1、现代卫星通信技术现代卫星通信技术电子工业出版社现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）内容提要内容提要卫星通信的定义、分类、特点、工作频段及基本组成。卫星的种类、运动轨道及覆盖范围。静止卫星的设置及主要观察参数的计算。卫星的组成及各组成部分的主要功能。卫星的主要技术指标。多址技术。地球站的分类及其性能要求。地球站的组成及各部分的主要功能。VAST卫星通信系统的特点、构成形式及工作频段。 现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）1 卫星通信概述卫星通信概述1.1 卫星通信的概念卫星通信的概念1卫星通信的定义卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电信号，在两个或多个地球站之间进行的通信
2、现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）1 卫星通信概述卫星通信概述2地球卫星的轨道现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）1 卫星通信概述卫星通信概述3卫星通信系统的分类现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）1 卫星通信概述卫星通信概述现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）1 卫星通信概述卫星通信概述4卫星通信的发展与应用（1）20世纪40年代提出构想及探索。（2）20世纪50年代进入试验阶段。（3）20世纪60年代中期，卫星通信进入实用阶段。（4）20世纪70年代初期，卫星通信进入国内通信阶段。（5）20世纪80年代，VSAT（Very Small Aperture Termi
3、nal）卫星通信系统问世，卫星通信进入了一个突破性的发展阶段。现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）1 卫星通信概述卫星通信概述卫星通信的应用如图现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）1 卫星通信概述卫星通信概述1.2.1 静止卫星通信静止卫星通信目前，绝大多数通信卫星是地球同步卫星（静止卫星）。静止卫目前，绝大多数通信卫星是地球同步卫星（静止卫星）。静止卫星的条件如下：星的条件如下：（1）卫星的运行轨道在赤道平面内。）卫星的运行轨道在赤道平面内。（2）卫星运行的轨道形状为圆形轨道。）卫星运行的轨道形状为圆形轨道。（3）卫星距地面的高度约为）卫星距地面的高度约为35786.6km。（4
4、）卫星运行的方向与地球自转的方向相同，即自西向东。）卫星运行的方向与地球自转的方向相同，即自西向东。（5）卫星绕地球运行一周的时间恰好是）卫星绕地球运行一周的时间恰好是24h，和地球的自转周期，和地球的自转周期相等。相等。现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）1 卫星通信概述卫星通信概述1.2.2 静止卫星的特点静止卫星的特点1. 静止卫星通信的优点静止卫星通信的优点（1）由于卫星的高度较高，因而一颗卫星对地球表面的覆盖区域面积大。（2）由于卫星相对于地球表面是静止的，因此地球站不需要复杂的跟踪系统就能使自己的天线对准卫星。（3）多谱勒频移可以忽略。（4）通信中不会因更换卫星而使通信中断。
5、（5）因大气层的厚度一般认为是16km，因此，绝大部分的通信信道位于自由空间，信道特性稳定。2. 静止卫星通信的缺点静止卫星通信的缺点（1）由于卫星的高度为35 786.6km，信号的传输损耗、传输时延和回波干扰都较大。（2）地球的两极存在“盲区”，高纬度地区通信效果不好。（3）卫星发射和控制技术比较复杂。（4）由于静止卫星轨道只有一条，因此，轨道上所能容纳的静止卫星数量有限。现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）1 卫星通信概述卫星通信概述1.2.3 影响静止卫星通信的因素影响静止卫星通信的因素1. 摄动摄动（1）太阳、月亮的引力。）太阳、月亮的引力。（2）其他原因。如地球引力不均匀，地
6、球大气层的阻力和太阳的）其他原因。如地球引力不均匀，地球大气层的阻力和太阳的辐射压力等也会引起卫星摄动。辐射压力等也会引起卫星摄动。2. 星蚀星蚀3. 日凌中断日凌中断现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）1 卫星通信概述卫星通信概述1.3 卫星通信的工作频段卫星通信的工作频段1.3.1 卫星通信工作频段的选择卫星通信工作频段的选择在选择卫星通信的工作频段时应考虑以下因素：在选择卫星通信的工作频段时应考虑以下因素：（1）频带足够宽，能满足所传输信息的要求。）频带足够宽，能满足所传输信息的要求。（2）电波传播时产生的衰耗应尽可能小。）电波传播时产生的衰耗应尽可能小。（3）天线系统接收到的外部
7、噪声应尽可能小。）天线系统接收到的外部噪声应尽可能小。（4）尽可能利用现有的通信技术和设备。）尽可能利用现有的通信技术和设备。（5）与其他通信或雷达等微波设备之间的干扰尽可能小。）与其他通信或雷达等微波设备之间的干扰尽可能小。现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）1 卫星通信概述卫星通信概述1.3.2 卫星通信的工作频段卫星通信的工作频段1. 从传输损耗、噪声方面考虑从传输损耗、噪声方面考虑当频率f小于10GHz时，大气层对电磁波的吸收小，但当频率f大于10GHz后，大气层对电磁波的吸收将猛增。另外，当频率f小于1GHz时，存在的外部噪声较大，但当频率f大于1GHz时，存在的外部噪声却很小
8、。因此，综合以上分析，卫星通信的最佳工作频段应在110GHz之间。2. 从与其他通信频段的干扰考虑从与其他通信频段的干扰考虑因为46GHz的频段已分配给地面微波中继通信使用，所以使用C频段的卫星地面站必须建在远离城市的地方（因微波中继线路一般集中在城市），以免发生干扰。从这个角度看，频率f选大些较好。目前，Ku频段已广泛使用。现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）1 卫星通信概述卫星通信概述1.3.3 卫星通信工作频段的现状卫星通信工作频段的现状主波束宽度主波束宽度1/2 与天线直径与天线直径D及电磁波长及电磁波长 之间的关系如下：之间的关系如下：天线的增益 与电磁波频率成正比，即总增益比
9、为：自由空间的损耗L为：D702/12fG44. 5614256. 74112KuC5.447.564116 dBGG2fL现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）1 卫星通信概述卫星通信概述1.4 卫星通信的优点卫星通信的优点卫星通信与其他通信手段相比，具有以下一些优点：卫星通信与其他通信手段相比，具有以下一些优点：（1）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。（2）覆盖面积大，可进行多址通信。）覆盖面积大，可进行多址通信。（3）通信频带宽，传输容量大，适用于多种业务传输。）通信频带宽，传输容量大，适用于多种业务传输。（4）通信线路稳定可靠，传输质量高。）通信
10、线路稳定可靠，传输质量高。（5）机动灵活。）机动灵活。现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）1 卫星通信概述卫星通信概述1.5 卫星通信系统的组成现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）2 通信卫星通信卫星2.1 通信卫星的种类通信卫星的种类1按通信卫星的结构和运动状态分类按通信卫星的结构和运动状态分类2按卫星形状分类按卫星形状分类3按其业务种类分类按其业务种类分类4按卫星姿态稳定方式分类按卫星姿态稳定方式分类5按卫星制式分类按卫星制式分类6按卫星运行的轨道分类按卫星运行的轨道分类现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）2 通信卫星通信卫星2.2 卫星的运动轨道和卫星的发射卫星的运动轨
11、道和卫星的发射2.2.1 人造地球卫星在空间的运动人造地球卫星在空间的运动式中，式中，Re=6378 km，为地球半径；，为地球半径；h为卫星离地面的高度；为卫星离地面的高度；G=6.66846210-20 km3/kgs2，为万有引力常数；，为万有引力常数；M=5.977 4141024kg，为地球质量。，为地球质量。可以计算出，当可以计算出，当h为为35 786.6 km时，自然的静止卫星的离心力与地时，自然的静止卫星的离心力与地球对卫星的引力正好抵消。球对卫星的引力正好抵消。2GrMmF 213eG2MhRT现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）2 通信卫星通信卫星地球卫星轨道的极坐
12、标表达式为：地球卫星轨道的极坐标表达式为：cos1epr现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）2 通信卫星通信卫星2.2.3 静止卫星的发射静止卫星的发射1. 运载火箭运载火箭2. 发射过程发射过程（1）进入初始轨道。（2）进入转移轨道。（3）进入漂移轨道。（4）进入静止轨道。现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）2 通信卫星通信卫星2.3 通信卫星的覆盖通信卫星的覆盖2.3.1 地球覆盖区类型地球覆盖区类型1. 全球波束全球波束2. 半球波束半球波束3. 区域波束区域波束4. 点波束点波束现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）2 通信卫星通信卫星2.3.2 静止卫星的覆盖范围静止
13、卫星的覆盖范围从静止卫星引向地球的切线所包围的区域叫做静止卫星的覆盖区，即地球站天线仰角 =0时，正好能观察到卫星的边缘线所包围的地面区域。该区域也就是全波束的覆盖面积，可以计算出覆盖面积约占整个地球表面积的42.4%。现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）2 通信卫星通信卫星2.3.3 卫星卫星“共视区共视区”如图2.10所示是以A、B两地球站为中心可以看见一定高度的卫星的圆形范围。这两个圆都是以A或B为中心，中心张角为 的点的轨迹。现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）2 通信卫星通信卫星2.4 静止卫星的设置及观察参数的计算静止卫星的设置及观察参数的计算1通信卫星的设置通信卫星的
14、设置2静止卫星的观察参数静止卫星的观察参数coscos2) 1(2ekkRde( coscos1)arcsinkRdsintanarctan)sin/tanarctan(A在地球站的西边地球站在南半球时卫星在地球站的东边地球站在南半球时卫星在地球站的西边地球站在北半球时卫星在地球站的东边地球站在北半球时卫星AAAA360180180现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）2 通信卫星通信卫星例例2.1 已知我国某地的地理位置为已知我国某地的地理位置为11024E（东经），（东经），2113N（北纬），现欲接收定点于（北纬），现欲接收定点于100.5E（东经）的亚卫（东经）的亚卫2号卫星的信号
15、卫星的信号。求该站的观察参数。号。求该站的观察参数。解：利用观察参数的计算式（解：利用观察参数的计算式（2-7）式（）式（2-10），必须将经纬度），必须将经纬度的单位化为的单位化为（度），即（度），即11024=110.4 2113=21.217式中，式中，k=（Re+h）/Re=（6 378+35786.6）/6 3786.623经度差经度差 =110.4 100.5=9.9纬度差纬度差 =21.217 0=21.217现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）2 通信卫星通信卫星（1）站星距。根据式（）站星距。根据式（2-7）得：）得： （2）仰角。根据式（）仰角。根据式（2-8）得：）
16、得：（3）方位角。因该站位于北半球且卫星位于该站的西边，得：）方位角。因该站位于北半球且卫星位于该站的西边，得：coscos2) 1(2ekkRdkm47236217.21cos9 . 9cos623. 62) 1623. 6(37862e( coscos1)arcsinkRd7 .62472363786) 1217.21cos9 . 9cos623. 6(arcsinsintanarctan)sin/tanarctan(180180A7 .2057 .25180217.21sin9 . 9tanarctan180现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）2 通信卫星通信卫星2.5 通信卫星的
17、组成通信卫星的组成2.5.1 控制分系统控制分系统控制分系统由各种可控的调整装置，如各种喷气推进器、各种驱控制分系统由各种可控的调整装置，如各种喷气推进器、各种驱动装置和各种转换开关等组成。动装置和各种转换开关等组成。现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）2 通信卫星通信卫星5.2.2 通信分系统通信分系统1. 卫星天线的种类卫星天线的种类（1）全方向天线。）全方向天线。（2）通信天线。）通信天线。2. 卫星通信天线的性能卫星通信天线的性能（1）指向精度。）指向精度。（2）频带宽度。）频带宽度。（3）星上转接功能。）星上转接功能。（4）极化方式。）极化方式。（5）隔离度。）隔离度。（6）消
18、旋措施。）消旋措施。现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）2 通信卫星通信卫星3. 通信中继机通信中继机（1）双变频转发器。）双变频转发器。（2）单变频转发器。）单变频转发器。（3）处理转发器。）处理转发器。现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）2 通信卫星通信卫星5.2.3 遥测指令分系统遥测指令分系统1遥测部分遥测部分2遥控指令部分遥控指令部分5.2.4 电源分系统电源分系统1太阳能电池太阳能电池2化学电池化学电池3原子能电池原子能电池2.5.2.5 温控分系统温控分系统现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）2 通信卫星通信卫星2.6 通信卫星的技术指标通信卫星的技术指标1星体
19、参数星体参数（1）卫星发射时间。）卫星发射时间。（2）初始入轨时的质量。）初始入轨时的质量。（3）卫星姿态控制方式。）卫星姿态控制方式。（4）电源功率。）电源功率。（5）工作频段。）工作频段。（6）卫星设计寿命。）卫星设计寿命。现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）2 通信卫星通信卫星2通信能力通信能力（1）卫星转发器的数量。）卫星转发器的数量。（2）通信容量。）通信容量。（3）每个转发器的输出功率。）每个转发器的输出功率。 （4）波束类型。）波束类型。（5）卫星天线的功率。）卫星天线的功率。现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）3 卫星通信的多址技术卫星通信的多址技术3.1 多址方式
20、概述多址方式概述3.1.1 多址方式与多路复用多址方式与多路复用3.1.2 多址方式的信道分配技术多址方式的信道分配技术1. 预分配方式预分配方式在预分配的卫星通信系统中，卫星信道是预先分配给各地球站的。2. 按需分配方式按需分配方式为了克服预分配方式的缺点而提出了按需分配方式，也叫做按申请分配方式。现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）3 卫星通信的多址技术卫星通信的多址技术3.2 频分多址（频分多址（FDMA）方式）方式1群路单载波（群路单载波（MCPC）方式）方式2单路单载波（单路单载波（SCPC）方式）方式现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）3 卫星通信的多址技术卫星通信的多
21、址技术3.3 时分多址（时分多址（TDMA）方式）方式TS = T1+ T2+ T3+ TK现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）3 卫星通信的多址技术卫星通信的多址技术3.4 空分多址（SDMA）方式现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）3 卫星通信的多址技术卫星通信的多址技术3.5 码分多址（码分多址（CDMA）方式）方式码分多址（码分多址（Code Division Multiple Access）技术是靠编码的不同来）技术是靠编码的不同来区别各个用户的。它将各用户信号用一组两两正交的序列编码来区别各个用户的。它将各用户信号用一组两两正交的序列编码来调制，使得调制后的信号可以同时
22、在同一个信道载频上传输而互调制，使得调制后的信号可以同时在同一个信道载频上传输而互不干扰。在接收端，利用编码的正交性，使得只有具有完全相同不干扰。在接收端，利用编码的正交性，使得只有具有完全相同的地址码的接收机才能正确解调恢复出原始信号。的地址码的接收机才能正确解调恢复出原始信号。现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）4 卫星地球站卫星地球站4.1 地球站的分类、组成及性能要求地球站的分类、组成及性能要求4.1.1 地球站的分类地球站的分类4.1.2 地球站的组成地球站的组成1. 天线分系统天线分系统4. 信道终端设备分系统信道终端设备分系统2. 发射机分系统发射机分系统5. 跟踪伺服设备
23、分系统跟踪伺服设备分系统3. 接收机分系统接收机分系统6. 电源分系统电源分系统现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）4 卫星地球站卫星地球站4.1.3 对地球站的性能要求对地球站的性能要求对地球站应有以下几个方面的要求：对地球站应有以下几个方面的要求：（1）发送的信号应是宽频带的、稳定的、功率大的，能接收由卫）发送的信号应是宽频带的、稳定的、功率大的，能接收由卫星转发器转发来的微弱信号。星转发器转发来的微弱信号。（2）应可以传输多路电话、电报、传真以及高速数据、电视等多）应可以传输多路电话、电报、传真以及高速数据、电视等多种业务的信号。种业务的信号。（3）性能稳定可靠，维护使用方便。）性
24、能稳定可靠，维护使用方便。（4）建设成本和维护费用不应太高。）建设成本和维护费用不应太高。现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）4 卫星地球站卫星地球站4.2.4 地球站天线的种类地球站天线的种类1. 抛物面天线抛物面天线这种天线由馈源和反射器构成。2. 卡塞格伦天线卡塞格伦天线这种天线由馈源、抛物面主反射器和双曲面副反射器构成。现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）4 卫星地球站卫星地球站4.2.4 地球站天线的种类地球站天线的种类1. 抛物面天线抛物面天线这种天线由馈源和反射器构成。这种天线由馈源和反射器构成。2. 卡塞格伦天线卡塞格伦天线这种天线由馈源、抛物面主反射器和双曲面副反
25、射器构成。这种天线由馈源、抛物面主反射器和双曲面副反射器构成。4.2.5 地球站天线的跟踪部分地球站天线的跟踪部分对于静止卫星而言，由于总有一定的漂移，为了保证地球站天线的对于静止卫星而言，由于总有一定的漂移，为了保证地球站天线的波束始终对准卫星，就需要天线有一定的跟踪能力。波束始终对准卫星，就需要天线有一定的跟踪能力。现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）4 卫星地球站卫星地球站4.3 发射分系统发射分系统1组成组成2要求要求对发射机分系统的主要要求是：对发射机分系统的主要要求是：（1）发射的功率大。）发射的功率大。（2）频带宽度与天线分系统相同。）频带宽度与天线分系统相同。（3）载频的
26、精确度高。）载频的精确度高。（4）放大器的线性度高。）放大器的线性度高。（5）增益稳定。）增益稳定。3基本工作过程基本工作过程现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）4 卫星地球站卫星地球站4.5 电源分系统电源分系统1. 应急电源设备应急电源设备应急电源设备是当市电发生重大故障或由于地球站增添设备现用电源电力不足时的应急电源。应急发电设备由两台全自动控制并联运用的柴油发电机、高压配电盘、自动并联控制盘、启动用蓄电池及其他补充设备构成。2. 交流不间断电源设备交流不间断电源设备交流不间断电源设备是向地球站，尤其是大功率发射机提供定频率、定电压、不间断的高稳定性电源设备。现代通信技术（第现代通
27、信技术（第3版）版）5 VSAT卫星通信系统卫星通信系统5.1 VSAT概述概述1.大规模和超大规模集成电路技术。大规模和超大规模集成电路技术。2.微波集成和固态功率放大技术。微波集成和固态功率放大技术。3.高增益、低旁瓣的天线小型化技术。高增益、低旁瓣的天线小型化技术。4.高效多址连接技术。高效多址连接技术。5.微机软件技术。微机软件技术。6.高效、灵活的网络控制和管理技术。高效、灵活的网络控制和管理技术。7.分组传输和分组交换技术。分组传输和分组交换技术。8.扩频、纠错和调制解调技术。扩频、纠错和调制解调技术。9.数字信号处理技术。数字信号处理技术。10.卫星大型化技术等。卫星大型化技术等
28、。现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）5 VSAT卫星通信系统卫星通信系统5.2 VSAT网的组成及工作原理网的组成及工作原理5.2.1 VSAT网的组成网的组成1.主站（中心站）主站（中心站）2. 小站（小站（VSAT）3. 空间段空间段现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）5 VSAT卫星通信系统卫星通信系统5.2.2 VSAT系统工作原理系统工作原理1. 外向传输外向传输现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）5 VSAT卫星通信系统卫星通信系统2. 内向传输内向传输现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）5 VSAT卫星通信系统卫星通信系统5.3 VSAT分类及特点分类及
29、特点（1）按安装方式）按安装方式（2）按主要业务类型）按主要业务类型（3）按）按VSAT网采用的网络结构网采用的网络结构（4）按收发方式）按收发方式（5）按业务性质）按业务性质（6）按）按VSAT支持的主要业务类型支持的主要业务类型现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）5 VSAT卫星通信系统卫星通信系统5.4 VSAT网络结构及组网形式网络结构及组网形式现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）5 VSAT卫星通信系统卫星通信系统5.5 VSAT系统的工作频段系统的工作频段5.6 VSAT网络体系结构网络体系结构1. 数据数据VSAT网的特点网的特点（1）通信的无层次性（2）VSAT网是
30、一个单结点的交换网络（3）点-点通信与端-端通信合二为一（4）信道传输时延大（5）信道的共享使用2. 用户接口协议用户接口协议（1）允许终端设备按照特定的用户协议与网络连接。（2）使用户协议和网络多址协议进行转换。3. 卫星时延的补偿卫星时延的补偿（1）选择最佳差错控制方式。（2）选择最佳的数据分组长度。（3）选择最佳窗口尺寸。现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）5 VSAT卫星通信系统卫星通信系统5.7 VSAT数据网多址协议数据网多址协议5.7.1 卫星数据网的主要特点卫星数据网的主要特点（1）随机地、间断地使用信道，峰值和平均传输速率之比值很大。（2）网络中能容纳从低速到高速多种速
31、率。（3）可以进行分组传输。（4）利用卫星信道广播性质进行数据传输的卫星通信网，一般拥有大量低成本的地球站。现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）5 VSAT卫星通信系统卫星通信系统5.7.2 选择多址协议时主要考虑原则选择多址协议时主要考虑原则（1）要有较高的卫星信道共享效率。）要有较高的卫星信道共享效率。（2）有较短的延迟（包括平均值和峰值）。）有较短的延迟（包括平均值和峰值）。（3）在可能出现信道拥挤情况下具有稳定性。）在可能出现信道拥挤情况下具有稳定性。（4）具有承受信道误码和设备故障的坚韧性。）具有承受信道误码和设备故障的坚韧性。（5）运行方面建立和恢复时间短，易于使用等。）运行
32、方面建立和恢复时间短，易于使用等。（6）实现简单，价格低。）实现简单，价格低。5.7.3 VSAT网多址协议应用概况与用户选择网多址协议应用概况与用户选择1. 频分多址（频分多址（FDMA）2. 时分多址（时分多址（TDMA）3. 码分多址（码分多址（CDMA）方式）方式4. 随机多址（随机多址（RA）方式）方式ALOHA现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）5 VSAT卫星通信系统卫星通信系统5.7.4 提出提出ALOHA系统的背景系统的背景现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）5 VSAT卫星通信系统卫星通信系统5.7.5 纯纯ALOHA方式方式1.纯纯ALOHA方式的工作过程方式的工作过程2. 纯纯ALOHA的信道利用率的信道利用率现代通信技术（第现代通信技术（第3版）版）5 VSAT卫星通信系统卫星通信系统5.7.6 S-ALOHA方式方式5.7.7 R-ALOHA方式方式1. 概述概述2. 信道利用率信道利用率5.7.8 几种几种ALOHA方式的比较方式的比较
