卫星通信系统概述.ppt
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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
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