1、卫星通信技术及其在石油行业的应用卫星通信技术及其在石油行业的应用卫星通信技术及其在石油行业的应用 主讲人：吴彦伟中国石油西南油气田通信公司卫星通信技术及其在石油行业的应用一、卫星通信技术一、卫星通信技术1、卫星通信的基本概念、卫星通信的基本概念 2、通信卫星的种类、通信卫星的种类 3、卫星通信系统分类、卫星通信系统分类 4、卫星通信的特点、卫星通信的特点 5、卫星通信系统的组成及工作原理、卫星通信系统的组成及工作原理 6、多址连接技术、多址连接技术7、典型卫星通信系统介绍、典型卫星通信系统介绍卫星通信技术及其在石油行业的应用二、石油行业中的应用二、石油行业中的应用1、石油行业特点、石油行业特点
2、2、主要卫星通信应用系统、主要卫星通信应用系统3、实用组网技术、实用组网技术星状网及其特点星状网及其特点网状网及其特点网状网及其特点 卫星通信技术及其在石油行业的应用1、卫星通信的基本概念、卫星通信的基本概念 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，在两个或多个地面站之间进行的通信过程或方式。卫星通信属于宇宙无线电通信的一种形式，工作在微波频段。宇宙通信是以宇宙飞行体或通信转发体作为对象的无线电通信。它可分为三种形式：卫星通信技术及其在石油行业的应用 （1）地球站与宇宙站间的通信；（2）宇宙站之间的通信；（3）通过宇宙站的转发或反射进行的地球站之间的通信。人们常把第三种形式称为卫
3、星通信。宇宙站是指地球大气层以外的宇宙飞行体（如人造卫星和宇宙飞船等）或其它星球上的通信站。地球站是指设在地面、海洋或大气层中的通信站，习惯上统称为地面站。卫星通信技术及其在石油行业的应用 卫星通信是在地面微波中继通信和空间技术的基础上发展起来的。微波中继通信是一种“视距”通信，即只有在”看得见”的范围内才能通信。而通信卫星的作用相当于离地面很高的微波中继站。由于作为中继的卫星离地面很高，因此经过一次中继转接之后即可进行长距离的通信。图1是一种简单的卫星通信系统示意图，它是由一颗通信卫星和多个地面通信站组成的。卫星通信技术及其在石油行业的应用图1 卫星通信示意图 ABCDE地球地球ABR0he
4、卫星卫星通信技术及其在石油行业的应用 由图1可见，离地面高度为he的卫星中继站，看到地面的两个极端点是A和B点，即S长度将是以卫星为中继站所能达到的最大通信距离。其计算公式为000(2arccos)()oeRSRRkmRh 式中，R0为地球半径，R0=6378km；为AB所对应的圆心角（弧度）；he为通信卫星到地面的高度，单位为km。上式说明，he越高，地面上最大通信距离越大。卫星通信技术及其在石油行业的应用 （1）he=500km时，由公式求得S=4892km；（2）he=35800km时，S=18100km。由于卫星处于外层空间，即在电离层之外，地面上发射的电磁波必须能穿透电离层才能到达卫
5、星；同样，从卫星到地面上的电磁波也必须穿透电离层，而在无线电频段中只有微波频段恰好具备这一条件，因此卫星通信使用微波频段。卫星通信技术及其在石油行业的应用卫星通信系统频段划分及其用途卫星通信系统频段划分及其用途 (1)UHF波段（300/3000MHz），地面无线，Little LEO；(2)L波段（1/2GHz），移动通信和静止卫星测控指令传输；(3)S波段（2/4GHz），同上 (4)C波段（4/7GHz），多数商用卫星固定业务，已拥挤；(5)X波段（7/12GHz），雷达，地球探测；(6)Ku波段（12/18GHz），商用，正大量使用；(7)Ka波段（20/40GHz），开始使用 卫星通
6、信技术及其在石油行业的应用2、通信卫星的分类、通信卫星的分类 目前，通信卫星的种类繁多，按不同的标准有不同的分类。下面我们给出几种常用的卫星种类。(1)按卫星的结构可分为：无源卫星和有源卫星两类 无源卫星是运行在特定轨道上的球形或其它形状的反射体，没有任何电子设备，它是靠其金属表面对无线电波进行反射来完成信号中继任务的。在20世纪5060年代进行卫星通信试验时，曾利用过这种卫星。卫星通信技术及其在石油行业的应用 目前，几乎所有的通信卫星都是有源卫星，一般多采用太阳能电池和化学能电池作为能源。这种卫星装有收、发信机等电子设备，能将地面站发来的信号进行接收、放大、频率变换等其它处理，然后再发回地球
7、。这种卫星可以部分地补偿在空间传输所造成的信号损耗。卫星通信技术及其在石油行业的应用(2)按通信卫星的运行轨道可分为：赤道轨道卫星（指轨道平面与赤道平面夹角=0）；极轨道卫星（=90）；倾斜轨道卫星（090）。所谓轨道就是卫星在空间运行的路线。见图2。卫星通信技术及其在石油行业的应用图2 通信卫星轨道示意图 赤道赤道赤道轨道倾斜轨道极轨道北极卫星通信技术及其在石油行业的应用(3)按卫星离地面最大高度h的不同可分为：低轨卫星(LEO Low Earth Orbit)500-1500km中轨卫星(MEO Medium Earth Orbit)10000-20000km静止轨道卫星(GEO Geos
8、tationary Earth Orbit)35786km卫星通信技术及其在石油行业的应用 (4)按卫星与地球上任一点的相对位置可分为：同步卫星和非同步卫星 同步卫星是指在赤道上空约35800km高的圆形轨道上与地球自转同向运行的卫星。由于其运行方向和周期与地球自转方向和周期均相同，因此从地面上任何一点看上去，卫星都是“静止”不动的，所以把这种对地球相对静止的卫星简称为同步（静止）卫星，其运行轨道称为同步轨道。非同步卫星的运行周期不等于（通常小于）地球自转周期，其轨道倾角、轨道高度、轨道形状（圆形或椭圆形）可因需要而不同。从地球上看，这种卫星以一定的速度在运动，故又称为移动卫星或运动卫星。卫星
9、通信技术及其在石油行业的应用同步卫星的优缺点同步卫星的优缺点 优点 在卫星通信中，同步卫星使用得最为广泛，其主要原因是：第一，同步卫星距地面高达35800km，一颗卫星的覆盖区（从卫星上能“看到”的地球区域）可达地球总面积的40%左右，地面最大跨距可达18000km。因此只需三颗卫星适当配置，就可建立除两极地区（南极和北极）以外的全球性通信。如图3所示。卫星通信技术及其在石油行业的应用图3 全球卫星通信系统示意图 极通信卫星1地球通信卫星2通信卫星3静止轨道卫星通信技术及其在石油行业的应用 图中，每两颗相邻卫星都有一定的重叠覆盖区，但南、北两极地区则为盲区。目前正在使用的国际通信卫星系统就是按
10、这个原理建立的，其卫星分别位于大西洋、印度洋和太平洋上空。其中，印度洋卫星能覆盖我国的全部领土，太平洋卫星覆盖我国的东部地区，即我国东部地区处在印度洋卫星和太平洋卫星的重叠覆盖区中。卫星通信技术及其在石油行业的应用 第二，由于同步卫星相对于地球是静止的，因此，地面站天线易于保持对准卫星，不需要复杂的跟踪系统；通信连续，不像卫星相对于地球以一定的速度运动时那样，需要变更转发当时信号的卫星而出现信号中断；信号频率稳定，不会因卫星相对于地球运动而产生多卜勒频移。当然，同步卫星也有一些缺点，主要表现在：两极地区为通信盲区；卫星离地球较远，卫星通信技术及其在石油行业的应用 缺点：1、两极地区为通信盲区；
11、2、卫星离地球较远，故传输损耗和传输时延都较大；3、同步轨道只有一条，能容纳卫星的数量有限；4、同步卫星的发射和在轨测控技术比较复杂 5、在春分和秋分前后，存在星蚀（卫星进入地球的阴影区）和日凌中断（卫星处于太阳和地球之间，受强大的太阳噪声影响而使通信中断）现象卫星通信技术及其在石油行业的应用 非同步卫星的主要优缺点 1、基本上与同步卫星相反 2、由于非同步卫星的抗毁性较高，因此也有一定的应用 卫星通信技术及其在石油行业的应用3、卫星通信系统分类卫星通信系统分类 目前世界上建成了数以百计的卫星通信系统，归结起来可进行如下分类：(1)按卫星制式可分为 静止卫星通信系统、随机轨道卫星通信系统和低轨
12、道卫星（移动）通信系统。(2)按通信覆盖区域的范围划分为 国际卫星通信系统、国内卫星通信系统和区域卫星通信系统。卫星通信技术及其在石油行业的应用 (3)按用户性质可分为 公用（商用）卫星通信系统、专用卫星通信系统和军用卫星通信系统。(4)按业务范围可分为 固定业务卫星通信系统、移动业务卫星通信系统、广播电视业务卫星通信系统和科学实验卫星通信系统。(5)按基带信号体制可分为 模拟制卫星通信系统和数字制卫星通信系统。卫星通信技术及其在石油行业的应用 (6)按多址方式可分为 频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、空分多址（SDMA）和码分多址（CDMA）卫星通信系统。(7)按运行方式可分为 同
13、步卫星通信系统和非同步卫星通信系统。目前国际和国内的卫星通信大都是同步卫星通信系统。卫星通信技术及其在石油行业的应用4、卫星通信的特点卫星通信的特点 卫星通信系统以通信卫星为中继站，与其它通信系统相比较，卫星通信有如下特点：(1)覆盖区域大，通信距离远。一颗同步通信卫星可以覆盖地球表面的三分之一区域，因而利用三颗同步卫星即可实现全球通信。它是远距离越洋通信和电视转播的主要手段。卫星通信技术及其在石油行业的应用 (2)具有多址连接能力。地面微波中继的通信区域基本上是一条线路，而卫星通信可在通信卫星所覆盖的区域内，所有四面八方的地面站都能利用这一卫星进行相互间的通信。我们称卫星通信的这种能同时实现
14、多方向、多个地面站之间的相互联系的特性为多址连接。卫星通信技术及其在石油行业的应用 (3)频带宽，通信容量大。卫星通信采用微波频段，传输容量主要由终端站决定，卫星通信系统的传输容量取决于卫星转发器的带宽和发射功率，而且一颗卫星可设置多个（如IS-有46个）转发器，故通信容量很大。例如，利用频率再用技术的某些卫星通信系统可传输30000路电话和4路彩色电视。卫星通信技术及其在石油行业的应用 (4)通信质量好，可靠性高。卫星通信的电波主要在自由（宇宙）空间传播，传输电波十分稳定，而且通常只经过卫星一次转接，其噪声影响较小，通信质量好。通信可靠性可达99.8%以上。(5)通信机动灵活。卫星通信系统的
15、建立不受地理条件的限制，地面站可以建立在边远山区、海岛、汽车、飞机和舰艇上。卫星通信技术及其在石油行业的应用 (6)电路使用费用与通信距离无关。地面微波中继或光缆通信系统，其建设投资和维护使用费用都随距离而增加。而卫星通信的地面站至空间转发器这一区间并不需要投资，因此线路使用费用与通信距离无关。卫星通信技术及其在石油行业的应用 卫星通信系统的一些特殊问题：一是由于通信卫星的一次投资费用较高，在运行中难以进行检修，故要求通信卫星具备高可靠性和较长的使用寿命；二是卫星上能源有限，卫星的发射功率只能达到几十至几百瓦，因此要求地面站要有大功率发射机、低噪声接收机和高增益天线，这使得地面站比较庞大；三是
16、由于卫星通信传输距离很长，使信号传输的时延较大，其单程距离（地面站A卫星转发地面站B）长达80000km，需要时间约270ms；双向通信往返约160000km，延时约540ms，所以，在通过卫星打电话时，通信双方会感到很不习惯。卫星通信技术及其在石油行业的应用5、卫星通信系统的组成及工作原理卫星通信系统的组成及工作原理 根据卫星通信系统的任务，一条卫星通信线路要由发端地面站、上行线路、卫星转发器、下行线路和收端地面站组成，如图4所示。卫星通信技术及其在石油行业的应用图4 卫星通信线路组成框图多路复用调制器发射机多路分离调制器接收机双工器多路复用调制器发射机多路分离解调器接收机双工器发射机频率变
17、换接收机双工器卫星转发器天线馈电设备卫星通信技术及其在石油行业的应用 其中上行线路和下行线路就是无线电波传播的路径。为了进行双向通信，每一地面站均应包括发射系统和接收系统。由于收、发系统一般是共用一副天线，因此需要使用双工器以便将收、发信号分开。地面站收、发系统的终端，通常都是与长途电信局或微波线路连接。地面站的规模大小则由通信系统的用途而定。转发器的作用是接收地面站发来的信号，经变频、放大后，再转发给其它地面站。卫星转发器由天线、接收设备、变频器、发射设备和双工器等部分组成。卫星通信技术及其在石油行业的应用 在卫星通信系统中，各地面站发射的信号都是经过卫星转发给对方地面站的，因此，除了要保证
18、在卫星上配置转发无线电信号的天线及通信设备外，还要有保证完成通信任务的其它设备。一般来说，一个通信卫星主要由天线系统、通信系统、遥测指令系统、控制系统和电源系统五大部分组成，如图5所示。卫星通信技术及其在石油行业的应用图5 通信卫星组成示意图 电源部分太阳能电池执行机构自 旋传感器姿态控制蓄电池天线控制电源控制电路轨道控制遥测编码器指令译码器遥控发射机指令接收机双工器本 机振荡器变频器发射机接收机双工器控制部分遥测指令部分通信部分(转发器)遥测指令天线通信天线卫星通信技术及其在石油行业的应用 1.天线系统 天线系统包括通信用的微波天线和遥测遥控系统用的高频（或甚高频）天线。微波天线根据波束的宽
19、、窄又可分为覆球波束天线、区域波束天线和点波束天线。对静止卫星来说卫星覆球波束天线的波束宽度约为1718，其增益可达18dB；点波束天线因波束较窄而具有较高的增益，用来把辐射的电磁波功率集中到地球上较小的区域内。卫星通信技术及其在石油行业的应用 通信微波天线的波束应对准地球上的通信区域。但是，对于采用自旋稳定方式以保持姿态稳定的静止卫星，由于卫星是旋转的，故要采用消旋天线，才能使波束始终对准地球。常用的有机械消旋天线和电子消旋天线，其消旋原理是用机械的方法或电子的方法，让天线的旋转方向与卫星自旋方向相反，而两者的旋转速度相等，以保证天线波束始终朝着地球上需要通信的区域。卫星通信技术及其在石油行
20、业的应用 遥测指令天线用于卫星进人静止轨道之前和之后，能向地面控制中心发射遥测信号和接收地面的指令信号。这种天线为甚高频全方向性天线，通常采用倾斜式绕杆天线和螺旋天线等天线。卫星通信技术及其在石油行业的应用 2.通信系统（转发器）静止卫星的通信系统又称为通信中继机，通常由多个（可达24个或更多）信道转发器互相连接而组成。其任务是把接收的信号放大，并利用变频器交换成下行频率后再发射出去。它实质上是一组宽频带收、发信机，对其要求是工作稳定可靠，附加的噪声小。卫星转发器是通信卫星中最重要的组成部分，它能起到卫星通信中继站的作用，其性能直接影响到卫星通信系统的工作质量。卫星通信技术及其在石油行业的应用
21、 对卫星转发器的基本要求是附加噪声和失真小，要有足够的工作频带，有足够大的总增益，频率稳定度和可靠性尽量高。卫星转发器通常分为透明转发器和处理转发器两大类。(1)透明转发器。这类转发器接收到地面站发来的信号后，除进行低噪声放大、变频、功率放大外，不作任何处理，只是单纯地完成转发任务。也就是说，它对工作频带内的任何信号都是“透明”的通路。卫星通信技术及其在石油行业的应用 透明转发器有双变频和单变频两种，前者的优点是中频增益高（可达80100dB），电路工作稳定，曾用于国际通信卫星ISI。其缺点是中频频带窄，不适于多载波工作，已很少使用。单变频转发器是先将输人信号直接放大，再变频为下行频率，经功率
22、放大后转发给地面站。单变频转发器实际上是微波放大式转发器，射频带宽可达500MHz，且由于其输入、输出特性的线性良好，允许多载波工作，适于多址连接，因此得到广泛使用。卫星通信技术及其在石油行业的应用 (2)处理转发器。指除了信号转发外，还具有信号处理功能的转发器。与上述双变频透明转发器相比，处理转发器只是在两级变频器之间增加了信号的解调器、处理单元和调制器。先将信号解调，便于信号处理，再经调制、变频、功率放大后发回地面。卫星通信技术及其在石油行业的应用 3.遥测指令系统 遥测指令系统包括遥测和遥控指令系统两个部分。遥测部分的作用是在地球上测试卫星的各种设备的工作情况，包括表示有关部分电流、电压
23、、温度等工作状态的信号；来自各传感器的信息；指令证实信号以及作控制用的气体压力等等。上述各种数据通过遥测系统送往地面监测中心，这些数据传送的方法与通信过程相似，即先通过多路复用、放大、编码等处理后，再调制和传输。卫星通信技术及其在石油行业的应用 遥控指令系统包括对卫星进行姿态和位置控制的喷射推进装置的点火控制指令，行波管高压电源的开、关控制指令，发生故障的部件与备用部件的转换指令，以及其它由地面对卫星内部各种设备的控制指令等等。指令信号由地面的控制站发出，在卫星转发器内被分离出来。经检波、解码后送至控制设备，以控制各种执行机构实施指令。卫星通信技术及其在石油行业的应用 4.控制系统 控制系统包
24、括位置控制和姿态控制两部分。位置控制系统用来消除“摄动”的影响，以便使卫星与地球的相对位置固定。位置控制是利用装在星体上的气体喷射装置由地面控制站发出指令进行工作的。当卫星有“摄动”现象时，卫星上的遥测装置就发给地面控制站遥测信号，地面控制站随即向卫星发出遥控指令，以进行位置控制。姿态控制是使卫星对地球或其它基准物保持正确的姿态，即卫星在轨道上立着还是躺着。卫星姿态是否正确，不仅影响卫星上的定向通信天线是否指向覆盖区，还会影响太阳能电池帆板是否朝向太阳。卫星通信技术及其在石油行业的应用 5.电源系统 通信卫星的电源要求体积小、重量轻和寿命长。常用的电源有太阳能电池和化学能电池。平时主要使用太阳
25、能电池，当卫星进入地球的阴影区（即星蚀）时，则使用化学能电池。太阳能电池由光电器件组成。由太阳能电池直接供出的电压是不稳定的，必须经电压调整后才能供给负载。化学能电池可以进行充电和放电。如镍镉蓄电池。平时由大阳能电池给它充电，当卫星发生星蚀时，由太阳能电池转换为化学能电池供电。卫星通信技术及其在石油行业的应用 6.卫星通信地面站 在前面已经讲过，任何一条卫星通信线路都包括发端和收端地面站、上行和下行线路以及通信卫星转发器。可见，地面站是卫星通信系统中的一个重要组成部分。地面站的基本作用是向卫星发射信号，同时接收由其它地面站经卫星转发来的信号。根据卫星通信系统的性质和用途的不同；可有不同形式的地
26、面站。例如，按站址的固定与否、G/T值的大小、用途、天线口径以及传输信号的特征等多种方法来分类。卫星通信技术及其在石油行业的应用 (1)按站址特征分类：可分为固定站、移动站（如舰载站、机载站和车载站等）、可拆卸站（短时间能拆卸转移地点的站）。(2)按G/T值分类：地面站性能指数G/T值是反映地面站接收系统的一项重要技术性能指标。其中G为接收天线增益，T为表示接收系统噪声性能的等效噪声温度。GT值越大，说明地面站接收系统的性能越好。卫星通信技术及其在石油行业的应用 目前，国际上把G/T35dB/K的地面站定为A型标准站，把G/T31.7dB/K的站定为B型标准站，而把G/T31.7dB/K的站称
27、为非标准站。(3)按用途分类：可分为民用、军用、广播、航海、实验等地面站。(4)按天线口径分类：可分为1米站、5米站、10米站以及30米站等等。(5)按传输信号的特征分类：可分为模拟通信站和数字通信站。卫星通信技术及其在石油行业的应用 地面站种类繁多，大小不一，所采用的通信体制也不同，因而所需的设备组成也不一样，但基本组成大同小异。典型的地面站由天线系统、发射系统、接收系统、终端系统、监控系统、电源系统、地面接口及传输分系统等组成，如图6所示。卫星通信技术及其在石油行业的应用 图6 地面站设备组成 调制器变频器发射波合 成大功率放大器发射分系统馈源低噪音放大器接收波分 离变频器调制器基带转换基
28、带入基带出发终端收终端信道终端分系统接收分系统跟踪设备伺服跟踪分系统驱动设备监控分系统电源分系统天线馈电分析系统卫星通信技术及其在石油行业的应用 天线系统完成发送信号、接收信号和跟踪卫星的任务，是决定地面站容量与通信质量的关键组成之一。天线系统只包括天线、馈线和跟踪设备三个部分。发射系统的主要作用是将终端系统送来的基带信号进行调制，再经过上变频和功率放大后馈送给天线发往卫星。接收系统的主要作用是将天线系统收到的由卫星转发下来的微弱信号进行放大、下变频和解调，并将解调后的基带信号送至终端系统。卫星通信技术及其在石油行业的应用 终端系统有两个作用：一个是对经地面接口线路传来的各种用户信号分别用相应
29、的终端设备对其进行转换、编排及其它基带处理，形成适合卫星信道传输的基带信号；第二个作用是将接收系统收到并解调的基带信号进行与上述相反的处理，然后经地面接口线路送到各有关用户。电源系统对所有通信设备及辅助设备供电。监控系统通过监控台监测各种设备是否发生故障、主要设备的工作参数是否正常等，便于及时处理，以及有效地对设备进行维护管理。卫星通信技术及其在石油行业的应用6、多址连接技术、多址连接技术 卫星通信的多址连接技术主要采用四种方式，频分多址（FDMA）时分多址（TDMA）码分多址（CDMA）空分多址（SDMA）卫星通信技术及其在石油行业的应用FDMA：Frequency Division Mul
30、tiple Access 不同的用户分配在时隙相同而频率不同的信道上。按照这种技术，把在频分多路传输系统中集中控制的频段根据要求分配给用户。同固定分配系统相比，频分多址使通道容量可根据要求动态地进行交换。在FDMA系统中，分配给用户一个信道，即一对频谱，一个频谱用作前向信道即基站向移动台方向的信道，另一个则用作反向信道即移动台向基站方向的信道。这种通信系统的基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号，任意两个移动用户之间进行通信都必须经过基站的中转，因而必须同时占用2个信道(2对频谱)才能实现双工通信。卫星通信技术及其在石油行业的应用TDMA：Time Division Multiple Acc
31、ess 把一个传输通道进行时间分割以传送若干话路的信息，把N个话路设备接到一条公共的通道上，按一定的次序轮流的给各个设备分配一段使用通道的时间。当轮到某个设备时，这个设备与通道接通，执行操作。与此同时，其它设备与通道的联系均被切断。待指定的使用时间间隔一到，则通过时分多路转换开关把通道联接到下一个要连接的设备上去。时分制通信也称时间分割通信，它是数字电话多路通信的主要方法。卫星通信技术及其在石油行业的应用CDMA：Code Division Multiple Access 是在扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。其技术原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息数据，
32、用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。卫星通信技术及其在石油行业的应用SDMA：Space Division Multiple Access 利用碟形天线的方向性来优化无线频域的使用并减少系统成本。这种技术是利用空间分割构成不同的信道。举例来说，在一颗卫星上使用多个天线，各个天线的波束射向地球表面的不同区域。地面上不同地区的地球站，它们在同一时间、即使使用相同的频率进行工作，它们之间也不会形成干扰。空分多址（SDMA）是
33、一种信道增容的方式，可以实现频率的重复使用，充分利用频率资源。空分多址一般与其它多址方式组合使用，例如空分码分多址（SD-CDMA）。卫星通信技术及其在石油行业的应用 简言之，所谓空分多址就是利用天线波束将空间分割出互不重叠的多个逻辑信道，以满足同频、同时向多点通信的目的。注意这里的逻辑信道和物理信道都是指无线电信道。一个通信区域内如果有几个地面站，则它们之间的站址识别还要借助FDMA或TDMA技术。所以，在实际应用中，一般不单独使用SDMA方式，而是与其它多址方式相结合。若要保证空分多址方式的系统正常工作，必须有以下几个同步过程。卫星通信技术及其在石油行业的应用 (1)由于空分多址方式是在时
34、分多址方式的基础上进行工作的，因此各地面站的上行TDMA帧信号进入卫星转发器时，必须保证帧内各分帧的同步，这与时分多址的帧同步相同。(2)在卫星转发器中，接通收、发信道和窄波束天线的转换开关的动作，分别与上行TDMA帧和下行TDMA帧保持同步，即每经过一帧，天线的波束就要相应转换一下。这是空分多址方式特有的一个同步关系。卫星通信技术及其在石油行业的应用 (3)每个地面站的相移键控调制和解调必须与各个分帧同步，这与数字微波中继通信系统的载波同步相同。从以上讨论可以看出，空分多址方式有以下三个特点：(1)由于空分多址方式必须采用窄波束的天线，卫星天线的辐射功率集中，有利于卫星转发器和地面站采用固体
35、功率器件而变得小型化。(2)由于利用了多波束之间的空分关系，提高了抗同波道干扰的能力。(3)空分多址方式要求卫星的位置和姿态高度稳定，以保证天线窄波束的指向准确。卫星通信技术及其在石油行业的应用7 、典型卫星通信系统介绍、典型卫星通信系统介绍 一、VSAT卫星通信系统 VSAT是Very Small Aperture Terminals（小天线地面站卫星通信系统或甚小口径终端）的英文缩写。所谓VSAT通常是指天线口径小于2.4米。G/T值（天线增益与噪声温度之比）低于19.7dB/K和高度软件控制的地球站。一般的卫星通信系统用户在利用卫星通信的过程中，必须要通过地面通信网汇接到地面站后才能进行
36、。卫星通信技术及其在石油行业的应用 一些特殊用户，如银行、航空公司、汽车运输公司、石油公司等就显得很不方便，这些用户希望能自己组成一个更为灵活的卫星通信网，并且各自能够直接利用卫星来进行通信，把通信终端直接延伸到办公室和私人家庭，甚至面向个人进行通信。这样就产生了VSAT系统。VSAT系统代表了当今卫星通信发展的一个重要方向，它的产生和发展奠定了卫星通信设备向多功能化、智能化、小型化的方向发展。VSAT系统（网络）是由一个主站和若干个VSAT终端组成的卫星通信系统。卫星通信技术及其在石油行业的应用 主站也称为中心站或枢纽站，它是一个较大的地球站，具有全网的出、入站信息传输、交换和控制功能。VS
37、AT系统终端，通常指天线尺寸小于2.4m，由主站应用管理软件高度监测和控制的小型地面站。VSAT系统主要用来进行2Mb/s以下低速率数据的双向通信。VSAT系统中的用户小站对环境条件要求不高，可以直接安装在用户屋顶上，不必汇接中转，可由用户直接控制电路，安装组网方便、灵活。因而VSAT系统的发展非常迅速。卫星通信技术及其在石油行业的应用 VSAT系统工作在14/11GHz的KU频段以及C频段。系统中综合了分组信息传输与交换、多址协议、频谱扩展等多种先进技术，可以进行数据、语言、视频图像、传真、计算机信息等多种信息的传输。卫星通信技术及其在石油行业的应用 二、低轨道（LEO）移动卫星通信系统 为
38、了实现全球个人通信，人们研究了很多方法，其中的一个方案就是利用低轨道卫星移动通信系统。低轨道卫星移动通信系统与地面蜂窝式移动电话系统的基本原理相似，都采用划分小区和重复使用频率的方法进行通信；不同的是低轨道卫星移动通信系统相当于把地面蜂窝式移动电话系统的基站安装在卫星上。低轨道卫星体积小，重量轻，只有500kg左右，利用小型火箭就可以发射，便于及时更换有故障的卫星，有利于提高系统的通信质量和可靠性。卫星通信技术及其在石油行业的应用 这种系统中的卫星离地面高度较低，约为765km，所以叫做低轨道卫星。由于卫星离地球表面较近，每颗卫星能够覆盖的地球表面就比静止卫星小得多，但是仍然比地面上移动通信的
39、基站覆盖的面积大得多，从而使系统中卫星的覆盖区域能布满整个地球表面。这时，卫星与移动通信用户之间的最大通信距离不超过2315km，在这样的距离内，可以使用小天线、小功率、重量轻的移动通信电话机，通过卫星直接通话。卫星通信技术及其在石油行业的应用 目前提出的低轨道卫星方案的大公司有8家。其中最有代表性的低轨道卫星移动通信系统主要有铱（Iridium）系统和全球星系统（Globalstar）系统、白羊（Arics）系统、低轨卫星（Leo-Set）系统、柯斯卡（Coscon）系统、卫星通信网络（Teledesic）系统等。卫星通信技术及其在石油行业的应用 铱系统简介：美国摩托罗拉公司在1991年提出
40、用77颗卫星，覆盖全球的移动电话系统，这个方案和铱原子外围包围着77个电子的原子结构很相似，所以被称为“铱系统”。这77颗卫星分成7组，每组11颗，分布围绕在地球上空、经度上距离相等的7个平面内的低轨道上；后又改为66颗小型智能卫星在地面上空765km处围绕6条极地轨道运行，卫星与卫星之间可以接力传输，从而使卫星天线的波束覆盖全球表面。这样，在地面的任何地点、任何时间，总有一颗卫星在视线范围内，以此来实现全球个人通信。卫星通信技术及其在石油行业的应用 摩托罗拉所属的“铱星”公司因市场定位及营销体制失误等原因，已于2000年5月宣布倒闭，投入运行仅仅两年的“铱”系统已终止服务，目前由美国防部出资
41、维持其运行。“铱”系统虽然失败，但其技术上的先进性是毋庸置疑的，它成功地向人们展示了全球低轨卫星蜂窝系统是实际可行的，从而向全球个人通信迈出了一大步。卫星通信技术及其在石油行业的应用全球星（全球星（Globalstar）系统简介：）系统简介：全球星（Globalstar）系统是美国LQSS（Loral Qualcomm Satellite Service）公司于1991年6月向美国联邦通信委员会（FCC）提出低轨道卫星移动通信系统。LQSS公司是由Loral宇航局和Qualcomm公司共同组建的一个股份公司。全球星（Globalstar）系统与铱系统在结构设计和技术上均不同。全球星（Globa
42、lstar）系统属于非迂回型，不单独组网，其作用只是保证全球范围内任意用户随时可以通过该系统接入地面公共网联合组网，其联结接口设在关口站。卫星通信技术及其在石油行业的应用 全球星（Globalstar）系统的基本设计思想是利用LEO卫星组成一个连续覆盖全球的移动通信卫星系统。向世界各地提供话音、数据或传真、无线电定位业务。它是作为地面蜂窝移动通信系统和其他移动通信系统的延伸，与这些系统具有互运行性。此外，它还是一个类似于无绳电话的无线电话系统，但其服务范围不受限制，同一手持机就可以在世界上任何的地方、任何时间与任何地方的用户建立可靠、迅速、经济的通信联络。按目前全球星（Globalstar）系
43、统合作伙伴的分布情况来看，它可以为33个国家提供服务，其中包括14个欧洲国家，8个亚洲国家，6个美洲国家以及其他地区的5个国家 卫星通信技术及其在石油行业的应用 三、中轨道（MEO）移动卫星通信系统 低轨道（LEO）卫星移动通信系统易于实现手持机个人通信，但由于系统中卫星数量多、寿命短，运行期间要及时补充替代卫星，使系统投资较高,因此，许多中轨道（MEO）卫星移动通信系统的设计方案便应运而生。有代表性的MEO卫星系统主有InmarsatP（ICO，中高度圆形轨道），TRW公司提出的Odyssey（奥德赛），欧洲宇航局开发的MAGSS14等。其中ICO和Odyssey两个系统的星座和地面设施极为
44、相似，采用了相同的轨道高度、几乎相同的倾角和多波束天线。卫星通信技术及其在石油行业的应用 四、静止轨道（GEO）移动卫星通信系统 静止轨道移动卫星通信系统与低轨道卫星移动通信系统的区别之处在于，它是利用静止卫星进行移动通信。用户可以使用便携式的移动终端，通过同步通信卫星和地面站，并经由通信网中转，进行全球范围的电话、传真和数据通信。卫星通信技术及其在石油行业的应用 目前，海事卫星（INMARSAT）系统是世界上能对海、陆、空中的移动体提供静止卫星通信的典型系统。INMARSAT网的卫星分布在大西洋、印度洋和太平洋上空，形成全球性的通信网。地面站有岸站和大量的船站，船站之间通信时经岸站双跳中继。
45、星船之间的工作频率是1.51.6GHz，星岸之间用6/4GHz。目前，INMARSAT网提供的业务有电话、用户电报、利用电话电路的数据传输（话路数据速率为2.4Kb/s）、遇难安全通信（利用电话和用户电报）、高速数据（船岸单向，56Kb/s）和群呼（电报）等。卫星通信技术及其在石油行业的应用 除上述介绍的卫星通信系统以外，卫星通信在其它领域例如在军事、气象、资源探测、侦察、宇宙通信、科学实验、业务广播、全球定位等的应用也十分广泛。在将来要实现的个人通信中，卫星也是必不可少的核心支柱之一。卫星通信技术及其在石油行业的应用1、石油行业特点、石油行业特点1、地域分布：崇山峻岭、戈壁沙漠、海洋岛屿、海
46、内海外2、业务种类：涉及石油产业链上油所有业务：勘探、钻井、录井、管道建设等3、通信需求：语音、数据传输、现场监控（HSE）等卫星通信技术及其在石油行业的应用2、主要卫星通信应用系统、主要卫星通信应用系统Linkstar 美国诺达 德国休斯 美国吉莱特 以色列波拉塞特 加拿大Nec 日本Ipstar 泰国卫星通信技术及其在石油行业的应用3、实用组网技术、实用组网技术星状网优点：部署简单 小站成本低廉缺点：小站之间通信时延较长 中心站昂贵 带宽共享存在一定问题适用业务：小流量数据业务卫星通信技术及其在石油行业的应用A区营地卫星小站作业队N作业队2作业队1卫星小站卫星小站中心站卫星通信技术及其在石油行业的应用网状网优点：高突发流量 主站成本低 小站之间传输时延小 带宽动态共享缺点：小站昂贵适用业务：语音通信 实时监控 突发大流量数据业务卫星通信技术及其在石油行业的应用A区营地亚洲四号卫星卫星小站作业队N作业队2作业队1卫星小站卫星小站卫星通信技术及其在石油行业的应用
