)衛(wèi)星上的通信分系統(tǒng)又稱為轉(zhuǎn)發(fā)器，它實際上是一個提供衛(wèi)星發(fā)射天線和接收天線之間鏈路連接的設(shè)備，是構(gòu)成衛(wèi)星通信的中樞，其功能是使衛(wèi)星具有接收、處理并重發(fā)信號的能力。轉(zhuǎn)發(fā)器按照變頻方式和傳輸信號形式的不同可分為單變頻轉(zhuǎn)發(fā)器、雙變頻轉(zhuǎn)發(fā)器和星上處理轉(zhuǎn)發(fā)器。

156.1.4衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成單變頻轉(zhuǎn)發(fā)器166.1.4衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成雙變頻轉(zhuǎn)發(fā)器176.1.4衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成星上處理轉(zhuǎn)發(fā)器186.1.4衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成天線分系統(tǒng)天線分系統(tǒng)承擔(dān)了接收上行鏈路信號和發(fā)射下行鏈路信號的雙重任務(wù)。衛(wèi)星天線分為遙測指令天線和通信天線兩類。196.1.4衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成跟蹤、遙測和指令〔TT&C〕分系統(tǒng)跟蹤設(shè)備用來為地球站跟蹤衛(wèi)星發(fā)送信標。遙測局部用來對所有的衛(wèi)星分系統(tǒng)進行監(jiān)測，獲得有關(guān)衛(wèi)星姿態(tài)及星內(nèi)各局部工作狀態(tài)等的數(shù)據(jù)，經(jīng)放大、多路復(fù)用、編碼、調(diào)制等處理后，通過專用的發(fā)射機和天線發(fā)給地面的TT&C站。指令局部專門用來接收和譯出TT&C站發(fā)給衛(wèi)星的指令，控制衛(wèi)星的運行。206.1.4衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成控制分系統(tǒng)控制分系統(tǒng)〔CS〕由一系列機械的或電子的可控調(diào)整裝置組成，在TT&C站的指令控制下完成對衛(wèi)星軌道位置、姿態(tài)、工作狀態(tài)等的調(diào)整與控制。CS需要完成兩種控制，即姿態(tài)控制和位置控制。姿態(tài)控制主要是保證天線波束始終對準地球，同時確保太陽能電池帆板始終對準太陽。位置控制用來消除天體引力產(chǎn)生的攝動影響，使衛(wèi)星與地球的相對位置保持固定。216.1.4衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成電源分系統(tǒng)

通信衛(wèi)星的電源除要求體積小、重量輕、效率高之外，最主要的還應(yīng)在其壽命期內(nèi)保持輸出足夠的電能。在宇宙空間，陽光是最重要的能源，在有光照時，主要使用太陽能電池產(chǎn)生功率；當(dāng)衛(wèi)星處于發(fā)射狀態(tài)或處于地球陰影區(qū)時，使用蓄電池來保證電源功率。

226.1.4衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成地面段236.1.5衛(wèi)星通信系統(tǒng)的分類按照衛(wèi)星的運動狀態(tài)〔制式〕，可分為靜止衛(wèi)星通信系統(tǒng)和非靜止衛(wèi)星通信系統(tǒng)，非靜止衛(wèi)星通信系統(tǒng)又可進一步分為隨機運動衛(wèi)星通信系統(tǒng)和相位運動衛(wèi)星通信系統(tǒng)。按照衛(wèi)星的通信覆蓋區(qū)范圍，可分為全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)、國際衛(wèi)星通信系統(tǒng)、國內(nèi)衛(wèi)星通信系統(tǒng)和區(qū)域衛(wèi)星通信系統(tǒng)。246.1.5衛(wèi)星通信系統(tǒng)的分類按照衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)，可分為無源衛(wèi)星通信系統(tǒng)〔被動衛(wèi)星通信系統(tǒng)〕和有源衛(wèi)星通信系統(tǒng)〔主動衛(wèi)星通信系統(tǒng)〕。按照多址方式，可分為頻分多址衛(wèi)星通信系統(tǒng)、時分多址衛(wèi)星通信系統(tǒng)、碼分多址衛(wèi)星通信系統(tǒng)、空分多址衛(wèi)星通信系統(tǒng)、混合多址衛(wèi)星通信系統(tǒng)等。按照所傳輸信號的體制，可分為模擬衛(wèi)星通信系統(tǒng)和數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)。256.1.5衛(wèi)星通信系統(tǒng)的分類按照用戶性質(zhì)，可分為商用衛(wèi)星通信系統(tǒng)、專用衛(wèi)星通信系統(tǒng)和軍用衛(wèi)星通信系統(tǒng)。按照通信業(yè)務(wù)種類，可分為固定業(yè)務(wù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)、移動業(yè)務(wù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)、播送電視衛(wèi)星通信系統(tǒng)、科學(xué)實驗衛(wèi)星通信系統(tǒng)以及教學(xué)、氣象、導(dǎo)航、軍事等衛(wèi)星通信系統(tǒng)等。按照工作頻段，可分為特高頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)、超高頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)、極高頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)和激光衛(wèi)星通信系統(tǒng)。266.2衛(wèi)星運行軌道6.2.1衛(wèi)星運動的根本規(guī)律6.2.2衛(wèi)星軌道分類6.2.3衛(wèi)星軌道的攝動276.2.1衛(wèi)星運動的根本規(guī)律開普勒第一定律——軌道定律衛(wèi)星運動的軌道一般是一個橢圓，一個橢圓有兩個焦點，雙體系統(tǒng)的質(zhì)量中心稱為質(zhì)心，它始終處在其中一個焦點上。質(zhì)心與地球中心是重合的，即地球的中心始終位于該橢圓的一個焦點上。286.2.1衛(wèi)星運動的根本規(guī)律開普勒第二定律——面積定律在單位時間內(nèi)，衛(wèi)星的地心向徑，即地球質(zhì)心與衛(wèi)星質(zhì)心間的距離向量，掃過的面積相等。296.2.1衛(wèi)星運動的根本規(guī)律開普勒第三定律——軌道周期定律衛(wèi)星圍繞地球運動一圈的周期為，其平方與軌道橢圓半長軸的立方之比為一常數(shù)，而該常量等于地球引力常數(shù)的倒數(shù)。306.2.2衛(wèi)星軌道分類按軌道高度分類低軌道〔LEO：LowEarthOrbit〕：距離地球外表大約為700~1500km；中軌道〔MEO：MediumEarthOrbit〕：距離地球外表10000km左右；高橢圓軌道〔HEO：HighlyEllipticOrbit〕:距離地球外表的最近點為1000~21,000km，最遠點為39,500~50,600km；同步軌道〔GEO：GeostationaryEarthOrbit〕：距離地球外表35,786km。316.2.2衛(wèi)星軌道分類按軌道形狀分類圓形軌道〔e=0〕橢圓形軌道〔1>e>0〕按軌道平面傾角分類赤道軌道：i=0°，軌道面與赤道面重合。傾斜軌道：0°<i<90°，軌道面與赤道面成一個夾角，傾斜于赤道面。極軌道：i=90°，軌道面穿過地球的南北兩極，與赤道面呈垂直狀。326.2.3衛(wèi)星軌道的攝動引起衛(wèi)星軌道攝動的主要力學(xué)因素地球引力場的不均勻性地球大氣層阻力太陽、月亮引力的作用太陽光壓336.3衛(wèi)星通信的多址方式6.3.1頻分多址6.3.2時分多址6.3.3碼分多址6.3.4空分多址346.3.1頻分多址356.3.2時分多址366.3.3碼分多址376.3.4空分多址38上述四種多址方式的比較參見表6-2。396.4VSAT系統(tǒng)6.4.1VSAT網(wǎng)的組成6.4.2VSAT的工作過程406.4.1VSAT網(wǎng)的組成416.4.1VSAT網(wǎng)的組成主站〔中心站〕主站又稱中心站〔中央站〕或樞紐站，是VSAT網(wǎng)的重要組成局部。主站使用大型天線，其天線直徑一般約為3.5~8m〔Ku波段〕或7~13m〔C波段〕，并配有高功率放大器、低噪聲放大器、上/下變頻器、調(diào)制解調(diào)器及數(shù)據(jù)接口設(shè)備等。主站內(nèi)設(shè)有一個網(wǎng)絡(luò)控制中心，對全網(wǎng)運行狀況進行監(jiān)控和管理。主站的設(shè)備皆設(shè)有備份。426.4.1VSAT網(wǎng)的組成小站〔VSAT〕VSAT小站由小口徑天線、室外單元和室內(nèi)單元組成。VSAT天線有正饋和偏饋兩種形成，正饋天線尺寸較大，而偏饋天線尺寸小、性能好，且結(jié)構(gòu)上不易積冰雪，因此常被采用。室外單元主要包括GaAsFET固態(tài)功放、低噪聲場效應(yīng)管放大器、上/下變頻器和相應(yīng)的監(jiān)測電路等。室內(nèi)單元主要包括調(diào)制解調(diào)器、編譯碼器和數(shù)據(jù)接口設(shè)備等。436.4.1VSAT網(wǎng)的組成空間段VSAT網(wǎng)的空間局部是C頻段或Ku頻段同步衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器。446.4.2VSAT的工作過程在VSAT網(wǎng)中，小站和主站通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器連成星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所有的小站可直接與主站互通。小站之間的通信以雙跳方式來完成，即由小站首先將信號發(fā)送給主站，然后由主站轉(zhuǎn)發(fā)給其它小站。在VSAT網(wǎng)中，一般采用分組傳輸方式，任何進入網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)在網(wǎng)內(nèi)發(fā)送之前首先要進行格式化，即每份較長的數(shù)據(jù)分解成假設(shè)干固定長度的“段〞，每“段〞再加上必要的地址和控制信息并按規(guī)定的格式進行排列作為信息傳輸單位，通常稱之為“分組〞。456.4.2VSAT的工作過程出站〔outbound〕傳輸在VSAT網(wǎng)中，主站向外方向發(fā)送的數(shù)據(jù)，也即從主站通過衛(wèi)星向小站方向傳輸?shù)臄?shù)據(jù)稱為出站傳輸。出站信道通常采用時分復(fù)用〔TDM〕或統(tǒng)計時分復(fù)用〔STDM〕技術(shù)組成TDM幀，通過衛(wèi)星以播送方式發(fā)向所有遠端小站。466.4.2VSAT的工作過程TDM幀結(jié)構(gòu)476.4.2VSAT的工作過程入站〔inbound〕傳輸各遠端小站通過衛(wèi)星向主站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)稱為入站傳輸數(shù)據(jù)。在VSAT網(wǎng)中，各用戶終端可以隨機地產(chǎn)生信息，由此入站數(shù)據(jù)一般采用隨機方式發(fā)射突發(fā)性信號。采用信道共享協(xié)議，一個入站信道可以同時容納許多小站。486.4.2VSAT的工作過程TDMA信道幀結(jié)構(gòu)496.5衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)6.5.1全球定位系統(tǒng)〔GPS〕6.5.2Galileo全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)6.5.3“北斗一號〞衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)506.5.1全球定位系統(tǒng)〔GPS〕GPS構(gòu)成空間局部〔GPS星座〕控制局部〔地面監(jiān)控系統(tǒng)〕用戶局部〔GPS信號接收機〕516.5.1全球定位系統(tǒng)〔GPS〕526.5.1全球定位系統(tǒng)〔GPS〕空間局部〔空間段〕由運行在20,200km高空的24顆GPS工作衛(wèi)星組成的衛(wèi)星星座，其中包括21顆用于導(dǎo)航的衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道平面內(nèi)，軌道傾角為55o，各個軌道平面之間夾角為60o，每顆衛(wèi)星的正常運行周期為11h58min，假設(shè)考慮地球自轉(zhuǎn)等因素，將提前4min進入下一個周期。536.5.1全球定位系統(tǒng)〔GPS〕控制局部〔控制段〕由分布在全球的假設(shè)干個跟蹤站組成的監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成，具有跟蹤、計算、更新及監(jiān)視功能，用于控制系統(tǒng)中所有的衛(wèi)星。根據(jù)跟蹤站作用的不同，又可將其分為主控站、監(jiān)控站和注入站。546.5.1全球定位系統(tǒng)〔GPS〕用戶局部〔用戶段〕所有用戶裝置及其支持設(shè)備的集合。典型的用戶設(shè)備包括一部GPS接收機/處理器、一部天線、計算機和CDU〔控制和顯示單元〕四個主要部件。556.5.1全球定位系統(tǒng)〔GPS〕GPS定位GPS的定位原理就是利用空間分布的衛(wèi)星以及衛(wèi)星與地面點的距離交會得出地面點位置，簡言之，GPS定位原理是一種空間的距離交會原理。GPS的定位方法假設(shè)根據(jù)定位模式的不同，可分為絕對定位和相對定位。假設(shè)根據(jù)用戶接收機在定位中的運動狀態(tài)不同，可分為靜態(tài)定位和動態(tài)定位。566.5.2Galileo全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)空間局部VSAT網(wǎng)的空間局部是C頻段或Ku頻段同步衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器。576.5.2Galileo全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)Galileo系統(tǒng)組成全球設(shè)施局部區(qū)域設(shè)施局部局域設(shè)施局部用戶接收機及終端586.5.2Galileo全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)全球設(shè)施局部Galileo系統(tǒng)的空間段由30顆MEO導(dǎo)航星組成，距離地面約23，616km，分布在三個軌道傾角為56o的等間距的軌道上。地面段由Galileo控制中心、Galileo上行鏈路站、Galileo監(jiān)測站網(wǎng)絡(luò)和Galileo全球通信網(wǎng)絡(luò)組成，具有衛(wèi)星控制和任務(wù)控制功能。衛(wèi)星控制通過使用TT&C上行鏈路進行監(jiān)控來實現(xiàn)對星座的管理；任務(wù)控制是指對導(dǎo)航任務(wù)的核心功能〔如定規(guī)、時鐘同步〕，以及通過MEO衛(wèi)星發(fā)布完好性消息進行全球控制。596.5.2Galileo全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)區(qū)域設(shè)施局部區(qū)域設(shè)施局部由完好性監(jiān)測站網(wǎng)絡(luò)、完好性控制中心和完好性注入站組成。區(qū)域范圍內(nèi)效勞的提供者可獨立使用Galileo系統(tǒng)提供的完好性上行鏈路通道發(fā)布區(qū)域完好性數(shù)據(jù)，這將確保每個用戶能夠收到至少由兩顆仰角在25o以上的衛(wèi)星提供的完好性信號。全球最多可設(shè)8個區(qū)域性地面設(shè)施。606.5.2Galileo全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)局域設(shè)施局部局域設(shè)施局部根據(jù)當(dāng)?shù)氐男枰鰪娤到y(tǒng)的性能。局域設(shè)備需要確保完好性檢測，數(shù)據(jù)的處理和發(fā)射。局域設(shè)施局部應(yīng)包括本地精確導(dǎo)航設(shè)備、本地高精度導(dǎo)航設(shè)備、本地導(dǎo)航輔助設(shè)備和本地擴大可用性導(dǎo)航設(shè)備組成。616.5.2Galileo全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)用戶接收機及終端用戶接收機及終端的根本功能是在用戶段實現(xiàn)Galileo系統(tǒng)所提供各種衛(wèi)星無線導(dǎo)航效勞。626.5.2Galileo全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)Galileo系統(tǒng)與GPS的各種參數(shù)比較系統(tǒng)GalileoGPS衛(wèi)星總數(shù)2724軌道高度23,61620,230軌道平面數(shù)36軌道仰角5655軌道形狀圓軌道圓軌道定位載波L1、L2、L3L1、L2使用頻段1164~1215MHz1260~1300MHz1559~1591MHzf1=1575.42MHzf2=1227.6MHz636.5.3“北斗一號〞衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)“北斗一號〞衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是我國自行研制的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，也稱為雙星區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)，它是一個全天候、全天時提供衛(wèi)星導(dǎo)航信息的區(qū)域性導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)覆蓋范圍為東經(jīng)70°~145°，北緯5°~55°，可以無縫覆蓋我國全部外鄉(xiāng)和周邊海域，在中國全境范圍內(nèi)具有良好的導(dǎo)航定位可用性。646.5.3“北斗一號〞衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)系統(tǒng)組成空間局部地面中心控制系統(tǒng)用戶終端65空間局部空間局部由兩顆地球靜止軌道衛(wèi)星和一顆備用衛(wèi)星組成，衛(wèi)星不發(fā)射導(dǎo)航電文，也不配備高精度的原子鐘，只是用于在地面中心站與用戶之間進行雙向信號中繼。6.5.3“北斗一號〞衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)66地面中心控制系統(tǒng)地面中心控制系統(tǒng)是北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的中樞，包括一個配有電子高程圖的地面中心站、地面網(wǎng)管中心、測軌站、測高站和數(shù)十個分布在全國各地的地面參考標校站。地面中心控制系統(tǒng)主要用于對衛(wèi)星定位、測軌，調(diào)整衛(wèi)星運行軌道、姿態(tài)，控制衛(wèi)星的工作，測量和收集校正導(dǎo)航定位參量，以形成用戶定位修正數(shù)據(jù)并對用戶進行精確定位。

6.5.3“北斗一號〞衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)67用戶終端用戶終端是僅帶有定向天線的收發(fā)器，用