《衛(wèi)星通信系統(tǒng)》課件.ppt

1、第四章 衛(wèi) 星 通 信 系 統(tǒng),4.1 概述 4.2 衛(wèi)星通信定義 4.3 通信衛(wèi)星的軌道 4.4 同步靜止軌道衛(wèi)星 4.5 衛(wèi)星通信的發(fā)展概況 4.6 衛(wèi)星通信的特點(diǎn) 4.7 衛(wèi)星通信的應(yīng)用范圍 4.8 衛(wèi)星通信系統(tǒng) 4.9 衛(wèi)星通信工作波段 4.10 星蝕、日凌中斷及傳輸時(shí)延,4.1 概述,為了增加地面通信距離，采用中繼接力的方法可以部分克服地球曲率對電波傳播的阻擋，使點(diǎn)對點(diǎn)的通信距離加大。通信距離與天線架高有關(guān)，微波中繼通信是視距通信，中繼接力的距離為50km，若進(jìn)行長距離如18101 km通信，則需要設(shè)置360個(gè)中繼站，造價(jià)高、維護(hù)不便、而且經(jīng)過多次轉(zhuǎn)發(fā)后信號質(zhì)量會(huì)受到較大的影響。隨著

2、航天技術(shù)的發(fā)展，人們必然想把中繼通信站放到距離地面很高的衛(wèi)星上，并使天線對準(zhǔn)地球表面，由于視野十分開闊，便可達(dá)到地面接力無法達(dá)到的“中繼”效果。由此引入一種新的中繼通信方式-衛(wèi)星通信。,4.2 衛(wèi)星通信定義,衛(wèi)星通信，簡單的說就是地球上（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衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)或反射無線電波，以此來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)地球站之間通信的一種通信方式。它是一種無線通信方式，可以承載多種通信業(yè)務(wù)，是當(dāng)今社會(huì)重要的通信手段之一。,4.3 通信衛(wèi)星的軌道,衛(wèi)星運(yùn)行的軌跡和趨勢稱為衛(wèi)星運(yùn)行軌道；其軌道近似于橢圓或圓形，地心就處在橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)或圓心上，按照軌道平面與赤道平面的夾角

3、i（軌道傾角）的不同，地球衛(wèi)星的軌道有赤道軌道（i=0）、極軌道（i=90）、傾斜軌道（0i90）之分。,4.4 同步靜止軌道衛(wèi)星,衛(wèi)星運(yùn)行軌道處于地球赤道平面內(nèi)，運(yùn)行方向與地球自轉(zhuǎn)方向一致，繞地球一圈的時(shí)間與地球自轉(zhuǎn)一周的時(shí)間相同（24小時(shí)）的衛(wèi)星稱為同步靜止軌道衛(wèi)星（此時(shí)衛(wèi)星距地面高度為35785.6公里）。從地面看衛(wèi)星是“靜止”不動(dòng)的，即地面上各點(diǎn)與衛(wèi)星之間的相對位置不變，因此稱之為靜止軌道衛(wèi)星（同步衛(wèi)星）。,靜止衛(wèi)星距赤道的高度為35786km，從衛(wèi)星向地球引兩條切線，切線夾角為17.34，兩切點(diǎn)的弧線距18101km（此為每顆衛(wèi)星可以通信的最遠(yuǎn)距離）。若以120的等間隔在靜止軌道上配

4、置3顆靜止衛(wèi)星，則衛(wèi)星至地球覆蓋邊緣的最遠(yuǎn)距離41756km，衛(wèi)星與衛(wèi)星之間的空間距離為73511km，地球赤道上的直徑約12740km，則在地球表面除兩級地區(qū)未被衛(wèi)星波束覆蓋外，其他地區(qū)均在覆蓋范圍內(nèi)，而且其中一部分地區(qū)還是兩個(gè)靜止衛(wèi)星天線波束覆蓋的重疊區(qū)域，借助于重疊區(qū)域內(nèi)地球站的中繼，便可實(shí)現(xiàn)在不同衛(wèi)星覆蓋區(qū)的地球站的通信。這樣，利用3顆等間隔配置的靜止衛(wèi)星就可以實(shí)現(xiàn)全球通信。,利用靜止衛(wèi)星建立全球通信示意圖,4.5 衛(wèi)星通信的發(fā)展概況,1945年五月英國人阿瑟克拉克提出關(guān)于靜止衛(wèi)星的設(shè)想。1954-1964 衛(wèi)星通信試驗(yàn)，1957年10月4日蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星，1963年7月美國

5、發(fā)射了第一顆地球同步衛(wèi)星，他們都進(jìn)行了衛(wèi)星通信試驗(yàn)。1965年國際通信衛(wèi)星組織的IS-1（國際通信衛(wèi)星）發(fā)射，衛(wèi)星通信進(jìn)入實(shí)用階段。 我國于1970年4月24日，成功地發(fā)射了自行研制的東方紅一號衛(wèi)星，1984年4月發(fā)射了我國第一顆同步通信衛(wèi)星東方紅二號，1997年5月12日月發(fā)射了我國第一顆三軸穩(wěn)定的同步通信衛(wèi)星東方紅三號。,我國自1972年開始運(yùn)行衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)，目前全球共有地球同步靜止軌道衛(wèi)星約210顆。中國的衛(wèi)星通信經(jīng)過近三十年的發(fā)展，從無到有，已經(jīng)初具規(guī)模，但是發(fā)展速度仍比較緩慢。注冊的衛(wèi)星運(yùn)營公司已有中國通信廣播衛(wèi)星公司、中國東方通信衛(wèi)星有限責(zé)任公司、鑫諾衛(wèi)星通信有限公司、亞洲衛(wèi)星通信

6、有限公司、亞太衛(wèi)星控股有限公司五家（在大陸注冊三家），共擁有10顆衛(wèi)星, 342個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器單元（C波段236個(gè)、Ku波段106個(gè)，均已折合至每轉(zhuǎn)發(fā)器36MHz帶寬）。其業(yè)務(wù)已覆蓋到亞洲大部分地區(qū)和歐洲部分地區(qū)。,4.6 衛(wèi)星通信的特點(diǎn),衛(wèi)星通信的優(yōu)點(diǎn) 1、通信距離遠(yuǎn)，覆蓋面積大； 2、便于實(shí)現(xiàn)多址連接通信； 3、通信頻帶寬，傳輸容量大； 4、機(jī)動(dòng)靈活； 5、通信線路穩(wěn)定可靠，傳輸質(zhì)量高； 6、成本與通信距離無關(guān)；,衛(wèi)星通信的缺點(diǎn) 1、要有高可靠和長壽命的通信衛(wèi)星； 2、衛(wèi)星的發(fā)射與控制技術(shù)比較復(fù)雜； 3、衛(wèi)星通信具有較大的信號傳輸延遲和回聲干擾； 4、存在星蝕和日凌中斷現(xiàn)象。,4.7 衛(wèi)星通信的

7、應(yīng)用范圍,衛(wèi)星通信的應(yīng)用范圍很廣，涉及長途電話、傳真、電視廣播、娛樂、計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)、電視會(huì)議、電話會(huì)議、交互型遠(yuǎn)程教育、醫(yī)療數(shù)據(jù)、應(yīng)急業(yè)務(wù)、新聞廣播、交通信息、船舶、飛機(jī)的航行數(shù)據(jù)及軍事通信等。 目前國內(nèi)公眾衛(wèi)星通信網(wǎng)的干線已有37個(gè)大型C波段地球站，運(yùn)行著3萬5千條雙向電路（占國內(nèi)長途電路的56），另有4個(gè)試驗(yàn)地球站和約30臺(tái)移動(dòng)衛(wèi)星通信車載站工作在Ku波段。,國際通信方面我國運(yùn)營15座國際通信衛(wèi)星地球站，開通了約1萬3千條雙向電路（占國際長途電路的26%）。中國通信廣播衛(wèi)星公司等具有國際點(diǎn)對點(diǎn)業(yè)務(wù)許可的單位開通了150200條國際雙向VSAT電路。公眾通信約使用50個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器 。 我國已有中央

8、電視臺(tái)的12套節(jié)目，中央人民廣播電臺(tái)和國際臺(tái)的32路聲音廣播節(jié)目，以及31個(gè)省、自治區(qū)、直轄市的廣播電視節(jié)目均通過通信衛(wèi)星向全國傳送。目前我國廣播電視節(jié)目共使用了11顆通信衛(wèi)星（亞太1A、亞洲2號、亞洲3S、鑫諾1號、亞太2R、泛美3R號、泛美8號、泛美9號、泛美3R號、泛美10號、銀河3R和熱鳥3號）的32個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器。,VSAT(Very Small Aperture Terminal )于20世紀(jì)80年代最先在美國興起，發(fā)展速度很快，是30多年來衛(wèi)星通信技術(shù)的轉(zhuǎn)折性發(fā)展。VSAT系統(tǒng)有兩種類型，一種是雙向VSAT系統(tǒng)，它由中心站控制許多VSAT終端來提供數(shù)據(jù)傳輸、語音和傳真等業(yè)務(wù)；另一種是單

9、向VSAT系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，圖像和數(shù)據(jù)等信號從中心站傳輸?shù)皆S多單收VSAT終端。 VSAT是一種天線口徑很小的衛(wèi)星通信地球站，又稱微型地球站或小型地球站。其特點(diǎn)是天線直徑很小(一般為0.3-2.4米)，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、固體化、智能化、價(jià)格便宜、安裝方便、對使用環(huán)境要求不高，且不受地面網(wǎng)絡(luò)的限制，組網(wǎng)靈活。,我國已建成的廣播電視衛(wèi)星地球站共31座，地面衛(wèi)星收轉(zhuǎn)臺(tái)站52萬多座。與1985年上衛(wèi)星時(shí)相比，我國廣播電視人口覆蓋率已由68.3%和68.4%上升為2001年底的92.9%和94.1%。,4.8 衛(wèi)星通信系統(tǒng),衛(wèi)星通信系統(tǒng)的重要組成部分是通信衛(wèi)星和各種衛(wèi)星通信地球站，了解它們的組成結(jié)構(gòu)是掌握

10、衛(wèi)星通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 1、衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成及工作過程 （1）組成 衛(wèi)星通信系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，它由地面部分和空間部分組成。主要包括：通信地球站分系統(tǒng)、跟蹤遙測指令分系統(tǒng)、監(jiān)控管理分系統(tǒng)及空間分系統(tǒng)共4大部分，如圖所示。,空間分系統(tǒng)是衛(wèi)星通信的核心，即通信衛(wèi)星，起無線電中繼站作用，主體是通信裝置，包括一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器（微波收、發(fā)信機(jī)）和天線，保障部分星體上的遙測指令、控制系統(tǒng)和能源裝置等。 監(jiān)控管理分系統(tǒng)，也稱為監(jiān)控中心，主要負(fù)責(zé)對定點(diǎn)的衛(wèi)星在業(yè)務(wù)開通前、后進(jìn)行通信性能的監(jiān)測和控制（如對轉(zhuǎn)發(fā)器功率、衛(wèi)星天線增益、各地球站發(fā)射功率、帶寬等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控）。,跟蹤遙測指令分系統(tǒng) 跟蹤遙測指令分

11、系統(tǒng)負(fù)責(zé)對衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤測量，控制其準(zhǔn)確進(jìn)入靜止軌道上的指定位置；定期對衛(wèi)星進(jìn)行軌道修正和位置保持。 通信地球站分系統(tǒng) 地球站是微波無線電收、發(fā)信臺(tái)（站），用戶通過他們接入衛(wèi)星線路。主要包括：天線、發(fā)射設(shè)備、功率放大器、接收設(shè)備、信道終端設(shè)備、跟蹤/伺服設(shè)備以及電源設(shè)備等等。,（2）工作過程 在一個(gè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，各地球站經(jīng)過衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)可以組成多條衛(wèi)星通信線路。整個(gè)系統(tǒng)的全部通信任務(wù)就是利用這些線路分別完成的，在衛(wèi)星通信線路中，通常把從發(fā)信地球站到衛(wèi)星這一段稱為上行線路（或稱上行鏈路）。從衛(wèi)星到收信地球這一段稱為下行線路（或稱下行鏈路）。兩者合起來就構(gòu)成一條最簡單的單工線路，如圖所示。,4.9

12、衛(wèi)星通信工作頻段,1、衛(wèi)星工作頻段 衛(wèi)星通信使用的頻率范圍選在微波波段是最合適的。且必須高于100MHz，以便不受電離層的吸收和衰減影響。世界無線電行政會(huì)議規(guī)定，衛(wèi)星通信的使用頻段為136MHZ-275GHZ。中間有許多頻段被其他領(lǐng)域使用，如航天、移動(dòng)、廣播、海上等。目前，大多數(shù)衛(wèi)星選擇頻段如下： （1）C波段（3.4-6.65GHz）星系、衛(wèi)星通信、遠(yuǎn)星、通信衛(wèi)星、星際衛(wèi)星等（電視、電話、視頻會(huì)議） （2）Ku波段(10.95-18GHz) 全球星（電視、直接廣播、太空站） （3）Ka波段(18-40GHz) 高級通信技術(shù)衛(wèi)星（移動(dòng)電話） （4）L波段(1.12-2.6GHz)大型低軌道地球

13、衛(wèi)星 （5）VHF波段（136-137MHz和148MHz）低軌道地球氣象衛(wèi)星 （6）UHF波段（200-400MHz）軌道通信衛(wèi)星（航空對空通信和移動(dòng)通信）,2、 C波段與Ku波段比較,4.10 星蝕、日凌中斷及傳輸時(shí)延,1、 星蝕 所有靜止衛(wèi)星在每年春分和秋分前后各23天中，當(dāng)星下點(diǎn)（衛(wèi)星與地心連線同地球表面的交點(diǎn)）進(jìn)入當(dāng)?shù)貢r(shí)間午夜前后，衛(wèi)星、地球和太陽共處在一條直線上，衛(wèi)星進(jìn)入地球陰影區(qū)而造成星蝕；此時(shí)一般靠星載蓄電池來供給能源。衛(wèi)星位置西移1，星蝕開始時(shí)間可推遲4分鐘，東移1則可提前4分鐘。,2、 日凌中斷 在每年春分秋分前后，當(dāng)衛(wèi)星星下點(diǎn)進(jìn)入當(dāng)?shù)刂形缜昂髸r(shí)，衛(wèi)星處在太陽和地球中間，天線在對準(zhǔn)衛(wèi)星的同時(shí)也會(huì)對準(zhǔn)太陽，會(huì)因接收到強(qiáng)大的太陽熱噪聲而使通信無法進(jìn)行，稱為日凌中斷（每次延續(xù)約6天）；月亮也會(huì)引起類似問題，但其噪聲比太陽小的多，不會(huì)造成中斷。每天出現(xiàn)中斷的最長時(shí)間與天線口徑、工作頻率有關(guān)。,3、 傳輸時(shí)延 一條單跳的衛(wèi)星通信線路，由發(fā)送端到接收端的單程傳輸時(shí)延為： t=上行下行空間傳輸路徑距離和/C（其中：C為電波在自由空間的傳播速度） 當(dāng)衛(wèi)星為靜止衛(wèi)星時(shí)，空間傳輸距離和最小為35