1、中低轨道卫星通信的中低轨道卫星通信的频率特点频率特点解放军理工大学通信工程学院解放军理工大学通信工程学院李广侠李广侠 一、中低轨卫星通信系统的现状一、中低轨卫星通信系统的现状二、中低轨卫星通信特点和频率二、中低轨卫星通信特点和频率三、发展我国星座卫星通信及启动频率论证三、发展我国星座卫星通信及启动频率论证报告内容“铱”系统-典型的中低轨卫星通信系统典型的中低轨卫星通信系统铱星网络结构图铱星网络结构图工作频率波段工作频率波段:业务链路业务链路:L:L波段波段 1616-1626.5MHz1616-1626.5MHz星际链路星际链路:Ka:Ka波段波段 23.18-23.38 GHz23.18-2
2、3.38 GHz地面段链路地面段链路:上行上行:Ka:Ka波段波段;19.4-19.6 GHz;19.4-19.6 GHz 下行下行:Ka:Ka波段波段;29.1-29.3 GHz;29.1-29.3 GHz业务种类：话音、传真、寻呼、数据业务种类：话音、传真、寻呼、数据空间段：星数：空间段：星数：66666 6轨道数：轨道数：6 6个个轨道高度：轨道高度：780780公里公里运行周期：运行周期：100100分钟分钟2828秒秒点波束数量：点波束数量：4848个个/卫星卫星铱星概述 1987 1987年由摩托罗拉公司提出年由摩托罗拉公司提出 1997 1997年年5 5月月5 5日铱系统公司首
3、次将日铱系统公司首次将5 5颗铱卫星发颗铱卫星发射上天射上天到到19981998年年5 5月月1717日共发射了日共发射了6767颗卫星，完成了颗卫星，完成了由由6666颗卫星组成的卫星星座颗卫星组成的卫星星座19981998年年1111月月1 1日正式开始提供话音业务，日正式开始提供话音业务，1111月月1616日开始提供寻呼业务日开始提供寻呼业务 2000 2000年年3 3月月2727日铱系统正式结束业务日铱系统正式结束业务现由新铱星公司接管，为美国国防部提供话音现由新铱星公司接管，为美国国防部提供话音和数据通信业务，和数据通信业务，20022002年还补发了年还补发了5 5颗铱星。颗铱
4、星。铱系统的简历Iridium Satellite LLC Overview System acquired Dec 2000 Committed,multinational investor group from Saudi Arabia,Brazil,Australia,and USA Commercial service re-introduced March 2001 with maintainable cost structure Strategic relationship with Boeing for satellite constellation operations and
5、 maintenance 2014 constellation lifespan Significantly reduced price and simplified pricing plan Vertical market distribution strategy for voice and data services The U.S.Government is an anchor customer.Actively penetrating global marketEntire Network in Space66 satellites operate in 6 polar orbita
6、l planes 780km above the earthEach satellite footprint approximately 5000km in diameterAll satellite footprints overlapEach satellite has 48 spot beamsEach spot beam footprint approximately 450km in diameterAll spot beams overlapSwitch in the sky on board processing and switching for efficiency,flex
7、ibility,and qualityInter-satellite link enables the entire network in the sky covers every inch on the earth and immune from terrestrial disaster13 in orbital spare satellitesThe only operator capable of providing truly global voice and data serviceSatellite ConstellationUbiquitous Coverage the only
8、 system with true global availabilitySeamless Operations the only system with continuous visibility of multiple satellites for high reliabilityConstellation Capacity process and control 72,000 simultaneous phone calls support 2 M active customers Matured Implementation completely de-bugged system Fi
9、nancial Stability Debt free and break-even in operationsSatellite Technology ComparisonTraditional Satellite Systems-Inmarsat,Thuraya,Aces,Globalstar,etc.Architecture Bent pipe Coverage Regional Callers and earth stations must be under same satelliteIridium-Entire Telecommunications Network in Space
10、 Architecture Onboard processing and switching Crosslink between satellites Coverage Truly Global Callers can be anywhere in the worldAdvanced Iridium System ArchitectureOnboard proessing/switching and Inter-satellite links to provide-Pole-to-Pole coverage-Gateway not required within satellite footp
11、rintIridium Call Topology&PerformanceAccess Request,Voice Traffic,SignalingIRIDIUMConstellationTempe or Beijing GatewayAustraliaOriginatingMobile UserVoice Traffic,SignalingSignalingSouth China SeaDestinationMobile UserVoice and Data Services Tempe GW measured performance:8,590 weekly test calls 99.
12、2%Call success rate 0.6%Call drop rateShort Burst Data Services Tempe GW measured performance 99.64%First attempt message success rateIridium Traffic DistributionPersonal Data ConnectivityMModemRARate AdapterMobileSwitchingCenterMInternetServiceProviderMPSTNInternetIridium GatewayDial-Up Connectivit
13、yDirect Internet ConnectivityMobileSwitchingCenterInternetIridium GatewayRADirect InternetServerRAFaster connection time10 seconds as compared to 40 seconds for dial-up PPPTransparent compression for improved throughputSmart Connect seamless connect/disconnectReduces on-air chargesMaximizes ISU batt
14、ery lifeReconnects automatically if connection droppedNo tail-end charges incurred at GatewayEnterprise Data Services RUDICS-Router based Unstructured Digital Interworking Connectivity Solution Key Benefits:Gateway rovides virtual modem ports that can be routed via terrestrial data connections Signi
15、ficantly reduced connection times and increased throughput using industry standard(PPP)compression(see 10Kbps per channel)Ability to gang channels together for high bandwidth applications(3 channels nominal throughput equivalent to SWIFT 64Leased Line ORVPN ORInternetIridium GatewayD900RUDICSServerR
16、emote ApplicationApplication Host ServerEnd User AccessIridium GatewayD900SBM NetworkEquipmentInternetUserApplicationShort Burst DataAn“ultra-efficient”way to transmit relatively small amounts of data across the Iridium Network 70 bytes in about a second after channel acquisition(typical total time
17、of 5 seconds for a 110 Character Message)Mobile-originated,two-way exchanges with flexible range of short messages(approximately 2,000 bytes)Ideal for Asset Tracking,Monitor,and Control Applications Telemetry and telecommond Position reporting Weather requests Data collection Safety alert SOS etc.Wi
18、reless Phoneor Data DeviceIridium Handset withWireless Base StationIridium GatewayRemote Wireless Local LoopInternetPSTNRUDICSSBMServerAsymmetric Broad Band Data Broadcast Satellite(GEO)Iridium(LEO)Iridium Gateway/ISPSerialNICSatellite ISP Authentication Center&Content ServerBroadband SatelliteTrans
19、mission FacilityBroadband SatelliteSubscriber前期失败的原因前期失败的原因：定位不准，无法与地面蜂窝系统竟争；定位不准，无法与地面蜂窝系统竟争；技术复杂，研制周期过长；技术复杂，研制周期过长；通信价格过高；通信价格过高；资本运作失败。资本运作失败。复活的原因：复活的原因：真正的全球通信；真正的全球通信；小终端低时延的移动通信；小终端低时延的移动通信；高效的运营方式。高效的运营方式。铱系统失败和成功的启示铱系统失败和成功的启示工作频率波段工作频率波段:业务链路业务链路:L:L波段波段 1616-1626.5MHz1616-1626.5MHz馈线链路馈线
20、链路:上行上行:C:C波段波段/6875-7055MHz/6875-7055MHz 下行下行:C:C波段波段/5091-5250MHz/5091-5250MHz业务种类：话音，传真、数据、定位业务种类：话音，传真、数据、定位空间段：星数：空间段：星数：48488 8轨道数：轨道数：8 8个个轨道高度：轨道高度：14141414公里公里运行周期：运行周期：114114分钟分钟点波束数量：点波束数量：1616个个/卫星卫星全球星(Globalstar)概述全球星系统网络结构 全球星系统特点尊重各国、各地区通信主权：所有呼叫，包括国际呼叫，都将经关口站接入业务提供商现有地面公网和移动网络 扩大各地区
21、业务提供商的运营范围和业务收入通信管理当局可以按需要实行通信管理和控制全球星多径分集技术ORBCOMM系统（1）空间段：36颗卫星（获得许可的是48颗）共6个轨道平面A，B，C，D，F，G。A，B，C轨道面：45倾角，每个轨道面8颗卫星，高度为825km；均匀分布（45）；D轨道面：8颗卫星，0（赤道平面）高度为825km；F，G 轨道面是极地轨道（70，108）每轨道面2颗卫星，150kg，高度780km；ORBCOMM系统（2）地面段：用户终端，信关站，控制中心；因为无星间链路，所有用户之间的通信均需通过信关站。工作频段:卫星至用户：12条下行链路（每个卫星分配一条），4.8kbps;13
22、7138MHz(下行)；用户至卫星：每个卫星动态分配6条；148150MHz(上行)；2.4kbps;多址方式：FDMA；业务范围：远端监测、定位跟踪、短数据通信；1998年底投入商用，目前已在80多个国家获得运营权；主要用于交通、环保、地质、油气管道监测等ORBCOMM系统（3）LEO(Low Equator Orbit)低轨道卫星低轨道卫星：Hmax5000kmMEO(Middle Equator Orbit)中轨道卫星中轨道卫星：5000kmHmax20000kmHEO(High Equator Orbit)高轨道卫星高轨道卫星：Hmax20000km卫星通信卫星通信之之卫星轨道（卫星轨
23、道（1）倾斜椭圆轨道 同步静止轨道 倾斜圆轨道 极地轨道 图 1 通信卫星轨道示意图 地球 轨道倾角 卫星通信卫星通信之之卫星轨道（卫星轨道（2）GEO GSO(Geostationary对地静止卫星对地静止卫星)：相对于地球表面任一点，卫星位置保持固定不相对于地球表面任一点，卫星位置保持固定不变。其轨道称为对地静止轨道，它是赤道平面上变。其轨道称为对地静止轨道，它是赤道平面上唯一的一条圆形同步轨道。对地静止轨道是目前唯一的一条圆形同步轨道。对地静止轨道是目前卫星通信使用主要轨道，对卫星通信具重要卫星通信使用主要轨道，对卫星通信具重要意意义。义。non-GSO(对地非静止卫星对地非静止卫星)：
24、相对地球表面任一点，卫星位置不断地变化。相对地球表面任一点，卫星位置不断地变化。卫星通信卫星通信之之卫星轨道（卫星轨道（3）对地静止轨道 高度 36000km 高度1000km 子午线 同步卫星轨道同步卫星轨道或或对地静止轨道对地静止轨道主要优点主要优点：地球站天线易于保持对准卫星地球站天线易于保持对准卫星通信连续，不必频繁更换卫星通信连续，不必频繁更换卫星对地面的视区面积和通信覆盖区面积大对地面的视区面积和通信覆盖区面积大工作稳定，通信质量高工作稳定，通信质量高主要缺点：主要缺点：发射和在轨监控的技术复杂；发射和在轨监控的技术复杂；传输时延较大传输时延较大卫星数量有限。卫星数量有限。同步卫星
25、轨道同步卫星轨道之之特点特点主要特点主要特点：轨道高度较低，信号的传播路径比较短，传轨道高度较低，信号的传播路径比较短，传播损耗和迟延也就很小；播损耗和迟延也就很小；多颗卫星可以进行频率复用，也能缓解对地多颗卫星可以进行频率复用，也能缓解对地静止轨道上卫星过分拥挤的情况；静止轨道上卫星过分拥挤的情况；一次发射多颗卫星降低了发射成本；一次发射多颗卫星降低了发射成本；卫星制造成本低，卫星系统的可靠性和生存卫星制造成本低，卫星系统的可靠性和生存能力较高；能力较高；容易实现全球个人通信，特别对于高纬度地容易实现全球个人通信，特别对于高纬度地区。区。中低轨道卫星轨道中低轨道卫星轨道之之特点特点系统名称轨
26、道高度工作频段业务类型总卫星数Iridium780kmL窄带移动66Globalstar 1410kmL/S窄带移动48ICO10355kmS窄带移动12Teledesic1350kmKa宽带固定288中低轨道卫星通信中低轨道卫星通信之之典型系统典型系统大大LEO：IridiumGlobalstarICO 提供全球实时个人通信业务的提供全球实时个人通信业务的LEOLEO和和MEOMEO卫星移动通信系统卫星移动通信系统宽带宽带LEO：TeledesicM-starSkybridge 利用利用LEOLEO提供宽带业务的系统提供宽带业务的系统小小LEO：OrbcommLEO one 利用利用LEOL
27、EO提供非实时业务的系统提供非实时业务的系统低轨道卫星通信系统分类低轨道卫星通信系统分类纳米型卫星纳米型卫星(Nanosat)：重量在：重量在10 kg左右左右微型卫星微型卫星(Microsat)：重量在：重量在10100 kg超小型卫星超小型卫星(Minisat)：重量在：重量在100500 kg；小卫星小卫星(Smallsat)：重量在：重量在5001000 kg 小卫星分类小卫星分类(1)重量轻，体积小，研制周期短，重量轻，体积小，研制周期短，成本低，功能密度大，发射灵活。成本低，功能密度大，发射灵活。具体指标例如：具体指标例如：有效载荷提高到有效载荷提高到70%70%；研制周期研制周期
28、1212年，研制经费大幅度降低；年，研制经费大幅度降低；重复使用模块达重复使用模块达80%80%等等等等微小卫星定义微小卫星定义中低轨道卫星通信系统的组成 空间段:卫星星座系统 用户段：各类用户 地面段：卫星测控中心，网络管理中心，信关站，中低轨卫星通信系统组成网管中心测控站网关低轨卫星星座系统通信网GSM交换中心公共电话网业务提供控制中心移动蜂窝网专用网有线电话干线网因特网邮电管理部门机载站手持终端车载站舰载站信关站空间段用户段地面段现有地面网络中低轨卫星轨道凡尔伦带(Van Allen):由地球磁场从太阳风中俘获并禁锢的高能电子与质子组成，高能粒子辐射性强、穿透力强，对人造成卫星的电子设备
29、损害极大。1958年1月探险者1号首次在1000km高度由Van Allen发现；后经探险者2，3号证实。凡尔伦带(Van Allen)的分布GEO MEO 500015000km；LEO 5001500km；外凡尔伦带13000km20000km 内凡尔伦带1500km6000km;地球中低轨道卫星通信系统的链路 链路组成：用户链路：用户终端与卫星之间的链路；用户链路：用户终端与卫星之间的链路；馈电链路：信关站与卫星之间的链路；馈电链路：信关站与卫星之间的链路；星际链路：卫星与卫星之间的链路；星际链路：卫星与卫星之间的链路；用户链路 用户链路的特点：终端小型化终端小型化:传播损耗和多普勒频移
30、小，器件传播损耗和多普勒频移小，器件成熟；成熟；适合移动通信的特点：波束宽，绕射能力强；适合移动通信的特点：波束宽，绕射能力强；地面干扰少：地面无线设备高次谐波少；地面干扰少：地面无线设备高次谐波少；频率：UHF，L/SUHF和L/S频率比较频段UHFL/S传播损耗小小多普勒频移小稍大可用带宽较窄较宽穿透能力强稍弱绕射能力强稍弱背景干扰较大较小实现难度较小可行UHF和L/S频率比较采用采用L/S波段的优点：波段的优点：1、卫星上便于制作和安装多波束天线，实现频率再、卫星上便于制作和安装多波束天线，实现频率再（重）用，从而大扩展系统的通信容量。例如我们曾（重）用，从而大扩展系统的通信容量。例如我
31、们曾初步计算过，工作于初步计算过，工作于1.6GHz时，由时，由37个阵元组成的天个阵元组成的天线阵列，其尺寸约为线阵列，其尺寸约为0.54m*o.47m，如用，如用UHF（400MHz），则为），则为2.25m1.95m。在天线的重量上，。在天线的重量上，前者也比后者小得多；前者也比后者小得多；2、UHF地面干扰大：沿海地区地面干扰大：沿海地区-86dBm到到-89dBm之间，之间，而美军而美军-100dBm；3、天线：手持式终端天线尺寸也较、天线：手持式终端天线尺寸也较UHF的要小得多。的要小得多。馈电链路 馈电链路的特点：通信容量大通信容量大:信关站接入的信号容量大；信关站接入的信号容量
32、大；易于天线跟踪：信关站天线跟踪；易于天线跟踪：信关站天线跟踪；星上载荷和天线：重量和技术难度；星上载荷和天线：重量和技术难度；频率：C，Ku，Ka，激光？馈电链路124681618左旋极化35791117191246814163579111920左旋极化命令右旋极化遥测右旋极化11.2MHz10MHz10MHz卫星转发器卫星转发器10MHz11.2MHz*10=112MHz11.2MHz10MHz6500MHz6612MHz4400MHz4512MHzC波段上行L波段下行L波段上行C波段下行用户下行19个波束用户上行19个波束11.2MHz*10=112MHz星际链路 星际链路的特点：系统容
33、量：具有足够多的容量；系统容量：具有足够多的容量；跟瞄：星际链路的天线跟瞄；跟瞄：星际链路的天线跟瞄；星上处理与交换：技术复杂；星上处理与交换：技术复杂；频率：Ka，Ku，激光？星际链路图 9.1 带有ISL的48星极地相位星座结构图中低轨道通信系统应用 中低轨道星座通信系统可以为广大地域范围提供通信服务，是地面通信网络的重要补充。低轨道(LEO)系统相对其他轨道的星座系统来说，具有传播时延短、路径损耗低，便于用户终端小型化；网络的顽存性强，少量的卫星被毁系统仍可维持一定的使用性能；以及机动灵活等特点，在支持大范围大量移动用户的通信方面具有突出的优势。天基信息系统的需求 天基信息系统由不同轨道
34、的通信卫星、天基信息系统由不同轨道的通信卫星、广播卫星、中继卫星及其支撑和应用系统组广播卫星、中继卫星及其支撑和应用系统组成，从顶层设计角度，将天基系统的数据获成，从顶层设计角度，将天基系统的数据获取、传输、处理、分发、应用进行有机融合，取、传输、处理、分发、应用进行有机融合，对通信、导航、电子侦察、光学、红外和雷对通信、导航、电子侦察、光学、红外和雷达探测等各种星座进行综合组网，可更全面、达探测等各种星座进行综合组网，可更全面、迅速的掌握全球军事动态，进行有效测控及迅速的掌握全球军事动态，进行有效测控及指挥的手段。指挥的手段。我国的全球战略的需求 我国的我国的“和平崛起和平崛起”的发展路线需
35、要强大的的发展路线需要强大的国防和全球通信能力的支撑国防和全球通信能力的支撑民用方面：远洋油轮的保护民用方面：远洋油轮的保护军事方面：核潜艇远洋通信军事方面：核潜艇远洋通信 结论：全球通信是我国我军来来全球战略的重结论：全球通信是我国我军来来全球战略的重要组成部分要组成部分弹道导弹核潜艇弹道导弹核潜艇军事应用对中低轨卫星通信系统的需求 现代战争使指控模式产生变革，指控系统对数据传输提现代战争使指控模式产生变革，指控系统对数据传输提出明确要求出明确要求：建立功能强大的数据链，实现面向武器平台及单兵的实建立功能强大的数据链，实现面向武器平台及单兵的实时数据传输；时数据传输；面向数字及代码的指挥控制
36、面向数字及代码的指挥控制；地域的广泛性、地域的广泛性、机动灵活性；机动灵活性；包括群呼、轮询、授时和位置信息服务等多种功能；包括群呼、轮询、授时和位置信息服务等多种功能；小型化、用户数量多；小型化、用户数量多；网络的顽存能力；网络的顽存能力；多种轨道融合的卫星通信系统多种轨道融合的卫星通信系统高低轨道结合，具有星际链路，先区域后全球的星座通信系统星座系统分布发展设想星座系统分布发展设想 终极目标终极目标高低轨道结合，轨道内和轨道间星际链路，全球覆高低轨道结合，轨道内和轨道间星际链路，全球覆盖，实时通信盖，实时通信 中期目标中期目标低轨为主，轨道内星际链路，区域覆盖，全球重点低轨为主，轨道内星际
37、链路，区域覆盖，全球重点地区通信地区通信 近期目标近期目标2-32-3颗低轨星，进行星际链路、星上处理和交换及颗低轨星，进行星际链路、星上处理和交换及多波束天线的技术验证多波束天线的技术验证低轨卫星一个轨道平面内具有星际链路的覆盖示意图低轨卫星一个轨道平面内具有星际链路的覆盖示意图区域星座通信系统区域星座通信系统同步同步+低轨，及之间有星际链路的覆盖示意图低轨，及之间有星际链路的覆盖示意图全球星座通信系统全球星座通信系统尽早启动星座卫星通信的尽早启动星座卫星通信的轨道频率论证轨道频率论证 同步卫星轨位同步卫星轨位本土、美洲、欧洲等本土、美洲、欧洲等 用户链路频率用户链路频率本土、境外本土、境外 馈电链路频率馈电链路频率本土本土 星际链路频率星际链路频率低轨低轨-低轨，同步低轨，同步-低轨低轨
