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1、第三章：卫星通信技术,3.1基本概念 卫星：人造地球卫星。卫星通信：以卫星为中继站的通信方式。原理：,3.2卫星通信的特点,1、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。2、不易受陆地灾害的影响（可靠性高）。3、只要设置地球站电路即可开通（开通电路迅速）。4、同时可在多处接收，能经济地实现广播、多址通信（多址特点）。5、电路设置非常灵活，可随时分散过于集中的话务量。6、同一信道可用于不同方向或不同区间（多址联接）。,图22,3.3卫星通信的发展,第一阶段(1945-1964)1945年，A.C克拉克的英国人发表了一篇论文，地球外的中继。他提出了人类有可能利用人
2、造地球卫星来作为地面通信的中继站。还精确地预言，在1969年前后，人类将登上月球。1957年10月4日，原苏联发射了第一颗人造地球卫星-SPUTNIK。1960年8月12日，美国发射了一颗通信实验气球卫星-“回声1号”-ECHO-1。由于这颗卫星上没有电源，故称之为“无源卫星”。1962年12月13日美国AT&T发射的通信卫星叫“中继1号”-TELSTAR-1,能将从地面传来的信号放大后转发的。这颗卫星，在次年11月23日进行美、日两国间电视转播试验时，及时地播放了肯尼迪遇刺的重大新闻，因而给人们留下了极为深刻的印象。,第二阶段(1965-1973)1965年4月6日世界上第一颗半试验、半实用
3、的卫星“晨鸟号”-EARLYBIRD-1(INTELSAT)的发射标志着卫星通信时代的开始。第三阶段(1973-1982)INTELSAT、INMARSAT等为用户在陆海空中提供固定、移动等业务。第四阶段(1983-1990)数据、话音、视频等业务。广播电视、VSAT等。第五阶段(1990-)LEO、MEOTCP/IP业务,3.4我国卫星通信的现状与发展,1970年4月24日21时35分在甘肃酒泉东方红一号卫星发射成功，使中国成为继苏、美、法、日之后世界上第五个独立研制并发射人造地球卫星的国家。东方红一号卫星采用自旋稳定方式。电子乐音发生器是全星的核心部分，它通过20MHz短波发射系统反复向地
4、面播送“东方红”乐曲的前八小节。,我国卫星通信的现状,1984年4月8日发射第一颗地球静止轨道通信卫星后，又分别在1986年2月1日，1988年3月7日，1988年12月22日，1990年2月4日发射了实用通信卫星-东方红二号卫星。1990年4月7日，用“长征三号”运载火箭，把“亚洲一号”通信卫星送入预定的轨道。中央电视台在4月7日现场直播发射盛况，现场实况信息先汇集到位于西昌卫星发射中心的电视台转播车上，然后由当地卫星通信站把信号发射到我国1988年12月发射的、定点在东经1105赤道上空的东方红二号乙卫星上，由这颗卫星把信号传送到北京卫星通信地面站，再传给中央电视台，经过编导，把信号发射到
5、我国1988年3月发射的另一颗、定点在东经875赤道上空的东方红二号甲上，并向全国播放。这还是中国历史上的第一次。,东方红二号,我国卫星通信的现状,我国现阶段经营卫星转发器业务的公司有：中国通信广播卫星公司、中国鑫诺卫星公司、中国东方卫星公司以及注册在香港的中国亚洲卫星公司和中国亚太卫星公司等五家公司。这五家公司现有10颗静止通信卫星在轨运行，共有370个转发器单元，其中C频段237个，Ku频段133个。即将发射的亚星4号，定点在东经122度，具有C频段转发器28个，Ku频段转发器20个，其中含有4个直播广播卫星转发器。此外，有关单位还租用了国外系统通信卫星转发器。据不完全统计，截止到2002
6、年底，全国批准建立的卫星通信网有150多个，其中金融、证券、水利、电力、石油、铁路、交通、民航、气象、公安、教育、新闻等部门和企业集团公司建立的专用通信网80多个。各类双向地球站1万多座，单收站4万多个。,我国卫星通信的现状,在卫星公众通信网中，我国已建成几十座大中型地球站，国内卫星通信话路达7万多条，国际卫星通信活路近3万条。在广播电视节目传输方面，国内已形成使用多颗卫星、几十个转发器的传输覆盖网，传送中央电视台12套，省级电视台35套节目，教育电视台3套节目，80套国内国际声音广播节目，卫星广播电视地面收、转台站已超过几十万个。目前，虽然卫星通信面临着光纤和其它通信手段的激烈竞争，但是在宽
7、带传输、因特网接入和数据广播业务等方面，仍然有广阔的市场发展前景,我国卫星通信的发展,东方红三号卫星是中国新一代通信卫星，主要用于电视传输、电话、电报、传真、广播和数据传输等业务。卫星本体为2.22m1.72m2.2m的箱体结构，起飞重量约为2260kg，卫星装有大型可展开太阳电池阵和直径达2m的通信天线，卫星发射时处于折叠状态，入轨后先后展开，这时卫星的翼展达18.1m，高度为5.7m。卫星工作寿命8年，采用全三轴稳定的控制方式。,携带东方红三号通信卫星的长征三号,卫星通信广播覆盖全国。卫星固定通信业务至年底，已建设使用的广播电视上行站座，收转站超过万个，使用了颗卫星上的个转发器，传输套电视
8、和套音频广播节目，其中，颗卫星上的个转发器向全球传送广播业务。,我国卫星通信的发展,“东方红四号”卫星，是我国第三代通信广播卫星，与第一代和第二代通信广播卫星相比，具有整星功率大、承载能力强、服务寿命长等特点，卫星设计寿命15年，可提供38个C 频段转发器和16个KU频段转发器，主要执行通信广播、电视直播等任务。,中国主要人造卫星系列,返回式遥感卫星系列 返回式遥感卫星系列包括三种不同类型的近地轨道返回式卫星，至今发射和回收了17颗卫星，分别在轨道上运行了315天。并基本形成了返回式卫星公用平台。利用返回式卫星获得了大量有价值的卫星遥感资料，已经应用于资源调查、地图测绘、地质调查、铁路选线和考
9、古研究等方面，取得了丰硕的成果。从1987年第9颗返回式卫星开始进行卫星搭载科学实验，已为国内外用户进行了100多项在微重力和空间环境条件下的材料、生命科学实验。利用返回式卫星还进行了农作物种子 搭载试验。,“东方红”通信广播卫星系列“东方红”通信广播卫星系列包括三种不同类型的静止轨道通信卫星，即“东方红二号”试验通信卫星、“东方红二号甲”试验通信卫星和“东方红三号”通信广播卫星，至今共发射了10颗。1984年4月“东方红二号”静止轨道通信卫星成功发射和定点成功。在此基础上研制和发射了4颗“东方红二号甲”实用通信卫星。3颗卫星的实际工作寿命均超过5年，为我国通信、广播、水利、交通、教育等部门提
10、供了各种服务。1997年5月发射的“东方红三号”通信广播卫星比“东方红二号甲”卫星有了很大改进，采用三轮稳定自控方式，基本形成了“东方红三号”卫星公用平台，装有24路C频段转发器，设计工作寿命8年，至今正常工作。,“风云”气象卫星系列,风云一号系列为我国第一代极轨气象卫星，分为两个批次，为两颗试验卫星（风云一号A星、B星）和两颗业务卫星（风云一号C星、D星）。风云二号为我国第一代静止气象卫星，原先计划也为两个批次，即两颗试验卫星（风云二号A星、B星）和两颗业务卫星（风云二号C星、D星）。由于使用情况较好，风云二号业务卫星将增加一个批次，业务卫星批次的卫星数将会增加。风云三号和四号为我国第二代极
11、轨和静止卫星，它们在探测能力上将比第一代有很大提高。每个型号系列卫星在发射前按照01、02、03编号，发射成功后，确定编号按A、B、C执行。,“风云”气象卫星系列包括两类气象卫星，即风云一号”太阳同步轨道气象卫星（又称极轨气象卫星）和“风云二号”地球静止轨道气象卫星。至今，“风云一号”卫星发射了3颗，“风云二号”卫星发射了2颗。前2颗“风云一号”卫星装有5通道的可见光和红外扫描辐射计，第三颗“风云一号”卫星的探测通道数增加到10个，增加了对云层、陆地和海洋的多光谱探测能力。“风云二号”卫星装有3通道的可见光、红外和水汽扫描辐射计，拍摄的云图资料填补了我国西部、西亚和印度洋的大范围观测空白，而且
12、具有很强的数据收集和转发功能。空间运行测试表明，第3颗“风云一号”卫星和风云二号”卫星的主要技术指标已达到20世纪90年代初国际水平。,风云三号卫星是中国新一代极轨太阳同步轨道气象卫星。质量为2298.5千克，将采用三轴稳定姿态控制方式。它技术含量高、系统复杂，是国内目前投资最大、功能最强的对地观测卫星。风云三号卫星装载有扫描辐射计、红外分光计、微波温度计、微波湿度计、中分辨率光谱成像仪、微波成像仪、紫外臭氧总量探测仪、紫外臭氧垂直探测仪、地球辐射探测仪、太阳辐射监测仪和空间环境监测仪等11台有效载荷。2008年5月27日发射成功。,“实践”科学探测与技术试验卫星系列“实践”科学探测与技术试验
13、卫星系列形成时间较长，共包括6颗卫星。1971年3月，我国发射了“实践一号”科学实验卫星，在太空正常运行8年多，远远超过原设计寿命。1981年9月我国用一枚运载火箭同时发射了三颗“实践二号”、“实践二号甲”和“实践二号乙”科学实验卫星。1994年2月发射了“实践四号”卫星，获取了大量空间探测数据。1999年5月发射的“实践五号”小卫星是该系列最新的一颗卫星，采用了先进的小卫星平台，主要用于空间环境辐射探测、单粒子效应实验、空间流体科学试验以及卫星工程星技术试验，取得圆满成功。,“资源”地球资源卫星系列 1999年10月，中国-巴西联合研制的“资源一号”卫星发射成功，星上装有5谱段CCD相机、4
14、谱段红外多光谱扫描仪、2谱段宽视场成像仪等设备，近2年来运行正常，接收到近9万多景卫星图像资料，广泛应用于农业、林业、水利、矿产、能源、测绘、环保等众多部门。2000年9月我国自行研制的“资源二号”卫星发射成功，其分辨率比“资源一号”卫星更高。这两颗“资源”卫星的主要技术指标均已达到20世纪90年代初的国际水平，它们的研制和发射成功标志着我国传输型遥感卫星研制取得了突破性进展，研制水平又上了一个新台阶。,“北斗”导航定位卫星系列 2000年 10月和 12月，我国两次成功发射了“北斗”导航试验卫星，为我国“北斗”导航系统建设奠定了基础。“北斗”导航系统是全天候、全天时提供卫星导航信息的区域导航
15、系统，主要为公路交通、铁路交通、海上作业等领域提供导航定位服务。,3.5卫星通信的基本概念,轨道：赤道轨道（同步、静止）倾斜轨道 极地轨道 LEO（1500KM）MEO（8000 H12000KM）HEO（H 20000KM）,频率：C波段：4/6G Ku波段：11/14G位置与姿态控制 位置：漂移 姿态：转动静止卫星观察参数 方位角、仰角、距离。覆盖区与可通信区（仰角 0度）（仰角 5度）,卫星发射过程,发射轨道,初始轨道,转移轨道,同步轨道,3.6静止通信卫星的组成,组成：天线分系统：天线类型遥测指令分系统：测量、控制控制分系统：位置、姿态电源分系统：太阳能电池、蓄电池、核能通信分系统：转
16、发器；基带、中频、射频。,波束类型：覆球波束、区域波束、点波束。,亚洲3S(105.5E)C频段波束参考图EIRP(dBW),主要指标：EIRP-有效全向辐射功率；G/T值、极化方式。,亚洲3S(105.5E)KU频段波束参考图EIRP(dBW),3.7卫星通信的主要技术,信道复用技术 FDMA：TDMA CDMA：SDMA：信道分配技术 PA：DA：,差错控制技术 FEC ARQ FEC+ARQ调制技术 PSK：QPSK、BPSK语音编码技术 波形编码：PCM、ADPCM 参量编码：LPC 混合编码：RPE-LTP、CELP,其他技术 ALOHA：随机多址方式 DSI：数字话音内插 比特交织
17、：瞬时压缩编码：动态压扩技术：应用举例：SCPC-单路单载波 ADPCM/QPSK/Viterbi/SCPC/FDMA/DA,3.8卫星应用系统,卫星导航定位系统 2000年10月31日和12月21日我国相继成功发射第一颗和第二颗导航定位试验卫星，报道称我国将自行建立第一代卫星导航定位系统“北斗导航系统”。“北斗”由两个经度上相距60度的地球静止卫星（GEO）对用户双向测距,由一个配有电子高程图的地面中心站定位,另有几十个分布全国的参考标校站和大量用户机。它的定位原理是：以两颗卫星的已知坐标为圆心，各以测定的本星至用户机距离为半径，形成两个球面，用户机必然位于这两个球面交线的圆弧上，电子高程地
18、图提供的是一个以地心为球心，以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面，求解圆弧线与地球表面交点即可获得用户位置。,DVB直播广播卫星 2000年世界无线电通信大会上对原卫星广播业务规划进行了修改，对广播卫星轨位和频率重新进行了规划。我国在重新规划中得到了四个轨位（东经62度、92.2度、122度和134度）、8个下行波束，96个模拟频道。香港、澳门特别行政区一个轨位122E，一个独立波束、12个模拟频道。技术方式：DVB-S，DVB-C（有线电视）、DVB-T（无线广播）。,一般DVB-S的应用图示,卫星移动通信 全球卫星移动个人通信系统(GMPCS)。提供电话业务的GMPCS系统主要有铱系统(
19、IRIDIUM)、全球星系统(GLOBALSTAR)、奥德赛系统(ODYSSEY)系统等。铱系统是美国摩托罗拉公司于1987年开始研究并于1990年提出的低轨全球卫星移动个人通信系统,它与现有通信网结合,可实现全球数字化个人通信。该系统设计为66颗卫星围绕6个极地圆轨道运行，极地圆轨道高度约765，每个轨道平面分布11颗在轨运行卫星及1颗备用卫星，每颗卫星重386kg铱系统地面段由系统控制中心和关口站以及各类用户终端组成，可向全球用户提供传统的电话、传真、寻呼以及基于GSM的补充和承载业务。铱系统卫星星系共耗资345亿美元，若把铱系统有限责任公司运营该系统的费用计算在内，则共需近50亿美元，目
20、前已倒闭。另外：全球星（Global star）系统，它采用8轨道48颗星，卫星高度约1400km；奥德赛（Odessey）系统，采用3轨道12颗星的莱克尔星座，中轨、高度为10000km；白羊（Aries）系统，采用4轨道48颗星的星状星座，高度约1000km；以及俄罗斯的4轨道32颗星的COSCON系统。,气象卫星“风云”气象卫星系列包括两类气象卫星，即风云一号”太阳同步轨道气象卫星（又称极轨气象卫星）和“风云二号”地球静止轨道气象卫星。我国于1988、1990和1999年分别发射了三颗风云一号系列极轨气象卫星。风云一号应用系统包括三个分别位于北京、广州和乌鲁木齐的气象卫星地面接收站以及一
21、个位于北京的国家卫星气象中心数据处理中心（DPC）。前2颗“风云一号”卫星装有5通道的可见光和红外扫描辐射计，第三颗“风云一号”卫星的探测通道数增加到10个，增加了对云层、陆地和海洋的多光谱探测能力。FY-3系列是我国第二代极轨气象卫星，“风云二号”卫星装有3通道的可见光、红外和水汽扫描辐射计，具有很强的数据收集和转发功能。中国是世界气象卫星协调组织（CGMS）的重要成员国。中国FY-3气象卫星加入世界极轨气象卫星星座。中国气象卫星已成为全球气象卫星网络中的重要组成部分。,宽带卫星通信技术 1.卫星ATM 把LEO卫星作为ATM节点，我们便可以在空中建立一个完整的ATM网络，应用类似于ATM的
22、算法。特别地，在移动卫星系统中应用VPC和VCC的概念可以利用ATM寻址和传输方案的优点，而移动卫星网络接入陆地ATM网络也变得更为简便。2.星上处理（OBP）技术 OBP有很多种形式用于ATM卫星通信，其主要目的是为VSAT地球站提供单跳连接。基带OBP的目的是提高链路的性能及有效性，降低费用或增加容量，增加容量已是现阶段的发展趋势。OBP不但能做到对干扰调零，还可进行动态波束形成。也可实现天线增益和覆盖范围的动态按需分配，从而对卫星的EIRP进行灵活分配。3.卫星IP 基于卫星的Internet架构如下图：,小卫星 现代小卫星的概念 20世纪80年代中期开始，世界航天界开始发展小卫星。划分
23、大卫星、小卫星仅以重量来划分，而随着小卫星的功能的不断增强，引入“功能密度”的概念。功能密度是指卫星每千克重量所能提供的功能。按照功能密度划分，小卫星可划分简单小卫星和现代小卫星两种。小卫星发射方式灵活，采用成熟、先进的技术，生存能力强、能适应未来的战术作战的需要；体积小，重量轻，小卫星的研制和发射成本低，系统投资少；结构简单、设计研制开发周期短、制造要求条件不高，可以采用标准化星体和模块化设计，从而可以批量生产和存储，便于即时发射和补充。现代小卫星技术性能高，主要体现在卫星各分系统本身和有效载荷两方面。更为重要的是，由小型卫星组成的星座，使大型卫星也甘拜下风。许多小型卫星的编队飞行，相对于一
24、个大型卫星。每一颗卫星既能独立完成自己的认为，还可以在太空中对其进行改装。,小卫星应用：用小卫星实现存储转发通信在我国的应用我国约有24万行政村，农村邮电通信 采用一颗小卫星就可以解决几千万甚至上亿人的通信问题。我国的边防线很长，边防哨所的通信 采用小卫星存储转发通信，可以解决边防哨所的通信问题。在船上安装卫星通信终端，保持与陆地的通信联系，甚至通过接收卫星遥感数据确定鱼群的位置，提高生产效率。在勘探和探险中的通信 勘探队和探险队如采用卫星存储转发通信，可以及时将采集到的信息传送到总部，并可以及时得到总部的信息与指示。各种应急通信系统 对自然灾害，如地震、水灾、森林大火等，通过卫星存储转发通信系统可以立即架设通信终端，建立通信网络，及时与外界建立通信联系，以减少损失，及时取得外来援助。提供个性化服务，国内许多ISP公司的用户提供因特网及其增值业务。,3.9主要卫星技术,（1）多维信号处理与电磁兼容分析及多维频率共用技术（2）灵活、有效及可扩展的多维资源管理技术（3）智能天线与分布智能天线技术（4）软件无线电与软件定义的无线电技术（5）现代编码/调制技术（6）多媒体综合业务传送的多层次综合业务工作平台技术（7）流媒体技术（8）软交换技术,
