通信系统_CH3卫星2009

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1、 第3章卫星通信系统 通信系统 2 第三章卫星通信系统 3 1卫星通信概述3 2卫星通信网结构3 3链路传输工程3 4多址技术3 5星载和地球站设备3 6VAST系统3 7卫星移动通信系统 3 3 1卫星通信概述 3 1 1卫星轨道3 1 2系统的组成3 1 3频率分配3 1 4卫星通信的特点3 1 5卫星通信的发展 4 3 1 1卫星轨道 1卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电波 在两个或多个地球站之间进行的通信 5 地球站 是指设在地球上 包括陆地 水上和大气层中 的无线电通信站 通信卫星 指用于转发各地球站信号的人造地球卫星 卫星通信是在微波接力通信技术和航天技术的基础上发展

2、起来的一门新兴的通信技术 它是地面微波接力通信的继承和发展 是微波接力通信向太空的延伸 6 卫星通常围绕地球作无动力飞行 其轨道近似于椭圆 运动规律服从开普勒 Kepler 定律 2卫星轨道 O 地心S 卫星V 卫星的轨道运行速度 7 卫星具有椭圆形轨道 地球是椭圆的一个焦点 单位时间内地心O与卫星S的连线所扫过的面积相等 显然卫星靠近地球时运动速度较快 而离地球较远时运动速度较慢 卫星运行周期PsPs 1 659 10 4 Re h 3 2 3 1 Ps 卫星运行周期 单位min h 卫星离地面的平均高度 椭圆形轨道 单位km Re 地球半径 为6378km 卫星轨道特性 8 卫星通信系统中

3、最常用的是圆形轨道 分为 低轨 LEO 卫星轨道高度约在500 1500km 中轨 MEO 轨道高度在10000 20000km左右 同步轨道 GEO 轨道高度为35786km 卫星绕地球一周的时间为一个恒星日 23h56min4s 在2000 8000km的空间有一个由范伦 VanAllen 带形成的恶劣的电辐射环境 这一高度范围的空间不宜于卫星的运行 NGEO LEO MEO 卫星轨道类型 9 GEO卫星 10 GEO轨道在赤道平面内时 卫星将与地球上的观察者保持相对静止 称为静止卫星 通常将 GEO卫星 理解为 静止卫星 GEO卫星 1颗GEO卫星以零仰角覆盖全球表面的42 3颗经度差约

4、120 能覆盖除南 北极地区以外的全球范围 地面用户利用地球站与卫星连接的链路进行通信 用户到卫星的距离至少有36000km用户间的单跳通信的信号传播延时可达1 4s 11 卫星摄动主要因素 地球形状不规则使引力起伏 大气阻力 太阳和月球引力等 LEO的近地卫星 第一 二种因素的影响是主要的 GEO卫星 影响摄动的主要因素来自太阳和月球的引力 而不存在大气阻力的影响 卫星轨道控制控制由于摄动等非理想因素的影响造成的卫星轨道不稳定 如 为保持GEO卫星的定点精度需定期进行轨道修正 卫星轨道控制 12 对卫星的姿态进行控制 实现并保持卫星在空间的定向 以保证 卫星天线或遥感器对准地面目标 卫星进行

5、轨道控制时 发动机应对准所要求的推力方向 卫星再入大气层时 要求制动防热面对准迎面气流等 商业静止卫星不允许大于0 1 的轨道倾斜 以控制卫星在轨道法线方向上的飘移 因为天线指向尖锐的大 中型地球站的跟踪能力是有限的 卫星姿态控制 13 保持已有姿态的控制 卫星姿态稳定种类 自旋稳定和三轴稳定 自旋稳定 依靠转动量矩保持自旋轴在惯性空间的指向 三轴稳定 利用主动或环境力矩 保持星体三条正交轴线在某一参考空间的方向 目前采用三轴稳定的居多 姿态稳定 14 补充 卫星分类 15 3 1 2系统的组成 由空间段和地面段两部分组成 16 3 1 2系统的组成 1 空间段组成 空间段以卫星为主体 并包括

6、地面卫星控制中心 SCC 和跟踪 遥测和指令站 TT C 现代的星载转发器功能 从上行到下行的频率变换 提供足够的增益 且具有 再生 处理和交换功能 在TT C站与卫星之间 有一条控制和监视链路 以便对卫星进行3方面的监控 17 在卫星发射阶段 一旦最后一级火箭释放 TT在系统运行过程中 对卫星的位置和轨道进行监测和校正 以便将轨道的漂移和卫星摄动控制在允许的范围内 SCC通过TT C可对卫星转发器的输出以及整个空间通信分系统进行测试 监控 并对出现的故障进行检修 空间段 18 地面段支持用户对卫星转发器的访问 并包括了实现各用户间通信所需的全部地面设施 用户 可以是电话用户 电视观众和网络信

7、息供应商等 卫星地球站 是地面段的主体 它提供与卫星的连接链路 其硬件设备与相关协议均适合卫星信道的传输 陆地链路 用户终端以及用户终端与地球站连接的 陆地链路 地球站应配备与 陆地链路 相匹配的接口 或网关 2 地面段 19 20 3 1 3频率分配 卫星通信使用的频率范围选择考虑因素 电波应能穿过电离层 传输损耗和外界噪声应尽可能地小 具有较宽的可用频带 以满足通信容量的要求 与其他通信系统之间的干扰应尽量小 考虑现有通信技术设备的利用与相互配合 综合上述因素 微波波段是最合适的 21 补充 22 卫星通信频段 23 卫星通信频段 24 频率分区 25 ITU将全球划分为3个频率区域 I区

8、包括 欧洲 非洲和俄罗斯亚洲部分 西亚地区以及蒙古等 II区包括 南 北美洲和格陵兰等 III区包括 其他亚洲部分 包括我国 和澳洲 频率区域的划分有利于区域性业务的频率再用 和全球业务频率的统一规划 频率分区 26 3 1 4卫星通信的特点 卫星通信系统的服务范围宽 且不受地理条件的限制 有宽的可利用带宽 卫星通信系统与地面通信基础设施相对独立 网络路由简捷 这对于那些地面通信基础设施不足的地区和国家 比如发展中国家 具有重要意义 网络建设速度快 成本低 统一的业务提供商有助于系统的均匀服务 并有利于新业务的引人 卫星通信系统只是地面公用网的补充 扩展和备份 27 3 1 5卫星通信的发展

9、卫星覆盖说 1945年10月 英国雷达军官阿瑟 克拉克 A C Clarke 在 无线电世界 杂志上发表了 地球外的中继站 一文 文中提出 用太阳能作为动力 在赤道上空的同步轨道 高度为35786km 上放置三颗卫星 各相隔120 就可以实现全球通信 这就是著名的卫星覆盖说 试验阶段 1957 1964 1957年10月原苏联发射了第一颗人造地球卫星SPUTNIK 标志着卫星通信试验阶段的开始 28 卫星通信发展 实用阶段 1964 1964年8月美国宇航局 NASA 发射了世界上第一颗静止卫星 辛康姆三号 SYNCOM 3 定位于东经155 赤道上空 标志着卫星通信从试验阶段转向实用阶段 1

10、964年8月20日国际通信卫星组织 INTELSAT 成立1965年4月INTELSAT发射第一颗商用静止轨道通信卫星晨鸟 Early Bird 简称IS I 成为第一代国际通信卫星 该星定点于西经35 迄今 INTELSAT已发展到第九代通信卫星 目前地球赤道上空运行的同步卫星多达130多颗 利用卫星通信的国家和地区多达170余个 29 全球卫星通信系统国际通信卫星Intesat国际海事卫星通信组织Inmarsat 已更名为国际移动卫星通信组织 美国的PanAEElsat等区域性卫星通信系统欧洲 中国 澳洲和中东等 卫星通信系统 30 卫星移动通信系统 除较早期的Inmarsat外 支持手机

11、的低轨卫星系统依星系统 66颗卫星 最具代表性 同时一些GEO卫星移动通信系统 如亚洲蜂窝系统Aces 已在运行 新的卫星广播系统 包括电视节目分配系统 直接到户 DTH 系统 数字视频广播 digitalvideobroadcasting DVB 数字音广播 digitalaudiobroadcasting DAB 系统和数据广播系统等 VSAT系统 该系统终端成本低 天线小 直径1m左右 安装方便 它可支持小容量的话音 数据和传真等业务 对解决边远山区 农村等稀路由地区的通信十分有效 对促进发展中国家通信事业的发展具有重要意义 同时这类系统还被广泛用于构成行业或跨国公司的专用网 卫星通信系

12、统 31 中国自1970年4月24日成功研制并发射第一颗人造卫星 东方红一号 至今 已初步形成了遥感 通信广播 气象 科学探测与技术实验 地球资源和导航定位等六大卫星系列 返回式遥感卫星系列这一系列包括三种不同类型的近地轨道返回式卫星 中国至今已发射和回收了17颗 分别在轨道上运行了3到15天 为使卫星安全返回地面 中国科学家攻克了变轨 防热 减速和回收等技术难关 并基本形成了返回式卫星公用平台 我国的卫星发展 32 东方红 通信广播卫星系列此系列包括三种不同类型的静止轨道通信卫星 即 东方红二号 东方红二号甲 试验通信卫星和 东方红三号 通信广播卫星 中国这一系列至今共发射了10颗卫星 为通

13、信 广播 水利 交通 教育等部门提供了各种服务 2003 风云 气象卫星系列该系列包括 风云一号 太阳同步轨道气象卫星和 风云二号 地球静止轨道气象卫星两类 太阳同步轨道气象卫星又称极轨气象卫星 风云一号 风云二号 此前已分别发射了3颗和2颗卫星 在中国天气预报和气象研究方面发挥了重要作用 我国的卫星发展 33 实践 科学探测与技术试验卫星系列这一系列形成时间较长 包括六颗卫星 分别是 1971年3月发射的 实践一号 1981年9月用一枚运载火箭同时发射的 实践二号 实践二号甲 实践二号乙 1994年2月发射的 实践四号 1999年5月发射的 实践五号 资源 地球资源卫星系列1999年10月

14、中国和巴西联合研制的 资源一号 卫星发射成功 2000年9月中国自行研制的 资源二号 卫星发射成功 两颗 资源 卫星的主要技术指标均达到20世纪90年代初的国际水平 标志着中国传输型遥感卫星研制取得了突破性进展 我国的卫星发展 34 北斗 导航定位卫星系列 北斗卫星定位系统是由中国建立的区域导航定位系统 为全天候 全天时提供卫星导航信息的区域导航系统 主要为公路 铁路交通及海上作业等领域提供导航定位服务 组成 由3颗 2颗工作卫星 2000年10 12月发射 1颗备用卫星2003年5月发射 北斗定位卫星 北斗一号 地面控制中心为主的地面部份 北斗用户终端三部分组成 功能 北斗一号 定位 通信

15、短消息 和授时 可向用户提供全天候 二十四小时的即时定位服务 授时精度可达数十纳秒 ns 的同步精度 其定位精度与GPS相当北斗二代系统 功能与GPS相同 即定位与授时 35 1984年4月8日 我国发射成功 东方红 型 试验通信卫星 STW 1 定点于东经125 赤道上空 1986年2月1日 成功发射第一颗实用同步卫星 东方红 型 STW 2 位于东经103 赤道上空 用于部分电视 广播及通信的传输 1988年3月7日 我国发射又一颗实用通信卫星 东方红 甲 定点在东经87 5 赤道上空 星上有4个转发器 工作于C波段 等效全向辐射功率 EIRPs 达到35dBW 目前中央台一套及二套电视节

16、目传送使用A B两个转发器 新疆 云南 贵州分别占用D转发器 传送自治区及省内电视节目 C转发器作数据通信及西藏自治区传送卫星电视 我国的卫星通信发展 36 1988年12月22日 我国又发射1颗实用通信卫星 东方红 甲 定点在东经110 5度赤道上空 作为前一颗 东方红 甲 的后继星 1990年2月4日 我国再发射1颗实用通信卫星 东方红 甲 定点在东经98 赤道上空 1994年12月1日 我国发射成功东方红 实用广播通信卫星 星上装有24个C波段转发器 其中 6个中功率 EIRPs不少于37dBW 转发器用于电视传输 18个低功率EIRP不少于24dBW 用于电话 电报 传真 数据传输等通信业务 卫星设计寿命不低于8年 定点于东经125 赤道上空 卫星波束可覆盖90 以上的国土 我国的卫星通信发展 37 截至2005年底 中国拥有国际 国内通信广播地球站80多座 全国共有卫星广播电视上行站34座 国内几十个部门和若干大型企业共建立了100多个卫星专用通信网 各类甚小口径终端站达 万多个 我国的卫星通信发展 38 第三章卫星通信系统 3 1卫星通信概述3 2卫星通信网结构3 3链路传