第1章衛(wèi)星通信系統(tǒng)概述

1、u 課程簡(jiǎn)介課程名稱：衛(wèi)星通信課程學(xué)時(shí)：32 周學(xué)時(shí)：4課程性質(zhì)：專業(yè)選修u 課程目的本課程是為通信工程、計(jì)算機(jī)通信、無(wú)線電技術(shù)等專業(yè)高年級(jí)學(xué)生開(kāi)設(shè)的一門(mén)專業(yè)課，其目的是使學(xué)生掌握衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成、原理和技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)。u 課程特點(diǎn)講述衛(wèi)星通信的基礎(chǔ)知識(shí)，側(cè)重于基本概念和原理，而對(duì)于復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，則從略。課程成績(jī)計(jì)算 平時(shí)成績(jī)：30（半期考試和作業(yè)各占15） 期末考試：70通信：在兩個(gè)或多個(gè)位置實(shí)現(xiàn)信息的傳輸、接 收和處理。 有線通信：光纖、電纜、明線 無(wú)線通信：短波/超短波通信、微波中 繼通信、地面移動(dòng)通信、衛(wèi) 星通信 衛(wèi)星通信是個(gè)人通信網(wǎng)的組成部分，是衛(wèi)星通信是個(gè)人通信網(wǎng)的組成部分，是

2、地面通信網(wǎng)的補(bǔ)充。地面通信網(wǎng)的補(bǔ)充。 衛(wèi)星通信n衛(wèi)星通信的概念 衛(wèi)星通信是指利用通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器實(shí)現(xiàn)地球站（或手持終端）之間、或者地球站與航天器之間的無(wú)線電通信。教材和參考書(shū) 朱立東等，衛(wèi)星通信導(dǎo)論（第3版），北京：電子工業(yè)出版社，2009年11月第1次印刷（衛(wèi)星通信課程教材） Dennis Roddy. Satellite Communications. The McGraw-Hill Companies, inc., 2002 （清華大學(xué)出版社） Timothy Pratt, Charles Bostian and Jeremy Allnutt. Satellite Communicatio

3、ns. New York: John Wily and Sons, Inc., 2003 （電子工業(yè)出版社） 張乃通等，衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)(第2版），北京：電子工業(yè)出版社，2000 Erich Lutz, Markus Werner and Axel Jahn. Satellite Systems for Personal and Broad Communications. Berlin: Springer-Verlag, 2000第一章第一章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)概述衛(wèi)星通信系統(tǒng)概述一、衛(wèi)星軌道一、衛(wèi)星軌道二、衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成二、衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成三、衛(wèi)星通信的業(yè)務(wù)類型三、衛(wèi)星通信的業(yè)務(wù)類型四、頻率

4、分配四、頻率分配五、衛(wèi)星通信的特點(diǎn)五、衛(wèi)星通信的特點(diǎn)六、衛(wèi)星通信的發(fā)展歷史六、衛(wèi)星通信的發(fā)展歷史七、通信衛(wèi)星的分類七、通信衛(wèi)星的分類八、衛(wèi)星通信的研究動(dòng)態(tài)八、衛(wèi)星通信的研究動(dòng)態(tài)九、衛(wèi)星通信的應(yīng)用九、衛(wèi)星通信的應(yīng)用一、衛(wèi)星軌道一、衛(wèi)星軌道1cosPre21bea2(1)Pae圖1 橢圓軌道的示意圖21() (km/s)VuraV為衛(wèi)星在軌道上的瞬時(shí)速度。其中a為橢圓軌道的半長(zhǎng)軸，r為衛(wèi)星到地心的距離。 為開(kāi)普勒常數(shù)，u值為為開(kāi)普勒常數(shù)，u值為32saTu(1) 地球非球形引起的攝動(dòng)，表現(xiàn)為：l衛(wèi)星的軌道面繞地軸緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)l近地點(diǎn)位置變化（2）大氣阻力的影響l衛(wèi)星軌道的遠(yuǎn)地點(diǎn)降低，長(zhǎng)軸縮短，即運(yùn)行周

5、期縮短l偏心率減小，軌道愈變愈圓二、衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成二、衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成三、衛(wèi)星三、衛(wèi)星通信通信的業(yè)務(wù)類型的業(yè)務(wù)類型四、頻率分配四、頻率分配大氣吸收附加損耗與頻率的關(guān)系五、衛(wèi)星通信的特點(diǎn)五、衛(wèi)星通信的特點(diǎn)衛(wèi)星通信在中國(guó)的特殊地位 幅員遼闊 人口眾多 地區(qū)發(fā)展不平衡 中國(guó)有60左右的地區(qū)是地面網(wǎng)盲區(qū)，如海洋、高山、沙漠和草原等，通信的困難甚至成為人們生存的障礙 由于衛(wèi)星通信相對(duì)于地面通信網(wǎng)的綜合造價(jià)成本高，終端貴，因此，衛(wèi)星通信的市場(chǎng)定位應(yīng)該是地面通信網(wǎng)的延伸和補(bǔ)充，主要服務(wù)于地面通信網(wǎng)不能覆蓋的區(qū)域及有特殊通信需求的人群 衛(wèi)星覆蓋區(qū)域廣，可以較經(jīng)濟(jì)地為地面蜂窩網(wǎng)覆蓋范圍以外的用戶-“唯星用

6、戶”提供移動(dòng)通信業(yè)務(wù) 解決邊遠(yuǎn)地區(qū)通信服務(wù)、企業(yè)專網(wǎng)、洲際通信、國(guó)防通信，與地面通信網(wǎng)結(jié)合解決廣域無(wú)縫覆蓋l 衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)能擴(kuò)大地面移動(dòng)通信的地理和業(yè)務(wù)覆蓋范圍，除提供常規(guī)的移動(dòng)通信業(yè)務(wù)外，還可向空中、海面和復(fù)雜地理結(jié)構(gòu)的地面區(qū)域的各類移動(dòng)用戶提供服務(wù)。 l 從應(yīng)用來(lái)講，地面移動(dòng)通信網(wǎng)主要集中在高業(yè)務(wù)量的應(yīng)用環(huán)境，而衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)最適合于低業(yè)務(wù)量地區(qū)、航海、航空及地面網(wǎng)欠發(fā)達(dá)地區(qū)的應(yīng)用環(huán)境，并且在地面網(wǎng)絡(luò)過(guò)載或發(fā)生故障時(shí)作為其迂回網(wǎng)絡(luò)。衛(wèi)星移動(dòng)通信和地面移動(dòng)通信六、世界衛(wèi)星通信的發(fā)展歷史六、世界衛(wèi)星通信的發(fā)展歷史 1945年Clarke A. C. 提出三顆同步衛(wèi)星覆蓋全球 1957年前

7、蘇聯(lián)發(fā)射世界上第一顆衛(wèi)星Sputnik 1963年美國(guó)發(fā)射世界上第一顆同步軌道衛(wèi)星SYNCOM 1964年INTERSAT成立 1965年第一顆商用同步衛(wèi)星“晨鳥(niǎo)”進(jìn)入軌道 1975年第一次通過(guò)衛(wèi)星成功實(shí)現(xiàn)直接廣播試驗(yàn)衛(wèi)星通信的發(fā)展歷史（續(xù)）衛(wèi)星通信的發(fā)展歷史（續(xù)） 1979年INMARSAT成立 1982年國(guó)際海事衛(wèi)星通信進(jìn)入運(yùn)行 1984年第一個(gè)DTH系統(tǒng)在日本進(jìn)入運(yùn)行 1987年INMARSAT成功進(jìn)行地面移動(dòng)衛(wèi)星通信試驗(yàn) 19891990年INMARSAT將全球移動(dòng)衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)擴(kuò)展到地面和空間移動(dòng)通信領(lǐng)域 1995年WRC對(duì)非靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)分配新頻譜；商用LEO衛(wèi)星系統(tǒng)ORBCOM第

8、一次傳送低速數(shù)據(jù)試驗(yàn)成功 1998年通過(guò)LEO星座引入手機(jī)通信業(yè)務(wù) 19992000年引入衛(wèi)星直接廣播語(yǔ)音業(yè)務(wù) 20002005年引入寬帶個(gè)人通信，Ka頻段發(fā)展迅速中國(guó)衛(wèi)星通信的發(fā)展 中國(guó)第一顆試驗(yàn)衛(wèi)星“東方紅一號(hào)”于1970年4月24日發(fā)射成功，重37Kg，運(yùn)轉(zhuǎn)周期110分鐘，繞地球一周，以旋極化的全球波束向全球廣播“東方紅樂(lè)曲”。東方紅一號(hào)中國(guó)衛(wèi)星發(fā)展史（續(xù)） 1984年8月8日成功發(fā)射第一顆同步軌道試驗(yàn)通信衛(wèi)星“東方紅二-1”，定位在125E，重433Kg，攜帶2個(gè)8W的C頻段轉(zhuǎn)發(fā)器，以全球波束輻射，中心波束為23.4dBW。 1986年2月1日“東方紅二號(hào)-2“成功定位在103E，攜帶

9、2個(gè)C頻轉(zhuǎn)發(fā)器，以區(qū)域橢圓波束輻射傳送，重 433Kg，中心波束為34.5dBW。攜帶2個(gè)8W的C頻段轉(zhuǎn)發(fā)器，以全球波束輻射，中心波束為 23.4dBW。中國(guó)衛(wèi)星發(fā)展史（續(xù)） 1988年3月7日“東方紅二號(hào)甲-1“簡(jiǎn)稱“東二甲-1“，對(duì)外稱“中衛(wèi)一號(hào)“定位在87.5E，波束中心指向101.7E，34.11N，中心波束為36dBW。4個(gè)C頻段轉(zhuǎn)發(fā)器，二個(gè)8W，二個(gè)10W，以區(qū)域橢圓波束輻射傳送。衛(wèi)星重441Kg，壽命7年。 1990年2月4日“東方紅二號(hào)甲3“簡(jiǎn)稱“東二甲3“，對(duì)外稱“中衛(wèi)三號(hào)“定位在98E，波束中心指向103.23E，33.84N，中心波束36dBW。4個(gè)C頻段轉(zhuǎn)發(fā)器以區(qū)域橢圓

10、波束輻射傳送。衛(wèi)星重441Kg。中國(guó)衛(wèi)星發(fā)展史（續(xù)）中國(guó)衛(wèi)星發(fā)展史（續(xù)）l1998年5月30日新的“中衛(wèi)一號(hào)”發(fā)射成功。它是第一顆攜帶Ku頻段的新型大功率的衛(wèi)星，攜帶18個(gè) C頻段轉(zhuǎn)發(fā)器，定位在87.5E。l1998年7月18日“鑫諾一號(hào)”發(fā)射成功。攜帶14個(gè)Ku頻段轉(zhuǎn)發(fā)器和24個(gè)C頻段轉(zhuǎn)發(fā)器和一對(duì)C-Ku頻段互聯(lián)轉(zhuǎn)發(fā)器，定位在 110.5 E。 中國(guó)衛(wèi)星發(fā)展史（續(xù)）l2003年10月21日11時(shí)16分，太原衛(wèi)星發(fā)射中心用“長(zhǎng)征”四號(hào)乙運(yùn)載火箭成功地將中國(guó)與巴西聯(lián)合研制的第二顆“資源一號(hào)”衛(wèi)星和中國(guó)科學(xué)院研制的“創(chuàng)新一號(hào)”小衛(wèi)星送入太空?；鸺l(fā)射13分鐘后，“資源一號(hào)”衛(wèi)星進(jìn)入太陽(yáng)同步軌道?；?/p>

11、箭繼續(xù)飛行約40秒后，“創(chuàng)新一號(hào)”衛(wèi)星與火箭分離，進(jìn)入預(yù)定軌道。 中國(guó)衛(wèi)星發(fā)展史（續(xù)）l2003年10月15日，神州五號(hào)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。l2005年10月12日，神州五號(hào)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。l2008年9月25日成功發(fā)射神州五號(hào)中國(guó)衛(wèi)星發(fā)展史（續(xù)）l2006年10月29日“鑫諾二號(hào)”衛(wèi)星在西昌發(fā)射成功，但是在定點(diǎn)過(guò)程中出現(xiàn)技術(shù)故障，致使太陽(yáng)帆板二次展開(kāi)和通信天線展開(kāi)未能完成，無(wú)法提供通信廣播傳輸服務(wù) 2000年10月31日、12月21日、2003年5月25日、2007年2月3日先后成功發(fā)射四顆北斗導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星 2007年4月14日中國(guó)成功發(fā)射了第一顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星北斗導(dǎo)航試驗(yàn)

12、衛(wèi)星一號(hào)（Beidou-1）中國(guó)衛(wèi)星發(fā)展史（續(xù)）l2007年6月1日 “鑫諾三號(hào)”衛(wèi)星在西昌發(fā)射成功，軌道位置：E125o，覆蓋中國(guó)及周邊國(guó)家和地區(qū)。l2008年4月25日中國(guó)首顆數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星“天鏈一號(hào)01星”在西昌發(fā)射成功，其任務(wù)是為衛(wèi)星、飛船等航天器提高數(shù)據(jù)中繼和測(cè)控服務(wù)l2009年4月15日第2顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射l2010年1月17日第3顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射衛(wèi)星通信的發(fā)展趨勢(shì)傳統(tǒng)的C、Ku頻段靜止軌道衛(wèi)星將保持穩(wěn)定發(fā)展，并將以大容量(轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)量在50個(gè)左右)、高功率(功率為8000瓦至15000瓦)和長(zhǎng)壽命(壽命在15年左右)的新系統(tǒng)逐步更換現(xiàn)有

13、系統(tǒng)。靜止軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)服務(wù)對(duì)象將從原有的傳統(tǒng)用戶轉(zhuǎn)移至缺少陸地服務(wù)的邊遠(yuǎn)地區(qū)。Ka頻段靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)已逐步走向?qū)嵱没?，衛(wèi)星通信網(wǎng)從窄帶向?qū)拵н^(guò)渡，如覆蓋美洲的EchoStar-Ka、ASTROLINK和PAS等。 衛(wèi)星通信的發(fā)展趨勢(shì)（續(xù)）窄帶的中、低軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)投入運(yùn)行，如Iridium 、ICO和Globalstar等系統(tǒng)。寬帶低軌道系統(tǒng)正在加緊開(kāi)發(fā)之中，預(yù)計(jì)在21世紀(jì)初可陸續(xù)發(fā)射，用于高速數(shù)據(jù)和可視電話傳輸。如Teledesic系統(tǒng)共包括288顆衛(wèi)星，工作于Ka頻段，壽命設(shè)計(jì)為10年左右。小型低軌衛(wèi)星系統(tǒng)已陸續(xù)投入運(yùn)行，用于低速數(shù)據(jù)傳輸，如E-Sat、GE America

14、n和 GEMnet等系統(tǒng)。 全球定位衛(wèi)星系統(tǒng)將面臨升級(jí)換代的問(wèn)題。 中、低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)為適應(yīng)新技術(shù)發(fā)展和系統(tǒng)對(duì)容量的更大要求已形成了新的演變過(guò)渡方案，如Iridium系統(tǒng)將其運(yùn)行的衛(wèi)星數(shù)目從66顆增加至96顆。隨著1997年9月26日美國(guó)FCC頻率申請(qǐng)計(jì)劃新周期的開(kāi)始，Q、V段新系統(tǒng)紛紛推出，各公司開(kāi)始申請(qǐng)Q和V頻段新系統(tǒng)。衛(wèi)星通信的發(fā)展趨勢(shì)（續(xù)） 同步衛(wèi)星向大容量、多波束、智能化方向發(fā)展 低軌衛(wèi)星與地面蜂窩通信相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)全球個(gè)人通信 小衛(wèi)星通信地面站的廣泛應(yīng)用 數(shù)字視頻廣播(DVB)和數(shù)字音頻廣播步入家庭和個(gè)人用戶 多媒體通信和Internet接入 微小衛(wèi)星、納衛(wèi)星和皮衛(wèi)星的快速發(fā)展衛(wèi)星通

15、信技術(shù) 空間段技術(shù) 地面段技術(shù) 用戶終端技術(shù)衛(wèi)星通信技術(shù)空間段技術(shù) 衛(wèi)星通信系統(tǒng)空間段：衛(wèi)星重量、功率和尺寸，星上通信設(shè)備。衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)目增多，從最少1個(gè)增加到48個(gè)，同時(shí)每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器的容量增加到36MHz(C波段)/54MHz(Ku波段)；使用頻段從C波段(6/4GHz)移向Ku波段(14/12GHz或14/11GHz；星上天線增多，從第四代衛(wèi)星開(kāi)始逐步形成由全球波束、半球波束、區(qū)域波束和點(diǎn)波束組成的多波束系統(tǒng)，頻率復(fù)用次數(shù)增多；實(shí)現(xiàn)星上波束交換 衛(wèi)星通信技術(shù)（續(xù)） 地面段技術(shù) 以前：超低溫參數(shù)放大器，速調(diào)管或行波管放大器； 現(xiàn)在：全固化常溫低噪聲放大器和全固化功率放大器發(fā)展起來(lái)；衛(wèi)星功率不斷

16、增大，地面站逐步由大變小，天線直徑由30米減小到幾米甚至不到1米。 需要發(fā)展的一些技術(shù) 更高頻段的開(kāi)發(fā)和多頻段共用 多星共位 大型可展開(kāi)天線技術(shù) 動(dòng)態(tài)可調(diào)功率放大器技術(shù) 先進(jìn)的調(diào)制、編碼和壓縮技術(shù) 高功率、高EIRP技術(shù)星座衛(wèi)星系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 星座設(shè)計(jì) 星間鏈路 多波束天線技術(shù) 星上交換和處理 移動(dòng)性管理技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)控制和管理技術(shù) 衛(wèi)星系統(tǒng)與地面系統(tǒng)的綜合應(yīng)用 （微）小衛(wèi)星技術(shù)七、通信衛(wèi)星的分類七、通信衛(wèi)星的分類 按軌道分：GEO， HEO，MEO，LEO 按工作區(qū)域分：國(guó)際通信衛(wèi)星、國(guó)內(nèi)通信衛(wèi)星、區(qū)域通信衛(wèi)星 按應(yīng)用領(lǐng)域分：廣播電視衛(wèi)星、跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星、軍事通信衛(wèi)星（如戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)通信衛(wèi)星、艦

17、隊(duì)通信衛(wèi)星、軍用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星等）。衛(wèi)星按重量分類種類重量（kg）大衛(wèi)星1000中型衛(wèi)星5001000小衛(wèi)星100500微小衛(wèi)星10100納衛(wèi)星110皮衛(wèi)星0.11飛衛(wèi)星0.1八、衛(wèi)星通信的研究動(dòng)態(tài)八、衛(wèi)星通信的研究動(dòng)態(tài)國(guó)外衛(wèi)星研究動(dòng)態(tài)國(guó)外衛(wèi)星研究動(dòng)態(tài) 英國(guó)：Surrey大學(xué)，ICO全球通信公司的ICO(10355km, 12顆衛(wèi)星，軌道傾角45度 美國(guó)：Motorola銥系統(tǒng)，Loral和Qualcomm的全球星系統(tǒng)，Microsoft公司參與的“Teledesic”系統(tǒng) 俄羅斯：Informcosmos的Marathon-Acros（GEO,5)，2003年預(yù)計(jì)發(fā)射40余顆通信衛(wèi)星和探測(cè)衛(wèi)星 德國(guó)：SATCON公司的LEO SAT COURIER(800km，77顆衛(wèi)星，軌道傾角77度） 法國(guó)：Alcatel Espace的SkyBridge (1457km, 64顆衛(wèi)星）美國(guó)大學(xué)納衛(wèi)星計(jì)劃項(xiàng)目承擔(dān)單位“3星”星群（3-Sat）亞歷桑那大學(xué)，科羅拉多大學(xué)，新墨西哥大學(xué)電磁輻射與閃光探測(cè)（Emerald）斯坦福大學(xué)和克拉拉大學(xué)電離層探測(cè)與衛(wèi)星編隊(duì)（ION-F）猶他大學(xué)，弗吉尼亞工學(xué)院，華盛頓大學(xué)星群開(kāi)拓者（CP）波士頓大學(xué)太陽(yáng)帆（SB）納衛(wèi)星卡內(nèi)基美隆大學(xué)納衛(wèi)星的發(fā)射與釋放美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室九、衛(wèi)星通信應(yīng)用九、衛(wèi)星通信應(yīng)用 衛(wèi)星視頻廣