1、精選優質文檔-傾情為你奉上The Principal of Satellite Communication衛星通信原理張 玨 電子信息工程學院北京交通大學摘要(Abstract) 交大沒有笨學生只有懶學生衛星通信簡單地說就是地球上的無線電通信站間利用衛星作為中繼而進行的通信。本論文將介紹直播衛星、衛星通信的原理、衛星通信系統等。近年來衛星通信新技術的發展層出不窮。衛星通信也是未來全球信息高速公路的重要組成部分，成為中國當代遠距離通信的支柱。關鍵字 衛星通信 系統 多址聯接 直播衛星 一、 前言（Introduction）衛星通信簡單地說就是地球上（包括地面和低層大氣中）的無線電通信站間利用衛星

2、作為中繼而進行的通信。衛星通信系統由衛星和地球站兩部分組成。衛星通信的特點是：通信范圍大；只要在衛星發射的電波所覆蓋的范圍內，從任何兩點之間都可進行通信；不易受陸地災害的影響（可靠性高）；只要設置地球站電路即可開通（開通電路迅速）；同時可在多處接收，能經濟地實現廣播、多址通信（多址特點）；電路設置非常靈活，可隨時分散過于集中的話務量；同一信道可用于不同方向或不同區間（多址聯接）。本文從以下結構來介紹衛星通信：第二部分講述了現代衛星通信技術的背景以為衛星通信的優缺點；第三部分介紹了衛星通信的基本原理；第四部分介紹了衛星通信的基本概念；第五部分主要介紹了衛星通信系統的構成；第六部分介紹了衛星通信的

3、特點和它所需要的關鍵技術；第七部分則介紹了有關直播衛星的相關知識；第八部分著重講解了多址聯接方式的內容；第九和第十部分總結了我國衛星通信的發展以及思考。二、 背景（Background） 近年來衛星通信新技術的發展層出不窮。例如甚小口徑天線地球站（VSAT）系統，中低軌道的移動衛星通信系統等都受到了人們廣泛的關注和應用。衛星通信也是未來全球信息高速公路的重要組成部分。它以其覆蓋廣、通信容量大。通信距離遠、不受地理環境限制、質量優、經濟效益高等優點，1972年在中國首次應用，并迅速發展，與光纖通信、數字微波通信一起，成為中國當代遠距離通信的支柱。 衛星通信由于它不受地理條件的限制，具有靈活的可移

4、動性，所以仍依它的優勢創新發展。但亦受到迅速發展的光纖通信的挑戰，它比衛星通信的容量大，傳輸速率高，有很多越洋通信被海底光纜所替代，陸地干線亦有類似情況。20世紀90年代中后期衛星電視直播（DBsDirect Broadcast Satellite或DTHDirect To Home）、衛星聲音廣播、衛星移動通信以及衛星寬帶多媒體通信成為新的四大發展潮流。目前，全球絕大多數衛星通信系統都是采用GEO衛星作為整個系統的中繼平臺，這是由于采用GEO衛星來提供通信業務具有下列優點：1、地球站天線易于保持對準衛星，不需要復雜的跟蹤系統。2、通信連續，不必頻繁更換衛星。3、多普勒頻移可忽略。4、對地面的

5、通信覆蓋區面積大，單顆對地靜止軌道衛星可覆蓋地球表面積的422，便于實施廣播和多址聯接。5、技術相對成熟簡單。6、信道的絕大部分在自由空間中工作穩定、通信質量高。尤其是在20世紀80年代，因特網和地面移動通信的發展尚處于初期主要的信息傳輸手段是公共交換電話網(PSTN)。但是PSTN只限于發達地區，提供全球通信的惟一手段是GEO衛星利用三顆GEO衛星可以實現對南北緯70度以內區域的無縫覆蓋因此，全球建立了相當多的基于GEO衛星的通信系統。但這樣的衛星通信系統存在以下問題：1、向高緯度地區和特定地形內的用戶提供通信業務比較困難。2、傳播時延較大不能滿足某些業務對實時性的要求。3、由于需要大的功放

6、和天線終端小型化困難。4、使用費用居高不下大而貴的衛星通信終端主要用于其他通信手段無法經濟解決的應用5、用戶基數小，達不到規模效益。6、衛星較大，制造和發射均很困難，風險較大。 7、軌道位置和軌道類型單一，衛星數較少易受干擾，抗摧毀能力較弱電磁兼容和軌道協調困難。8、兩極附近有盲區。有日凌中斷和星蝕現象。上述問題主要源自一個根源：即通信衛星位于赤道上空35786km的軌道。20世紀80年代末個人通信概念的提出使得電信行業意識到必須要解決這個軌道問題引起的“傳播距離遠”問題，否則無法實現個人衛星通信。三、 基本原理（Principal）衛星從用途上可以分為：資源探測衛星，氣象衛星，軍事衛星，通信

7、衛星，直播衛星等。從理論上講，如果在地球赤道上空相對于地球靜止的衛星軌道上放置三顆間隔各度的衛星，就可以實現全球通信或全球廣播。衛星電視傳輸是在衛星通信的基礎上發展起來的，它是在地球赤道上空處靜止衛星上，裝載轉發器和天線系統向地面轉發廣播電視信號，直接進行大面積廣播電視覆蓋的一項技術。它能覆蓋區內的廣大用戶直接收看千百里之外乃至地球另一面廣播電視節目。我國幅員遼闊，地形復雜，人口眾多，而且分布又很不均勻，如果完全依賴傳統的地面無線傳輸方式解決廣播電視覆蓋率是極其困難的。利用衛星傳輸廣播和電視節目，作為一種提高廣播電視人口覆蓋率，改進傳輸質量的最有效、最經濟、最先進的手段，在過去的十幾年里它得到

8、了蓬勃的發展和廣泛應用。四、 衛星通信的概念（Conception）衛星通信是指利用人造地球衛星作為中繼站轉發無線電波，在兩個或多個地球站之間進行的通信。它是微波通信和航天技術基礎上發展起來的一門新興的無線通信技術，所使用的無線電波頻率為微波頻段（300MHz300GHz，即波段1m1mm）。這種利用人造地球衛星在地球站之間進行通信的通信系統，則稱為衛星通信系統，而把用于實現通信目的的人造衛星稱為通信衛星，其作用相當于離地面很高的中繼站。因此，可以認為衛星通信是地面微波中繼通信的繼承和發展，是微波接力通向太空的延伸。 衛星通信具有以下特點：（1）通信距離遠，且費用與通信距離無關；（2）通信范圍

9、大，只要衛星發射的波束覆蓋進行的范圍均可進行通信，可進行多址通信；（3）通信頻帶寬，傳輸容量大；（4）機動靈活，可用于車載、船載、機載等移動通信；（5）通信鏈路穩定可靠，傳輸質量高；（6）不易受陸地災害影響；7）建設速度快；（8）電路和話務量可靈活調整；（9）同一信通可用于不同方向和不同區域。同樣，其局限性包括：（1）通信衛星使用壽命短；（2）存在日凌中斷和星蝕現象；（3）電波的傳輸時延較大且存在回波干擾，天線受太陽噪聲的影響。；（4）衛星通信系統技術復雜；（5）靜止衛星通信在地球高緯度地區通信效果不好，并且兩極地區為通信盲區。（6）由于兩地球站向電磁波傳播距離有72000Km，信號到達有延遲

10、。(7) 10GHz以上頻帶受降雨雪的影響。五、 衛星通信系統(System)衛星通信系統由衛星和地球站兩部分組成。衛星在空中起中繼站的作用，即把地球站發上來的電磁波放大后再返送回另一地球站。地球站則是衛星系統與地面公眾網的接口，地面用戶通過地球站出入衛星系統形成鏈路。由于靜止衛星在赤道上空3600Km，它繞地球一周時間恰好與地球自轉一周(23小時56分4秒)一致，從地面看上去如同靜止不動一般。三顆相距120°的衛生就能覆蓋正個赤道圓周。故衛星通信易于實現越洋和洲際通信。最適合衛星通信的頻率是110GHz頻段。為了滿足越來越多的需求，已開始研究應用新的頻如12GHz，14GHz，20

11、GHz及30GHz。中國尚無自建的國內商用衛星移動通信系統，現使用的或準備使用的都是外商建設的衛星移動通信系統，下面介紹幾個目前我國使用的衛星通信系統：1.國際移動衛星系統國際移動衛星系統是由國際移動衛星組織倡導建立起來的一個全球衛星移動通信系統。該系統衛星已經歷了三代,使用的都是對地靜止軌道衛星。笫三代全系統由4顆靜止軌道衛星組成,每顆衛星有1個全球波束和5個點波束，衛星采用透明轉發器。它提供電話、傳真、數據和多媒體等業務。它的用戶終 端有國際移動衛星A、B/M、C、D/D、E、MiNiM、M4及Aero航空系統，并將推出國際移動衛星F。其中M4為最新的多媒體移動通信終端。中國幾乎所有的遠洋

12、船舶都安裝了該系統的衛星設備。2.亞洲蜂窩衛星系統亞洲蜂窩衛星系統是由亞洲蜂窩衛星公司建立起來的一個服務于亞洲地區的區域性衛星移動通信系統，可向手持機等用戶終端提供話音、傳真、數據和因特網等通信業務。衛星采用處理轉發器和多波束天線，星上兩副直徑為12米的天線可產生多達140個覆蓋亞洲地區的點波束。第一顆衛星（鷹1）于2000年2月定點于東經123度。該系統自2000年9月投入商用后已擁有9000多用戶。中國地區約占ACeS系統衛星服務區的1/3,是該系統最大的潛在市場。亞洲蜂窩衛星公司曾與中國多家衛星公司接觸，商討合作事宜。目前與中國通信廣播衛星公司合作正在積極推進中。 3.全球星系統全球星系

13、統是由美國勞拉、高通等公司倡導發展的系統。它是由48顆低軌衛星組成的全球衛星移動通信系統。衛星采用透明轉發器，多波束天線。它向用戶提供話音、傳真、數據和定位等業務。它的用戶終端有單模手機、雙模手機（全球星GSM）、三模手機（全球星AMPSCDMA）、車載機和固定終端。4.ICO系統 ICO系統是國際移動衛星組織倡導的衛星移動通信系統。它是由12顆中軌衛星（含兩顆備用星）組成的全球衛星移動通信系統。星上采用處理轉發器，多波束天線。它提供電話、傳真、數據、尋呼和定位等業務。它的用戶終端除雙模手機外，還有車載、機載、船載等終端以及半固定和固定終端。中國通信廣播衛星公司與交通部有關單位合作正在牽頭組織

14、參與經營ICO系統事宜。5.軌道通信系統軌道通信系統是由美國軌道科學公司和加拿大全球電信公司聯合經營的系統。它是由3648顆低軌衛星組成的全球衛星移動通信系統。衛星采用處理轉發器，單波束天線。它向用戶提供尋呼、傳真、短數據和定位等業務。它的用戶終端有手機、車載、機載、船載等移動終端以及半固定及固定終端。六、 特點以及關鍵技術（Characteristic And Technology）(1)信道的傳播特點：移動通信的特點是“動中通”，這決定了其瞬時傳播環境的不確定性，通信信號會遭受到許多因素的影響：1、海平面機身和地平面反射所引起的信號衰落。2、樹木建筑物，電線桿地形和地貌所引起的信號陰影效應

15、或阻擋。3、終端和衛星移動所引起的多普勒效應。4、平流層效應(如降雨引起的衰耗)。5、電離層效應(如電離層閃爍和法拉第旋轉)。由于周圍環境和工作條件的不同，海事航空和陸地衛星移動通信信道的傳播特性是不同的。對于陸地衛星移動通信移動站到衛星的通路可能會遭受到路邊樹木，電線桿、建筑物或地形的阻擋而造成接收信號中斷這通常與移動站當時所處的區域(如市區郊區和農村等)有很大關系。移動站也會接收到周圍環境反射產生的多徑信號多徑衰落的嚴重程度與移動站當時所處的周圍環境有很大關系。因此需要考慮下列因素：(1)由于建筑物和周圍物體引起的阻擋效應。(2)樹木和葉子引起的陰影效應。(3)主要由建筑物引起的多徑效應。

16、對于海事衛星移動通信移動站遭受的主要是海平面反射產生的多徑信號，衰落特性主要決定于天線增益仰角海況(粗糙還是平滑)等。，對于航空衛星移動通信，其傳播條件要比海事和陸地系統好很多，問題主要是對于低增益天線在低仰角工作時會接收到機身、海平面或地平面反射產生的多徑信號；另一個問題是由于飛機高速移動所產生的多普勒效應。當工作頻率較高(如Ku，Ka頻段)時還需考慮降雨損耗。需特別指出的是由于衛星到信關站和衛星到移動用戶之間的鏈路具有很大的差異以工作頻率為例衛星與移動用戶之間通常采用VHF，UHFL，S等波段，而衛星與信關站之間通常使用C，Ku，Ka等波段。因此，在衛星移動通信系統中，對于各條鏈路的定義和

17、稱呼與傳統衛星通信系統中是不同的。在衛星移動通信系統中，定義移動站與衛星之間的鏈路叫用戶鏈路信關站與衛星之間的鏈路叫饋電鏈路；從信關站到移動站的鏈路叫前向鏈路，從移動站到信關站的鏈路叫反向鏈路。(2)關鍵技術(1)星座方案設計與優化。衛星星座對整個系統的造價影響極大，需要根據使用需求選擇合適的軌道高度和星座方案，并進行優化設計以達到最佳的性價比。(2)多波束衛星通信天線。用于向覆蓋區提供高的有效全向輻射功率EIRP)，以滿足大量低品質因子GT)值的移動站的需要。(3)J抗衰落技術。如采用空間分集，頻率分集、糾錯技術合適的調制解調方式等。(4)網絡管理與控制。由于由大量用戶共享有限的衛星功率與頻

18、率資源為獲得對資源的有效利用，需要有一個高效而靈活的網絡結構、信道申請與分配方式與地面網絡的接口等。(5)射頻技術。適應各類移動臺結構要求的天線、高穩定度的頻率源、高效率的功率放大器等。(6)從系統總體看，須解決空問段與地面段相匹配的優化設計。七、 直播衛星（Direct Broadcast Satellite）直播衛星是指用于直接廣播的衛星。1963年，國際電聯將衛星直接廣播業務與衛星固定通信進行了區分，定義為從中心終端設備向相對較小尺寸的社區或家庭接收終端進行傳輸的衛星通信，主要特點就是“直播”，分為電視直接廣播（簡稱電視直播）和聲音直接廣播（簡稱聲音直播）。1、衛星電視直播衛星電視直播是

19、衛星廣播業務發展的主流。從1993年美國發射第一顆直播衛星至今，已有30多個國家和地區開展了衛星電視直播業務，衛星電視頻道總數達到11700多個。我國于2008年6月9日在西昌衛星發射中心成功發射“中星9號”直播衛星，標志著中國正式進入了直播衛星時代。“中星9號”直播衛星定點于東經 92.2°赤道上空，發射重量4.5噸，裝載有22個Ku轉發器，總功率約11KW，設計壽命15年。其下行波束采用單體成型的大波束，覆蓋我國大陸及港澳臺地區。波形采用圓極化，上行波束采用特殊賦形波束，有效的避免了各種干擾，特別是提高了抗惡意干擾能力。2、衛星聲音直播比較典型的例子是世廣集團（Worldspac

20、e）L頻段的聲音數字廣播。 世廣集團公司使用兩顆衛星AfriStar和AsiaStar進行數字聲音廣播。AfriStar和AsiaStar分別于1998年10月和2000年3月發射，定點于東經21°和東經105°。采用頻率為1467-1492MHz。每顆衛星有三個波束，可傳送80多個頻道。此外，還有美國S頻段的同步和非同步軌道的衛星聲音廣播，以及2004年1月韓國和日本聯合發射的S頻段的多媒體廣播衛星，這些衛星特點是下行波束EIRP甚大，可直接向便攜式個體接收機傳送高質量的聲音、數據和圖像等多媒體信息。八、 多址聯接方式（Multiple Access Methods）多址

21、聯接的意思是同一個衛星轉發器可以聯接多個地球站，多址技術是根據信號的特征來分割信號和識別信號，信號通常具有頻率、時間、空間等特征。衛星通信常用的多址聯接方式有頻分多址聯接(FDMA)、時分多址聯接(TDMA)、碼分多址聯接(CDMA)和空分多址聯接(SDMA)，另外頻率再用技術亦是一種多址方式。 在微波頻帶,整個通信衛星的工作頻帶約有500MHz寬度,為了便于放大和發射及減少變調干擾,一般在衛星上設置若干個轉發器。每個轉發器的工作頻帶寬度為36MHz或72MHz目前的衛星通信多采用頻分多址技術,不同的地球站占用不同的頻率,即采用不同的載波。它對于點對點大容量的通信比較適合。近年來,已逐漸采用時

22、分多址技術,即每一地球站占用同一頻帶,但占用不同的時隙,它比頻分多址有一系列優點,如不會產生互調干擾,不需用上下變頻把各地球站信號分開,適合數字通信,可根據業務量的變化按需分配,可采用數字話音插空等新技術,使容量增加5倍。另一種多址技術使碼分多址(CDMA),即不同的地球站占用同一頻率和同一時間,但有不同的隨機碼來區分不同的地址。它采用了擴展頻譜通信技術,具有抗干擾能力強,有較好的保密通信能力,可靈活調度話路等優點。其缺點使頻譜利用率較低。它比較適合于容量小,分布廣,有一定保密要求的系統使用。九、 中國衛星通信的發展以及思考（Development And Reflection） 目前國內公眾

23、衛星通信網的干線已有37個大型C波段地球站，運行著3萬5千條雙向電路（占國內長途電路的56），另有4個試驗地球站和約30臺移動衛星通信車載站工作在Ku波段。中國尚無自建的國內商用衛星移動通信系統，現使用的或準備使用的都是外商建設的衛星移動通信系統，包括國際移動衛星系統、亞洲蜂窩衛星（ACeS）系統、銥星系統、全球星系統、軌道通信系統和ICO系統等。國際通信方面我國運營15座國際通信衛星地球站，開通了約1萬3千條雙向電路（占國際長途電路的26%）。中國通信廣播衛星公司等具有國際點對點業務許可的單位開通了150200條國際雙向VSAT電路。公眾通信約使用50個轉發器 。我國廣播電視衛星直播系統建成后要成功地進行商業化運作，其最重要的四條是：節目要豐富和多樣化；個體用戶可直接收看；用戶接收質量好；接收設備和接收費用低。以上四條中，前二條與政府的政策有關，是影響衛星直播系統能否早日建成和成功地進行商業化運作的關鍵。為了推動直播衛星廣播業