第6章 卫星通信系统

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1、2018/8/31,第六章 卫星通信系统,中国民航大学电子信息工程学院,王磊,,2,第6章 卫星通信系统,3,6.1 卫星通信系统概述,卫星通信简况 卫星通信的定义 卫星通信发展历史 卫星通信系统分类 卫星通信特点 卫星通信系统组成 卫星通信系统的技术体制,4,6.1 卫星通信系统概述,什么是卫星通信？ 卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站转发或反射无线电信号，在两个或多个地球站之间进行的通信。卫星通信工作在微波频段。,5,6.1 卫星通信系统概述,同步卫星通信系统 绝大多数通信卫星是地球同步卫星（静止卫星） 卫星运行于赤道上空 距地面约35786km 周期24小时，相对于地面静止,6,6.1

2、 卫星通信系统概述,同步卫星通信系统 3颗卫星即可覆盖全球 重叠区内地球站可用于不用卫星覆盖区内地球站通信,7,6.1 卫星通信系统概述,卫星覆盖波束 全球覆盖：卫星天线照射地球表面最大面积，约17.4度 区域覆盖：典型的区域覆盖天线波束宽度5度 点波束覆盖：天线的波束宽带约2度,8,6.1 卫星通信系统概述,卫星覆盖波束 赋形波束（成形波束）,9,6.1 卫星通信系统概述,非全球波束的优点 提高卫星有效辐射功率，提高系统容量 在系统容量不变的情况下，减小地球站天线口径，因而提高地球站的机动性和灵活性 便于实现空分多址,10,6.1 卫星通信系统概述,卫星通信简史 1945年，英国Extra-

3、Terrestrial Relays一文中提出利用3颗静止卫星覆盖全球的设想。 1945年到1964年间，曾经先后利用月球、气球、铜针偶极子带作为中继，进行电话电视传输试验 1957年，前苏联发射了第1颗LEO卫星Sputnic（美苏太空竞赛的导火索） 1962年，美国第1次发射了真正实用通信卫星（Telstar/MEO） 1965年，第1颗商业通信卫星（INTELSAT-1）进入静止轨道 1990-2000年，引入卫星直播音频（DAB）业务 2000-2005年，引入宽带个人通信；Ka频段系统得到迅速发展；多个LEO和MEO卫星系统投入运行,11,6.1 卫星通信系统概述,卫星通信简史（我国

4、） 1970年，我国发射成功第一颗人造地球卫星“东方红1号” 1972年，北京、上海建设4座大型地球站 1975年，第一个试验性卫星通信工程开始全面实施。 1984年，成功发射第一颗试验通信卫星 （静止卫星，E125） 1986年第一颗实用通信卫星发射成功（E103）当前，国家公用卫星通信网和各部门的专用卫星通信网 （长途电话、传真、数据、电视等业务）,12,6.1 卫星通信系统概述,卫星通信系统分类 按卫星运动状态 同步卫星通信系统 运动卫星通信系统 按卫星通信范围 国际卫星通信系统 区域卫星通信系统 国内通信卫星系统 按卫星转发能力 有源卫星通信系统（主动型） 无源卫星通信系统（被动型）,

5、13,6.1 卫星通信系统概述,卫星通信系统分类（续） 按基带信号体制 模拟卫星通信系统 数字卫星通信系统 按多址方式 频分多址（FDMA）卫星通信系统 时分多址（TDMA）卫星通信系统 空分多址（SDMA）卫星通信系统 码分多址（CDMA）卫星通信系统 混合多址卫星通信系统,14,6.1 卫星通信系统概述,卫星通信系统分类（续） 按所用频段 特高频（UHF）卫星通信系统 超高频（SHF）卫星通信系统 极高频（毫米波）（EHF）卫星通信系统 激光卫星通信系统 按通信业务种类 固定业务卫星通信系统 移动业务卫星通信系统 广播电视卫星通信系统 科学实验卫星通信系统,15,6.1 卫星通信系统概述,

6、卫星通信系统分类（续） 按卫星轨道高度 高轨（HEO, GEO）卫星 中轨(MEO)卫星 低轨(LEO)卫星,16,6.1 卫星通信系统概述,250ms,100ms,15ms,传送延迟来回时间,传输延迟大 卫星成本较高 轨道位置有限,卫星体系复杂 有多普勒效应,生命周期短 卫星体系复杂 有多普勒效应,缺点,地表覆盖率42.2% 无多普勒效应,中度成本 传输延迟低,低成本 传输延迟低 讯号衰减低,优点,24hrs,2-4hrs,15min,可用时间,36000 km,3000-30000 km,300-3000 km,高度,同步卫星GEO,中轨卫星MEO,低轨卫星LEO,型态,17,6.1 卫星

7、通信系统概述,卫星通信系统分类（续） 按卫星重量,18,6.1 卫星通信系统概述,卫星通信特点优点 （1）通信距离远，且费用与通信距离无关。(最大通信距离18000km） （2）覆盖面积大，可进行多址通信。 （3）通信频带宽，传输容量大。 （4）机动灵活。 （5）通信线路稳定可靠，传输质量高,19,6.1 卫星通信系统概述,卫星通信特点缺点和问题 （1）静止卫星的发射与控制技术比较复杂。 （2）地球高纬度地区通信效果不好，并且两极地区为通信盲区。 （3）存在日凌中断和星蚀现象。 （4）电波的传播时延较大和存在回波干扰。 单跳时延0.27秒,20,6.1 卫星通信系统概述,日凌中断和星蚀现象,2

8、1,6.1 卫星通信系统概述,卫星通信系统的组成 卫星通信系统主要由空间分系统、通信地球站分系统、跟踪遥测及指令分系统和监控管理分系统四大功能部分组成。,22,6.1 卫星通信系统概述,空间分系统 指通信卫星，主要由天线分系统、遥测与指令分系统、控制分系统、通信分系统和电源分系统组成。 通信地球站 由天线馈线设备、发射设备、接收设备、信道终端设备等组成,23,6.1 卫星通信系统概述,跟踪遥测及指令分系统（TT&C，tracking, telemetry and command station） 对卫星进行跟踪测量，控制其准确进入静止轨道上的确定位置，并对在轨卫星的通信性能及参数进行业务开通前

9、的监测和校正。监控管理分系统(SCC, satellite control center) 对在轨卫星的通信性能及参数进行业务开通前的监测和业务开通后的例行监测和控制，以确保通信卫星正常运行和工作。,24,6.1 卫星通信系统概述,卫星转发器（通信卫星中的通信分系统） 为避免同频干扰，收发不同频，需要混频,25,6.1 卫星通信系统概述,卫星通信系统的工作频段,大气中自由电子、离子、氧和水气分子对电波的吸收衰减,26,6.1 卫星通信系统概述,卫星通信系统的工作频段（续）,外界噪声对接收信号的影响,1-,27,6.1 卫星通信系统概述,卫星通信系统的工作频段（续） UHF波段：400/200M

10、Hz L波段：1.6/1.5GHz C波段：6.4GHz X波段：8/7GHz Ku波段：14/11GHz、14.12GHz Ka波段：30/20GHz,28,6.1 卫星通信系统概述,卫星通信系统的技术体制 多址方式 FDMA TDMA CDMA SDMA,29,6.1 卫星通信系统概述,TDMA帧结构,30,6.1 卫星通信系统概述,例 某一TDMA系统5个地球站共用一卫星转发器，TDMA帧周期（frame duration）为125 s，数据速率为40Mbps，话音信号采样频率为8kHz，8bit量化，每一地面站的报头时间（preamble time）为5 s，保护时间（guard ti

11、me）为2 s, 计算每一地面站可容纳的语音信道数目。,31,6.1 卫星通信系统概述,解：,32,6.1 卫星通信系统概述,卫星通信系统的技术体制（续） 信道分配方式 信道含义：FDMA中指频段，TDMA中指时隙，CDMA中指正交码组等 预分配方式 固定预分配（PAMA） 按时预分配（TPA） 按需分配方式 全可变方式 分群全可变方式 随机分配方式,33,作业,1.卫星通信系统主要由哪几部分组成，主要功能是什么？ 2.什么是日凌和星蚀中断现象？,34,第6章 卫星通信系统,35,6.2 海事卫星通信系统,美国于1976年建立了世界上第一个海事卫星通信站 1979年7月国际海事卫星组织（INM

12、ARSAT）成立,最初有28个成员国 先后租用美国MARISAT，欧洲INTELSAT 1982年建立了国际海事卫星通信系统，成为第一代国际海事卫星通信系统 INMARSAT总部设在伦敦，系政府间合作,36,6.2 海事卫星通信系统,包括四个重叠覆盖区域，这种复叠覆盖可保证发生故障时业务不致中断 最初用于海事通信，目前INMARSAT已成为世界上唯一为海陆空用户提供全球移动卫星公众通信和遇险安全业务的国际组织 国际海事卫星组织（现已改称国际移动卫星组织）是全球移动卫星通信业务的主要提供者,37,6.2 海事卫星通信系统,国际海事卫星（INMARSAT）是一个GEO卫星系统 组成:空间段地面站移

13、动终端,38,6.2 海事卫星通信系统,空间段 空间段 : 通信卫星、网络控制中心和网络协调站组成 通信卫星 INMARSAT分布在地球同步轨道上，距地球约为35800km。卫星收发采用L波段和C波段，天线采用圆极化方式。 网络控制中心（NOC）负责检测、协调和控制网络内所有卫星的操作运行。 网络协调站（NCS） 的主要任务包括分配语音、数据和高速数据信道频率。,39,6.2 海事卫星通信系统,地面站 （岸站） 地面站:设在海岸附近的地球站，它既是卫星系统与地面系统的接口，又是一个控制和接入中心 主要功能有： 对从船舶或陆上来的呼叫分配和建立信道； 信道状态（空闲、正在受理申请、占线等）的监视

14、和排队的管理,40,6.2 海事卫星通信系统,地面站 （岸站）（续） 船舶识别码的编排和核对； 登记呼叫，产生计费信息； 遇难信息监收； 卫星转发器频率偏差的补偿； 通过卫星的自环测试； 在多岸站运行时的网络控制功能； 对船舶终端进行测试。,41,6.2 海事卫星通信系统,移动终端(船站) 移动终端信号上达卫星，再经地面站，通过国际或国内的邮电公众通信网与其他的用户通信。 反过来，公众网用户也可以通过卫星与卫星移动终端联系。,42,6.2 海事卫星通信系统,海事卫星电话,便携性好,可移动性,新的终端带宽比较宽,43,6.2 海事卫星通信系统,海事卫星电话（续）,汶川灾区一线救援人员正在用海事卫

15、星电话与外界沟通,44,6.2 海事卫星通信系统,INMARSAT航空系统 1990年开始全球运行 由卫星、航空地球站（简称航站）和机站 卫星与航站之间通信用C和L波段双频，卫星和机站之间通信用L波段,45,6.2 海事卫星通信系统,航空移动通信系统的限制因素 带宽有限 EIRP（等效全向辐射功率）有限 飞机高速运动引起的多普勒效应比海事系统严重得多 多径衰落效应比海事系统严重得多,频率重用 高功率放大器 交错编码、比特交织与偏置调制 机站天线仰角大于25度,46,第6章 卫星通信系统,47,现在的通信,未来的通信,通信,48,6.3 航空移动卫星通信业务概况,航空移动通信业务（AMSS）概述

16、 Aeronautical Mobile Satellite Service 移动通信业务提供全球范围内，包括双向话音通信、传真和数据通信服务 由国际移动卫星组织（INMARSAT）从海事移动卫星业务扩展而来 始用于1990年,49,6.3 航空移动卫星通信业务概况,航空移动通信业务（AMSS）概述（续） 首先提供航空旅客通信（APC）用的空中电话，后扩展到传真，直至数据链 从向航空公司提供航务通信（AOC）、管理通信（AAC）直至空中交通服务（ATS）通信 从航空非安全通信到航空安全通信，直至全面的空地通信服务 数据链路从面向字符协议到面向位协议,50,6.3 航空移动卫星通信业务概况,航空移动通信业务（AMSS）概述（续） 飞机与卫星之间通信采用L波段，下行1545-1555MHz，上行1646.5-1656.5MHz 航空地面地球站和网络协调站与卫星之间通信可采用C（INMARSAT）或Ku（MTSAT）频段，跟踪遥控站与卫星之间通信可采用C、Ku或Ka频段 AMSS信息传输过程中按优先级高低有序传播,