衛(wèi)星通信基礎知識簡介

衛(wèi)星通信基礎知識簡介2021/5/915

November

20151衛(wèi)星通信1、衛(wèi)星通信概述2、衛(wèi)星通信特點3、衛(wèi)星軌道及頻段5、衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成6、衛(wèi)星信道多址接入方式7、衛(wèi)星網(wǎng)絡組成及結構8、VSAT4、通信衛(wèi)星的組成2021/5/922衛(wèi)星通信概述衛(wèi)星通信是指地球上的兩個或多個無線電通信站之間利用人造衛(wèi)星作為中繼站而進行的通信。從技術上講，衛(wèi)星通信是在地面微波中繼通信和空間技術基礎上發(fā)展起來的一種特殊形式的微波中繼通信，它相當于將微波中繼通信的中繼站搬到衛(wèi)星上。5

November

20152021/5/93衛(wèi)星地球站

B

本地應用

如：數(shù)據(jù)、

話音、視頻本地應用如：數(shù)據(jù)、話音、視頻地面鏈路

地球站

A地面鏈路5

November

20153衛(wèi)星通信概述2021/5/944優(yōu)點：–

覆蓋面積大，除了地球南、

北極地區(qū)，三顆衛(wèi)星即可覆

蓋地球–通信費用與通信距離無關–星際通信

–組網(wǎng)靈活，建設周期短（經(jīng)濟

活躍時，優(yōu)勢明顯）–非對稱信道GEO5

November

2015衛(wèi)星通信特點2021/5/955–同步軌道衛(wèi)星：通信時延大（0.27秒）通信端站體積大設備價格高操作復雜–中、低軌道衛(wèi)星：系統(tǒng)復雜，使用費用高–政策、通信安全方面–易受惡意干擾和攻擊5

November

2015缺點：衛(wèi)星通信特點2021/5/966星蝕與日凌5

November

2015衛(wèi)星通信特點2021/5/977

GEO：同步靜止軌道，35,863Km，24小時靜止可見––覆蓋廣、靜止易跟蹤、廣播和多點應用時延長和信號弱不利點對點、極地覆蓋困難

LEO：低地球軌道，500-1,500Km，15-20分鐘可見––時延短且信號強適合點對點多星組網(wǎng)費用大、多普勒、大氣阻力->軌道惡化

MEO：中地球軌道，8,000-18,000Km，2-8小時可見––很少幾顆衛(wèi)星可組網(wǎng)，遠少于LEO時延和信號不如LEO，但比GEO好

Molniya

Orbit：閃電軌道（大橢圓軌道）––俄羅斯已使用10年，高緯度和極地地區(qū)，傾角>60°相對靜止可見8小時，3

閃電軌道衛(wèi)星可當1

GEO

HAPs：高空平臺（衛(wèi)星），20Km––一個飛艇或飛機，覆蓋范圍小，信號強易布置，但需要很多個才能組網(wǎng)5

November

2015衛(wèi)星軌道及頻段2021/5/9885

November

2015范曉晴各類軌道優(yōu)缺點比較LEO/MEOHEOGEO優(yōu)點可覆蓋全球傳輸延時短頻率可多次復用衛(wèi)星和地面設備簡單搞摧毀性好適合個人通信可覆蓋高緯地區(qū)地球站可工作在大仰角上，減少大氣影響發(fā)射成本低開發(fā)早發(fā)展星上多點波束技術，可簡化地面設備適用于低緯度地區(qū)缺點連續(xù)工作需要多顆衛(wèi)星復雜的網(wǎng)絡設計要使用星上處理及星間通信等光電技術較大的多普勒移需要頻率補償功能從一顆星向另一顆星切換時，需要電路中繼保護措施地球站必須從一顆星跟蹤到另一顆星，所以系統(tǒng)至少需要兩副天線和一套跟蹤設備需要2-3顆衛(wèi)星保障連續(xù)通信業(yè)務從一顆星向另一顆星切換時，需要電路中繼保護措施需要多普勒移頻率補償功能地球站必須從一顆星跟蹤到另一顆星，所以系統(tǒng)至少需要兩副天線和一套跟蹤設備地面設備比較大，成本高衛(wèi)星天線必須有波束定位控制系統(tǒng)對高緯度地區(qū)通信覆蓋效果差地面設備大，成本高，機動性差要用星上處理技術和大功率發(fā)射及大口徑天線2021/5/999衛(wèi)星通信頻段及應用––––用于

MSS

（移動業(yè)務）用于

MSS

和深空研究用于

FSS

（固定業(yè)務）用于

FSS

和陸地成像L–Band：1

~

2

GHz，S-Band：

2

~

4

GHz，C-Band：4

~

8

GHz，X-Band：8

~

12.5

GHz，

如：軍用和氣象衛(wèi)星–

Ku-Band：12.5

~

18

GHz，–

K-Band：

18

~

26.5

GHz，–

Ka-Band：

26.5

~

40

GHz，用于

FSS

和

BSS

(DBS)用于

FSS

和

BSS用于

FSSBSS

(DBS)：廣播（直播）衛(wèi)星

不同衛(wèi)星使用不同的頻段范曉晴5

November

20152021/5/91010衛(wèi)星傳輸段分段定義5

November

2015范曉晴2021/5/911

t???1方位角

????=

180

+=

180

?極化角???

=

?????111衛(wèi)星通信要素：AZ、EL俯仰角

??

=

tan?1cos?cos???????????

??

1?cos2

?

cos2

??????––––修正后

????

=

0.5

??

+

??2

+

4.132

（大氣折射）r

=

????

+

????

=

????

+

?0

=軌道半徑

????

??

=

0.1512

（靜止軌道）?=

衛(wèi)星的經(jīng)度差

?

地球站經(jīng)度??????

=

地球站緯度

t??

?sin

??????–

修正后

????

=

????

+

???–

正南為180度，南偏西大于180度，南偏東小于180度–

（南半球的方位角，不需要+180）

?

sin

?

1?cos2

??????

cos2

?–

上試中m是地球站磁偏角=地球真北與磁北夾角

sin

?

??????????––面對天線反射面正面：南偏西為負數(shù)@逆時針轉(zhuǎn)；南偏東為正數(shù)@順時針轉(zhuǎn)。接收水平極化

@

LNB入口波導短邊與地面平行；垂直極化@

LNB入口波導長邊與地面平行。h0αsGReS

RsM

θ

γ

Re

O軌道赤道5

November

2015范曉晴2021/5/91212范曉晴5

November

2015通信衛(wèi)星的組成天線分系統(tǒng)：定向發(fā)射與接收無線電信號通信分系統(tǒng)：接收、處理并重發(fā)信號。（轉(zhuǎn)發(fā)器）電源分系統(tǒng)：為衛(wèi)星提供電能，包括太陽能電池、蓄電池和配電設備。跟蹤遙測指令分系統(tǒng)：跟蹤部分用來為地球站跟蹤衛(wèi)星發(fā)送信標;遙測

部分用來在星上測定并給地面的TTC站發(fā)送的有關衛(wèi)星姿態(tài)、

星上各部件工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)指令部分用于接收來自地面的

控制指令，處理后送給控制分系統(tǒng)執(zhí)行。控制分系統(tǒng)：用來對衛(wèi)星的姿態(tài)、軌道位置、各分系統(tǒng)工作狀態(tài)進行必

要的調(diào)節(jié)與控制。2021/5/91313范曉晴5

November

2015天線分系統(tǒng)遙測、指令和信標天線

全向天線，以便于可靠接收指令與向地面發(fā)射遙測數(shù)據(jù)

和信標。通信天線

全球波束天線

點波束天線

賦形波束天線2021/5/91414范曉晴5

November

2015轉(zhuǎn)發(fā)器是通信衛(wèi)星中直接起中繼站作用的部分。

要求：以最小的附加噪聲和失真，足夠的工作頻帶和輸出功率業(yè)為

各地球站有效可靠地轉(zhuǎn)發(fā)無線電信號。透明轉(zhuǎn)發(fā)器

對收到的信號只進行低噪聲放大、變頻、功率放大，對頻帶內(nèi)

的任何信號是透明的通道。處理轉(zhuǎn)發(fā)器

除進行轉(zhuǎn)發(fā)信號外，還具有信號處理功能。2021/5/91515范曉晴5

November

2015轉(zhuǎn)發(fā)器示意圖放大器中頻放大本振1主振源本振2混頻合路混頻功放解調(diào)、信號處理、調(diào)制處理轉(zhuǎn)發(fā)器透明轉(zhuǎn)發(fā)器2021/5/91616范曉晴5

November

2015衛(wèi)星資源轉(zhuǎn)發(fā)器衛(wèi)星上的頻率模塊，典型的帶寬是40MHz/每轉(zhuǎn)發(fā)器。（36MHz使用-2MHz保護帶寬）部分Ku頻段轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬是54MHz或72MHz。2021/5/91717衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成范曉晴5

November

2015空間分系統(tǒng)地球站分系統(tǒng)監(jiān)測管理分系統(tǒng)跟蹤遙測指令分系統(tǒng)2021/5/91818衛(wèi)星通信系統(tǒng)各部分的作用范曉晴5

November

2015組成：通信衛(wèi)星(通信裝置(轉(zhuǎn)發(fā)器)、遙測指令裝置、控制裝置、太陽能蓄電池)。作用：通信衛(wèi)星主要是起無線電中繼站的作用，是靠星上通信裝置中的轉(zhuǎn)發(fā)器（微波收發(fā)信機）和天線

來完成的。

一、空間分系統(tǒng)2021/5/91919范曉晴5

November

2015組成：天線饋線設備，發(fā)射設備，接收設備，信道終端設

備，天線跟蹤、伺服設備，電源設備。作用：是無線電收發(fā)信臺，用戶通過地球站接入衛(wèi)星

線路進行通信。衛(wèi)星通信系統(tǒng)各部分的作用

二、地球站分系統(tǒng)2021/5/92020范曉晴5

November

2015

對衛(wèi)星進行跟蹤測量，控制其準確進入禁止軌道上的指定位置；待衛(wèi)星正運行后，定期對衛(wèi)星進行軌道修整和位置保持。

三、跟蹤遙測及指令分系統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)各部分的作用2021/5/92121范曉晴5

November

2015對定點后的衛(wèi)星在業(yè)務開通前、后進行通信性能的監(jiān)測和控制，例如對衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器功率、衛(wèi)星天線增益以及各地球站發(fā)射的功率、射頻頻率和帶寬等基本通信參數(shù)進行監(jiān)控，以確保正常通信。衛(wèi)星通信系統(tǒng)各部分的作用

四、監(jiān)測管理分系統(tǒng)2021/5/922多址聯(lián)接方式的概述225

November

2015范曉晴衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器信號設計信號識別信號設計信號識別信號設計信號識別1#站2#站3#站2021/5/923235

November

2015范曉晴一個無線電信號可以用若干個參量（指廣義的參量，下同）來表征，最基本的是：信號的射頻頻率，信號出現(xiàn)的時間以及信號所處的空間

2021/5/924245

November

2015范曉晴CDMACDMASDMASDMATDMATDMAFDMAFDMA按射頻多址聯(lián)接分類按信道的使用和分配方式分類頻分多址時分多址空分多址碼分多址預分配按需分配CDMASDMATDMAFDMA隨機接入目前衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要多址2021/5/925255

November

2015范曉晴

一、頻分多址方式（FDMA）

FDMA的基本特征是，把衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的可用射頻頻帶分割成

若干互不重疊的部分，分配給各地球站所要發(fā)送的各載波使用。

因此，F(xiàn)DMA方式中，各載波的射頻頻率不同。發(fā)送的時間雖然可

以重合，但各載波占用的頻帶是彼此嚴格分開的。目前衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要多址方式2021/5/926265

November

2015范曉晴頻分多址方式－FDMA衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)射機調(diào)頻頻分多路復用發(fā)射機調(diào)頻頻分多路復用Bf1fK發(fā)射機調(diào)頻頻分多路復用發(fā)射機調(diào)頻頻分多路復用站2站3站Kf1f2f3fK2021/5/927275

November

2015范曉晴頻分多址方式-FDMA

2021/5/928285

November

2015范曉晴頻分多址方式是微波中繼通信系統(tǒng)所用方式的引伸。優(yōu)點:技術成熟，設備較簡單，在大容量線路工作時效率較高。缺點：多個載波信號同時通過轉(zhuǎn)發(fā)器時，會發(fā)生轉(zhuǎn)發(fā)器有效輸出功率降低、和生互調(diào)噪專用和可懂串話、強信號對弱信號的抑制等現(xiàn)象，因而有效容量將隨載波增多而急劇降低，并且大、小站難以兼容，各站發(fā)射功率必須保持穩(wěn)定（起伏值一般要求小于正負0.5DB）；不靈活，要重新分配頻率比較困難。2021/5/929295

November

2015范曉晴二、時分多址－TDMA目前衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要多址方式

TDMA的基本特征是，把衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的工作時間分割成周期性的互不重疊的時隙（每個時隙也稱為分幀，一個周期則稱為一幀），分配給各站使用。典型的制式是TDM-PSK-TDMA，每個站的群路被時分復用成多路信號，然后對其信號進行相移鍵控，轉(zhuǎn)發(fā)器按時分實現(xiàn)多址聯(lián)接，各分幀含保護時隙。2021/5/930305

November

2015范曉晴時分多址－TDMA衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)射機移相鍵控時分多路復用發(fā)射機移相鍵控時分多路復用1幀發(fā)射機移相鍵控時分多路復用發(fā)射機移相鍵控時分多路復用站1站2站3站K?T1?T2?T3?TK?T1?T2?TK2021/5/931315

November

2015范曉晴TDMA方式優(yōu)點:

充分利用衛(wèi)星功率且無互調(diào)；充分利用轉(zhuǎn)發(fā)器的頻帶；不

會產(chǎn)生弱信號受抑制問題，上行功率不需要精確控制；各站所

發(fā)分幀的碼速率可以不同，便于大、小站兼空。TDMA方式在中、

小容量的線路工作時，也可以得到相當高的效率。它的容量隨

站數(shù)增加而下降的速度比FDMA的緩慢得多。TDMA方式缺點:要有精確的同步，以保證各突發(fā)到達轉(zhuǎn)發(fā)器的時間不發(fā)生

重疊，并且保證接收站能正確識別站址和迅速建立載波、位定

時的同步，而這是比較復雜、困難的技術。2021/5/932325

November

2015范曉晴三、碼分多址－CDMA目前衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要多址方式

CDMA是基于擴頻通信中的一種多址方式，很多CDMA信號共用一個頻譜，每個信號有不同的PN序列組成，它對載波進行調(diào)制擴展其頻譜。CDMA的基本特征是各站所發(fā)的信號在結構上各不相同并且相互具有準正交性，以區(qū)別地址，而在頻率、時間、空間上都可能重疊。采用這種方式時，各站所發(fā)射的載波大都受到兩種調(diào)制，一種是基帶信號（一般是數(shù)字的）的調(diào)制，一種是地址碼的調(diào)制；接收時，對于某一地址碼，只有與之相應的接收機才能檢測出信號，而其它接收機檢測出的卻呈現(xiàn)為類似高斯過程的寬帶噪聲。2021/5/933335

November

2015范曉晴信道1信道2信道3信道K時間頻率編碼發(fā)射機擴頻調(diào)制數(shù)據(jù)調(diào)制接收機擴頻解調(diào)數(shù)據(jù)解調(diào)擴頻碼產(chǎn)生器雙工器擴頻碼產(chǎn)生器碼同步器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)碼分多址－CDMA2021/5/934345

November

2015范曉晴CDMA系統(tǒng)特性：CDMA以擴頻技術為基礎，具有擴頻通信所固有的抗干擾能力強、抗多徑衰落、安全保密性好等優(yōu)點，而且CDMA通信還具有隱蔽性好、多址訪問靈活、對非正交系統(tǒng)不需要系統(tǒng)的同步、與同頻通信系統(tǒng)之間的相互干擾小、對多普勒頻移不敏感等優(yōu)點。與TDMA、FDMA相比，CDMA系統(tǒng)的優(yōu)點在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中體現(xiàn)得更加明顯。fcfc-Rdfc+Rdfc-Rcfc+Rc頻率信息調(diào)制波頻譜擴頻調(diào)制后頻譜fc為中心頻率Rc為碼速率Rd為數(shù)據(jù)速率擴頻原理示意圖2021/5/935355

November

2015范曉晴CDMA方式的優(yōu)點：

具有較強的抗干擾能力；有一定的保密能力；改變地址比較靈活。CDMA方式的缺點：

要占用很寬的頻帶，頻帶利用率一般較低；要選擇數(shù)量足夠的可

用地址碼組較為困難；接收時，對地址碼的捕獲與同步需有一定

時間。CDMA方式特別適用于軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)及小容量的系統(tǒng)。2021/5/936365

November

2015范曉晴SDMA的基特征是衛(wèi)星天線有多個窄波束（又稱點波束），它們分別指向不同的區(qū)域地球站，衛(wèi)星上裝有轉(zhuǎn)換開關設備將其轉(zhuǎn)換到另一通信區(qū)域的下行波束，從而傳送到此一區(qū)域的某站。一個通信區(qū)域內(nèi)如果有幾個地球站，則它們之間的站址識別還要借助FDMA或TDMA方式。目前衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要多址方式四、空分多址－SDMA2021/5/937375

November

2015范曉晴SDMA方式有許多新穎特點：

衛(wèi)星天線增益高；衛(wèi)星功率可得到合理有效的利用；不同區(qū)

域地球站所發(fā)信號在空間互不重疊，即使在同一時間用相同頻率，

也不會相到干擾，因而可實現(xiàn)頻率重復使用，這就成倍地擴大了

系統(tǒng)的通信容量；轉(zhuǎn)換開關使衛(wèi)星成為一臺空中交換機，各地球

站之間可像自動電話系統(tǒng)那樣方便地進行多址通信。此外，衛(wèi)星

對其它地面通信系統(tǒng)的干擾減少了，對地球站的技術要求也降低。SDMA方式不足：SDMA方式對衛(wèi)星的穩(wěn)定及姿態(tài)控制提出很高的要求；衛(wèi)星天

線及饋線裝置也比較龐大和復雜；轉(zhuǎn)換開關不僅使設備復雜，而

且由于空間故障難以修復，增加了通信失效的風險。2021/5/938385

November

2015范曉晴僅有有限的頻帶可利用，并且一般是分配在衛(wèi)星的幾個轉(zhuǎn)發(fā)器中

的；時間的分割與占用頻帶有關。時隙分割得越小，為傳送足夠的信

息必然要提高碼速率，這就意味要增加所需頻帶的寬度，而可利

用的頻帶寬度卻是有限的；能占有的最大空間是衛(wèi)星覆球波束所占據(jù)的范圍，雖然分割成很

多窄波束小空間，但不可能無限分割；能有效使用的地址碼不是無限多的。上述幾種分割的局限性2021/5/939395

November

2015范曉晴各種組合形式的多址聯(lián)接TDMA/FDMATDMA/SDMATDMA/FDMA/SDMA2021/5/940405

November

2015范曉晴選擇多址聯(lián)接方式，需要考慮的因素通信容量的要求；衛(wèi)星頻帶、功率的有效利用；相互聯(lián)接能力的要求；便于處理各種不同業(yè)務量和網(wǎng)絡的不斷增長有靈活的自適應能力；成本和經(jīng)濟效益；技術的先進性和可實現(xiàn)性；能適應技術和政治情況的變化；其它的某些特殊要求，如軍事上的保密、抗干擾等。

2021/5/94141衛(wèi)星通信網(wǎng)絡組成空軍機載旅行車載船載海軍艦載衛(wèi)星通信中心樞紐

偵察機載GSM/CDMA

BTS

地球站

中心站

VSAT移動指揮中心5

November

2015范曉晴2021/5/94242

點對點網(wǎng)狀網(wǎng)星狀網(wǎng)混合網(wǎng)(星狀和網(wǎng)狀網(wǎng)的混合網(wǎng))5

November

2015范曉晴網(wǎng)絡結構2021/5/94343

FDMA/PAMAF1F2F5F6F3F4Frequency5

November

2015范曉晴網(wǎng)絡結構：點對點2021/5/94443

FDMA/DAMAF1F6F5F7F3F2F4F8Frequency5

November

2015范曉晴網(wǎng)絡結構：網(wǎng)狀網(wǎng)2021/5/94545Slot4Slot3Slot2Slot1slot0網(wǎng)絡結構：網(wǎng)狀網(wǎng)（/星狀網(wǎng)）TDMA/DAMAFrequency5

November

2015范曉晴2021/5/94646CDMA/DAMACODE1/2/3/4/5Frequency5

November

2015范曉晴網(wǎng)絡結構：網(wǎng)狀網(wǎng)（/星狀網(wǎng)）2021/5/94747SDMA/(F/T/C-DMA)/DAMAF1/TDMF3/TDMAF1F4F2

F3

波束1波束2FrequencyFrequency5

November

2015范曉晴網(wǎng)絡結構：網(wǎng)狀網(wǎng)（/星狀網(wǎng)）2021/5/94849范曉晴5

November

2015VSATVSAT是一種天線口徑很小的衛(wèi)星通信地球站，又稱微型地球站或小型地球站。示意圖其特點是天線直徑很小(一般為0.3-2.4米)，設備結構緊湊、固體化、智能化、價格便宜、安裝方便、對使用環(huán)境要求不高，且不受地面網(wǎng)絡的限制，組網(wǎng)靈活。2021/5/94949范曉晴5

November

2015衛(wèi)星通信地球站組成：天線分系統(tǒng)發(fā)射分系統(tǒng)接收分系統(tǒng)信道終端設備分系統(tǒng)伺服務跟蹤設備分系統(tǒng)用戶接口分系統(tǒng)電源分系統(tǒng)2021/5/95050范曉晴5

November

2015天線分系統(tǒng)任務：發(fā)射和接收信號組成：天線雙工器極化變換器伺服務跟蹤設備要求：天線增益高噪聲溫度低天線波束窄、旁瓣電平低饋線損耗小、頻帶寬、收發(fā)隔離度大、耐功率高2021/5/95151范曉晴5

November

2015發(fā)射分系統(tǒng)放大器：輸出功率大寬頻帶增益穩(wěn)定性高放大器線性好上變頻器：一次變頻二次變頻2021/5/95252范曉晴5

November

2015接收分系統(tǒng)低噪聲放大器:噪聲低，靈敏度高下變頻器:高本振

低本振2021/5/95353規(guī)劃設計拓撲：星狀/網(wǎng)狀MAC：

P2P

或

TDM/TDMA/DAMA

或

……

/帶寬選擇：C

或

Ku

/降雨

&

頻率設備：網(wǎng)絡或獨立

–

天線：大小-增益

(主站大：6-9m，小站小：0.6-4m)

–

功放

:

大小-功率

(主站大：x0-x00W，小站小：x-x0W)

–

調(diào)制解調(diào)器：編碼和調(diào)制

(高級、高效、高性價比)

TPC/DVB-S2…；8PSK/16QAM…

(LDPC/32APSK)

–

U/C（上變頻器）,D/C（下變頻器）,LNA（低噪聲放大器）……

–

BUC（BlockUp-Converter=上變頻器+功率放大器；L頻段輸入）–

LNB（LowNoiseBlockdownc