1、1卫星通信卫星通信通向无缝覆盖全球移动通信系统之路通向无缝覆盖全球移动通信系统之路2u 课程简介课程名称：卫星通信课程学时：36 周学时：3课程性质：专业选修u 课程目的本课程是为通信工程、计算机通信、无线电技术等专业高年级学生开设的一门专业课，其目的是使学生掌握卫星通信系统的组成、原理和技术的基础知识。u 课程特点通信技术、计算机技术和航空航天技术相结合的通信手段，是一门交叉学科，涵盖的知识面相当广泛，从物理学科的开普勒三定律到数学的几何运算，从卫星的发射控制技术到卫星与地球站之间的无线通信技术。讲述卫星通信的基础知识，侧重于基本概念和原理，而对于复杂的数学推导，则从略。课程概况3教材和参考
2、书朱立东等，卫星通信导论（第3版），北京：电子工业出版社，2009年11月第1次印刷（卫星通信课程教材）Dennis Roddy.Satellite Communications.The McGraw-Hill Companies,inc.,2002 （清华大学出版社）Timothy Pratt,Charles Bostian and Jeremy Allnutt.Satellite Communications.New York:John Wily and Sons,Inc.,2003 （电子工业出版社）张乃通等，卫星移动通信系统(第2版），北京：电子工业出版社，2000Erich Lutz
3、Markus Werner and Axel Jahn.Satellite Systems for Personal and Broad Communications.Berlin:Springer-Verlag,20004通信：在两个或多个位置实现信息的传输、接 收和处理。有线通信：光纤、电缆、明线 无线通信：短波/超短波通信、微波中 继通信、地面移动通信、卫 星通信 卫星通信5 1946年，美国科学家用雷达把电波发射到月球，并第一次接收到它的回波。这证明了携带信号的电波可以穿过大气层，并可以从大气层以外的星球上反射回地球。此后，人类发射了用来通信的人造卫星，它能够把地球上发来的电波信号经
4、过放大处理后，再发回地球，这样就实现了远距离国际卫星通信。卫星通信起源6n卫星通信的概念 卫星通信是指利用通信卫星转发器实现地球站（或手持终端）之间、或者地球站与航天器之间的无线电通信。主要包括：u卫星固定通信u卫星移动通信u卫星直接广播u卫星中继通信卫星通信是个人通信网的组成部分，是地面卫星通信是个人通信网的组成部分，是地面通信网的补充。通信网的补充。78910第一章第一章 卫星通信系统概述卫星通信系统概述一、卫星轨道一、卫星轨道二、卫星通信系统的组成二、卫星通信系统的组成三、频率分配三、频率分配四、卫星通信的特点四、卫星通信的特点五、卫星通信的业务类型五、卫星通信的业务类型六、卫星通信的发
5、展六、卫星通信的发展11一、卫星轨道一、卫星轨道n n开普勒定律开普勒定律 假设地球是质量均匀分布的圆球体，忽略太阳、假设地球是质量均匀分布的圆球体，忽略太阳、月球和其它行星的引力作用，卫星运动服从开月球和其它行星的引力作用，卫星运动服从开普勒三大定律。普勒三大定律。12开普勒（Johannes Kepler）国籍:德国生卒日期:1571.12.27 1630.11.15主要成就:发现了行星运动三定律13图1 椭圆轨道的示意图开普勒第一定律：卫星以地心为一个焦点做椭开普勒第一定律：卫星以地心为一个焦点做椭圆运动。圆运动。其轨道平面的极坐标为：其轨道平面的极坐标为：14 开普勒第二定律：卫星与地
6、心的连线在相同时开普勒第二定律：卫星与地心的连线在相同时间内扫过的面积相等。间内扫过的面积相等。V为卫星在轨道上的瞬时速度。其中a为椭圆轨道的半长轴，r为卫星到地心的距离。u u为开普勒常数，u值为398601.58*10398601.58*109 9m m3 3/s/s2 215圆轨道卫星具有恒定的运动速度16 开普勒第三定律：卫星运转周期的平方与轨道开普勒第三定律：卫星运转周期的平方与轨道半长轴的半长轴的3 3次方成正比。次方成正比。u u为开普勒常数，u值为398601.58 10398601.58 109 9mm3 3/s/s2 2。171.1 卫星轨道从轨道形状进行分类圆轨道：GEO
7、GSO，MEO，LEO椭圆轨道HEO181.1 卫星轨道从轨道高度进行分类低地球轨道LEO：Low Earth Orbit，700 2000 km中地球轨道MEO：Medium Earth Orbit，10000 20000 km同步轨道GSO：GeoSynchronous Orbit，35786 km静止轨道GEO：GEostationary Orbit，35786 km高椭圆轨道HEO：Highly Elliptical Orbits，最高点可达40000km 191.1 卫星轨道典型卫星通信系统的轨道高度、卫星速度和轨道周期如下表卫星系统轨道高度(km)在轨速度(km/s)轨道周期（时
8、/分/秒）Intelsat(GEO)357863.074723/56/04.1NewICO(MEO)103554.895405/59/01.0SkyBridge(LEO)14697.127201/55/17.8Iridium(LEO)7807.462401/40/27.0201.1 卫星轨道内范伦带：15005000 km外范伦带:1300020000km211.1 卫星轨道221.1 卫星轨道GEO/GSO的主要优势 对地（球）位置相对固定 几乎恒定的传输延时 广阔的覆盖区域（单星覆盖面积约占地球表面1/3）GEO/GSO的主要缺点 大的传输延时和衰减 仰角随着纬度的增高而降低（GEO）不能
9、覆盖极地地区（GEO）轨位资源缺乏 发射费用高231.1 卫星轨道LEO的主要优势 低传输延时和衰减（利于使用手持终端）灵活的系统设计（单星）发射费用低LEO的主要缺点 对地的快速相对移动，大多普勒频移 单星覆盖面积小（因此需要几十到上百颗卫星实现全球覆盖）LEO星座的延时抖动大 LEO星座的管理复杂性高241.1 卫星轨道MEO：GEO和LEO的折中 单星的中等覆盖面积（需要几颗到十几颗卫星实现全球覆盖）中等的传输延时和衰减 中等的对地移动速度（即中等的多普勒频移）中等的星座延时抖动 中等的星座管理复杂度251.1 卫星轨道HEO的主要优势 高纬度地区的仰角大 单星覆盖范围大 对地相对运动速
10、度较慢（在服务时间内）HEO的主要缺点 传输延时和衰减大 穿越范艾伦带，卫星寿命较短 大的多普勒频移26二、二、卫星通信系统的组成卫星通信系统的组成n n空间段空间段主要是卫星本身。星体包括两大子系统：星载主要是卫星本身。星体包括两大子系统：星载设备和卫星母体。设备和卫星母体。n n地面段地面段典型的地面段即地球站，包括地面卫星控制中典型的地面段即地球站，包括地面卫星控制中心（心（SCC,Satellite control centerSCC,Satellite control center）及其跟踪、）及其跟踪、遥测和指令站（遥测和指令站（TT&C,Tracking,telemetry an
11、d TT&C,Tracking,telemetry and command stationcommand station）。）。n n用户段：各种用户终端用户段：各种用户终端27系统的组成空间段卫星1）通信有效载荷天线分系统通信转发器星上处理器2）卫星公用舱遥测和命令分系统动力分系统姿态控制和助推分系统热控分系统结构分系统28空间段空间段29系统的组成地面段信关站Gateway,也称为固定地球站（FES）网络控制中心NCC卫星（运行）控制中心SCC/SOCC用户信息管理系统CIMS 跟踪、遥测和命令（TT&C）站30系统的组成信关站天线信关站天线 网络控制中心网络控制中心 韩国城南，地面中心韩
12、国城南，地面中心31系统的组成用户信息管理系统CIMS负责维护信关站配置信息，完成系统记帐和计费，实现详细通话记录32系统的组成用户段 手持终端 掌上型终端 车/舰/机载终端 便携式终端 固定终端33三、频率分配三、频率分配两个权威组织两个权威组织 国际电联ITUInternational Telecommunication Union美国联邦通信委员会FCCFederal Communications Committee34ITU划分的频率区域划分 区域1：欧洲，非洲，前苏联地理区域，蒙古和西亚半岛 区域2：南北美洲和格陵兰岛 区域3：亚洲（除区域1部分），澳洲和西南太平洋三、频率分配三、频
13、率分配35三、频率分配三、频率分配n n卫星通信卫星通信频段频段：目前常用频段有：目前常用频段有L L，S S，C C，X X，KuKu，KaKa。L L频段：频段：频段：频段：1 12GHZ2GHZ，一般记为，一般记为1.6/1.5G(1.6/1.5G(上行上行/下行下行)，用于，用于MSSMSS，GEOGEO卫星测控。卫星测控。S S频段：频段：频段：频段：2 24GHz4GHz，用于，用于MSSMSS，GEOGEO卫星测控。卫星测控。C C频段：频段：频段：频段：4 47GHz7GHz，用于，用于FSSFSS和和MSSMSS的馈电链路。的馈电链路。KuKu频段：频段：频段：频段：1212
14、18GHz18GHz，用于，用于FSSFSS，BSSBSS。KaKa频段：频段：频段：频段：202040GHz,40GHz,用于用于FSSFSS，MSSMSS。此外，此外，VHFVHF、UHFUHF用于低轨小卫星通信。用于低轨小卫星通信。VHFVHF频段：频段：频段：频段：0.10.3GHz0.10.3GHz，用于移动、导航业务，用于移动、导航业务 UHFUHF频段：频段：频段：频段：0.31.0GHz0.31.0GHz，用于移动、导航业务，用于移动、导航业务 更高频段更高频段 QQ频段：频段：频段：频段：36.046.0GHz36.046.0GHz，V V频段：频段：频段：频段：46.056
15、0GHz46.056.0GHz36四、卫星通信的特点四、卫星通信的特点n n服务范围宽服务范围宽：一颗：一颗GEOGEO卫星覆盖全球表面的卫星覆盖全球表面的 42%42%；中低轨星座系统可实现全球覆盖。；中低轨星座系统可实现全球覆盖。n n可用频段宽可用频段宽：从：从150MHz150MHz30GHz(Ka30GHz(Ka波段波段)。目前。目前已开始开发已开始开发 Q Q、V V 波段波段(40(4050GHz)50GHz)。n n网络路由简捷网络路由简捷：旁路复杂的地面：旁路复杂的地面“网络云网络云”。跨。跨国公司专网。国公司专网。n n网络建设速度快、成本低网络建设速度快、成本低：除建站
16、外，无需地面：除建站外，无需地面施工。运行维护费用低。施工。运行维护费用低。n n系统均匀服务，易引入新业务系统均匀服务，易引入新业务：统一的业务提供：统一的业务提供商，利于系统为各地区提供均匀的服务。商，利于系统为各地区提供均匀的服务。37卫星通信在中国的特殊地位幅员辽阔人口众多地区发展不平衡中国有60左右的地区是地面网盲区，如海洋、高山、沙漠和草原等，通信的困难甚至成为人们生存的障碍38由于卫星通信相对于地面通信网的综合造价成本高，终端贵，因此，卫星通信的市场定位应该是地面通信网的延伸和补充，主要服务于地面通信网不能覆盖的区域及有特殊通信需求的人群39五、卫星五、卫星通信通信的业务类型的业
17、务类型ITU(International Telecommunication Union)ITU(International Telecommunication Union)定义三种定义三种业务类型：业务类型：l l固定卫星固定卫星业务业务FSSFSS(Fixed satellite service)(Fixed satellite service)l l移动卫星业务移动卫星业务MSSMSS(Mobile satellite service)(Mobile satellite service)l l广播卫星业务广播卫星业务BSSBSS(Broadcasting satellite servic
18、e)(Broadcasting satellite service)40移动卫星服务MSS：Mobile Satellite Service陆地移动卫星服务LMSS：Land MSS海事移动卫星服务MMSS：Maritime MSS航空移动卫星服务AMSS：Aeronautical MSS固定卫星服务FSS：Fixed Satellite Service广播卫星服务BSS：Broadcast Satellite Service无线定位服务RDSS：Radio Determination Satellite Servicedefine by ITU 五、卫星五、卫星通信通信的业务类型的业务类型4
19、1卫星视频广播业务信号数字化信号传送方式：点到多点分配、点到点、点到多点广播。电话等交互式业务容量小、成本高信号传输延时长(250ms)回波抑制五、卫星五、卫星通信通信的业务类型的业务类型42数据通信和因特网业务差错率高、传输时延长。“长粗管道”特点。路由简捷，交互性好。移动通信业务唯星用户偏远地区覆盖五、卫星五、卫星通信通信的业务类型的业务类型43不同业务所需的带宽比较五、卫星五、卫星通信通信的业务类型的业务类型44不同业务的发展比较五、卫星五、卫星通信通信的业务类型的业务类型45六、世界卫星通信的发展历史六、世界卫星通信的发展历史1945年Clarke A.C.提出三颗同步卫星覆盖全球19
20、57年前苏联发射世界上第一颗卫星Sputnik1963年美国发射世界上第一颗同步轨道卫星SYNCOM1964年INTERSAT成立1965年第一颗商用同步卫星“晨鸟”进入轨道1975年第一次通过卫星成功实现直接广播试验46卫星通信的发展历史（续）卫星通信的发展历史（续）1979年INMARSAT成立1982年国际海事卫星通信进入运行1984年第一个DTH系统在日本进入运行1987年INMARSAT成功进行地面移动卫星通信试验19891990年INMARSAT将全球移动卫星通信业务扩展到地面和空间移动通信领域1995年WRC对非静止轨道卫星系统分配新频谱；商用LEO卫星系统ORBCOM第一次传送
21、低速数据试验成功1998年通过LEO星座引入手机通信业务19992000年引入卫星直接广播语音业务20002005年引入宽带个人通信，Ka频段发展迅速47中国卫星通信的发展中国第一颗试验卫星“东方红一号”于1970年4月24日发射成功，重37Kg，运转周期110分钟，绕地球一周，以旋极化的全球波束向全球广播“东方红乐曲”。东方红一号48中国卫星发展史（续）1984年8月8日成功发射第一颗同步轨道试验通信卫星“东方红二-1”，定位在125E，重433Kg，携带2个8W的C频段转发器，以全球波束辐射，中心波束为23.4dBW。1986年2月1日“东方红二号-2“成功定位在103E，携带2个C频转发
22、器，以区域椭圆波束辐射传送，重 433Kg，中心波束为34.5dBW。携带2个8W的C频段转发器，以全球波束辐射，中心波束为 23.4dBW。49中国卫星发展史（续）1988年3月7日“东方红二号甲-1“简称“东二甲-1“，对外称“中卫一号“定位在87.5E，波束中心指向101.7E，34.11N，中心波束为36dBW。4个C频段转发器，二个8W，二个10W，以区域椭圆波束辐射传送。卫星重441Kg，寿命7年。1990年2月4日“东方红二号甲3“简称“东二甲3“，对外称“中卫三号“定位在98E，波束中心指向103.23E，33.84N，中心波束36dBW。4个C频段转发器以区域椭圆波束辐射传送
23、卫星重441Kg。50中国卫星发展史（续）l19911991年年1212月月2828日日“东方红三号东方红三号”发射但卫星定发射但卫星定位失败。位失败。l19931993年年7 7月月“中星五号中星五号”卫星启用，定位卫星启用，定位115.5o115.5o，播出，播出8 8个省级节目。个省级节目。l19961996年年7 7月月3 3日日亚亚太一太一A A在在西昌发射中心西昌发射中心成成功功发射发射，本，本卫星卫星和和亚太亚太一一号号相同相同为为C C频段双频段双极星极星，定位定位于东经于东经134134E E，台湾地区信号覆盖强台湾地区信号覆盖强度为度为3737dBmdBm，接收容易。接收
24、容易。l19971997年年5 5月月1111日新的日新的“东方红东方红三三号号”又又称为称为“中中卫卫6 6号号”发射发射成功，它是新型大功率的成功，它是新型大功率的卫星卫星，携带携带2424个个C C频段转发频段转发器，定位器，定位125125E E。51中国卫星发展史（续）l1998年5月30日新的“中卫一号”发射成功。它是第一颗携带Ku频段的新型大功率的卫星，携带18个 C频段转发器，定位在87.5E。l1998年7月18日“鑫诺一号”发射成功。携带14个Ku频段转发器和24个C频段转发器和一对C-Ku频段互联转发器，定位在 110.5 E。52中国卫星发展史（续）l2003年10月2
25、1日11时16分，太原卫星发射中心用“长征”四号乙运载火箭成功地将中国与巴西联合研制的第二颗“资源一号”卫星和中国科学院研制的“创新一号”小卫星送入太空。火箭发射13分钟后，“资源一号”卫星进入太阳同步轨道。火箭继续飞行约40秒后，“创新一号”卫星与火箭分离，进入预定轨道。53中国卫星发展史（续）l2003年10月15日，神州五号在酒泉卫星发射中心成功发射。l2005年10月12日，神州五号在酒泉卫星发射中心成功发射。54神州五号55中国卫星发展史（续）l2006年10月29日“鑫诺二号”卫星在西昌发射成功，但是在定点过程中出现技术故障，致使太阳帆板二次展开和通信天线展开未能完成，无法提供通信
26、广播传输服务562000年10月31日、12月21日、2003年5月25日、2007年2月3日先后成功发射四颗北斗导航试验卫星 2007年4月14日中国成功发射了第一颗北斗导航卫星57北斗导航试验卫星一号（Beidou-1）58中国卫星发展史（续）l2007年6月1日“鑫诺三号”卫星在西昌发射成功，轨道位置：E125o，覆盖中国及周边国家和地区。l2008年4月25日中国首颗数据中继卫星“天链一号01星”在西昌发射成功，其任务是为卫星、飞船等航天器提高数据中继和测控服务l2009年4月15日第2颗北斗导航卫星在西昌卫星发射中心成功发射l2010年1月17日第3颗北斗导航卫星在西昌卫星发射中心成
27、功发射59卫星通信的发展趋势传统的C、Ku频段静止轨道卫星将保持稳定发展，并将以大容量(转发器数量在50个左右)、高功率(功率为8000瓦至15000瓦)和长寿命(寿命在15年左右)的新系统逐步更换现有系统。静止轨道卫星移动通信系统服务对象将从原有的传统用户转移至缺少陆地服务的边远地区。Ka频段静止轨道卫星系统已逐步走向实用化，卫星通信网从窄带向宽带过渡，如覆盖美洲的EchoStar-Ka、ASTROLINK和PAS等。60卫星通信的发展趋势（续）窄带的中、低轨道卫星移动通信系统投入运行，如Iridium、ICO和Globalstar等系统。宽带低轨道系统正在加紧开发之中，预计在21世纪初可陆
28、续发射，用于高速数据和可视电话传输。如Teledesic系统共包括288颗卫星，工作于Ka频段，寿命设计为10年左右。小型低轨卫星系统已陆续投入运行，用于低速数据传输，如E-Sat、GE American和 GEMnet等系统。全球定位卫星系统将面临升级换代的问题。中、低轨道卫星系统为适应新技术发展和系统对容量的更大要求已形成了新的演变过渡方案，如Iridium系统将其运行的卫星数目从66颗增加至96颗。随着1997年9月26日美国FCC频率申请计划新周期的开始，Q、V段新系统纷纷推出，各公司开始申请Q和V频段新系统。61卫星通信的发展趋势（续）同步卫星向大容量、多波束、智能化方向发展低轨卫星
29、与地面蜂窝通信相结合，实现全球个人通信小卫星通信地面站的广泛应用数字视频广播(DVB)和数字音频广播步入家庭和个人用户多媒体通信和Internet接入微小卫星、纳卫星和皮卫星的快速发展62思考题1、光纤通信与卫星通信各自的优缺点；2、为什么同步地球卫星不会落到地面？是否与万有引力定律相矛盾？63光纤通信的特点优点:(1)通信容量大、传输距离远;一根光纤的潜在带宽可达20THz。采用这样的带宽，只需一秒钟左右，即可将人类古今中外全部文字资料传送完毕。目前400Gbit/s系统已经投入商业使用。光纤的损耗极低，在光波长为1.55m附近，石英光纤损耗可低于0.2dB/km，这比目前任何传输媒质的损耗
30、都低。因此，无中继传输距离可达几十、甚至上百公里。(2)信号串扰小、保密性能好;(3)抗电磁干扰、传输质量佳,电通信不能解决各种电磁干扰问题，唯有光纤通信不受各种电磁干扰。(4)光纤尺寸小、重量轻,便于敷设和运输;(5)材料来源丰富,环境保护好，有利于节约有色金属铜。(6)无辐射,难于窃听,因为光纤传输的光波不能跑出光纤以外。(7)光缆适应性强,寿命长。缺点:(1)质地脆，机械强度差。(2)光纤的切断和接续需要一定的工具、设备和技术。(3)分路、耦合不灵活。(4)光纤光缆的弯曲半径不能过小（20cm）(5)有供电困难问题。64卫星通信的特点优点:(1)通信范围大;(2)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;(3)不易受陆地灾害的影响(可靠性高);(4)只要设置地球站电路即可开通(开通电路迅速);(5)同时可在多处接收,能经济地实现广播、多址通信(多址特点);(6)电路设置非常灵活,可随时分散过于集中的话务量;(7)同一信道可用于不同方向或不同区间(多址联接)。缺点:(1)通信资费标准高于常用的电缆通信、微波通信，是其资费标准的十倍乃至几十倍;(2)在大型建筑内或山体等物体遮盖住设备本身时通信信号无或闪烁不定;(3)在通话过程中有延时现象，导致接续不畅。
