卫星通信原理

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1、The Principal of Satellite Communication卫星通信原理张珏 10211155电子信息工程学院北京交通大学摘要（Abs trac t）交大没有笨学生只有懒学生卫星通信简单地说就是地球上的无线电通信站间利用卫星作为中继而进行的通信。本论 文将介绍直播卫星、卫星通信的原理、卫星通信系统等.近年来卫星通信新技术的发展层出 不穷.卫星通信也是未来全球信息高速公路的重要组成部分 ,成为中国当代远距离通信的支 柱。关键字 卫星通信 系统 多址联接 直播卫星一、前言（Introduction）卫星通信简单地说就是地球上（包括地面和低层大气中）的无线电通信站间利用卫星作为

2、中继而进行的通信.卫星通信系统由卫星和地球站两部分组成。卫星通信的特点是：通信范 围大；只要在卫星发射的电波所覆盖的范围内，从任何两点之间都可进行通信；不易受陆地 灾害的影响（可靠性高）；只要设置地球站电路即可开通（开通电路迅速）；同时可在多处接 收，能经济地实现广播、多址通信（多址特点）；电路设置非常灵活，可随时分散过于集中 的话务量;同一信道可用于不同方向或不同区间（多址联接）。本文从以下结构来介绍卫星通信：第二部分讲述了现代卫星通信技术的背景以为卫星通 信的优缺点；第三部分介绍了卫星通信的基本原理；第四部分介绍了卫星通信的基本概念； 第五部分主要介绍了卫星通信系统的构成；第六部分介绍了卫

3、星通信的特点和它所需要的关 键技术；第七部分则介绍了有关直播卫星的相关知识；第八部分着重讲解了多址联接方式的 内容;第九和第十部分总结了我国卫星通信的发展以及思考。二、背景（Background）近年来卫星通信新技术的发展层出不穷。例如甚小口径天线地球站（VSAT）系统,中低轨 道的移动卫星通信系统等都受到了人们广泛的关注和应用。卫星通信也是未来全球信息高速 公路的重要组成部分。它以其覆盖广、通信容量大。通信距离远、不受地理环境限制、质量 优、经济效益高等优点,1972年在中国首次应用,并迅速发展，与光纤通信、数字微波通信一 起，成为中国当代远距离通信的支柱。卫星通信由于它不受地理条件的限制

4、,具有灵活的可移动性，所以仍依它的优势创新发 展。但亦受到迅速发展的光纤通信的挑战，它比卫星通信的容量大，传输速率高，有很多越 洋通信被海底光缆所替代，陆地干线亦有类似情况。 20 世纪 90 年代中后期卫星电视直播（DBs-Direct Broadcast Satellite 或 DTHDirect To Home ）、卫星声音广播、卫星移动通信以及卫星宽带多媒体通信成为新的四大发展潮流。目前，全球绝大多数卫星通信系统都是采用GEO卫星作为整个系统的中继平台，这是由 于采用GEO卫星来提供通信业务具有下列优点：1、地球站天线易于保持对准卫星，不需要复杂的跟踪系统.2、通信连续，不必频繁更换卫

5、星。3、多普勒频移可忽略.4、对地面的通信覆盖区面积大,单颗对地静止轨道卫星可覆盖地球表面积的 422， 便于实施广播和多址联接.5、技术相对成熟简单。6、信道的绝大部分在自由空间中工作稳定、通信质量高。 尤其是在20世纪80年代，因特网和地面移动通信的发展尚处于初期主要的信息传输手 段是公共交换电话网(PSTN) 但是PSTN只限于发达地区，提供全球通信的惟一手段是GEO卫 星.利用三颗GEO卫星可以实现对南北纬70度以内区域的无缝覆盖.因此，全球建立了相当 多的基于GE O卫星的通信系统。但这样的卫星通信系统存在以下问题：1、向高纬度地区和特定地形内的用户提供通信业务比较困难。2、传播时延

6、较大不能满足某些业务对实时性的要求。3、由于需要大的功放和天线终端小型化困难。4、使用费用居高不下大而贵的卫星通信终端主要用于其他通信手段无法经济解决的应 用5、用户基数小，达不到规模效益.6、卫星较大，制造和发射均很困难，风险较大。7、轨道位置和轨道类型单一,卫星数较少易受干扰,抗摧毁能力较弱电磁兼容和轨道 协调困难。8、两极附近有盲区.有日凌中断和星蚀现象.上述问题主要源自一个根源:即通信卫星位于赤道上空35786km的轨道。20世纪80年代末 个人通信概念的提出使得电信行业意识到必须要解决这个轨道问题引起的“传播距离远” 问题，否则无法实现个人卫星通信。三、基本原理(Principal)

7、卫星从用途上可以分为：资源探测卫星，气象卫星,军事卫星,通信卫星，直播卫星等。从 理论上讲，如果在地球赤道上空相对于地球静止的卫星轨道上放置三颗间隔各12 0度的卫 星，就可以实现全球通信或全球广播。卫星电视传输是在卫星通信的基础上发展起来的，它是在地球赤道上空3 5 8 0 0 km 处静止卫星上，装载转发器和天线系统向地面转发广播电视信号,直接进行大面积广播电视 覆盖的一项技术.它能覆盖区内的广大用户直接收看千百里之外乃至地球另一面广播电视节 目。我国幅员辽阔，地形复杂，人口众多，而且分布又很不均匀，如果完全依赖传统的地面 无线传输方式解决广播电视覆盖率是极其困难的。利用卫星传输广播和电视

8、节目，作为一种 提高广播电视人口覆盖率，改进传输质量的最有效、最经济、最先进的手段,在过去的十几 年里它得到了蓬勃的发展和广泛应用。四、卫星通信的概念（Conception）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。它是微波通信和航天技术基础上发展起来的一门新兴的无线通信技术，所使用的 无线电波频率为微波频段（300MHz300GHz，即波段1m1mm）。这种利用人造地球卫星 在地球站之间进行通信的通信系统，则称为卫星通信系统，而把用于实现通信目的的人造卫 星称为通信卫星，其作用相当于离地面很高的中继站。因此，可以认为卫星通信是地面微波 中继通信的

9、继承和发展，是微波接力通向太空的延伸。卫星通信具有以下特点：（1）通信距离远，且费用与通信距离无关；（2）通信范围大， 只要卫星发射的波束覆盖进行的范围均可进行通信，可进行多址通信；（3）通信频带宽，传输 容量大；（4）机动灵活，可用于车载、船载、机载等移动通信；（5）通信链路稳定可靠，传输 质量高；（6）不易受陆地灾害影响；7）建设速度快；（8）电路和话务量可灵活调整；（9） 同一信通可用于不同方向和不同区域.同样,其局限性包括：（1）通信卫星使用寿命短；（2）存在日凌中断和星蚀现象；（3）电 波的传输时延较大且存在回波干扰，天线受太阳噪声的影响。；（4）卫星通信系统技术复杂； （5）静止卫

10、星通信在地球高纬度地区通信效果不好，并且两极地区为通信盲区。（6）由于两 地球站向电磁波传播距离有72000Km，信号到达有延迟。（7） 10GHz以上频带受降雨雪的影 响。五、卫星通信系统（System）卫星通信系统由卫星和地球站两部分组成卫星在空中起中继站的作用，即把地球站发 上来的电磁波放大后再返送回另一地球站地球站则是卫星系统与地面公众网的接口,地面用 户通过地球站出入卫星系统形成链路。由于静止卫星在赤道上空3600Km,它绕地球一周时间 恰好与地球自转一周（23小时56分4秒）一致，从地面看上去如同静止不动一般.三颗相距 120的卫生就能覆盖正个赤道圆周。故卫星通信易于实现越洋和洲际

11、通信。最适合卫星通 信的频率是1T0GHZ频段。为了满足越来越多的需求，已开始研究应用新的频如12GHz， 14GHz，20GHz 及 30GHz。-J津a打皿用醫玄尽 m s 工 :吨讣”氓 hlHlvej中国尚无自建的国内商用卫星移动通信系统,现使用的或准备使用的都是外商建设的卫 星移动通信系统，下面介绍几个目前我国使用的卫星通信系统：1国际移动卫星系统国际移动卫星系统是由国际移动卫星组织倡导建立起来的一个全球卫星移动通信系统。 该系统卫星已经历了三代，使用的都是对地静止轨道卫星笫三代全系统由4颗静止轨道卫星 组成，每颗卫星有1个全球波束和5个点波束，卫星采用透明转发器。它提供电话、传真、

12、 数据和多媒体等业务.它的用户终端有国际移动卫星一A、B/M、C、D/D +、E、MiNi M、 M4及Aero航空系统，并将推出国际移动卫星一F.其中M4为最新的多媒体移动通信终端。 中国几乎所有的远洋船舶都安装了该系统的卫星设备.2。亚洲蜂窝卫星系统亚洲蜂窝卫星系统是由亚洲蜂窝卫星公司建立起来的一个服务于亚洲地区的区域性卫 星移动通信系统，可向手持机等用户终端提供话音、传真、数据和因特网等通信业务卫星采 用处理转发器和多波束天线，星上两副直径为12米的天线可产生多达140个覆盖亚洲地区 的点波束.第一颗卫星（鹰一1）于2000年2月定点于东经123度。该系统自2000年9月投 入商用后已拥

13、有9000多用户.中国地区约占ACeS系统卫星服务区的1/3,是该系统最大的潜在 市场。亚洲蜂窝卫星公司曾与中国多家卫星公司接触，商讨合作事宜。目前与中国通信广播 卫星公司合作正在积极推进中.3。全球星系统全球星系统是由美国劳拉、高通等公司倡导发展的系统。它是由48颗低轨卫星组成的 全球卫星移动通信系统。卫星采用透明转发器，多波束天线。它向用户提供话音、传真、数 据和定位等业务它的用户终端有单模手机、双模手机（全球星/GSM）、三模手机（全球星 /AMPS/CDMA）、车载机和固定终端。4。ICO系统ICO系统是国际移动卫星组织倡导的卫星移动通信系统它是由12颗中轨卫星（含两颗 备用星）组成的

14、全球卫星移动通信系统。星上采用处理转发器，多波束天线它提供电话、传 真、数据、寻呼和定位等业务。它的用户终端除双模手机外，还有车载、机载、船载等终端 以及半固定和固定终端。中国通信广播卫星公司与交通部有关单位合作正在牵头组织参与经 营ICO系统事宜。5。轨道通信系统轨道通信系统是由美国轨道科学公司和加拿大全球电信公司联合经营的系统。它是由 3648颗低轨卫星组成的全球卫星移动通信系统。卫星采用处理转发器，单波束天线它向 用户提供寻呼、传真、短数据和定位等业务。它的用户终端有手机、车载、机载、船载等移 动终端以及半固定及固定终端。六、特点以及关键技术(Characteristic And Tec

15、hnology)(1) 信道的传播特点：移动通信的特点是“动中通”这决定了其瞬时传播环境的不确定性，通信信号会遭受 到许多因素的影响：1、海平面.机身和地平面反射所引起的信号衰落。2、树木.建筑物，电线杆.地形和地貌所引起的信号阴影效应或阻挡。3、终端和卫星移动所引起的多普勒效应。4、平流层效应(如降雨引起的衰耗)。5、电离层效应(如电离层闪烁和法拉第旋转)。由于周围环境和工作条件的不同，海事.航空和陆地卫星移动通信信道的传播特性是不 同的对于陆地卫星移动通信.移动站到卫星的通路可能会遭受到路边树木，电线杆、建筑 物或地形的阻挡而造成接收信号中断.这通常与移动站当时所处的区域(如市区.郊区和农

16、 村等)有很大关系。移动站也会接收到周围环境反射产生的多径信号.多径衰落的严重程度 与移动站当时所处的周围环境有很大关系因此.需要考虑下列因素：(1) 由于建筑物和周围物体引起的阻挡效应。(2) 树木和叶子引起的阴影效应。(3) 主要由建筑物引起的多径效应。对于海事卫星移动通信.移动站遭受的主要是海平面反射产生的多径信号，衰落特性主 要决定于天线增益.仰角.海况(粗糙还是平滑)等。，对于航空卫星移动通信,其传播条件要比海事和陆地系统好很多,问题主要是对于低增益 天线在低仰角工作时会接收到机身、海平面或地平面反射产生的多径信号；另一个问题是由 于飞机高速移动所产生的多普勒效应。当工作频率较高(如Ku, Ka