1、第6章 卫星通信p6.1 卫星通信的基本原理p6.2 卫星通信的基本组成p6.3 卫星通信的应用p6.4 北斗系统的基本组成和工作原理 6.1 卫星通信的基本原理6.1.1概述一、卫星通信基本概念p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。图6.1 卫星通信示意图 二、卫星通信的发展简介1、40年代提出构想及探索p1945年10月，英国科学家阿瑟克拉克发表文章，提出利用同步卫星进行全球无线电通信的科学设想。最初是利用月球反射进行探索试验，证明可以通信。但由于回波信号太弱、时延长、提供通信时间短、带宽窄、失真大等缺点，因此没有发展前途。2、50年代进
2、入试验阶段p1957年10月，第一颗人造地球卫星上天后，卫星通信的试验很快转入利用人造地球卫星试验的阶段，主要测试项目是有源、无源卫星试验和各种不同轨道的卫星试验。试验证明：（1）无源卫星不可取。主要缺点是要求地面大功率发射和高灵敏接收，通信质量差，不宜宽带通信，卫星反射体面积大且受流星撞击干扰，卫星只能是低轨道等。1964年后，无源卫星试验宣告终止。（2）通过对各种轨道高度的有源通信卫星的试验，证明了高轨道特别是同步静止轨道对于远距离、大容量、高质量的通信最为有利。所以，对有源通信卫星的试验及试用逐步集中到同步轨道卫星方面。（3）20世纪60年代中期，卫星通信进入实用。1964年，国际通信卫
3、星组织INTELSAT成立。相继发射了IS-、IS-、IS-通信卫星。一些国家建成了一批地球站，初步构成了国际卫星通信网络，开始了国际卫星通信业务。限于当时的技术条件，地球站设备十分庞大，采用30m口径的大型天线、几千瓦速调管发射机、致冷参量放大器接收机等，建设地球站耗资巨大。（4）20世纪70年代初期，卫星通信进入国内通信。1972年，加拿大首次发射了国内通信卫星“ANIK”，率先开展了国内卫星通信业务，获得了明显的规模经济效益。地球站开始采用21m、18m、10m等较小口径天线，用几百瓦级行波管发射机、常温参量放大器接收机等使地球站向小型化迈进，成本也大为下降。（5）20世纪80年代，VS
4、AT卫星通信系统问世，卫星通信进入突破性的发展阶段。VSAT是集通信、电子计算机技术为一体的固态化、智能化的小型无人值守地球站。一般频段VSAT站的天线口径约m，Ku频段为1.8m、1.2m或更小。可以把这种小站建在楼顶上或就近的地方而直接为用户服务。VSAT技术的发展，为大量专业卫星通信网的发展创造了条件，开创了卫星通信应用发展的新局面。（6）20世纪90年代，中、低轨道移动卫星通信的出现和发展开辟了全球个人通信的新纪元，大大加速了社会信息化的进程。三、卫星通信的工作频段 图6.2 大气对电磁波的吸收损耗 p表6.1 微波频段 微波频段频率范围GHz微波频段频率范围GHzL12K1826S2
5、4Ka2640C48Q3350X812U4060Ku1218V60806.1.2 卫星通信的特点及其在技术上带来的一些问题 一、卫星通信的特点 1、通信距离远，覆盖面积广，建站成本与通信距离无关p一个卫星通信系统中的各地球站之间，是靠卫星联接的。由于卫星处于离地球几百、几千甚至几万公里的高度，因此在卫星能够覆盖到的范围内，通信成本与距离无关。只要这些地球站与卫星间的信号传输满足技术要求，通信质量便有了保证，地球站的建设经费不因通信站之间的距离远近、两通信站之间地面上的自然条件恶劣程度而变化。这在远距离通信上具有明显的优势。2、具有独特的广播特性，组网灵活，容易实现多址连接p卫星通信系统类似于一
6、个多发射台的广播系统，每个有发射机的地球站都可以发射信号，在整个卫星覆盖区内都可以收到广播信号，可以通过接收机选出所需要的某一个发射台的信号。因此，只要地球站同时具有收发信机，就可以在地球站之间建立通信连接，这种能同时实现多方向、多地点通信的能力，称为多址联接。应该说这个特点是卫星通信系统突出的优点，它为通信网络的组成，提供了高效率和灵活性。3、通信容量大，能传送的业务类型多p由于射频采用微波波段，可供使用的频带很宽，加上星上能源和卫星转发器功率保证越来越充分，随着新体制、新技术的不断发展，卫星通信容量越来越大，传输的业务类型越来越多样化。4、可以自发自收进行监测p由于地球站以卫星为中继站，卫
7、星将系统内所有地球站发来的信号转发回地面，因此进入地球站接收机的信号中，一般包含本站发出的信号，从而可以监视本站所发消息是否正确传输，以及传输质量的优劣。二、技术上带来的问题 由于卫星通信具有以上特点，也在技术上带来了一些新的问题：1、需要采用先进的空间电子技术p由于卫星与地球站的距离远，电磁波在空间中的损耗很大，因此需要采用高增益的天线、大功率发射机、低噪声接收设备和高灵敏度调制解调器等。而且空间的电子环境复杂多变，系统必须要承受高低温差大宇宙辐射强等不利条件，因此卫星设备的材料必须是特制的，能够适应空间环境的。2、需要解决通信时延较长的问题p电磁波以光速在自由空间传播，在静止卫星通信系统中
8、，卫星与地球站之间相距约4万公里，发送端信号经卫星转发到接收端，传输时延可达270ms。因为两个站的用户信号都必须经过卫星，因此打电话者要得到对方的回话，必须额外等待540ms。中低轨道卫星的传输时延较小，但也有100ms左右。对某些业务（如话音）来说，必须采取措施解决时延带来的影响。3、要圆满实现多址联接，必须解决多址技术的问题p 通信卫星的广播式工作，为多址联接提供了可能性，但是，要将其变为现实，必须解决多址技术问题，即接收站如何识别和选出发给自己的信号。这要求发射站发射的信号或传输手段必须具有区别于其它站的某种特征。4、要保证卫星能高度稳定、可靠地工作p卫星处于离地球数万公里之外，卫星上
9、组装有成千上万个电子和机械元器件，任何一个发生故障都可能引起通信卫星的失效，导致整个卫星通信系统的瘫痪。因此，在卫星上使用的元器件都需要进行大量的寿命与可靠性试验。即使如此，一颗卫星的稳定运行时间大约为7年。5、存在日凌中断现象 图6.3 日凌中断现象示意图 6.1.3 通信卫星的分类和运行轨道 一、通信卫星的分类1、按卫星离地面高度p（1）低轨道卫星：卫星轨道小于1500km。p（2）中轨道卫星：卫星轨道在1000015000km。p（3）高轨道卫星：卫星轨道大于20000km。2、按照结构的不同来划分p（1）无源卫星：指卫星仅对信号进行转发，而不对接收到的信号进行处理。p（2）有源卫星：所
10、谓的有源卫星是指卫星上装有电子设备，可以将地球站发送过来的信号进行放大和进一步的处理，然后再返送回其他的地球站，这种有增益的可以对信号进行处理的中继站就称为有源卫星。3、按卫星的运转与地球自转是否同步来划分（1）静止卫星：图6.4 三颗静止卫星实现全球通信示意图（2）运动卫星：卫星运行周期不等于（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，故又称为运动卫星，也称为非同步卫星。p目前应用最广泛的卫星是有源静止卫星。二、卫星运动的轨道p人造地球卫星在空间，除了受太阳、月亮、外层大气等因素的作用外，最主要的是受地球重力
11、的吸引。卫星所以能保持在高空不会坠落，是因为它以适当的速度绕地心不停的飞行。为了找出卫星作这种运动的基本规律，我们将问题简化，将地球和卫星分别等效为质点，仅考虑重力的作用。要使人造卫星围绕地球做圆周运动，就要使卫星飞行的离地加速度所形成的离心力等于地球对卫星的引力。根据万有引力定律：2rGMm引力Fp卫星绕地球运行产生的离心力为：p当 时，卫星不需要再加动力就可以以线速度v环绕地球飞行。此时的运行速度为：rmv2离心力F引力离心力FFskmv/9.7rGM6.2 卫星通信的基本组成 图6.5 卫星通信系统的组成 6.2.1 空间段部分的组成 p一、天线分系统 图6.7 通信天线示意图 二、通信
12、分系统p用于接收、处理并重发信号，通常称为转发器。转发器是通信卫星中直接起中继站作用的部分。对转发器的基本要求是：以最小的附加噪声和失真，并以足够的工作频带和输出功率为各地面站有效而可靠地转发无线电信号。p转发器通常分为透明转发器和处理转发器两类。1、透明转发器：收到地而发来的信号后，除进行低噪声放大、变频、功率放大外，不作任何加工处理，只是单纯地完成转发任务。2、处理转发器：它除进行信号转发外，还具有处理功能。卫星上的信号处理功能主要包括：对数字信号进行解调再生，使噪声不会积累：在不同的卫星天线波束之间进行信号交换；进行其他更高级的信号变换和处理。三、电源分系统p卫星上的电源除要求体积小、重
13、量轻、效率高和可靠性外，还要求电源能在长时间内保持足够的输出。p通信卫星所用电源有太阳能电池、化学电池和原子能电池。化学电池大都采用镍镉蓄电池，与太阳能电池并接，在非星蚀期间蓄电池充电，星蚀时，蓄电池供电保证卫星继续工作。四、跟踪、遥测与指令（TT&C）分系统p主要包括遥测与指令两大部分，此外还有应用于卫星跟踪信标发射设备。1、遥测设备p遥测设备是用各种传感器和敏感元件等不断测得有关卫星姿态及星内各部分工作状态等数据，经放大、多路复用、编码、调制等处理后，通过专用的发射机和天线，发给地面的TT&C站。TT&C站接收并检测出卫星发来的遥测信号，转送给卫星监控中心进行分析和处理，然后通过TT&C站
14、向卫星发出有关姿态和位置校正、星内温度调节、主备用部件切换、转发器增益换挡等控制指令信号。2、指令设备p指令设备专门用来接收TT&C站发给卫星的指令，进行解调与译码后，一方面将其暂时储存起来，另一方面又经遥测设备发回地面进行校对，TT&C站在核对无误后发出“指令执行”信号，指令设备收到后，才将储存的各种指令送到控制分系统，使有关的执行机构正确完成控制动作。五、控制分系统p用来对卫星的姿态、轨道位置、各分系统工作状态等进行必要的调节与控制。控制分系统由一系列机械的或电子的可控调整装置组成，如各种喷气推进器、驱动装置、加热及散热装置、各种开关等等，在TT&C站的指令的控制下完成对卫星的姿态、轨道位
15、置、工作状态主备用切换等各项调整。6.2.2 地面段 图6.8 地球站的总体框图 6.3 卫星通信的应用 p卫星通信的应用是电子信息技术高速发展的必然趋势，是实现社会信息化的重要途径之一。随着我国经济建设的大规模推进、信息科学技术的飞速发展与广泛应用，卫星应用对带动国民经济发展和推进信息化建设会起到越来越重要的作用。我国的卫星通信经过三十多年的发展，从无到有取得了长足的进步。到目前为止，我国的卫星应用已为社会经济发展、国防建设、科技进步等发挥了重要的作用，卫星应用的市场规模在逐步扩大。但与国外的卫星应用相比较，我国的卫星通信应用还处于起步和发展阶段，卫星通信已初具规模，具有广阔的应用前景。6.
16、3.1 卫星广播应用 p我国广播电视业总体规模与国际现况相比仍属偏小，可以说处在亟待发展的状况。虽然我国目前建成了世界上覆盖人口最多的广播影视传输覆盖网，广播电视用户数和电视机、收音机社会拥有量居世界首位，并拥有几千家各类电视媒体机构，从这些数字来看，我国可算是电视大国，但在1999年世界100强电视公司排行榜中，我国只有中央电视台一家入围，处于第51位。从电视节目看，我国实现“村村通”的电视节目仅有44套；从电视覆盖率看，截至2007年年底，我国广播电视覆盖率达到95%，而发达国家则是99.5%99.9%。我国为扩大覆盖面积，主要应伸向边远山区和农村，而卫星直播电视可以说是唯一的解决方案。由
17、此可见，我国卫星广播电视业的发展潜力是非常大的。图6.9 卫星广播系统示意图 6.3.2 VSAT卫星通信 pVSAT（Very Small Aperture Terminal）为甚小天线孔径终端，即使用小口径天线的用户地球站，这里的小指的是VSAT系统中小站设备的天线口径小，通常为0.32.4m。一个典型的VSAT系统是由众多的VSAT终端与一个或几个大的卫星地球主站组成的。以通信卫星为中继，VSAT可与主站或其他VSAT之间进行通信，提供各种电信业务服务。pVSAT是80年代中期美国开发的一种卫星通信设备，它建造成本很低，且很容易在实际现场或地面通信线路难以到达的场合进行安装。pVSAT卫
18、星通信系统一经面世，就得到飞速发展。据不完全统计，我国已建成国际卫星通信主站和大中型国内地面站几十座，国内卫星专用通信网数百个，各类VSAT地球站4万多个，已经形成了卫星传输覆盖全国的网络。VSAT卫星通信业务也得到了大力的发展，应用领域不断扩大，尤其在远程应用、宽带数据广播和数据传送，以及卫星专用网服务等新业务中得到广泛应用。目前，广泛应用于银行、饭店、新闻、保险、运输、旅游等部门，成为卫星通信中发展最快的一个领域。图6.10 VSAT卫星通信示意图 6.3.3 卫星移动通信系统应用 p我国地域广阔、经济发展不平衡导致常规通信覆盖总面积小、服务地域差异大、受自然情况影响也较大，移动卫星通信凭
19、借全面覆盖、服务无差异性、运行稳定、通信质量可靠的优势成为现有地面通信网络的有力补充和延伸，其中INMARSAT移动卫星通信系统在20多年的运营中以其可靠、安全、技术先进、性价比合理成为全球移动卫星通信业的最佳选择。p可靠是通信的基本要求，INMARSAT移动卫星通信作为国际海事组织IMO指定负责海上遇险安全呼救的通信系统，以其通信可靠而著称。整个通信网络依靠5颗同步轨道卫星，并配有备份卫星，保证全年365天、全天24小时的通信业务服务。pINMARSAT移动卫星作为国际公用的商务和安全通信系统，为用户提供可靠的透明传输通道，一方面保护各种信息顺利传输，另一方面满足用户加密的要求，保证通信自由
20、不受干扰。由于其空间段4颗卫星所处的每个洋区的地球站都建有卫星和陆地公众PSTN、PSDN、ISDN网络的连接，可以构成无线卫星通信网与有线公众网的双向通信，特别适用于野外探险、科学考察，是目前理想的多媒体办公设备。上述系统称为卫星在线系统，同时，采用包交换系统INMARSAT系统的IP Over Satellite 解决方案，IP与IETF IPv4兼容，进而支持IPv6.2002年推出的F移动终端允许用户使用IPDS建立移动虚拟网，使网络延伸到移动用户，用户可在含南北极在内的地球98%范围内进行无缝通信。p作为全球第一个投入使用的大型低轨道的“铱”（Iridium）卫星移动通信系统拉开了全
21、球个人通信的序幕，在人类历史上树立了一块里程碑。铱系统是美国摩托罗拉公司于1987年提出的低轨全球个人卫星移动通信系统，该系统由围绕6个极地圆轨道运行的66颗卫星组成，每个轨道面分布11颗在轨运行卫星及数颗备份星。铱系统在全球共设置12个关口站。关口站是铱系统的一个重要组成部分，是提供铱系统业务和支持铱系统网络的地面设施。p铱系统的主要技术特点是系统性能极为先进，卫星采用先进的星上处理和星上交换技术，具有独特的星间链路功能。星间链路利用类似ATM的分组交换技术通过卫星节点进行最佳路由选址，因其卫星网络建立了独立的星间信令和话音链路，从而形成覆盖全球的卫星通信网络。理论上，铱系统只需一个关口站负
22、责接续，即可在全球范围内实现铱用户间以及铱用户与地面固定网和地面移动网用户间的呼叫建立及通信。同地面GSM网相比，铱系统可形象地称为“空中GSM网”。铱系统设计的漫游方案除了解决卫星网与地面蜂窝网的漫游外，还解决地面蜂窝网间的跨协议漫游，这是铱系统有别于其它卫星移动通信系统的又一个特点。铱系统的用户终端包括双模手机、单模手机和寻呼机。该系统除了提供电话业务外，还提供传真、数据和全球寻呼等业务。p全球星（Globalstar）系统是由美国劳拉公司和高通公司于1991年发起创建的低轨卫星移动通信系统。该系统由均匀分布在 8个轨道面上的48颗卫星组成，可在全球范围（不包括南北极）内向用户提供“无缝隙
23、”覆盖的卫星移动通信。卫星的轨道高度约为1414km，因此传输时延和处理时延小，用户在通话期间感觉不到卫星时延。整个系统的覆盖区为南北纬70o以内的区域。各个服务区总是被24颗卫星覆盖，用户可随时接入系统。6.4 北斗系统的基本组成和工作原理p北斗卫星导航定位系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是由我国自主建立，以“先区域，后全球”的建设思想分为北斗一代（Beidou I）和北斗二代（COMPASS或Beidou II）两个阶段。北斗一代卫星导航系统是具备通行功能的、区域性有源定位双星导航系统，能够实现中国和东南亚地区的导航、通行、授时服务。北斗
24、一代与2003年正式投入使用以来，工作状态稳定可靠，并逐步向北斗二代卫星导航系统过渡。6.4.1 Beidou I 卫星导航系统p“北斗一代”卫星导航系统由三个部分组成：空间部分、地面中心控制系统和用户终端，如图6.11所示。与全球卫星导航系统不同的是，Beidou I只有两颗工作卫星，属于区域卫星导航系统。图6.11 北斗一代卫星导航系统组成p一、空间段pBeidou I卫星导航系统采用双星定位技术，空间卫星指的是地球同步轨道上距离地面36000km的两颗工作卫星，分别位于赤经80E和140E，升交点赤经相差60，能够覆盖地球约70140E、555N的区域。Beidou I系统建成后又发射了
25、两颗备用卫星，分别位于赤经110.5E和86E。Beidou I卫星的发射情况见表6.2。pBeidou I导航卫星选用东方红三号卫星平台，总重约2300kg，卫星设计使用寿命8年。采用三轴稳定方式，由转发器、天线、电源、测控、姿态和轨道控制等分系统组成。卫星形状为2000mm1720mm2200mm的立方体箱形结构，分为服务舱、推进舱和载荷舱。卫星上的遥测系统能够接收来自地面主控站发出的命令，根据主控站的指令进行工作状态调整。Beidou I导航卫星的主要任务是转发主控站和接收机间的信号。卫星与主控站使用C波段实现通信，从主控站发出的信号采用6.3GHz线极化波，进入主控站的信号采用5.1G
26、Hz线极化波。卫星与接收机的通信则采用L波段和S波段，接收机向卫星发射的信号为1.6GHz右旋圆极化波，而卫星向接收机发射的信号为2.5GHz左旋圆极化波。二、地面段p由主控站、测轨站、测高站和标校站等组成，是导航系统的控制、计算、处理和管理中心。1、主控站：p主控站除监控整个系统工作外，还负责用户的注册和运营、监控卫星工作、实现与卫星之间的通信、监控地面上其它子系统的工作、对Beidou I接收机发送的业务请求进行应答处理以及将处理结果通过卫星发送给接收机。与其它卫星导航系统采用被动定位不同的是，Beidou I接收机的定位解算过程由主控站执行：主控站利用电波在主控站、卫星、用户间往返的传播
27、时间以及气压高度数据、误差校正数据和卫星星历数据，结合存贮在主控站的系统覆盖区数字高程地图对用户进行定位。2、测轨站p在卫星导航定位中，卫星在轨位置对于定位解算至关重要，卫星轨道坐标的测量误差将直接引起定位误差。为精确解算接收机的坐标，在Beidou I卫星导航系统中建立了多个坐标已知的测轨站，各测轨站将卫星轨道的测量结果发送至主控站，主控站根据收到的观测信息精确计算卫星在轨位置。3、测高站p在Beidou I卫星导航系统覆盖区内设立了若干测高站，用气压高度计测量测高站所在地区的海拔高度，通常一个测站测得的数据粗略地代表了其周围100200km地区的海拔高度。海拔高度和该地区大地水准面高度之和
28、就是该地区实际地形离基准椭球面的高度，测高站将测量结果发送给主控站，以便主控站解算接收机坐标时调用。4、标校站p由于信号传播、接收机高程等信息受各种误差影响较大，为提高定位精度，在系统覆盖区域内设立了若干坐标已知的标校站，实施差分测量。接收机距离标校站越近、覆盖区域中标校站数量越多，则定位误差越小。三、用户段p用户段主要是指Beidou I接收机，该接收机同时具备定位、通信和授时功能。北斗卫星导航系统运营服务商和系统集成商根据用户的需求为用户构建适合的应用系统并配置北斗用户机，北斗运营服务中心将授权用户一个与手持机号码类似的ID识别号，用户按照ID号注册登记后，北斗运营服务中心为用户开通服务，
29、用户机正式投入使用。根据北斗用户机的应用环境和功能不同，可分为五种类型：1、普通型p该型用户机只能进行定位和点对点的通信，适合于一般车辆、船舶及便携用户的定位导航应用，可接收和发送定位及通信信息，与主控站及其它用户终端双向通信。2、通信型p适合于野外作业、水文测报、环境监测等各类数据采集和数据传输用户，可接收和发送短报文信息，与主控站和其它用户终端进行双向或单向通信。3、授时型p适合于授时、校时、时间同步等用户，可提供数十纳秒级的时间同步精度。4、指挥型p指挥型用户机供拥有一定用户数量的上级集团管理部门所使用，除具有普通型用户机所有功能外，还能够播发通信信息和接收主控站发给所属用户的定位通信信
30、息。指挥型用户机适合于指挥中心指挥调度、监控管理等应用，具有鉴别、指挥下属其它北斗用户机的功能，同时还可与下属北斗用户机及中心站进行通信，接收下属用户的报文，并向下属用户发播指令。5、多模型p此种用户机既能接收北斗卫星定位和通信信息，又可利用GPS系统或GPS增强系统进行导航定位，适合于对位置信息要求比较高的用户。四、Beidou I卫星信号pBeidou I卫星导航系统主控站通过卫星向用户转发的信号包含同向（I）和正交（Q）两个通道，两个通道分别对信息进行卷积编码和扩频，然后采用QPSK方式调制到高频载波上，其中，I通道采用Kasimi码进行扩频，调制定位、通信、授时或其它服务信息；Q通道采
31、用Gold码进行扩频，调制定位和通信信息。Beidou I信号编码、扩频、调制过程如图6.12所示。图6.12 Beidou I导航系统主控站信号调制方式pBeidou I的导航信息在时间上采用帧结构方式，每秒传送32帧，每一帧包含250bit，传送时间为31.25ms，信息格式如表6.4。类别授时信息空帧重播其它出站帧号15帧67帧812帧13帧1434帧3546帧4753帧54117帧118128帧129245帧2461920帧bit时刻20bit闰秒8bit时差4bit卫星号4bit卫星位置卫星速度时延电磁波传播修正模型参数A0A15暂无重播1117内容待 定XYZXYZA0A1A152
32、8bit28bit28bit16bit16Bit16Bit28bit16bit16bit16bit16bit五、Beidou I工作原理p如图6.13所示，Beidou I工作时首先由主控站向卫星l和卫星2同时发送询问信号，经卫星上的转发器向服务区内的用户广播，用户响应其中一颗卫星的询问信号，同时向第二颗卫星发送响应信号（用户的申请服务内容包含在内），经卫星转发器向主控站转发，主控站接收解调用户发送的信号，测量出用户所在点至两卫星的距离之和，然后根据用户的申请服务内容进行相应的数据处理。图6.13 Beidou I信号转发示意图p在用户端，Beidou I接收机除具备信号接收通道外，还包括发射
33、通道，用于发送用户请求信号。当用户接收机需要进行定位、通信或授时服务时，基带信号处理模块完成相应请求信号的编码、扩频、调制，形成发射信号，并通过卫星向主控站转发，主控站处理完成后再通过卫星将处理结果发送给接收机，完成用户所需的定位、通信或授时服务。由于在定位时接收机需要向卫星发送信号，根据信号传播的时间计算接收机坐标，所以，Beidou I卫星导航系统是一种有源定位系统。p由于采用主动式定位，在某一时刻，主控站需要响应所有用户的定位请求，因而系统容量有一定的限制，Beidou I的平均用户容量约为30万个。1、通信原理、通信原理p在Beidou I导航系统中，接收机与接收机之间、接收机与主控站
34、之间均可实现双工通信。每个接收机采用不同的加密码，所有的通信内容和指令均通过主控站进行转发。主控站可以和系统中任何接收机利用时分多址方式进行通信，即主控站分不同时段向不同接收机发送信号，实现和不同接收机的通信。每次通信可传送210个字节，即105个汉字。p当接收机需要和主控站通信时，通信内容存储在询问信号和回答信号的信息段中，由主控站对通信内容解调，获得原始信息，经卷积编码、扩频和调制后发送至卫星，并由卫星向接收用户转发。如果系统中某一用户接收机收到主控站发来的第I帧信号，该接收机以此时刻为基准，延迟预定时间T0并截取一段足够长的信号，以避免丢失数据造成无法解调，在对接收信号的询问信号段的信息
35、进行解扩、解调和解码后，即可得到主控站的通信内容。信号接收完成后可向卫星发射应答信号，实现接收机对主控站的回复。p在上述通信过程中，主控站利用接收机的ID识别不同的用户。当i接收机需要与j接收机通信时，将j接收机的ID和通信内容置入其应答信号的通信信息段中，通过卫星转发给主控站，主控站将i接收机要发送的通信内容转存在询问信号中，j接收机接收到卫星转发的询问信号后，识别自己的地址码并获得i接收机发送的通信内容和i接收机的ID码，如果j接收机需要对i接收机进行回复，重复上述过程即可。p2、授时原理p授时是指接收机通过接收卫星发送的时间信号获得本地时间与北斗标准时间的钟差，然后调整接收机本地时钟与北
36、斗标准时间同步的过程。在Beidou I卫星导航系统中，接收机根据卫星发射的信号核准自身时钟，可以得到很高的时钟精度。3、定位原理p由于参与定位的卫星数量有限，Beidou I借助大地高程信息通过两颗卫星实现用户的三维定位，即主控站根据两颗卫星的位置坐标、卫星至接收机的伪距以及接收机的大地高程组成观测方程计算接收机的位置坐标。p系统定位原理如图6.14所示，分别以两颗卫星为球心，以卫星至接收机的伪距和为半径可分别得到两个球面，由于两颗卫星直线距离小于卫星至接收机的距离和72000km，因此两球面必然相交且形成一个穿过赤道的交线圆弧，由此可确定接收机在该圆弧上，此时还需要利用额外的信息才可以确定
37、接收机位于此交线圆的具体位置。图6.14 系统定位原理图6.4.2 Beidou II卫星导航系统p与采用被动定位方式实现的全球性卫星导航系统相比，采用主动定位方式的Beidou I由于卫星数量有限，在信号覆盖范围、定位精度、隐蔽性、系统容量等方面存在很多不足，已不能满足我国日益增长的导航需求，其它卫星导航系统的发展也对Beidou I提出了更高的挑战。为了克服Beidou I卫星导航系统的缺点，保留其可以进行报文通信的优点，我国于2004年开始筹建性能更高、覆盖面更广、技术更先进的Beidou II全球卫星导航系统，2007年4月和2009年4月先后成功发射两颗Beidou II卫星进入预定
38、轨道，标志着系统卫星组网工作正式启动，作为北斗第二代卫星导航系统，Beidou II既能够兼容Beidou I，又与其在工作原理和性能上存在明显的区别：COMPASS卫星导航系统的接收机可免发上行信号，不再依赖主控站而是由接收机本身解算位置坐标，系统的用户容量不受限制，定位隐蔽性提高；1、采用多颗卫星进行定位，而不是双星定位，不需要高程信息辅助；2、保留了Beidou I的通信功能，能够实现报文或指令通信3、定位精度、授时精度更高。pBeidou II卫星导航系统提供两种服务，一种是针对非授权用户的开放服务，另一种是针对授权用户的授权服务。开放服务在全球范围内定位精度可达10m，授时精度可达2
39、0ns，测速精度为0.2m/s。授权服务可以提供更高精度的定位、授时、测速服务。局部区域内差分定位精度可以达到1m，并且可以利用Beidou II卫星进行报文通信。p一、系统构成p1、空间段图6.15 Beidou II卫星轨道示意图2、地面段pBeidou II的地面段包括1个主控站、2个注入站和30个监测站。监测站实时跟踪监测卫星工作状况和监测站附近的空间、地理环境的变化，并将这些信息传送给主控站。主控站接收监测站发送的数据，编算导航电文、星历数据，将其与时间基准一同传送至注入站，协调管理注入站和监测站的工作，并根据监测数据控制卫星运行状态，保证COMPASS星座正常运转。注入站将卫星星历
40、、导航电文、钟差和其它控制指令注入卫星。二、卫星信号pBeidou II卫星导航系统与GPS、伽利略系统在载波频率、信号结构和定位原理等方面有很多相似之处。根据国际电信联盟的登记，Beidou II卫星将发射四种频率的信号，这些信号均采用QPSK调制，见表6.5。随着系统的逐步完善，还将发射其它频率的信号，见表6.6。出于安全保密及与其它卫星导航系统兼容，避免在相同频段内与其它卫星导航系统的信号产生干扰的原因，Beidou II信号将采用复用二元偏置载波（MBOC）、交替二元偏置载波（AltBOC）等调制方式。通道B1（I）B1（Q）B2（I）B2（Q）B3B1-2（I）B1-2（Q）调制方式
41、QPSKQPSKQPSKQPSK载 波 频 率（MHz）1561.0981207.141268.521589.742码 片 速 率（Mcps）2.0462.0462.04610.2310.232.0462.046带宽（MHz）4.09224244.092服务类型开放授权开放授权授权开放授权频带载波频率（MHz）码片速率（Mcps）调制方式服务类型B1-CD1575.421.023MBOC(6,1,1/11)开放B1-CPB12.046BOC(14,2)授权B2aD1191.79510.23AltBOC(15,10)开放B2aPB2bDB2bPB31268.5210.23QPSK(10)授权B3
42、aD2.5575BOC(15,2.5)授权B3aP多项式1初始状态10 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0多项式2初始状态20 0 0 0 0 0 0 1 1 1 111109871xxxxxx119854321xxxxxxxx11109871xxxxxx119854321xxxxxxxx图6.16 COMPASS B1的I通道码生成器结构多项式1初始状态11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0多项式2初始状态21 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 113121097651xxxxxxxx13431xxxx13121097651xxxxxxxx13431xxxx多项式1初始状态11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1多项式2初始状态21 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 113121097651xxxxxxxx13431xxxx13121097651xxxxxxxx13431xxxx
