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1、,第18章 卫星通信技术,18.1 卫星通信的基本概念 18.2 通信卫星的种类 18.3 卫星通信系统分类 18.4 卫星通信的特点 18.5 卫星通信系统的组成及工作原理 18.6 空分多址（SDMA） 18.7 卫星通信新技术,18.1 卫星通信的基本概念,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过程或方式。卫星通信属于宇宙无线电通信的一种形式，工作在微波频段。 宇宙通信是以宇宙飞行体或通信转发体作为对象的无线电通信。它可分为三种形式：,（1）地球站与宇宙站间的通信； （2）宇宙站之间的通信； （3）通过宇宙站的转发或反射进行的地球站之间的通
2、信。 人们常把第三种形式称为卫星通信。宇宙站是指地球大气层以外的宇宙飞行体（如人造卫星和宇宙飞船等）或其它星球上的通信站。地球站是指设在地面、海洋或大气层中的通信站，习惯上统称为地面站。,卫星通信是在地面微波中继通信和空间技术的基础上发展起来的。微波中继通信是一种“视距”通信，即只有在“看得见”的范围内才能通信。而通信卫星的作用相当于离地面很高的微波中继站。由于作为中继的卫星离地面很高，因此经过一次中继转接之后即可进行长距离的通信。图181是一种简单的卫星通信系统示意图，它是由一颗通信卫星和多个地面通信站组成的。,图181 卫星通信示意图,由图181可见，离地面高度为he的卫星中继站，看到地面
3、的两个极端点是A和B点，即S长度将是以卫星为中继站所能达到的最大通信距离。其计算公式为,式中，R0为地球半径， R0 =6378km；为AB所对应的圆心角（弧度）；he为通信卫星到地面的高度，单位为km。上式说明， he越高，地面上最大通信距离越大。,（1） he =500km时，由公式求得S=4892km； （2） he =35800km时，S=18100km。 由于卫星处于外层空间，即在电离层之外，地面上发射的电磁波必须能穿透电离层才能到达卫星；同样，从卫星到地面上的电磁波也必须穿透电离层，而在无线电频段中只有微波频段恰好具备这一条件，因此卫星通信使用微波频段。,目前大多数卫星通信系统选择
4、在下列频段工作： (1) UHF波段（400/200MHz）； (2) L波段（1.6/1.5GHz）； (3) C波段（6.0/4.0GHz）； (4) X波段（8.0/7.0GHz）； (5) K波段（14.0/12.0；14.0/11.0；30/20GHz）。 由于C波段的频段较宽，又便于利用成熟的微波中继通信技术，且天线尺寸也较小，因此，卫星通信最常用的是C波段。,18.2 通信卫星的种类,目前，通信卫星的种类繁多，按不同的标准有不同的分类。下面我们给出几种常用的卫星种类。 (1)按卫星的结构可分为：无源卫星和有源卫星两类。 无源卫星是运行在特定轨道上的球形或其它形状的反射体，没有任何
5、电子设备，它是靠其金属表面对无线电波进行反射来完成信号中继任务的。在20世纪5060年代进行卫星通信试验时，曾利用过这种卫星。,目前，几乎所有的通信卫星都是有源卫星，一般多采用太阳能电池和化学能电池作为能源。 这种卫星装有收、发信机等电子设备，能将地面站发来的信号进行接收、放大、频率变换等其它处理，然后再发回地球。这种卫星可以部分地补偿在空间传输所造成的信号损耗。,图182 通信卫星轨道示意图,(2)按通信卫星的运行轨道可分为： 赤道轨道卫星（指轨道平面与赤道平面夹角=0）； 极轨道卫星（=90）； 倾斜轨道卫星（020000km。,(4) 按卫星与地球上任一点的相对位置的不同可分为：同步卫星
6、和非同步卫星。同步卫星是指在赤道上空约35800km高的圆形轨道上与地球自转同向运行的卫星。由于其运行方向和周期与地球自转方向和周期均相同，因此从地面上任何一点看上去，卫星都是“静止”不动的，所以把这种对地球相对静止的卫星简称为同步（静止）卫星，其运行轨道称为同步轨道。,非同步卫星的运行周期不等于（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，故又称为移动卫星或运动卫星。 不同类型的卫星有不同的特点和用途。在卫星通信中，同步卫星使用得最为广泛，其主要原因是：第一，同步卫星距地面高达35800km，一颗卫星的覆盖区（
7、从卫星上能“看到”的地球区域）可达地球总面积的40%左右，地面最大跨距可达18000km。因此只需三颗卫星适当配置，就可建立除两极地区（南极和北极）以外的全球性通信。如图183所示。,图183 全球卫星通信系统示意图,图中，每两颗相邻卫星都有一定的重叠覆盖区，但南、北两极地区则为盲区。目前正在使用的国际通信卫星系统就是按这个原理建立的，其卫星分别位于大西洋、印度洋和太平洋上空。其中，印度洋卫星能覆盖我国的全部领土，太平洋卫星覆盖我国的东部地区，即我国东部地区处在印度洋卫星和太平洋卫星的重叠覆盖区中。,第二，由于同步卫星相对于地球是静止的，因此，地面站天线易于保持对准卫星，不需要复杂的跟踪系统；
8、通信连续，不像卫星相对于地球以一定的速度运动时那样，需要变更转发当时信号的卫星而出现信号中断；信号频率稳定，不会因卫星相对于地球运动而产生多卜勒频移。当然，同步卫星也有一些缺点，主要表现在：两极地区为通信盲区；卫星离地球较远，,故传输损耗和传输时延都较大；同步轨道只有一条，能容纳卫星的数量有限；同步卫星的发射和在轨测控技术比较复杂。此外，在春分和秋分前后，还存在着星蚀（卫星进入地球的阴影区）和日凌中断（卫星处于太阳和地球之间，受强大的太阳噪声影响而使通信中断）现象。 非同步卫星的主要优缺点基本上与同步卫星相反。由于非同步卫星的抗毁性较高，因此也有一定的应用。,18.3 卫星通信系统分类,目前世
9、界上建成了数以百计的卫星通信系统，归结起来可进行如下分类： (1)按卫星制式可分为 静止卫星通信系统、随机轨道卫星通信系统和低轨道卫星（移动）通信系统。 (2)按通信覆盖区域的范围划分为 国际卫星通信系统、国内卫星通信系统和区域卫星通信系统。,(3)按用户性质可分为 公用（商用）卫星通信系统、专用卫星通信系统和军用卫星通信系统。 (4)按业务范围可分为 固定业务卫星通信系统、移动业务卫星通信系统、广播业务卫星通信系统和科学实验卫星通信系统。 (5)按基带信号体制可分为 模拟制卫星通信系统和数字制卫星通信系统。,(6)按多址方式可分为 频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、空分多址（SDM
10、A）和码分多址（CDMA）卫星通信系统。 (7)按运行方式可分为 同步卫星通信系统和非同步卫星通信系统。目前国际和国内的卫星通信大都是同步卫星通信系统。,18.4 卫星通信的特点,卫星通信系统以通信卫星为中继站，与其它通信系统相比较，卫星通信有如下特点： (1)覆盖区域大，通信距离远。一颗同步通信卫星可以覆盖地球表面的三分之一区域，因而利用三颗同步卫星即可实现全球通信。它是远距离越洋通信和电视转播的主要手段。,(2)具有多址连接能力。地面微波中继的通信区域基本上是一条线路，而卫星通信可在通信卫星所覆盖的区域内，所有四面八方的地面站都能利用这一卫星进行相互间的通信。我们称卫星通信的这种能同时实现
11、多方向、多个地面站之间的相互联系的特性为多址连接。,(3)频带宽，通信容量大。卫星通信采用微波频段，传输容量主要由终端站决定，卫星通信系统的传输容量取决于卫星转发器的带宽和发射功率，而且一颗卫星可设置多个（如IS-有46个）转发器，故通信容量很大。例如，利用频率再用技术的某些卫星通信系统可传输30000路电话和4路彩色电视。,(4) 通信质量好，可靠性高。卫星通信的电波主要在自由（宇宙）空间传播，传输电波十分稳定，而且通常只经过卫星一次转接，其噪声影响较小，通信质量好。通信可靠性可达99.8%以上。 (5) 通信机动灵活。卫星通信系统的建立不受地理条件的限制，地面站可以建立在边远山区、海岛、汽
12、车、飞机和舰艇上。,(6)电路使用费用与通信距离无关。地面微波中继或光缆通信系统，其建设投资和维护使用费用都随距离而增加。而卫星通信的地面站至空间转发器这一区间并不需要投资，因此线路使用费用与通信距离无关。 (7)对卫星通信系统也有一些特殊要求：一是由于通信卫星的一次投资费用较高，在运行中难以进行检修，故要求通信卫星具备高可靠性和较长的使用寿命；二是卫星上能源有限，,卫星的发射功率只能达到几十至几百瓦，因此要求地面站要有大功率发射机、低噪声接收机和高增益天线，这使得地面站比较庞大；三是由于卫星通信传输距离很长，使信号传输的时延较大，其单程距离（地面站A卫星转发地面站B）长达80000km，需要
13、时间约270ms；双向通信往返约160000km，延时约540ms，所以，在通过卫星打电话时，通信双方会感到很不习惯。,18.5 卫星通信系统的组成及工作原理,根据卫星通信系统的任务，一条卫星通信线路要由发端地面站、上行线路、卫星转发器、下行线路和收端地面站组成，如图184所示。,图184 卫星通信线路组成框图,其中上行线路和下行线路就是无线电波传播的路径。为了进行双向通信，每一地面站均应包括发射系统和接收系统。由于收、发系统一般是共用一副天线，因此需要使用双工器以便将收、发信号分开。地面站收、发系统的终端，通常都是与长途电信局或微波线路连接。地面站的规模大小则由通信系统的用途而定。转发器的作
14、用是接收地面站发来的信号，经变频、放大后，再转发给其它地面站。卫星转发器由天线、接收设备、变频器、发射设备和双工器等部分组成。,在卫星通信系统中，各地面站发射的信号都是经过卫星转发给对方地面站的，因此，除了要保证在卫星上配置转发无线电信号的天线及通信设备外，还要有保证完成通信任务的其它设备。一般来说，一个通信卫星主要由天线系统、通信系统、遥测指令系统、控制系统和电源系统五大部分组成，如图185所示。,图185 通信卫星组成示意图,1.天线系统 天线系统包括通信用的微波天线和遥测遥控系统用的高频（或甚高频）天线。微波天线根据波束的宽、窄又可分为覆球波束天线、区域波束天线和点波束天线。对静止卫星来
15、说卫星覆球波束天线的波束宽度约为1718，其增益可达18dB；点波束天线因波束较窄而具有较高的增益，用来把辐射的电磁波功率集中到地球上较小的区域内。,通信微波天线的波束应对准地球上的通信区域。但是，对于采用自旋稳定方式以保持姿态稳定的静止卫星，由于卫星是旋转的，故要采用消旋天线，才能使波束始终对准地球。常用的有机械消旋天线和电子消旋天线，其消旋原理是用机械的方法或电子的方法，让天线的旋转方向与卫星自旋方向相反，而两者的旋转速度相等，以保证天线波束始终朝着地球上需要通信的区域。,遥测指令天线用于卫星进人静止轨道之前和之后，能向地面控制中心发射遥测信号和接收地面的指令信号。这种天线为甚高频全方向性
16、天线，通常采用倾斜式绕杆天线和螺旋天线等天线。,2.通信系统（转发器） 静止卫星的通信系统又称为通信中继机，通常由多个（可达24个或更多）信道转发器互相连接而组成。其任务是把接收的信号放大，并利用变频器交换成下行频率后再发射出去。 它实质上是一组宽频带收、发信机，对其要求是工作稳定可靠，附加的噪声小。卫星转发器是通信卫星中最重要的组成部分，它能起到卫星通信中继站的作用，其性能直接影响到卫星通信系统的工作质量。,对卫星转发器的基本要求是附加噪声和失真小，要有足够的工作频带，有足够大的总增益，频率稳定度和可靠性尽量高。卫星转发器通常分为透明转发器和处理转发器两大类。 (1) 透明转发器。 这类转发器接收到地面站发来的信号后，除进行低噪声放大、变频、功率放大外，不作任何处理，只是单纯地完成转发任务。也就是说，它对工作频带内的任何信号都是“透明”的通路。,透明转发器有双变频和单变频两种，前者的优点是中频增益高（可达80100dB），电路工作稳定，曾用于国际通信卫星ISI。其缺点是中频频带窄，不适于多载波工作，已很少使用。单变频转发器是
