衛(wèi)星通信基本概念及其系統(tǒng)組成

1、.,第章 衛(wèi)星通信概述,第章 衛(wèi)星通信網(wǎng),第章 衛(wèi)星通信基本技術(shù),第章 移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng),第章 衛(wèi)星通信鏈路設(shè)計(jì),.,第1章 衛(wèi)星通信概述,1.1 衛(wèi)星通信的基本概念和特點(diǎn) 1.2 衛(wèi)星通信地球站 1.3 通信衛(wèi)星（組成、軌道及星座設(shè)計(jì)） 1.4 衛(wèi)星通信工作頻段的選擇及電波傳輸?shù)奶攸c(diǎn) 1.5 衛(wèi)星通信的發(fā)展,.,通信：有線(xiàn)通信和無(wú)線(xiàn)通信 有線(xiàn)通信：光纖、電纜、明線(xiàn) 無(wú)線(xiàn)通信：短波通信、微波中繼通信、 地面蜂窩移動(dòng)通信、衛(wèi)星通 信、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)等 衛(wèi)星通信是個(gè)人通信網(wǎng)的組成部分，是地面通信網(wǎng)的補(bǔ)充。,.,基本概念,通信：信息的傳遞（傳遞含有信息的消息）。,消息：以某種形式對(duì)主、客觀事物運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

2、的具體描述。,語(yǔ)音、文字、圖像、數(shù)據(jù)等,在通信中可以認(rèn)為是通信傳輸?shù)木唧w對(duì)象,信息：消息中所包含的對(duì)收信者有用的內(nèi)容， 或者說(shuō)是收信者感興趣的那部分內(nèi)容。,.,1.1.1 衛(wèi)星通信的基本概念 衛(wèi)星是指在圍繞行星的軌道上運(yùn)行的天然天體或人造天體，如月球是地球的衛(wèi)星。,1.1 衛(wèi)星通信的基本概念和特點(diǎn),衛(wèi)星通信是指利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線(xiàn)電波，在兩個(gè)或多個(gè)地球站之間進(jìn)行的通信。其無(wú)線(xiàn)電波頻率使用微波頻段(300 MHz300 GHz，即波段1 m1 mm)。 衛(wèi)星通信系統(tǒng)指利用人造地球衛(wèi)星在地球站之間進(jìn)行通信的通信系統(tǒng)。 通信衛(wèi)星指用于實(shí)現(xiàn)通信目的的人造衛(wèi)星。 衛(wèi)星通信是地面微波中繼通信

3、的繼承和發(fā)展，是微波接力向太空的延伸。,.,.,圖1-1 衛(wèi)星通信過(guò)程示意圖,.,.,通常以空間飛行器或通信轉(zhuǎn)發(fā)體為對(duì)象的無(wú)線(xiàn)電通信稱(chēng)為空間通信(宇宙通信)，它包括三種形式： (1)地球站與空間站之間的通信； (2)各空間站之間的通信； (3)通過(guò)空間站的轉(zhuǎn)發(fā)或反射進(jìn)行的各地球站之間的通信。 把第三種形式的空間通信稱(chēng)為衛(wèi)星通信，這里說(shuō)的地球站是指設(shè)在地球表面(包括地面、海洋或大氣層)的通信站。,.,2、對(duì)地靜止衛(wèi)星： 相對(duì)于地球表面上的任一點(diǎn)，衛(wèi)星的位置保持固定不變。,1、對(duì)地非靜止衛(wèi)星： 相對(duì)于地球表面上的任一點(diǎn)，衛(wèi)星的位置不斷地變化。又稱(chēng)運(yùn)動(dòng)衛(wèi)星。,幾個(gè)概念,.,靜止軌道必須具備以下三個(gè)條

4、件：,衛(wèi)星繞地球公轉(zhuǎn)的方向和周期與地球自轉(zhuǎn)的方向和周期相同(T=23:56:4.09)； 軌道面與赤道面重合； 軌道是圓軌道。,注意：靜止衛(wèi)星與同步衛(wèi)星的區(qū)別,.,（自然靜止軌道：以地心為圓心，半徑為42164.6公里，運(yùn)行方向與地球自轉(zhuǎn)方向一致）,在理想情況下，衛(wèi)星入軌后，無(wú)需再為克服地心引力而消耗能量，故稱(chēng)之為“自然的”。（地球半徑為6378公里，則衛(wèi)星距離地面的高度為35786公里）,其軌道稱(chēng)為對(duì)地靜止軌道，對(duì)地靜止軌道有自然的和人工的兩種。,.,近年來(lái)，為了克服衛(wèi)星通信傳輸時(shí)延長(zhǎng)的缺點(diǎn)，有人提出了低高度的人工對(duì)地靜止通信衛(wèi)星的設(shè)想，在地面上不斷地向衛(wèi)星發(fā)射激光或微波能量，以供給衛(wèi)星用以

5、克服地心的引力，保持衛(wèi)星正常運(yùn)轉(zhuǎn)。,.,3、上行鏈路：從地球站發(fā)射信號(hào)到通信衛(wèi)星所經(jīng)過(guò)的通信路徑。 4、下行鏈路指通信衛(wèi)星將信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到其它地球站的通信路徑。,當(dāng)衛(wèi)星運(yùn)行軌道較高時(shí)，相距較遠(yuǎn)的兩個(gè)地球站可同時(shí)“看”到衛(wèi)星，這樣就可采用立即轉(zhuǎn)發(fā)方式。,只用一顆衛(wèi)星就能實(shí)現(xiàn)立即轉(zhuǎn)發(fā)通信，這種系統(tǒng)稱(chēng)為立即轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星通信系統(tǒng)。,.,當(dāng)衛(wèi)星運(yùn)行軌道較低時(shí)，相距較遠(yuǎn)的兩個(gè)地球站不能同時(shí)“看”到同一顆通信衛(wèi)星，若采用立即轉(zhuǎn)發(fā)方式，就必須利用多顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)，才能進(jìn)行遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)通信，其通信鏈路會(huì)增加同軌道通信衛(wèi)星的星間鏈路(Inter Satellite Links，ISL)或不同軌道通信衛(wèi)星的星際鏈路(Inter

6、-Or bitLinks，IOL)，這種系統(tǒng)就是通常所說(shuō)的低軌道移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)。否則，就只能采用延遲轉(zhuǎn)發(fā)方式進(jìn)行通信，這種系統(tǒng)則稱(chēng)為延遲式衛(wèi)星通信系統(tǒng)。,.,1.1.2 衛(wèi)星通信的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)： （1）通信距離遠(yuǎn)，且費(fèi)用與通信距離無(wú)關(guān)。 （2）覆蓋面積大，可進(jìn)行多址通信。 （3）通信頻帶寬，傳輸容量大。 （4）機(jī)動(dòng)靈活。 （5）通信鏈路穩(wěn)定可靠，傳輸質(zhì)量高。,.,局限性： （1）通信衛(wèi)星使用壽命較短。 *部件故障導(dǎo)致的不可修復(fù) *推進(jìn)劑攜帶量有限 控制衛(wèi)星入軌 推進(jìn)劑的應(yīng)用 軌道位置保持 姿態(tài)保持 （2）存在日凌中斷和 星蝕現(xiàn)象。,圖1-4 靜止衛(wèi)星的日凌中斷和星蝕現(xiàn)象,.,靜止衛(wèi)星的星蝕,衛(wèi)

7、星、地球、太陽(yáng)共處在一條直線(xiàn)上，且地球擋住了陽(yáng)光, 靜止衛(wèi)星處于地球的陰影區(qū)，導(dǎo)致衛(wèi)星上的太陽(yáng)能電池?zé)o法正常工作。,.,星蝕現(xiàn)象發(fā)生在每年春分和秋分前后各23天，每天當(dāng)衛(wèi)星星下點(diǎn)進(jìn)入當(dāng)?shù)貢r(shí)間午夜前后。,春分,秋分,.,靜止衛(wèi)星的日凌中斷,衛(wèi)星處在太陽(yáng)與地球之間，地球站的天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的同時(shí)，也對(duì)準(zhǔn)了太陽(yáng)，這樣大量的太陽(yáng)噪聲進(jìn)入地球站接收設(shè)備，導(dǎo)致通信中斷。,.,春分,秋分,日凌中斷現(xiàn)象發(fā)生在每年春分和秋分前后，當(dāng)衛(wèi)星星下點(diǎn)進(jìn)入當(dāng)?shù)貢r(shí)間中午前后。,.,（3）電波的傳播時(shí)延較大且存在回波干擾。 （4）衛(wèi)星通信系統(tǒng)技術(shù)復(fù)雜。 （5）靜止衛(wèi)星通信在地球高緯度地區(qū)通信效果不好，并且兩極地區(qū)為通信盲區(qū)。,.

8、,1.1.3 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成和分類(lèi) 1.衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成 衛(wèi)星通信系統(tǒng)通常由通信衛(wèi)星、通信地球站分系統(tǒng)、跟蹤遙測(cè)及指令分系統(tǒng)，以及監(jiān)控管理分系統(tǒng)四部分組成。,圖1-5 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成,.,(1)通信衛(wèi)星：由一顆或多顆通信衛(wèi)星組成，在空中對(duì)發(fā)來(lái)的信號(hào)起中繼放大和轉(zhuǎn)發(fā)作用。每顆通信衛(wèi)星均包括收發(fā)天線(xiàn)、通信轉(zhuǎn)發(fā)器、跟蹤遙測(cè)指令、控制和電源等分系統(tǒng)。 (2)通信地球站分系統(tǒng)：包括地球站和通信業(yè)務(wù)控制中心，其中有天饋設(shè)備、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、信道終端、跟蹤與伺服系統(tǒng)等。 (3)跟蹤遙測(cè)及指令分系統(tǒng)：其作用是對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤測(cè)量，控制衛(wèi)星準(zhǔn)確地進(jìn)入靜止軌道上的指定位置，并對(duì)衛(wèi)星的軌道、位置、姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)

9、視和校正。 (4)監(jiān)控管理分系統(tǒng)：其作用是對(duì)在軌道上的衛(wèi)星的通信性能及參數(shù)進(jìn)行業(yè)務(wù)開(kāi)通前的監(jiān)測(cè)和業(yè)務(wù)開(kāi)通后的例行監(jiān)測(cè)與控制，其中包括轉(zhuǎn)發(fā)器功率、天線(xiàn)增益、地球發(fā)射功率、射頻頻率和帶寬等，以保證通信衛(wèi)星正常運(yùn)行和工作。,.,系統(tǒng)組成另一種說(shuō)法 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成還可以分為空間段、地面段和用戶(hù)段三部分。,空間段 主要是衛(wèi)星本身。星體包括兩大子系統(tǒng)： 有效載荷天線(xiàn)分系統(tǒng)、通信分系統(tǒng)(轉(zhuǎn)發(fā)器) 空間平臺(tái)遙測(cè)指令分系統(tǒng)、控制分系統(tǒng)和電源分系統(tǒng)等 地面段(地球站群) 典型的地面段即地球站，通信地球站由天線(xiàn)饋線(xiàn)設(shè)備、發(fā)射設(shè)備、接收設(shè)備、信道終端設(shè)備等組成。還包括監(jiān)控中心：地面衛(wèi)星控制中心（SCC, Sate

10、llite control center）及其跟蹤、遙測(cè)和指令站（TT&C, Tracking, telemetry and command station）。 用戶(hù)段：各種用戶(hù)終端,.,監(jiān)控中心 監(jiān)控管理分系統(tǒng)對(duì)在軌衛(wèi)星的通信性能及參數(shù)進(jìn)行業(yè)務(wù)開(kāi)通前的監(jiān)測(cè)和業(yè)務(wù)開(kāi)通后的例行監(jiān)測(cè)和控制，以保證通信衛(wèi)星的正常運(yùn)行和工作； 跟蹤遙測(cè)及指令分系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤測(cè)量，控制其準(zhǔn)確進(jìn)入靜止軌道上的指定位置，并對(duì)在軌衛(wèi)星的軌道、位置及姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和校正。,.,(3)控制段：由所有地面控制和管理設(shè)施組成，它既包括用于監(jiān)測(cè)和控制(跟蹤遙測(cè)及指令系統(tǒng))這些衛(wèi)星的地球站，又包括用于業(yè)務(wù)與星上資源管理的地球站。,(1

11、)空間段：包括通信系統(tǒng)中所有的處在地球外層空間的衛(wèi)星，其作用是在空中對(duì)地面或其它衛(wèi)星發(fā)來(lái)的信號(hào)起中繼放大和轉(zhuǎn)發(fā)作用。 (2)地面段：主要由多個(gè)承擔(dān)不同業(yè)務(wù)的地球站組成，它們按照業(yè)務(wù)類(lèi)型，大致分為用戶(hù)站(如手機(jī)、便攜設(shè)備、移動(dòng)站和小口徑終端VSAT，可以直接連接到空間段)、接口站(又稱(chēng)關(guān)口站，它將空間段與地面網(wǎng)絡(luò)互連)和服務(wù)站(如樞紐站和饋送站，它通過(guò)空間段從用戶(hù)處收集信息或向用戶(hù)分發(fā)信息)。,.,衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成,空間段：轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線(xiàn)電信號(hào)，要求放大，且盡量無(wú)失真，無(wú)噪聲； 地面段：放大、發(fā)射、接收信號(hào)等； 監(jiān)控中心：保證通信衛(wèi)星正常運(yùn)轉(zhuǎn)，通信網(wǎng)絡(luò)正常工作，對(duì)地球站的方向圖、功率和頻率進(jìn)行監(jiān)測(cè)。,.,空間段,.,地面段,.,用戶(hù)段,.,補(bǔ)充： 衛(wèi)星通信系統(tǒng)工作方式,單跳工作方式(只經(jīng)衛(wèi)星一次轉(zhuǎn)發(fā)) 雙跳工作方式及示意圖(經(jīng)衛(wèi)星兩次轉(zhuǎn)發(fā)) 雙星雙跳 單星雙跳,.,衛(wèi)星通信系統(tǒng)工作方式,A: 用于國(guó)際通信，兩個(gè)地球站看不到同一顆衛(wèi)星，傳輸時(shí)延大； B: 用于星形網(wǎng)，平時(shí)不通信，需要時(shí)進(jìn)行通信，不允許國(guó)內(nèi)話(huà)音通信，用于數(shù)據(jù)通信。,.,2.衛(wèi)星通信系統(tǒng)的分類(lèi) 歸納起來(lái)可以從不同角度進(jìn)行分類(lèi)： (1)按照衛(wèi)星制式，分為隨機(jī)、相位和靜止3類(lèi)衛(wèi)星通信系統(tǒng)； (2)按通信覆蓋區(qū)的范圍，分為國(guó)際、國(guó)內(nèi)和區(qū)域3類(lèi)衛(wèi)星通信系統(tǒng)； (3)按用戶(hù)性質(zhì)，分為公用(商用)、專(zhuān)用和軍用3類(lèi)衛(wèi)星通信系統(tǒng)； (4)按業(yè)