现代通信技术概论-第6章卫星通信系统.pdf

1、现代通信概论现代通信概论现代通信概论现代通信概论授课教师：徐少毅授课教师：徐少毅办公室办公室：九教南九教南304办公室办公室：九教南九教南304E-mail：公共邮箱公共邮箱dt jl i公共邮箱公共邮箱：密码：密码：xsy2011开放作业题目：开放作业题目：1.乘坐飞机时上网及通信的方案？（自由发挥，自由设计）2 未来的世界通信将怎样改变我们的生活？（可以参考科2.未来的世界通信将怎样改变我们的生活？（可以参考科幻大片，模拟一个场景，或者描述普通人一天的生活）3 为手机设计些新的应用并描述实现的方法3. 为手机设计一些新的应用，并描述实现的方法。4.发生自然灾害或者群体性事件时，如何实现安全

2、、有效地数据视频图片语音等的通信？地数据、视频、图片、语音等的通信？原则：想象越大胆解决方案越合理越好想象越大胆，解决方案越合理越好。最多4个人1组。最后每组做成PPT上台讲下交份report3000最后每组做成PPT上台讲一下，交一份report，30005000字。2第第6章 卫星通信系统章 卫星通信系统6.1 概述卫星运行轨道6.2 卫星运行轨道6 3 卫星通信的多址方式6.3 卫星通信的多址方式6.4 VSAT系统6.5 卫星导航定位系统36.1 概述概述 卫星通信是指设置在地球上（包括地面、水面卫星通信是指设置在地球上（包括地面、水面和低层大气中和低层大气中）的无线电通信站之间利用人

3、造的无线电通信站之间利用人造和低层大气中和低层大气中）的无线电通信站之间利用人造的无线电通信站之间利用人造地球卫星作中继站转发或反射无线电波，在两地球卫星作中继站转发或反射无线电波，在两个或多个地球站之间进行的通信个或多个地球站之间进行的通信个或多个地球站之间进行的通信个或多个地球站之间进行的通信。 卫星通信是在地面微波中继通信和空间电子技卫星通信是在地面微波中继通信和空间电子技术的基础上发展起来的一种通信方式，它是宇术的基础上发展起来的一种通信方式，它是宇宙无线通信的主要形式之宙无线通信的主要形式之一一，也是微波通信发也是微波通信发宙无线通信的主要形式之宙无线通信的主要形式之，也是微波通信发

4、也是微波通信发展的一种特殊形式。展的一种特殊形式。46.1 概述概述卫星通信又是宇宙无线电通信形式之一，而宇宙通信是指以宇宙飞行体为对象的无线宇宙通信是指以宇宙飞行体为对象的无线电通信，它有三种形式：电通信它有种形式（1）宇宙站与地球站之间的通信；（2）宇宙站之间的通信；（3）通过宇宙站转发或反射而进行的地球站间的（3）通过宇宙站转发或反射而进行的地球站间的通信。6.1.1 卫星通信发展简史卫星通信发展简史星通信的起源星通信的起源卫卫星通信的起源星通信的起源66.1.1 卫星通信发展简史卫星通信发展简史年年月月前苏联成功发射了世界上第颗低轨人前苏联成功发射了世界上第颗低轨人1957年年10月月

5、，前苏联成功发射了世界上第前苏联成功发射了世界上第一一颗低轨人颗低轨人造地球卫星造地球卫星Sputnik。1958年年美国宇航局发射了美国宇航局发射了“SCORE”卫星卫星并通过并通过1958年年，美国宇航局发射了美国宇航局发射了SCORE 卫星卫星，并通过并通过该卫星广播了美国总统圣诞节祝词。该卫星广播了美国总统圣诞节祝词。1962年年，美国美国电电话话电电报公司发射了报公司发射了“电星” ，它“电星” ，它可可进进年年美国话报公司发射了美国话报公司发射了可可行电话、电视、传真和数据的传输。行电话、电视、传真和数据的传输。1964年年8月，美国发射了首颗静止轨道的通信卫星“辛月，美国发射了首

6、颗静止轨道的通信卫星“辛康姆康姆3号号”（SYNCOM 3）并利用它成功地进行了电并利用它成功地进行了电康姆康姆3号号”（SYNCOM-3），并利用它成功地进行了电并利用它成功地进行了电话、电视和传真的传输试验。话、电视和传真的传输试验。1965年年4月月，INTELSAT把原名为把原名为“晨鸟晨鸟” 的第的第1代代1965年年4月月，INTELSAT把原名为把原名为晨鸟晨鸟的第的第1代代“国际电信卫星” 射入地球静止轨道。“国际电信卫星” 射入地球静止轨道。1970年年4月月24日，我国在酒泉卫星发射中心成功地发日，我国在酒泉卫星发射中心成功地发7射了第一颗人造地球卫星“东方红一号”。射了第

7、一颗人造地球卫星“东方红一号”。6.1.2 卫星通信的特点卫星通信的特点静止卫星通信的优点：静止卫星通信的优点： 通信距离远且费用与通信距离无关 通信距离远，且费用与通信距离无关 覆盖面积大，可进行多址通信 通信频带宽传输容量大 通信频带宽，传输容量大 信号传输质量高，通信线路稳定可靠 建立通信电路灵活机动性好 建立通信电路灵活、机动性好缺点缺点：缺点缺点：通信时延较长通信时延较长通信链路易受外部条件影响通信链路易受外部条件影响存在星蚀和日凌中断现象存在星蚀和日凌中断现象8存在星蚀和日凌中断现象存在星蚀和日凌中断现象日凌日凌日凌：每年春分和秋分前后，太阳运行到地球赤道上空。由于这时太阳距离地球

8、最近，太阳发出的电磁波对地球的辐射于这时太阳距离地球最近，太阳发出的电磁波对地球的辐射最为强烈，这就是天文学上的“日凌”现象。由于通讯卫星多定点在赤道上空运行，在这期间，如果太阳、通信卫星和地面星接收天线恰在条直线上么电磁波对于人地面卫星接收天线恰巧又在一条直线上，那么电磁波对于人造卫星的影响也就最为强烈，严重的会造成卫星信号传输出现障碍地球上的卫星接收系统在接收到卫星信号时也接收现障碍，地球上的卫星接收系统在接收到卫星信号时也接收到大量太阳辐射的杂波，无法识别有用信号，造成信号质量下降甚至中断。下降甚中断9星蚀星蚀当地球处于卫星与太阳之间时，地球把阳光遮挡，此时卫星的太阳能电池不能正常工作，

9、星载电池只此时卫星的太阳能电池不能正常工作，星载电池只能维持卫星自转而不能支持转发器正常工作，这种现象造成的通讯中断称为星蚀。一般中断时间为5-现象造成的通讯中断称为星蚀。般中断时间为515分钟不等。106.1.3 卫星通信的工作频段卫星通信的工作频段选择工作频段时考虑的因素选择工作频段时考虑的因素 工作频段的电磁波应能轻易穿透电离层； 工作频段的电磁波应能轻易穿透电离层； 电波传播损耗应尽可能地小； 天线系统引入的外部噪声要小； 天线系统引入的外部噪声要小； 有较宽可用频带，与地面现有的通信系统的兼容性要好，且相互间的干扰要小；容性要好，且相互间的干扰要小； 星上设备重量要轻，消耗的功率要小

10、； 尽可能地利用现有的通信技术和设备； 尽可能地利用现有的通信技术和设备； 与其他通信、雷达等电子系统或电子设备之间的相互干扰要小。11的相干扰要小6.1.3 卫星通信的工作频段卫星通信的工作频段卫星通信的频段范围卫星通信的频段范围 卫星通信的频率范围一般选在微波频段 卫星通信的频率范围般选在微波频段（300MHz 300GHz）。 微波频段的特点是：有较宽的频谱，可以获得较大的通信容量；天线增益高、尺寸小；现有的微波通信设备稍加改造就可以利用。此外，考虑到卫星处于电离层之外的外层空间，而微波频率恰恰能够较容易地穿透电离层波频率恰恰能够较容易地穿透电离层。126.1.3 卫星通信的工作频段卫星

11、通信的工作频段微波频段频率范围（微波频段频率范围（GHz）微波频段频率范围（）微波频段频率范围（GHz）微波频段频率范围（）微波频段频率范围（GHz）L1 2K18 26E60 90S2 4Ka26 40W75 110C4 8Q33 50D110 170X8 12U40 60G140 220X8 12U40 60G140 220Ku12 18V50 75Y220 325136.1.4 卫星通信系统的组成卫星通信系统的组成146.1.4 卫星通信系统的组成卫星通信系统的组成空间段空间段15通信卫星的组成通信卫星的组成通信卫星的组成通信卫星的组成166.1.4 卫星通信系统的组成卫星通信系统的组成

12、通信分系统通信分系统 卫星上的通信分系统又称为转发器，它实 卫星上的通信分系统又称为转发器，它实际上是一个提供卫星发射天线和接收天线之间链路连接的设备，是构成卫星通信的之间链路连接的设备，是构成卫星通信的中枢，其功能是使卫星具有接收、处理并重发信号的能力。重发信号的能力 转发器按照变频方式和传输信号形式的不同可分为单变频转发器双变频转发器和同可分为单变频转发器、双变频转发器和星上处理转发器。176.1.4 卫星通信系统的组成卫星通信系统的组成单变频转发器单变频转发器186.1.4 卫星通信系统的组成卫星通信系统的组成双变频转发器双变频转发器196.1.4 卫星通信系统的组成卫星通信系统的组成星

13、上处理转发器星上处理转发器206.1.4 卫星通信系统的组成卫星通信系统的组成天线分系统天线分系统 天线分系统承担天线分系统承担了接收上行链路信号和发射下行链路信号的双重任务。 卫星天线分为遥测指令天线和通信天线两类。21通信卫星的组成通信卫星的组成通信卫星的组成通信卫星的组成226.1.4 卫星通信系统的组成卫星通信系统的组成跟踪、遥测和指令（跟踪、遥测和指令（TT&C）分系统）分系统 跟踪设备用来为地球站跟踪卫星发送信标。来信 遥测部分用来对所有的卫星分系统进行监测，获得有关卫星姿态及星内各部分工作状态等的获得有关星姿态及星内各部分作状态等的数据，经放大、多路复用、编码、调制等处理后，通过

14、专用的发射机和天线发给地面的TT&C站。 指令部分专门用来接收和译出TT&C站发给卫星的指令，控制卫星的运行。236.1.4 卫星通信系统的组成卫星通信系统的组成控制分系统控制分系统 控制分系统（CS）由一系列机械的或电子的可机械控调整装置组成，在TT&C站的指令控制下完成对卫星轨道位置、姿态、工作状态等的调整与控制。 CS需要完成两种控制，即姿态控制姿态控制和位置控制位置控制。姿态控制主要是保证天线波束始终对准地球，同时确保太阳能电池帆板始终对准太阳。位置控制用来消除体引力产生的摄动影响使控制用来消除天体引力产生的摄动影响，使卫星与地球的相对位置保持固定。246.1.4 卫星通信系统的组成卫

15、星通信系统的组成电源分系统电源分系统 通信卫星的电源除要求体积小、重量轻、效率信的电源除要求体积小量轻效率高之外，最主要的还应在其寿命期内保持输出足够的电能。 在宇宙空间，阳光是最重要的能源，在有光照时，主要使用太阳能电池产生功率；当卫星处于发射状态或处于地球阴影区时，使用蓄电池来保证电源功率。256.1.4 卫星通信系统的组成卫星通信系统的组成地面段地面段266.1.5 卫星通信系统的分类卫星通信系统的分类 按应用分：海事卫星移动系统按应用分：海事卫星移动系统航空卫星移动系统航空卫星移动系统陆地卫星移动系统 按频率分按频率分：L L波段卫星波段卫星KaKa波段卫星等波段卫星等 按频率分按频率

16、分：L L波段卫星波段卫星，KaKa波段卫星等波段卫星等 按区域分：全球、区域和国内通信卫星按区域分：全球、区域和国内通信卫星按轨道分按轨道分低轨道卫星低轨道卫星 按轨道分按轨道分：低轨道卫星低轨道卫星中轨道卫星中轨道卫星高椭圆轨道卫星高椭圆轨道卫星同步卫星（同步卫星（1）静止（同步）卫星：卫星的运行轨道在赤道平 面内 ， 高 度 约平 面内 ， 高 度 约35800Km，运行方向与地球自转方向相与地球自转方向相同，自转周期相等。6.2.3 卫星轨道的摄动卫星轨道的摄动引起卫星轨道摄动的主要力学因素引起卫星轨道摄动的主要力学因素 地球引力场的不均匀性 地球引力场的不均匀性 地球大气层阻力太阳月

17、亮引力的作用 太阳、月亮引力的作用 太阳光压296.3 卫星通信的多址方式卫星通信的多址方式6.3.1 频分多址FDMA6 3 2 时分多址TDMA6.3.2 时分多址TDMA6.3.3 码分多址CDMA6.3.4 空分多址SDMA30FDMA将整个传输频带分为多个子频带，每路信号在不同的子频带上同时传输。k2k3k4k5k6k1优点：发射机和接收机之间无需专门协作发射机和接收机之间无需专门协作。234561c发射机和接收机之间无需专门协作发射机和接收机之间无需专门协作。也适用于传输模拟信号。也适用于传输模拟信号。缺点缺点：如果平均分配频率资源，将造成不必要的浪费如果平均分配频率资源，将造成不

18、必要的浪费灵活性差灵活性差t灵活性差灵活性差需要保护频带需要保护频带FDMA原理示意图原理示意图32TDMA将整个信道按照不同时间分给不同路的信号传输。当时间重叠时会怎么样当时间重叠时会怎么样？k2k3k4k5k6k1当时间重叠时会怎么样当时间重叠时会怎么样？优点：产生较高的速率产生较高的速率（有效性有效性）fc产生较高的速率产生较高的速率（有效性有效性）缺点：t需要精确的同步需要精确的同步为什么？为什么？tTDMA原理示意图原理示意图34TDMA & FDMA将上述两种方法结合起来：GSM系统优点：优点：具有较高的数据传输速率具有较高的数据传输速率缺点k2k3k4k5k6k1f缺点：需要收发

19、双方的精确协作。需要收发双方的精确协作。ctCDMA每路信号都分配一个独一无二的扩频码k2k3k4k5k6k1所有信号同时，同频传输所有信号同时，同频传输优点：c优点：高效的带宽利用率高效的带宽利用率无需协作和同步无需协作和同步无需协作和同步无需协作和同步防止干扰防止干扰缺点f缺点：信号生成过程复杂信号生成过程复杂t精确功控精确功控CDMA原理示意图原理示意图SDMA根据各地球站所处的空间区域的不同而加以区分依靠卫星的窄波束的差异加以实现有利于实现频率的高度复用；但是对卫星的姿态有很高要求；但是对卫星的姿态有很高要求；SDMA原理示意图原理示意图39上述四种多址方式的比较上述四种多址方式的比较

20、参见表参见表6-2。406.4 VSAT系统系统6.4.1 VSAT网的组成6 4 2 VSAT的工作过程6.4.2 VSAT的工作过程416.4.1 VSAT网的组成网的组成426.4.1 VSAT网的组成网的组成主站（中心站）主站（中心站） 主站又称中心站（中央站）或枢纽站，是 VSAT主站又称中心站（中央站）或枢纽站，是 VSAT网的重要组成部分。 主站使用大型天线，其天线直径一般约为3.5 主站使用大型天线，其天线直径般约为3.5 8 m（Ku波段）或7 13 m（C波段），并配有高功率放大器、低噪声放大器、上/下变频器、调制解调器及数据接口设备等。 主站内设有一个网络控制中心，对全网

21、运行状况站内设有个络控制中对行状况进行监控和管理。 主站的设备皆设有备份。43站的设备皆设有备份6.4.1 VSAT网的组成网的组成小站（小站（VSAT） VSAT小站由小口径天线室外单元和室内单元组成 VSAT小站由小口径天线、室外单元和室内单元组成。 VSAT天线有正馈和偏馈两种形成，正馈天线尺寸较大，而偏馈天线尺寸小性能好，且结构上不易积大，而偏馈天线尺寸小、性能好，且结构上不易积冰雪，因此常被采用。 室外单元主要包括GaAsFET固态功放、低噪声场效室外单元主要包括GaAsFET固态功放、低噪声场效应管放大器、上/下变频器和相应的监测电路等。 室内单元主要包括调制解调器、编译码器和数据

22、接口设备等。446.4.1 VSAT网的组成网的组成空间段空间段 VSAT网的空间部分是C频段或Ku频段同步卫 VSAT网的空间部分是C频段或Ku频段同步卫星转发器。456.4.2 VSAT的工作过程（的工作过程（1）在VSAT网中，小站和主站通过卫星转发器连成星型网络结构所有的小站可直接与主站互通成星型网络结构，所有的小站可直接与主站互通。小站之间的通信以双跳方式来完成，即由小站首先将信号发送给主站然后由主站转发给其它小站将信号发送给主站，然后由主站转发给其它小站。在VSAT网中，一般采用分组传输方式，任何进入网络的数据在网内发送之前首先要进行格式化即网络的数据在网内发送之前首先要进行格式化

23、，即每份较长的数据分解成若干固定长度的“段”，每“段”再加上必要的地址和控制信息并按规定的格段再加上必要的地址和控制信息并按规定的格式进行排列作为信息传输单位，通常称之为“分组”46组。6.4.2 VSAT的工作过程的工作过程出站（出站（outbound）传输）传输在VSAT网中主站向外方向发送的数据 在VSAT网中，主站向外方向发送的数据，也即从主站通过卫星向小站方向传输的数据称为出站传输据称为出站传输。 出站信道通常采用时分复用（TDM）或统计时分复用（STDM）技术组成TDM帧，通过卫星以广播方式发向所有远端小站。476.4.2 VSAT的工作过程的工作过程TDM帧结构486.4.2 V

24、SAT的工作过程的工作过程入站（入站（inbound）传输）传输各远端小站通过卫星向主站传输的数据称为入 各远端小站通过卫星向主站传输的数据称为入站传输数据。在VSAT网中各用户终端可以随机地产生信 在VSAT网中，各用户终端可以随机地产生信息，由此入站数据一般采用随机方式发射突发性信号性信号。 采用信道共享协议，一个入站信道可以同时容纳许多小站纳许多小站。496.4.2 VSAT的工作过程的工作过程TDMA信道帧结构50卫星导航定位系统（卫星导航定位系统（1）全球定位系统（GPS）Galileo全球卫星导航定位系统Galileo全球卫星导航定位系统中国的北斗一号卫星定位导航系统51本章小结及知识点本章小结及知识点卫星通信的概念和特点卫星通信的工作频段卫星通信的工作频段卫星通信系统的组成和分类卫星轨道的类型卫星轨道的类型卫星轨道的摄动卫星通信的多址方式VSAT系统VSAT系统52