卫星通信技术概要课件.ppt

1、 卫星通信 -江苏理工学院江苏理工学院第一章 卫星通信概论1.1 卫星通信的含义卫星通信的含义 卫星通信是属于宇宙通信的范畴。一、宇宙通信宇宙通信1.定义：定义：以宇宙飞行体为对象的无线电通信。2.形式：形式：地球站与飞行体之间的通信。飞行体之间的互相通信 通过 飞行体实现地球站之间的相互通信 第三种形式称为卫星通信1.2 卫星通信的发展史：卫星通信的发展史：卫星通信发展主要经历了三个阶段：试验阶段、实用阶段和商用阶段。第一阶段：试验阶段 1945年，英国军官阿瑟克拉克在地球外的中继站一文中提出了卫星覆盖说该学说在20年后得到了实现。卫星覆盖说主要内容：1、在赤道平面上空35786km处设置一

2、颗卫星，可实现与地球同步。同步概念：i）卫星的旋转方向与地球的自旋方向相同（自西向东）ii）同步卫星的轨道周期=地球自转周期=24恒星时=23小时56分04秒2、从卫星向地球引两条切线，通过计算，两切点间的弧线距离为18100km。单颗同步卫星可实现的最大距离为18100km3、以120等间隔的配置三颗同步卫星可实现全球通信。4、通过在重叠区内建立中继站，可实现不同卫星覆盖区的地球站之间的通信。结论：以太阳能为动力，通过在赤道平面上空等间隔的放置三颗同步卫星和在重叠区设置中继站，可实现全球通卫星通信。第二阶段：实用阶段第二阶段：实用阶段 1964年，美国人成功发射了“辛康姆”卫星事件标志着卫星

3、通信进入实用阶段，标志性体现在：1、成功的进行了电话和电视的传输试验。2、向美国国内传播在日本东京举行的奥运会。第三阶段：商用阶段第三阶段：商用阶段 由于卫星通信带来的巨大经济效益。卫星通信商用化逐渐提上了议事日程。1、1961年，J.F.Kennedy第一个提出了商用通信业务的概念 2、1962年在卫星通信条例的基础上建立了美国通信卫星的公司 communication satellite corporationCOMST 3、1964年，卫星通信领域中最重要的商业化组织（国际电信卫星组织）成立，目前该组织已经有140多个全员国和40多个投资实体。INTELSAT(international

4、 telecommunication satellite consortium)4、1965年，第一颗商用卫星IS-I（晨鸟一号）进入静止轨道，成为第一代国际通信卫星，目前已经经历了八代，第九代正在建立。1.3 卫星通信系统的分类卫星通信系统的分类一、按覆盖范围分 1、国际卫星通信系统提供全球范围内的电话和电视数据线路。（前苏联的“闪电”号卫星及实现全球通信三颗同步卫星）2、国内卫星通信系统为本国提供卫星业务的系统 3、区域卫星通信系统低轨卫星。（用于特殊服务，地质勘测，海洋勘探等）二、按卫星业务分类二、按卫星业务分类 1、卫星固定业务：向现有的电话网（PSTN）和有线电视网（CATV）提供卫

5、星链路，用来传输语音信号和电视信号。2、卫星广播业务：直播到户的卫星电视，通过家庭卫星接收机接收星上的电视信号。3、卫星移动业务：为飞机，轮船，车辆提供的车载或船载的无线终端服务。4、卫星导航业务：全球定位系统（GPRS）5、卫星气象业务：对天气信息做动态分析，得到第一手的气象资料。6、科学试验业务：开辟行的频段，用于研究卫星新领域的应用。三、按传输方式三、按传输方式 1、频分多址（FDMA）2、时分多址（TDMA）3、码分多址（CDMA）4、空分多址（SDMA）5、混合多址四、按传输基带信号的体制四、按传输基带信号的体制 1、模拟制卫星通信系统（基带信号带为模拟信号）I）话音信号：30034

6、00HZ（通过SSB调制，加载到卫星上行链路的载波）II)电视信号：4.2MHZ（视频信号+伴音信号）通过AM和FM调制加载到卫星上行链路。2、数字制卫星通信系统（基带数字信号调制到微波载波上）ASK（幅移键控）FSK（频移键控）BPSK（二进制相移键控）DPSK（差分键控）QPSK（正交键控）五、按照所用频段五、按照所用频段 1、UHF（特高频）卫星通信系统 2、SHF（超高频）卫星通信系统 3、EHF（极高频）卫星通信 4、激光卫星通信系统1.4 卫星业务的频率分配（重点）卫星业务的频率分配（重点）一、频段表示法一、频段表示法 例：试计算万米波的频率范围。解：以此类推：随着波长下降一个数量

7、级，则频率上升一个数量级，而目前卫星通信的主要波段集中在微波段，VHF（甚高频），UHF（特高频），SHF（超高频），EHF（极高频）二、卫星业务在微波段的频率分配二、卫星业务在微波段的频率分配 卫星业务在不同的频段有不同的业务分配：三、区域划分三、区域划分 ITU（国际电信联盟）不仅在频段上做了业务分配，而且在区域上做了划分。区域1：欧洲，非洲，前苏联和蒙古；区域2：南北美洲和格陵兰岛；区域3：亚洲 澳洲和西南太平洋。练习：试判断以下国家属于第几区？斐济，立陶宛，洪都拉斯，也门。答：3 ，1 ，2 ，31.5 卫星通信的特点：卫星通信的特点：一、优点一、优点1、通信距离远，建站成本对距离不敏

8、感，单颗同步卫星可实现的最大距离为18100km。利用卫星实现50km和5000km两地球站之间的通信。其通信的建站成本是一样的，卫星通信最适合光缆、电缆达不到的恶劣地区或边远山区。2、覆盖面积大，单颗同步卫星能有效覆盖地球表面三分之一地区，三颗同步卫星便能实现除两极以外的全球通信。3、传输频带宽 目前通信卫星所使用的频段从VHF(基高频)SHF（超高频），即从30MHZ300GHZ，仅次于光纤通信的带宽。折合成现有线路=3000路电话信号+3路电视信号。4、通信线路稳定可靠 卫星通信的电磁波主要在大气层以外的宇宙空间传播，宇宙空间视作均匀介质，传输线路稳定。5、机动性能好 卫星通信不仅能为地

9、球站提供长距离的干线通信，而且能为各类车载，船载等提供移动终端服务。二、缺点二、缺点1、两极地区为通信盲区，高纬度的通信效果不好；2、卫星的发射成本高，空间的测控技术较为复杂；3、客观上存在日凌中断和星蚀现象。I）日凌中断 在春分前后六天中卫星处在太阳和地球之间，并处在同一条直线上，此时太阳就像一个极大的噪声源，严重干扰了卫星天线接收信号，从而造成每天有几分钟的通信中断，这种现象称作日凌现象。II）星蚀现象：在秋分前后的23天中，卫星进入地球的阴影区，此时太阳、地球和卫星在同一直线上，由于受到地球的阻挡，导致太阳能电池不能正常工作，从而影响卫星天线的接收信号，该现象称为星蚀现象。4、存在较大的

10、信号延迟如何确定延时时间Td 同步卫星与地球站间的距离d d=35786+6378（地球半径）=42164（km）Td=2d/c=0.27s 为消除0.27s的时间延迟，必须增加回波抵消器，大大增加了星上设备的复杂程度。第二章第二章 通信卫星通信卫星 在卫星通信系统中，通信卫星是最重要的组成部分2.1 通信卫星的轨道参数通信卫星的轨道参数 2.2 同步卫星运动的基本规律同步卫星运动的基本规律一、卫星轨道的有关术语：二、开普勒三大定律 卫星围绕地球运动与行星围绕太阳运动遵循相同定律。补充说明：开普勒三大定律只是描述了卫星运动的基本规律，但真正对此作出解释的是牛顿的三大定律和万有引律。将轨道曲线投

11、影到赤道面，得到卫星绕地心做椭圆曲线的平面图 第二定律：第二定律：第三定律：轨道周期的平方正比于轨道长半轴的立方。关键是求：近地点的瞬时速度 例2：2.3 卫星的摄动卫星的摄动一、定义 由于地球结构的不均匀和太阳，月亮等其他星体引力的影响，使卫星的轨道不断偏离由开普勒法则所确定的理想轨道，产生一定的漂移，将该现象称为卫星的摄动。二、引起摄动的原因1、太阳、月亮等星体引力的影响 LEO：地球引力占绝对的优势，其它星体的引力影响可忽略。HEO：太阳、月亮等星体的引力影响较大，使轨道倾角发生累积性的变化，导致卫星轨道发生南北方向的漂移。2、地球引力场的不均匀 地球是一个呈扁平状的椭圆球体，由于表面起

12、伏不平，造成地球引力场的不均，导致卫星轨道发生东西方向的漂移（对LEO,HEO均有影响）3、地球大气阻力的影响HEO：处于地球大气层以外的宇宙空间，大气阻力的影响可忽略。LEO：轨道高度较低，受大气阻力影响较大，导致卫星位置逐年下落。4、太阳辐射压力的影响小卫星：由于表面较小，太阳辐射压力可不计。大卫星：由于太空的接触面积较大，必须安装位置保持推进装置来减少太阳辐射压力的影响。2.4 卫星轨道的分类卫星轨道的分类一、按轨道形状（偏心率）圆轨道 e=0（同步卫星由于要求匀速绕地球运行，只能是圆轨道）椭圆轨道0e1 二、按轨道倾角i轨道面与地球赤道面的夹角 1、i=0赤道轨道（同步卫星的轨道就是赤

13、道轨道）2、0i90倾斜轨道 3、i=90极轨道（与赤道面垂直）三、按卫星轨道高度 1、H5000km 低轨道LEO 2、5000kmH20000km 中轨道 MEO 3、H20000km 高轨道 HEO（同步卫星是高轨道H=35786km）四、按卫星和地球是否保持相对静止关系 1）卫星旋转方向与地球自旋方向一致（由西向东）2）卫星的运行周期=24恒星时 （满足关系称为相对静止）结论：克拉克提出的同步卫星轨道特征：圆轨道、赤道轨道、高轨道、对地静止轨道。重点：摄动值（漂移值）的求解 例2、计算摄动情况下的a值 2.5 同步卫星轨道（对地静止轨道）一、同步卫星的覆盖区一、同步卫星的覆盖区 第三章

14、第三章 无线电电波频率窗口的选择无线电电波频率窗口的选择引言：电波频率窗口的选择是一个十分重要的问题，直接涉及到了卫星 系统的传输容量3.1 频率窗口的选择一、选择的依据一、选择的依据1、无线电波要能顺利刺穿大气层，传播的附加损耗要尽可能小；2、合理使用无线电频谱，防止各类通信业务之间相互干扰。第二依据：国际电信联盟已经在区域上做频段上做了明确的划分：区域上I，II，III 频段上 VHF UHF SHF EHF 本章主要讨论第一个依据。二、地球大气层的分层 三、大气层的传播损耗三、大气层的传播损耗传输过程分为两段：第一段：大气层的传播损耗，占主导地位，主要包括三方面的损耗。1、水晶、云、雾、

15、雨、雪等等吸收与折射2、对流层中氧分子和水分子的吸收3、电离层中自由电子和离子的吸收第二段：自由空间，属于宇宙空间范畴，介质均匀，因此传播损耗很小。四、频率窗口的选择 通过分析，我们便得到了两个无线电频率窗口 3.2 降雨衰减降雨衰减 前面我们所讲的是对流层和电离层对无线电波的影响，我们还要考虑降雨层对传播的影响。2、降雨的单位衰减 降雨的单位衰减是降雨量的函数，写成数学形式为：三、降雨总衰减A 单位衰减的值确定以后，便能求出总的衰减量 A=L（dB）单位衰减 L信号经过降雨区域的有效路径长度（km）第四章 卫星通信系统的组成4.1 卫星通信系统的组成卫星通信系统的组成 一个完整的卫星通信系统

16、由空间段、地面段和用户段三部分组成：一、空间段：也称空间分系统，通常是指通信卫星，研究的重点二、地面段：一般包括地球站群，测控系统和监控中心 1、地球站群：包括一个中央地球站和若干个普通地球站，中央站和普通站之间采用高度集中的星形网络结构 2、测控系统：a）发射卫星时，控制其准确进入轨道 b）卫星正常运行后，定期对卫星进行轨道参数的修正 3、监控中心：对卫星通信性能进行监测和管理，通信性能包括：卫星转发器的功率，卫星天线的增益，地球站的发射功率。三、用户段：由各种用户终端所构成的用户群 1、固定用户：公共电话交换网（PSTN），公共移动地面网（PLMN）。2、移动用户：各类终端手机和车载电话等

17、。3、其他针对各行各业的地面传输网络。4.2 通信卫星的组成及部分功能通信卫星的组成及部分功能通信卫星主要有两部分组成：有效载荷：装载于卫星上用于完成通信任务的仪器设备的总称。卫星公用舱：用于安装固定有效载荷的服务系统。二、卫星公用舱的组成二、卫星公用舱的组成五个分系统组成。姿态和轨道控制系统Aocs（Attitude and orbit control subsystem）该分系统主要实现两个功能：姿态控制和轨道控制。1、姿态控制使卫星对地球保持正确的姿态。何谓正确的姿态：a)卫星的天线波束始终对准地球保证信号收发顺畅 b)卫星的太阳能帆板电池对准太阳保持电源的供给 目前主要有三种姿态控制技

18、术：a)自旋稳定技术：依靠卫星的自旋来调整姿态。（早期同步卫星采用该技术）b)三轴稳定技术（首先要弄清是哪三轴）：滚动轴：指向地球方向 偏航轴：轨道切线方向 俯仰轴：与上述两轴所确定的平面相垂直的轴2、轨道控制通过安装位置保持器，消除摄动的影响，克服轨道漂移现象。遥测遥控分系统遥测遥控分系统（掌握该分系统的工作过程）利用各种传感器和敏感元件测得相关数据（卫星的姿态数据，卫星的工作状态数据等等）将这些数据进行放大和多路复用后通过编码调制将信号发向地球站地球站检测出遥测信号转送给卫星监控中心进行分析和处理地球站向卫星发出相关的控制指令。电源分系统电源分系统双电源（太阳能阵列+备份电池）通信卫星一般

19、采用太阳能阵列作为主电源，并同时配备一个备份电池，用于在发生星蚀现象时提供电源供给。热控分系统热控分系统 卫星在太空中运行时，卫星的一侧受太阳直接照射，温度非常高，卫星的另一侧对着温度为-270的夜空，为避免卫星上的电子设备工作在极冷或极热的环境中，采用热控分系统来控制卫星的温度。结构分系统结构分系统 由于卫星在发射过程中要遭受强烈的振动，通过该分系统最大限度的减少振动的影响三、有效载荷的组成三、有效载荷的组成 转发器转发器（顾名思义具有转发信号的功能）从功能上分为两种：透明转发器和处理转发器。1、透明转发器只单纯的完成转发任务 a、定义：卫星接收到地球站信号后，只进行简单的变频和功放处理后，

20、便发送回地球站 b、分类：（根据在处理过程中是否对信号进行变频可分为两类）单变频：将接收到的信号直接放大后发送给地球站，未做变频处理。特点：由于未进行变频处理，频带宽度较宽，适合多载波工作，工作稳定性欠缺。双变频：将接收到的信号变频为中频后再进行放大 特点：中频带宽窄，不适合多载工作。中频增益高，增强了单载波传输的稳定性。2、处理转发器除完成转发任务外，还具有信号处理功能 a、工作原理：接收天线将接收到的信号进行前置放大，经下变频变换为中频信号，进行解调译码后，将得到的基带数字信号送入信号处理单元进行处理，最后经编码调制后，由发送天线发向地球站。b、分类（信号处理单元的功能性）信息处理转发器：

21、在解调过程中能对数字信号进行解调再生，从而消除噪声积累 空间交换转发器：实现不同卫星天线波束之间的交换透明转发器和处理转发器的图标比较：天线用于定向发射和接收无线电信号的设备 按覆盖范围分为两类：1、全向天线：天线向各不方向均匀辐射电磁波 2、定向天线：把电磁波能量聚集在某一方向辐射 定向天线根据辐射区域大小又可分为：a、点波束天线：呈抛物面型，辐射范围集中在某一点上 b、区域波束天线：呈半喇叭型，辐射范围集中在某一特定区域4.5 卫星通信线路卫星通信线路一、定义：卫星通信线路是指包括无线电波至地面传输信号在内的整个线路。二、组成：由发端地球站，上行链路，卫星转发器，下行链路和收端地球站五部分

22、组成。三、实质：结论1：通过上行链路和下行链路实现了地球站A到地球站B的单向通信线路 结论2：若要实现地球站B到地球站A的通信，必须采用不同一组的上、下行频率，从而防止频率间的相互干扰。结论3：卫星通信线路的实质是由两条传输方向相反的单向信道组成的双工通信线路。第五章 卫星通信线路的计算 卫星通信线路的计算主要与两个参量有关发送功率和接收功率。上行链路：地球站端是发射功率，卫星端是接收功率；下行链路：卫星端是发送功率，地球站端是接收功率。5.2 有效全向辐射功率有效全向辐射功率EIRP 三、大气吸收损耗与电离层损耗三、大气吸收损耗与电离层损耗1、大气吸收损耗AA 该损耗是由于大气层中的水气分子和氧分子吸收引起的，其大小与地球站天线的接收仰角有关，由于通常情况下损耗值1dB，所以一般在链路设计时，留有1dB以上的余量。四、馈线损耗四、馈线损耗RFL 定义：接收机天线与接收机之间的损耗称为馈线损耗，馈线损耗用RFL来表示，这类损耗主要是由耦合器和滤波器引起的，其数值在铭牌参数上会给出。5.4载波接收功率载波接收功率 在天线增益G，有效全向辐射功率EIRP，传输损耗L的基础上计算载波接收功率。一、模型