第1章-微波与卫星通信概述

卫星通信系统刘涛电话：[phone]办公室：北二-303参考书：《微波与卫星通信》孙学康《卫星通信》刘国梁《卫星通信（第3版》罗迪（美）1.1卫星通信概述1.2微波与卫星通信的基本概念与特点1.3微波通信系统的组成1.4卫星通信系统的组成1.5微波与卫星通信的天线馈线系统1概述1.1卫星通信概述1、卫星通信的特点：•覆盖区大,通信距离远,三颗同步卫星可覆盖全球•频带宽,容量大•机动性好,不受地理条件限制•通信可靠性高,质量好,稳定•费用与距离无关•有多址能力,组网灵活•可实现区域及全球个人移动通信2、世界卫星通信发展简史：•1000AD中国发明火箭•1945AutherCClarke提出三颗同步卫星覆盖全球•1957前苏联发射世界上第一颗卫星SPUTNIK•1963美国发射世界上第一颗同步卫星SYNCOM•1964INTELSAT建立•1965第一颗商用同步卫星INTELSAT-1•1979INMARSAT建立•1970中国发射第一颗卫星DFH-1•此后,全球发射了5千多颗卫星,至今中国共发射约近百颗卫星3、我国自制卫星的发展情况•1970年4月24日东方红一号•1975年11月26日返回式遥感卫星•1984年4月8日试验通信卫星125o•1986年2月1日东方红二号甲103o•1988年3月7日东方红二号甲87.5o•1988年12月22日实用通信卫星110.5o•1990年2月4日实用通信卫星98o•1997年5月12日东方红三号甲125o东方红一号主要参数：卫星重量：173公斤卫星外形：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。东方红二号甲主要参数在轨重量：441公斤卫星外形：直径2.1米，高3.68米的园柱体转发器数：4个C波段转发器EIRP值：36dBw定点位置：103°E，87.5°E，110.5°E，98°E寿命：4年半用途：用于国内通信、广播和电视传输东方红三号主要参数卫星外形：2.2X2.2X1.72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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”4、通信卫星分类通信卫星，通信卫星的种类有很多，按轨道的高低分：低轨道、中高轨道、地球同步轨道、地球静止轨道等。低轨道通信卫星：美国摩托罗拉公司在1991年提出用77颗卫星，覆盖全球的移动电话系统，这个方案和铱原子外围包围着77个电子的原子结构很相似，所以被称为“铱系统”。1997至2002年共发射95颗星，其中11颗失败，4颗陨落，66颗星工作，14颗备用星。高度670km,6条极轨轨道，轨道倾角86.6度每颗星载有3个16波束相控阵天线,在地面形成48个直径约为667km的蜂窝区,可提供3840条全双工话音信道每星有4条Ka频段的星间继路,同轨道卫星前后各一条,星间距离4021--4042k;轨道间卫星链路2条,星间距离2700--4400km卫星在轨重量320kg,寿命5--8年使用频段:L波段1621.35--1626.5MHzKa波段19.4--19.6GHz(下行),29.1--29.3GHz(上行)23.18--23.38GHz(星间链路)卫星星体由美洛克希德公司设计生产,摩托罗拉公司提供星载关键部件,关口站并负责卫星总装,通用电气公司和科学亚特兰大公司分别提供系统控制软件和地面设施硬件卫星发射由美,俄,中承担,每次发射分别为5,7,2颗星控制中心设在美国弗吉尼亚全球设11个关口站:美国,巴西,意大利,俄罗斯,泰国,韩国,中国北京和台湾,印度,日本,沙特阿拉伯用户终端有手持机,寻呼机,移动中段,半固定终端等开放业务：话音,数据(2.4kb/s),传真(2.4kb/s),寻呼,定位摩托罗拉所属的“铱星”公司因市场定位及营销体制失误等原因，已于2000年5月宣布倒闭，投入运行仅仅两年的“铱”系统已终止服务。现由美国防部支持。不过许多国家和公司还在继续研究开发这一系统。提出低轨道卫星方案的公司有近10家，除了“铱星”外，目前还有全球星（Globalstar）系统，8个轨道，48个卫星；白羊（Aries）系统，48颗卫星；柯斯卡（Coscon）系统，4个轨道，32颗卫星；卫星通信网络（Teledesic）系统，21个轨道，840颗卫星。中轨道（MEO）移动卫星通信系统低轨道（LEO）卫星移动通信系统易于实现手持机个人通信，但由于系统中卫星数量多、寿命短，运行期间要及时补充替代卫星，使系统投资较高,因此，许多中轨道（MEO）卫星移动通信系统的设计方案便应运而生。有代表性的MEO卫星系统主有Inmarsat―P（ICO，中高度圆形轨道），TRW公司提出的Odyssey（奥德赛），欧洲宇航局开发的MAGSS―14等。其中ICO和Odyssey两个系统的星座和地面设施极为相似，采用了相同的轨道高度、几乎相同的倾角和多波束天线。静止轨道（GEO）移动卫星通信系统静止轨道移动卫星通信系统与低轨道卫星移动通信系统的区别之处在于，它是利用静止卫星进行移动通信。用户可以使用便携式的移动终端，通过同步通信卫星和地面站，并经由通信网中转，进行全球范围的电话、传真和数据通信。目前，海事卫星（INMARSAT）系统是世界上能对海、陆、空中的移动体提供静止卫星通信的惟一系统。INMARSAT网的卫星分布在大西洋、印度洋和太平洋上空，形成全球性的通信网。地面站有岸站和大量的船站，船站之间通信时经岸站双跳中继。星船之间的工作频率是1.5～1.6GHz，星岸之间用6/4GHz。目前，INMARSAT网提供的业务有电话、用户电报、利用电话电路的数据传输（话路数据速率为2.4Kb/s）、遇难安全通信（利用电话和用户电报）、高速数据（船→岸单向，56Kb/s）和群呼（电报）等。6、其他卫星1、导航卫星为地面、海洋、空中和空间用户导航定位的。典型系统：“全球定位系统”即“GPS”是一个由24颗卫星组成的星座，它可以对地球上任何地点进行精确定位。用户可用一个很小很小的接收器接收到4颗GPS卫星上的信号并计算出位置数据，军用水平距离和高度精度均为5米，民用平均为15米。俄罗斯的GLONASS，欧洲的伽利略系统，中国的北斗系统。4、气象卫星；气象卫星可分为太阳同步轨道气象卫星和地球静止轨道气象卫星。太阳同步轨道气象卫星每天对地球表面巡查两遍。可以获得全球气象数据。地球静止轨道气象卫星可以对全球1／3的地区连续进行气象观测，实时将气象资料传回地面。5、资源卫星：资源卫星是勘测和研究地球资源的卫星，它能看透地层发现人们肉眼看不到的地下宝藏，历史古迹，地层结构，能普查农作物，森林，海洋，空气等资源。能预报和鉴别农作物的收成，考察和预报各种自然灾害。6、返回式遥感卫星：返回式卫星是低轨道卫星，主要是三大用途：一时对地观测，获取遥感信息；二是进行微重力实验；三是为载人航作返回的技术储备。7、侦察卫星：侦察卫星是用于搜集和截获军事情报的人造地球卫星，卫星侦察的优点，是侦察范围广，速度快，可不受国界限制定期或连续地监视某个地区，对于增强国家的军事实力和综合国力具有重要意义。侦察卫星按照所执行的任务和所采用的侦察手段来加以区别，一般分为照相侦察卫星，电子侦察卫星，还海洋监视卫星和预警卫星1.2微波与卫星通信的基本概念与特点1.微波与卫星通信微波是指频率为300MHz至300GHz的电磁波。微波通信是指用微波频率作载波携带信息，通过无线电波空间进行中继（接力）通信的方式。卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站，转发或反射无线电波，在两个或多个地球站之间进行的通信。卫星通信又是宇宙无线电通信形式之一，而宇宙通信是指以宇宙飞行体为对象的无线电通信，它有三种形式：（1）宇宙站与地球站之间的通信；（2）宇宙站之间的通信；（3）通过宇宙站转发或反射而进行的地球站间的通信。2.微波通信的特点用于传输频分多路-调频制（FDM-FM）基带信号的系统叫作模拟制微波通信系统；用于传输数字基带信号的系统叫作数字微波通信系统。“微波、多路、接力”。“微波”是指微波工作频段宽，它包括了分米波、厘米波和毫米波三个频段。“多路”是指微波通信的通信容量大，即微波通信设备的通频带可以做得很宽。“接力”是目前广泛使用于视距微波的通信方式。数字微波除了具有上面所说的微波通信的普遍特点外，还具有数字通信的特点：（1）抗干扰性强、整个线路噪声不累积；（2）保密性强，便于加密；（3）器件便于固态化和集成化，设备体积小、耗电少；（4）便于组成综合业务数字网（ISDN）。3.卫星通信的特点（1）静止卫星通信的优点①通信距离远，且费用与通信距离无关②覆盖面积大，可进行多址通信③通信频带宽，传输容量大④信号传输质量高，通信线路稳定可靠⑤建立通信电路灵活、机动性好（2）静止卫星通信的缺点①静止卫星的发射与控制技术比较复杂。②地球的两极地区为通信盲区，而且地球的高纬度地区通信效果不好。③存在星蚀和日凌中断现象。④有较大的信号传输时延和回波干扰。1.3微波通信系统的组成1.3.1系统组成一条微波中继信道是由终端站、中间站和再生中继站、终点站及电波空间组成，如图1-1（a）所示。终端站的任务是将复用设备送来的基带信号或由电视台送来的视频及伴音信号，调制到微波频率上并发射出去；或者反之，将收到的微波信号解调出基带信号送往复用设备，或将解调出的视频信号及伴音信号送往电视台。线路中间的中继站的任务是完成微波信号的转发和分路，所以中继站又分为中间站（不能上、下话路）、分路站和枢纽站（能上、下话路），如图1-1（b）所示。图1-1微波通信的信道构成1.3.2微波收发信设备的组成1.发信设备的组成从目前使用的数字微波通信设备来看，分为直接调制式发信机（使用微波调相器）和变频式发信机。中小容量的数字微波（480路以下）设备可用前一种方案。下面以一种典型的变频式发信机为例加以说明，如图1-2所示。图1-2变频式发信机方框图2.发信设备的主要性能指标（1）工作频段从无线电频谱的划分来看，我们把频率为0.3～300GHz的射频称为微波频率。（2）输出功率输出功率是指发信机输出端口处功率的大小。（3）频率稳定度发信机的每个工作波道都有一个标称的射频中心工作频率，用f0表示。3.收信设备的组成数字微波的收信设备和解调设备组成了收信系统，这里所讲的收信设备只包括射频和中频两个部分。图1-3所示的是一个有空间分集接收的收信设备组成方框图。图1-3外差式收信机方框图4.收信设备的主要性能指标（1）工作频段收信机是与发信机配合工作的。（2）收信本振的频率稳定度接收的微波射频的频率稳定度是由发信机决定的。（3）噪声系数数字微波收信机的噪声系数一般为2.5～7dB，比模拟微波收信机的噪声系数小5dB左右。（4）通频带收信机接收的已调波是一个频带信号，即已调波频谱（的主要成分）要占有一定的带宽。（5）选择性对某个波道的收信机而言，要求它只接收本波道的信号，对邻近波道干扰、镜像频率干扰及本波道的收、发干扰等要有足够的抑制能力，这就是收信机的选择性。（6）收信机的最大增益天线收到的微波信号经馈线和分路系统到达收信机。由于受衰落的影响，收信机的输入电平在随时变动。（7）自动增益控制范围以自由空间传播条件下的收信电平为基准，当收信电平高于基准电平时，称为上衰落；低于基准电平时，称为下衰落。1.4卫星通信系统的