第1章概述1.1-背景1.2衛星通信簡史1.3衛星的特點1.4衛星通信頻段1.5本章小結

1.1-背景

近年來,衛星同時向兩個方向發展:

一方面衛星的重量、體積、使用壽命和費用日益增加,但受制于運載火箭推力和尺寸的限制,單顆大衛星的發展有瓶頸;

另一方面,微小衛星及其編隊成為近年來衛星事業發展的主要方向。

中、低軌道(MEO/LEO,MiddleEarthOrbit/LowEarthOrbit)通信衛星是GEO衛星的有力補充,通常用于提供特定地區的通信業務,或者構成全球覆蓋的通信網絡。而單顆MEO/LEO覆蓋范圍有限,往往需要多顆衛星按照一定的衛星星座設計原則進行“定制”,才能夠發揮其軌道高度低、地面終端僅需要較小發射功率就能與衛星建立“星地”鏈路的優勢。

1.2衛星通信簡史

表1-2按照時間順序列出了衛星通信的大致發展歷程。

1.3衛星的特點

衛星能夠提供大面積的覆蓋范圍,這是衛星通信具備的一系列優點的基礎。(1)衛星通信系統能夠以較低的成本提供較大的覆蓋區域,單顆衛星能夠覆蓋的范圍由軌道高度和最小通信仰角確定,在衛星覆蓋范圍內,通信成本幾乎與通信距離無關,這是與地面通信網絡的不同之處。

(2)衛星通信采用較高頻段,因此可以利用的頻帶較寬,對于C頻段和Ku頻段,可用帶寬達到1GHz,系統容量較大,如果采用多波束復用技術,可進一步增大系統的容量。如果像星間鏈路采用激光通信一樣,星地鏈路也采用激光通信,則可用帶寬和系統容量將更大。

(3)對于地面通信基礎設施不足的地區和國家,衛星通信可以不依賴于地面網絡,有利于通信業務稀疏地區的業務開展。

(4)衛星通信靈活,可以不受自然條件和自然災害的影響,如地震、雪災、洪水等自然災害,滿足應急通信的需求。

(5)統一的業務提供商有利于系統的均勻服務,也有利于新業務的引入。

1.4衛星通信頻段

衛星運營商和擁有方必須遵循一系列約束衛星通信系統基本參數和特性的相關法規。這些法規涉及:(1)頻段的選擇。(2)最大輻射功率限制。(3)GEO或地球同步軌道(GSO,GeoSynchronousOrbit)的位置。

衛星業務頻率的劃分是在ITU的支持下進行的。在頻率分配計劃中,將全世界分為三個區域:

區域一:歐洲、非洲,以及蘇聯和蒙古。

區域二:北美洲、南美洲及格陵蘭島。

區域三:亞洲(區域一以外的地區)、澳洲以及西南太平洋。

在這三個區域內,頻段被分配給各種類型的衛星業務,而同一業務在不同的區域內所分配的頻率可能不同。衛星業務的類型如下:

固定衛星業務(FSS,FixedSatelliteService)。

衛星廣播業務(BSS,BroadcastingSatelliteService)。

移動衛星業務(MSS,MobileSatelliteService)。

導航衛星業務(NavigationSatelliteService)。

氣象衛星業務(MeteorologicalSatelliteService)。

FSS可以為現有的電話網絡之間提供連接業務,也可為有線電視網絡傳送電視信號。衛星廣播業務主要用于提供直達用戶家庭的衛星電視廣播業務。移動衛星業務包括陸上移

動業務、海上移動業務和控制移動業務。導航衛星業務提供衛星導航與定位,為資源探測、交通運輸、大型測繪等領域提供服務,可供使用的衛星系統包括全球定位系統(GPS,GlobalPositioningSystem)、Compass、Glonass和Galileo系統。

1.5本章小結由于用于寬帶通信的無線電波是以微波頻率沿直線傳播的,因此長距離通信需要利用中繼器轉發信號。衛星通信系統根據牛頓定律和開普勒定律以及其他空間物理和空間力學定律,利用人造衛星能夠按照一定周期圍繞地球運行的特點,將無線電波通過大氣層傳送到衛星,再經過衛星轉發到地面站,完成中繼轉發。衛星距離地面幾百千米至幾萬千米,適合作為長距離中繼器的安裝點。根據軌道高度和構型的不同,有多種衛星系統可供選擇。

衛星距離地面較遠,如GEO衛星軌道距離地面約35786千米,由于無線電信號按照傳輸距離的平方衰減,因此到達衛星的信號一般十分微弱;另一方面,由于衛星本身質量和太陽能電池輸出功率的限制,地面上接收到的衛星信號也十分微弱。

將一顆GEO衛星送入軌道,每千克質量的費用差不多是25000美元,要在僅僅10~15年的衛星使用壽命期間回收衛星的研制、發射和運行費用(這主要依靠出售衛星的通信容量),衛星的體積和質量無疑將受到嚴格的限制。因此,衛星的設計要求是極為苛刻和嚴格的。

整個衛星系統中地面站的成本也是制約衛星系統發展的因素之一。隨著衛星重量、體積和功率的增大,地面站所用的天線尺寸可以相應地減小,如直接廣播衛星電視(DBS-TV,DirectBroadcastingSatellite-TeleVision)系統的接收天線直徑為0.5m。當然,為了接收來自星際空間的無線電信號,往往采用直徑幾十米的巨型碟形天線,甚至直徑幾百米的射電天文望遠鏡的建設都方興未艾。

衛星通信一般采用1~50GHz的頻段,當系統頻率高于10GHz時,大氣效應將對無線電波產生重要的影響,甚至會影響衛星系統的可用性,在進行系統設計時必須考慮傳輸鏈路受干擾的情況。當頻