通信系统第5章

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1、第5章 移动卫星通信系统,5.1 概述 5.2 国际移动卫星通信系统(INMARSAT) 5.3 静止轨道(GEO)区域移动卫星通信系统 5.4 低轨道(LEO)移动卫星通信系统 5.5 中轨道(MEO)移动卫星通信系统,5.1 概 述,5.1.1 移动卫星通信系统的分类 移动卫星通信系统按用途可分为海事移动卫星系统(MMSS)、 航空移动卫星系统(AMSS)和陆地移动卫星系统(LMSS)。 MMSS旨在帮助进行海上救援工作，提高船舶使用效率和管理水平， 改善海上通信业务和提高无线定位能力；AMSS主要用于在飞机上与地面之间为机组人员和乘客提供话音和数据通信；LMSS则主要是利用卫星为陆地上行

2、驶的车辆提供通信，但现在已不仅局限于车辆。,按卫星运行轨道来分， 移动卫星通信系统基本上可分为同步轨道(GEO)、 大椭圆轨道(HEO)、中轨道(MEO)和低轨道(LEO)系统。 其轨道划分方法是以环地球赤道延伸至南北纬4050地区的高能辐射带为界的， 如图5.1(a)所示。 图中两个辐射带叫范艾伦带(Van Allen belt)。 这是1958年1月探险者1号的粒子计数器在1000 km以上高空发现了令人难以置信的辐射强度后，又经探险者3、 4号证实了这个辐射带的存在， 并以其发现者命名的。 范艾伦带由高能电子和质子组成， 是地球磁场从太阳风中俘获并禁固而成的。其内带粒子密度高、 辐射强度

3、强且稳定， 外带辐射较弱且界限比较模糊。 这些高能粒子撞击卫星会产生X射线和附加的高能电子。 高能粒子穿透力很强， 对人造卫星电子设备损害极大，在带内进行防护是不现实的， 卫星在这个区域只能存在几个月， 因此必须避开。 一般认为，内带在15006000 km(或8000 km)， 外带在15 00020 000 km(或25 000 km)。这就是说，1500 km以下， 800012 000 km以及20 000 km以上是安全的，这就得出了相应的低、中、高轨道卫星。 中轨道(MEO)卫星运行在内、外范艾伦带之间的轨道上。虽然MEO卫星遭受的辐射强度约为GEO卫星遭受的两倍， 但可用电防护措

4、施进行防护， 并可使用防辐射的电子部件。,图 5.1 卫星轨道高度的划分 (a) GEO、 MEO、 LEO轨道划分示意图； (b) 大椭圆轨道(HEO)示意图,表 5.1 GEO、HEO、MEO和LEO轨道的特点,表 5.2 LEO、 MEO、 HEO和GEO卫星通信系统的优缺点,5.1.2 移动卫星通信系统的特点,1. 移动卫星通信系统的技术特点 (1) 系统庞大、构造复杂、技术要求高、用户(站址)数量多。 (2) 移动终端设备的体积、重量、功耗均受限，天线尺寸外形受限于安装的载体(如飞机、汽车、船舶等)，手持终端的要求更加苛刻。 (3) 卫星天线波束应能适应地面覆盖区域的变化并保持指向，

5、用户移动终端的天线波束应能随用户的移动而保持对卫星的指向，或者是全方向性天线波束。,(4) 移动卫星通信系统中的用户链路，其工作频段受到一定的限制，一般在200 MHz10 GHz。 (5) 因为移动终端的EIRP(有效全向辐射功率)有限，对空间段的卫星转发器及星上天线需专门设计，并采用多点波束技术和大功率技术以满足系统的要求。 (6) 由于移动体的运动，当移动终端与卫星转发器间的链路受到阻挡时， 会产生“阴影”效应，造成通信的阻断。对此， 移动卫星通信系统应使用户移动终端能够多星共视。 (7) 多颗卫星构成的卫星星座系统，需要建立星间通信链路和星上处理、星上交换，或者需建立具有交换和处理能力

6、的信关关口地球站。,2. 移动卫星通信系统的卫星轨道带来的一些特点 (1) 移动卫星通信覆盖区域的大小与卫星轨道高度及卫星数量有关。 (2) 为了实现全球覆盖， 需要采用多卫星系统。对于GEO轨道， 利用三颗卫星可构成覆盖除地球南、北极区的移动卫星通信系统。 若利用一颗GEO轨道卫星仅可能构成区域覆盖的移动卫星通信系统。 若利用中、低轨道卫星星座， 则可构成全球覆盖的移动卫星通信系统。,(3) 采用中、低轨道带来的好处是传播时延较小， 服务质量提高了； 传播损耗小， 使手持卫星终端易于实现； 由于移动终端对卫星的仰角较大，一般在2056，故天线波束不易遭受地面反射的影响， 可避免多径深衰落。但

7、是， 中、 低轨道必须是多星的星座系统， 技术上较为复杂，造价昂贵， 投资浩大， 用户资费高。 ,(4) 采用GEO轨道的好处是只用几颗卫星可实现廉价的区域性移动卫星通信，但缺点有：一是传播时延较大，两跳话音通信时的通信延迟将不能被用户所接受； 二是传播损耗大， 使手持卫星终端不易于实现。这两个缺点可通过采用星上交换和多点波束天线技术得到克服。 移动卫星通信保持了卫星通信固有的一些优点，与地面蜂窝系统相比，其优点有：覆盖范围大；路由选择较简单；通信费用与通信距离无关。因此，可利用卫星通信的多址传播方式提供大跨度、远距离和大覆盖面的漫游移动通信业务。另外， 移动卫星通信可以提供多种服务，例如移动

8、电话、调度通信、 数据通信、 无线定位以及寻呼服务等。,5.1.3 移动卫星通信系统的关键技术及发展趋势 1. 移动卫星通信系统的关键技术 移动卫星通信系统， 尤其是数量众多的小卫星中、 低轨移动通信系统是一个非常庞大而技术非常复杂的大系统。 其主要关键技术有： (1) 卫星轨道选定和发射控制技术。 (2) 卫星大型多波束天线及控制、 转发技术。 (3) 星上交换和处理技术。 (4) 大型卫星平台技术。,(5) 星上大功率输出技术。 (6) 卫星星间通信技术。 (7) 信道切换技术(硬切换、 软切换)。 (8) 系统内外频率兼容和干扰控制技术。 (9) 防窃听加密技术。 (10) 高效纠错编译

9、码算法和调制解调技术， 多址技术(FDMA、 TDMA、 CDMA)。 (11) 小型高效移动终端天线技术， 包括手持机天线和机载天线。 (12) 网管和网控技术(信令路由、 业务路由、 信道分配等)。 (13) 网络接续技术(卫星网与地面网接续)。,2. 移动卫星通信系统的发展趋势,(1) 在继续发展静止(同步)轨道移动卫星通信的同时， 重点发展低轨移动卫星通信系统。 (2) 发展能实现海事、航空、 陆地综合移动卫星通信业务的综合移动卫星通信系统。 (3) 未来的移动卫星系统的功能不仅具有话音、 数据、 图像通信功能，还具有导航、定位和遇险告警、协调救援等多种功能。 (4) 将移动卫星系统与

10、地面有线通信网、蜂窝电话网、 无绳电话网连接成为个人通信网。,(5) 移动卫星通信系统大多是全球通信系统，要求与各个国家的通信网连接， 所以必须制定统一的国际标准和建议，并解决与各个不同用户国、 不同地面接口兼容的问题。 (6) 移动卫星通信系统面向全球，系统复杂，投资巨大， 单凭公司或集团难以单独完成开发经营，需要在全球寻找用户和投资者。因此， 开展国际间合作开发和合作经营势在必行。 (7) 在卫星及其技术方面，主要趋向是采用低轨道小型卫星， 发展高增益多波束天线和多波束扫描技术，星上处理技术，开发更大功率固态放大器和更高效的太阳能电池，开展星间通信技术研究等。,(8) 移动终端及其技术方面

11、，重点开展与地面移动通信终端(移动电话、CT-2等)兼容和与地面网络接口技术研究， 开展终端小型化技术研究， 包括小型高效天线的研究开发和采用单片微波集成电路，以减少终端的体积、重量和功耗，同时研究进一步减少系统成本和降低移动终端的价格。 (9) 频率资源利用方面，将进一步开展移动卫星通信新频段和频谱有效利用技术的研究。,5.2 国际移动卫星通信系统,1. 概述 固定业务卫星通信的发展，尤其是INTELSAT系统的发展， 使一些沿海国家产生了利用卫星来提供海上通信的想法。于是， 国际海事咨询组织(IMCO)于1966年开始着手研究海事卫星通信系统。 1979年国际海事卫星组织(INMARSAT

12、)宣布正式成立， 当时只有28个成员国。 它先后租用美国MARISAT、 欧洲宇航局和INTELSAT的卫星来营运海事卫星通信。,2. INMARSAT系统组成,1) 卫星 INMARSAT使用的第一代卫星都是租来的， 由三部分组成： 租用美国通信卫星公司的三颗卫星上的部分容量、欧洲宇航局的两颗卫星及INTELSAT-卫星上的海事通信转发器。 这些卫星和转发器分布在三大洋上空，从1982年起使用，主要提供全球海上通信(电话、用户电报、传真和数据)及遇险呼救。,图 5.2 INMARSAT系统组成,2) 岸站(CES) CES是设在海岸附近的地球站，归各国主管部门所有，并归它们经营。它既是卫星系

13、统与地面系统的接口，又是一个控制和接入中心。其主要功能有： 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)的监视和排队的管理； 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；对船舶终端进行基本测试，每一海域至少有一个岸站具备这种功能。,3) 网络协调站(NCS) NCS是整个系统的一个组成部分， 每一海域设一个NCS， 它也是双频段工作。 网络协调站对整个洋区的信道进行管理和协调，对岸站调用电话电路的要求进行卫星电路的分配与控制；监视和管理信道使用状况，并

14、在紧急情况下强行插入正在通话的话路，发出呼救信号。,4) 船站(SES) SES是设在船上的地球站。在海事卫星系统中它必须满足以下条件： 满足SES天线稳定度的要求，必须排除船身移位以及船身的侧滚、 纵滚、 偏航的影响而跟踪卫星； SES必须设计得小而轻，使其不致影响船的稳定性，同时又要设计得有足够带宽，能提供各种通信业务。为此，对SES采取了以下技术措施：选用L频段； 采用SCPC/FDMA 制式以及话音激活技术，以充分利用转发器带宽； 卫星采用偶极子碗状阵列式天线，使全球波束的边缘地区亦有较强的场强； 采用HPA来弥补天线增益不高(因天线尺寸小)的不足，使EIRP达到一定的分贝数； L频段

15、的各种波导分路和滤波设备，广泛采用表面声波器件(SAW)， 体积小，重量轻； 采用四轴陀螺稳定系统来确保天线跟踪卫星。,表 5.3 INMARSAT各标准船站及机载站的主要技术参数,5.3 静止轨道(GEO)区域移动卫星通信系统,5.3.1 北美移动卫星通信系统MSAT 1. 系统组成 北美移动卫星通信系统计划始于20世纪80年代初，它是由美国移动卫星公司(AMSC)和加拿大移动通信公司(TMI)共同提出的一项区域性移动卫星通信系统计划，即制造两颗相同的卫星，TMI公司的为MSAT-1，AMSC公司的为MSATCD*22。 它们均采用美国休斯公司最先进的HS-601卫星平台和加拿大斯派尔公司的

16、有效载荷，两星互为备份。,图 5.3 MSAT系统的组成,1) MSAT系统的空间段 MSAT系统采用轨高36 000 km的同步卫星， 两颗卫星均可覆盖加拿大和美国的几乎所有地区， 并有覆盖墨西哥及加勒比群岛的能力。 1995年4月7日，美国MSAT-2率先由“宇宙神”火箭发射入轨。它重2910 kg，卫星发射功率高达2880 W，卫星通信天线覆盖地区的直径约为5500 km，有4000个信道，工作寿命为12年。,1996年4月21日，加拿大MSAT-1由欧空局阿里亚娜-42P火箭发射成功。至此，经过美国和加拿大两国科学家十多年的努力， 终于大功告成，它是世界上第一代商业性陆地移动卫星通信系统。MSAT-1与MSAT-2基本相同，只是其卫星重量为2855 kg。美、加还将发射6颗卫星，以扩大通信范围和完善各项服务功能。 MSAT卫星之所以采用强大的星载功率发射机和安装了两个5 m6 m的