第6章卫星通信系统.ppt

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1、移动通信,第6章 卫星通信,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,2,6.1 基本概念 6.2 卫星通信系统的组成 6.3 卫星通信的技术体制 6.4 卫星通信系统范例 6.5 卫星通信系统的应用,第6章 卫星通信,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,3,6.1.1 卫星的概念,行星：繞著恆星(如太陽)運轉的星球(如水星、金星、地球等)，而繞著行星運轉的星球稱為衛星(如月亮)。 人造衛星是指按照一定軌道環繞地球運行的人造物體。 避免大氣的摩擦，衛星高度都遠超過大氣層頂。 人造衛星的設計不像飛機需考慮外形是否流線，再加上太陽電池板，因此人造衛星的外形大都是千奇百怪。,6

2、.1 基本概念,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,4,6.1.1 卫星的概念,自一九五七年蘇聯第一顆衛星成功發射後，衛星已迅速成為推動科技進步、經濟發展與國防建設之重要手段。 五十年來，全世界共發射大約4500顆衛星，其中90%以上是美、蘇兩大強權所有，80%衛星被用於軍事用途。 衛星已融入人們生活之中，提供定位、導航、氣象、電信、廣播及多媒體等服務。,軌道現有約700800枚衛星,6.1 基本概念,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,5,衛星應用分類,就應用方面來說，衛星約可分成下列幾類： 偵察衛星(Surveillance Satellites) 預警衛星(E

3、arly Warning Satellites) 氣象衛星(Weather Satellite) 天文衛星(Astronomical Satellite) 導航衛星(Navigational Satellite) 探測衛星(Remote Sensor Satellite) 殺手衛星(Killer Satellite) 通信衛星(Communication Satellite),6.1 基本概念,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,6,6.1 .2 卫星通信的基本概念,卫星通信：利用人造地球卫星作为中继站转发无线电波，从而实现两个或多个地面站之间的通信。 卫星通信的工作方式： 延迟

4、转发式卫星通信系统 立即转发式卫星通信系统,6.1 基本概念,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,7,卫星通信,卫星,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,8,发射站：把电视节目、通信、广播等信号发射到卫星上的发射系统。 接收站：利用天线、卫星接收机等设备接收卫星信号的设备系统。 上行频：指发射站把信号发射到卫星上用的频率，由于信号是由地面向上发射，所以叫上行频。 转发器：指卫星上用于接收地面发射来的信号，并对该信号进行放大，并以另一个频率向地面进行发射的设备。一颗卫星上可以有多个转发器。,卫星通信的基本概念,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,9,卫星

5、通信的基本概念,下行频：指卫星向地面发射信号所使用的频率，不同的转发器所使用的下行频不同，在使用卫星接收机时所设置的参数也就不同，如果设置不正确，将不能接收相应的节目内容。例如：我国鑫诺一号卫星用于教育部远教数据广播使用6a转发器的下行频为12620MHz， 而甘肃教育数据广播所使用7b转发器的下行频为12660MHZ。 一颗卫星上有多个转发器，所以会有多个下行频。,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,10,6.1 .2 卫星通信的基本概念,卫星通信的分类 按应用分：海事卫星移动系统 航空卫星移动系统 陆地卫星移动系统 按频率分：L波段卫星，Ka波段卫星等 按区域分：全球、区域和

6、国内通信卫星,6.1 基本概念,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,11,6.1 .2 卫星通信的基本概念,卫星通信的分类 按軌道高度劃分： 低軌道(LEO): 300 to 1,500 km 中軌道(MEO): 8,000 to 12,000 km 同步軌道(GEO): approx. 36,000 km 按軌道形狀劃分： 圓形軌道(Circular) 橢圓軌道(Elliptical),6.1 基本概念,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,12,低軌道衛星,衛星高度在2000公里以下 運行週期在1.5至2小時之間 涵蓋面積的直徑大約是8000公里 信號傳輸之來回延

7、遲少於20 ms 在地面上看到衛星的停留時間最多是20分鐘 低軌道衛星系統會有多普勒效應產生，所以信號的頻率會隨著改變 地心引力對低軌道衛星的作用非常大 ，因此衛星運行的軌道高度會逐漸下降。,6.1 基本概念,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,13,低軌道衛星種類,微低軌道衛星(Little LEOs) 工作頻率在1 GHz以下 使用頻寬不超過5 MHz 資料傳輸率最多為10 kbps 系統主要用於傳呼(paging)、追踪(tracking)和一些低速訊息的系統上 巨型低軌道衛星(Big LEOs) 工作頻率在1 GHz以上 資料速率為每秒數個Mbps以上 另增加了語音通訊和

8、定位系統的服務,6.1 基本概念,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,14,中軌道衛星,衛星軌道高度在5000至12000公里間的圓形軌道高空上 衛星繞地球一週大約是6小時 涵蓋地面範圍的直徑是10,000到15,000公里 來回一趟信號傳輸延遲少於150ms 在地面上看到衛星停留在空中的時間在幾小時之內,6.1 基本概念,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,15,同步衛星(GEO)： 距離地球表面約36000公里的高度。繞地球旋轉速度與地球自轉速度一樣，因此在地球上觀看該衛星時，好像靜止不動的停留在太空中。 做為通訊使用，因為Delay嚴重，會造成信息傳送時間較長

9、。同步軌道中的衛星，因與地球自轉同步，因此只需三顆(一顆可覆蓋42地表)即可構成全球通信。,6.1 基本概念,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,16,静止卫星与地球的相对位置,在静止轨道上，以1200的间隔配置三颗卫星，则在地球表面除了两极地区未受到卫星天线波束的覆盖外，其他区域均在覆盖范围之内。这样，只要用三颗等间隔配置的静止卫星就可以实现全球通信,6.1 基本概念,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,17,地球自转方向 卫星飞行方向,同步轨道,全球卫星通信系统,一颗同步卫星覆盖 地球表面的 42.4%。,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,18,

10、同步衛星,同步衛星軌道有下列幾項優點 沒有因為衛星和地表天線的相對運動時多普勒效應所產生的頻率改變問題 地面對於衛星的追踪較為容易 涵蓋面積廣 同步衛星軌道有下列幾項缺點 經過35,000公里的傳輸距離後，接收的信號變得非常微弱 在兩極地區和接近北極與南極的區域信號品質非常差 信號從衛星至地面再傳回衛星之延遲時間比较大,6.1 基本概念,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,19,不同軌道衛星比較,250ms,100ms,15ms,傳送延遲來回時間,傳輸延遲大 衛星成本較高 軌道位置有限,衛星體系複雜 有多普勒效應,生命週期短 衛星體系複雜 有多普勒效應,缺點,地表覆蓋率42.2%

11、 無多普勒效應,中度成本 傳輸延遲低,低成本 傳輸延遲低 訊號衰減低,優點,24hrs,2-4hrs,15min,可用時間,36000 km,8000-12000 km,300-1500 km,高度,同步衛星 GEO,中軌衛星 MEO,低軌衛星 LEO,型態,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,20,衛星通信使用的頻帶,6.1 基本概念,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,21,优点： 通信距离远，且费用与通信距离无关。 覆盖面积大，具有多址联接能力。 频带宽，传输容量大。 组网灵活。 通信稳定可靠，传输质量高。,6.1.3 卫星通信的特点,6.1 基本概念,201

12、9/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,22,缺点： 由于三颗静止卫星不能完全覆盖地球，所以纬度高地区通信效果不好，特别是两极地区为通信盲区。 静止卫星的发射和控制技术复杂。 存在日凌中断和星蚀现象。 通信信号传输延迟大，存在回声干扰。,6.1.3 卫星通信的特点,6.1 基本概念,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,23,6.2 卫星通信系统的组成,6.2 卫星通信系统的组成,组成： 空间部分通信卫星 地面部分通信地面站 跟踪遥测指令子系统 监控管理子系统,6.2.1 系统的组成和基本原理,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,24,6.2 .2 通信卫星,组成

13、： 天线分系统，包括通信天线和遥测、遥控指令天线 通信分系统 遥测与指令分系统 控制分系统 电源分系统,6.2 卫星通信系统的组成,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,25,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,26,6 .2 .3 地面站,组成： 天馈系统 终端系统 天线跟踪系统 收发信系统 电源分系统,6.2 卫星通信系统的组成,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,27,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,28,6.3 卫星通信的技术体制,基带信号传输技术 既可以传输模拟基带信号也可以传输数字基带信号。 调制技术 模拟制卫星通信一般采用

14、FM；数字制卫星通信多采用PSK 多址联接技术 FDMA、TDMA、CDMA、SDMA 信道分配与交换技术 预分配（PA）、按申请分配（DA）、随机占用（RA）,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,29,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,30,6.4卫星通信系统范例,Iridium (铱）星系统： 它是一个全球LEO卫星蜂窝系统，支持话音、数据和定位业务。由于采用了星际链路，系统在不依赖地面网的情况下可支持地球上任何位置用户之间的通信。系统于20世纪80年代末有 Motorola推出，90年代初开始开发，耗资57亿美元，于1998年11月开始商业运行。由于昂贵的通

15、话费和平平的服务质量，系统的用户数比预计的少得多（至1999年8月，用户数尚不足3万，而系统不亏的最少用户数为65万），庞大的系统运行、维护开支和巨额的亏损与债务，迫使 Iridium 公司于2000年3月宣告破产，停止提供“铱星”服务。 （该系统于2001年3月又起死回生）,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,31,铱星系统星座原设计由77颗LEO卫星组成，它与铱元素有77个电子围绕原子核运行类似，因此系统命名为“铱”。后来改为66颗卫星，分布在6个圆形极轨道平面上（轨道平面倾角为86.40），轨道高度为785km,每个轨道平面上均匀分布11颗卫星，每颗卫星的质量为688kg

16、，卫星设计寿命58年。,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,32,Globalstar（全球星）系统 全球星系统是以支持话音业务为主的全球低轨卫星移动通信系统。该系统用户通过卫星链路接入地面公用网，在地面网的支持下实现全球卫星通信。它只是地面网的补充和延伸。系统较简单、风险低、运营费低。它由美国劳拉、高通等公司倡导发展的系统。 采用倾斜轨道星座，共48颗星，分布在8个轨道平面上（每轨道6颗卫星）。高度1414km，轨道平面倾角为520。卫星质量为450kg，设计寿命为7.5年，每颗卫星可提供2800条话音信道。,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,33,“轨道通信”

17、系统-Orbcomm 它是全球第一个低轨道商用数据通信系统，通常称为 小LEO系统。有美国轨道科学公司和加拿大Teleglobe公司开发、经营。 该系统设计将发射的卫星数为48颗。在实施中有所调整，到目前为止，由35颗卫星组成。分为A、B、C、D、E、F、G七个轨道面。卫星为微卫星，每颗质量为43kg。,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,34,Inmarsat-国际移动卫星通信系统 它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。该系统已经历了3代，使用的都是对地静止轨道卫星。 第三代系统由4颗静止轨道卫星组成，分别覆盖太平洋（卫星定位于东经1780）、印度洋（东

18、经650）、大西洋东区（西经160）和大西洋西区（西经540）。系统的网控中心（NOC）设在伦敦Inmarsat（国际移动卫星组织）总部。,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,35,广播卫星,广播卫星目前都为静止卫星。静止卫星是实现卫星电视的基础，它为波束覆盖区内所有卫星广播站（或卫星单收站）提供信道转发信号，形成卫星电视网。,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,36,VSAT卫星通信系统,甚小天线地球站(VSAT: Very Small Aperture Terminal ) 具有收发功能的小型卫星通信地球站。 VSAT 系统由主站（含网络管理系统）、通信卫星和众

19、多VSAT站组成。 VSAT是80年代中期利用现代技术开发的一种新的卫星通信系统。 VSAT系统主要工作在Ku波段（14GHz/12GHz），早期采用C波段（6GHz/4GHz，天线口径一般为0.3m-2.4m）,少数发达国家已使用Ka波段(30GHz/20GHz),2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,37,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,38,VSAT卫星通信系统的特点,与地面网通信网相比，VSAT卫星通信网具有以下特点： 1、覆盖范围大，通信成本与距离无关； 2、可对所有地点提供相同的业务种类和服务质量（包括误比特率和传输时延等）； 3、灵活性好（多种业务可

20、在一个网内并存，对一个站来说支持业务种类、分配的频带和服务质量等级等可动态调整）； 4、可扩容性好，扩容成本低，开辟一个新通信地点所需时间短；,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,39,5、点对多点通信能力； 6、独立性好，是用户拥有的专用网，不像地面网受电信部门制约； 7、互操作性好，可使采用不同标准的用户跨越不同的地面网而在同一个VSAT网内进行通信； 8、通信质量好（有较低的误比特率和较短的网络响应时间）； 9、传播时延大。,VSAT卫星通信系统的特点,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,40,与传统卫星通信网相比，VSAT卫星通信网的特点： 1、面向用户而不

21、是面向网络，VSAT与用户设备直接通信而不是如传统卫星通信网中那样中间经过地面电信网络后再与用户设备进行通信； 2、小口径天线，天线口径一般小于2.4m，某些环境下可达到0.5m； 3、智能化（包括操作智能化、接口智能化、支持业务智能化、信道管理智能化等）功能强，可无人操作；,VSAT卫星通信系统的特点,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,41,4、安装方便，只需简单的安装工具和一般的地基（如普通水泥地面、楼顶、墙壁等）； 5、低功率的发射机，一般几瓦以下； 6、集成化程度高，VSAT从外表看只能分为天线、室内单元（IDU）和室外单元（ODU）三个部分； 7、VSAT站很多，但各

22、站的业务量较小。 8、一般用作专用网而不像传统卫星通信网那样主要用作公用通信网。,VSAT卫星通信系统的特点,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,42,6.5 卫星通信系统的应用,6.5.1 国际通信卫星（INTELSAT）系统 是世界上建立最早（1965年）、发展最快、分布最广 已从IS-1发展到IS-9 承担了全球国际通信业务2/3左右，几乎承担了所有的全球性电视业务 业务类型有：国际电话、国际电视、国际商业数据业务（包括可视电话、传真、数据、分组数据、IP电话、电子邮件、用户电报等）、国内通信业务等。,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,43,6.5 卫星通信

23、系统的应用,6.5.2 国内通信卫星系统 70年代以后，陆续建立 主要用于无线电广播、国内电视节目的传送、提供长途通信干线、提供应急通信手段,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,44,我国第一颗卫星,主要参1970年4月24日发射的第一颗人造地球卫星。星上的仪器舱装有电源、测轨用的雷达应答机、雷达信标机、遥测装置、电子乐音发生器和发射机、科学试验仪器等。卫星的主要任务是向太空播放“东方红”乐曲，同时进行卫星技术试验，探测电离层和大气密度。星上采用银锌蓄电池作电源，电池寿命有限，卫星运行20天后，电池耗尽，“东方红”乐曲停止播放，卫星结束了它的工作寿命。 卫星重量：173公斤 卫星

24、外形：直径1米的球形72面体 近地点：439公里 远地点：2384公里 用 途：广播“东方红”乐曲,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,45,东方红二号,1972年，我国租用IS-4卫星转发器，首次开展商业性的国际卫星通信业务。 1984年4月8日，我国成功发射了第一颗实验同步卫星STW-1，成为第5个能独立研制和发射静止卫星的国家。 1988年3月7日和12月22日，相继发射了东方红二号甲-1和东方红二号甲-2实用通信卫星（有四个转发器，工作频率为6/4GHz）。 1990年2月4日，成功发射东方红二号甲-3,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,46,东方红三号,

25、主要参数: 卫星外形：2.2 X 2.2 X 1.72米 双翼六面体，双翼展开后总长度 18.096米。 卫星重量： 1202公斤(静止轨道 寿命初期） 转发器数： 24个C波段转发器 姿态控制：三轴稳定 定点位置： 125 E 设计寿命：8年 1997年5月12日成功发射,交付给 中国通信广播卫星运营公司,命名 为“中星六号,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,47,6.5 卫星通信系统的应用,6.5.3 卫星移动通信系统 1975年,美国通信卫星公司建立第一个海事卫星通信网,为海洋船只提供实时的高质量通信业务. 1979年正式成立国际海事卫星组织,并成立INMARSAT卫星通

26、信网,该网的地球站有岸站若干个和大量船站,船站之间通信要经过岸站双跳中继,星船之间的工作频率为1.6/1.5GHz,星岸间用6/4GHz. 美国的LMSS(陆地移动通信系统),铱系统等.,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,48,6.5 卫星通信系统的应用,6.5.4 军事卫星通信系统 海湾战争中美军和盟军共动用了9个系列共23颗通信卫星,它们是 国防卫星通信系统 舰队卫星通信系统 军事战略与战术中继卫星EHF转发器 租用卫星通信系统 跟踪与数据中继卫星 天网卫星 北约卫星 国际通信卫星 国际海事卫星,2019/4/6,现代通信概论 第7章 移动通信,49,作业,1. 什么是静止卫星? 2. 卫星通信使用的工作频段有哪些? 3. 说出卫星通信系统的组成. 4. 卫星通信主要有哪些优缺点?,