8-卫星通信系统

2020/1/161现代通信网络张冬梅([e-mail])北京邮电大学计算机科学与技术学院2020/1/162卫星通信系统与网络(课件仅供北邮学生授课使用，禁止传播)课件仅供北邮学生授课使用，禁止传播2020/1/163主要内容卫星通信概述卫星的轨道与频带卫星通信技术卫星通信网络典型卫星通信系统课件仅供北邮学生授课使用，禁止传播2020/1/164卫星通信的概念卫星通信是利用卫星作为中继站，转发微波信号，实现两个或多个地球站间的通信课件仅供北邮学生授课使用，禁止传播2020/1/165卫星通信的发展背景与地位发展背景1965年4月，第一颗商用卫星升空，开始了卫星通信实用化的新时代；上世纪70-80年代，卫星通信系统达到了鼎盛时期；随着光纤通信和地面蜂窝移动通信系统的崛起。卫星通信受到了严重挑战目前地位空间与频谱是国家强盛的重要资源；是其他通信手段的扩展与补充；军事通信的主角（在综合天基信息网络中，卫星通信是实施作战指挥与控制信息传递的主通道）课件仅供北邮学生授课使用，禁止传播2020/1/166卫星通信相关术语地球站(EarthStation)——地球上负责接收来自卫星的信号的系统，主要由天线、低噪声放大器、下变频器和接收机等组成。天线尺寸一般2.4m-27m。上行链路(DownLink)——地球站到卫星的传输链路下行链路(UpLink)——卫星到地球站的传输链路转发器(Transponder)——卫星的电子器件，负责将上行链路信号转换为下行链路信号,由接收机、发射机和天线组成。课件仅供北邮学生授课使用，禁止传播2020/1/167卫星通信相关术语远地点(Apogee)—卫星椭圆轨道上距离地球最远处的点近地点(Perigee)—卫星椭圆轨道上距离地球最近处的点仰角(Elevation)—地球站天线瞄准卫星的仰角课件仅供北邮学生授课使用，禁止传播2020/1/168卫星通信相关术语点波束(SpotBeam)——点波束截面为圆形或椭圆形，覆盖地球表面的一定区域卫星覆盖区(Footprint)——卫星波束覆盖区域课件仅供北邮学生授课使用，禁止传播2020/1/169通信卫星分类按覆盖范围分类全球、区域、国家按业务类型分类固定业务卫星(Fixedservicesatellite,FSS)移动业务卫星(Mobileservicesatellite,MSS)宽带业务卫星(Broadcastservicesatellite,BSS)气象业务卫星无线电导航业务卫星、无线电定位业务卫星按使用方式分商用、军用、业余爱好者、实验课件仅供北邮学生授课使用，禁止传播2020/1/1610卫星通信的发展历史(1945年以前-理论阶段)1609-1619Kepler的关于行星运动的观点1926美国人R.H.Goddard第一次发射液体助推火箭1927第一次横穿大西洋的无线通信实验1942德国第一次成功发射V-2火箭1945，英国科学家ArthurClarke发表论文“地球外的中继”,提出利用地球同步卫星实现全球通信（GEO）2020/1/1611V2Rocket课件仅供北邮学生授课使用，禁止传播2020/1/1612卫星通信的发展历史(1950-1965实验阶段)1957前苏联发射第一颗人造卫星(SputnikLEO)1958第一颗美国广播试验卫星发射(SCORE)，进行磁带录音信号的传输，利用卫星实现了语音通信(LEO)1960第一颗无源通信卫星发射(LargeballoonsEchoIandII)1962第一颗非政府的主动通信卫星发射（TelstarI,MEO）,实现了横跨大西洋的电话、电视、传真和数据的传输，奠定了商用卫星通信的技术基础1963第一次发射卫星进入地球同步轨道SyncomI1964国际电信卫星组织建立(INTELSAT)1965第一颗商用通信卫星发射进入地球同步轨道(INTELSAT1)课件仅供北邮学生授课使用，禁止传播2020/1/1613卫星通信的发展历史(1950-1965实验阶段)1957前苏联发射第一颗人造卫星(SputnikLEO)1958第一颗美国广播试验卫星发射(SCORE)，进行磁带录音信号的传输，利用卫星实现了语音通信(LEO)1960第一颗无源通信卫星发射(LargeballoonsEchoIandII)1962第一颗非政府的主动通信卫星发射（TelestarI,MEO）,实现了横跨大西洋的电话、电视、传真和数据的传输，奠定了商用卫星通信的技术基础1963第一次发射卫星进入地球同步轨道SyncomI1964国际电信卫星组织建立(INTELSAT)1965第一颗商用通信卫星发射进入地球同步轨道(INTELSAT1)至此，经过通信卫星的试验，使卫星通信的实用价值得到了广泛的承认2020/1/1614Sputnik-I2020/1/1615Explorer-I2020/1/1616ECHOI2020/1/1617TelstarI2020/1/1618IntelsatIHubbleSpaceTelescope哈勃太空望遠鏡LinkNOAAPolarOrbitingWeatherSatellite氣象衛星(風雲系列)GlobalPositioningSystem(GPS)全球定位系統ESAGalileoSatellite&OrbitSystem伽利略全球衛星導航系統课件仅供北邮学生授课使用，禁止传播2020/1/1623卫星通信的发展历史(1970-1990同步卫星应用)1972前苏联发射第一颗人造卫星(SputnikLEO)1975第一颗美国广播试验卫星发射(SCORE)，进行磁带录音信号的传输，利用卫星实现了语音通信(LEO)1977第一颗无源通信卫星发射(LargeballoonsEchoIandII)1979国际移动卫星组织建立(Inmarsat)课件仅供北邮学生授课使用，禁止传播2020/1/1624我国的卫星通信发展1970我国成功发射了第一颗卫星；1984我国成功发射第一颗试验用“同步通信卫星”STW-1（即东方红二号）；1986我国用长征3号火箭成功发射第二颗“实验通信卫星”STW-2；1988我国用长征3号火箭发射成功第一颗“实用通信卫星”；1988.12发射了“东二甲－2”卫星，说明我国的卫星通信技术已经迈入国际领先领域2007.10发射了“嫦娥－号”卫星2010.10发射了“嫦娥二号”卫星课件仅供北邮学生授课使用，禁止传播2020/1/1625我国第一颗卫星1970年4月24日发射的第一颗人造地球卫星。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”乐曲课件仅供北邮学生授课使用，禁止传播2020/1/1626东方红三号东方红三号卫星外形：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TheChineseGPSsystem(Beidou)北斗導航定位衛星Chang’E–1「嫦娥1號」衞星Mass重量83kg.Orbit軌道Elliptic橢圓形Inclination仰角65.1oEccentricity偏心率0.05201Apogee遠地點939kmPerigee近地點215kmPeriod周期96min.12sec.Duration壽命92daysAntenna天線４setsLink课件仅供北邮学生授课使用，禁止传播2020/1/1629卫星通信的优、缺点卫星的优点通信距离远,通信成本和距离关系小广播方式通信,可以进行多址连接对地球拓扑不敏感通信频带宽、容量大课件仅供北邮学生授课使用，禁止传播2020/1/1630卫星的缺点初装成本高GEO系统传输时延较大环境干扰问题卫星姿态控制问题需要许可证课件仅供北邮学生授课使用，禁止传播2020/1/1631卫星的应用典型应用领域国际电信业务：越洋电话、传真、数据业务国内电信业务：国内电话、传真、数据等业务广播电视/多媒体直播：以数字或模拟方式进行电视节目广播、转播和直播专网业务：用VSAT为行业、企业等提供语音、数据和图像业务卫星移动业务：低轨卫星系统提供的移动通信等业务课件仅供北邮学生授课使用，禁止传播2020/1/1632卫星的应用基本应用环境陆地设备无法到达的远程通信点对多点通信典型系统铱星系统(Iridium)国际海事卫星系统(Inmarsat)全球星系统(Globalstar)等课件仅供北邮学生授课使用，禁止传播2020/1/1633主要内容卫星通信概述卫星的轨道与频带卫星通信系统概述典型卫星通信系统卫星互联网技术课件仅供北邮学生授课使用，禁止传播2020/1/1634卫星的轨道按轨道形状划分圆轨道椭圆轨道按环绕平面划分赤道轨道极地轨道倾斜轨道inclinationddsatelliteorbitperigeeplaneofsatelliteorbitequatorialplane课件仅供北邮学生授课使用，禁止传播2020/1/1635按卫星运行高度同步轨道(GEO)中地轨道(MEO)低地轨道(LEO)earthkm35768100001000LEO(Globalstar,Irdium)HEO范艾伦辐射带MEO(ICO)GEO(Inmarsat)课件仅供北邮学生授课使用，禁止传播2020/1/1636范艾伦辐射带环绕地球的高能粒子辐射带分为内外两层：20世纪初，挪威空间物理学家斯托默从理论上证明在地球周围存在带点粒子捕获区1958年美国物理学家范艾伦利用卫星上的盖革计数器探测并证实了辐射带的存在课件仅供北邮学生授课使用，禁止传播2020/1/1637地球同步卫星(GEO)是使用最普遍的卫星工作方式地面之上35863km的圆形轨道在赤道所在平面上旋转(inclination0º)与地球一样的角速度旋转，并保持在赤道上空的同一个点上课件仅供北邮学生授课使用，禁止传播2020/1/1638地球同步卫星(GEO)优点相对地球位置固定，无多普勒效应地面站跟踪卫星简单三颗卫星基本覆盖全球存在的问题信号衰减大高纬度地区服务质量差(纬度60%以上信号覆盖不好)传输延迟大(275ms)频率重用困难应用多用于无线和电视信号传输不适合要求全球覆盖的移动电话通信典型系统Inmarsat课件仅供北邮学生授课使用，禁止传播2020/1/1639LEO轨道高度500-1500km小脚印，更好的频率重用传输延迟小(5-10ms)能够实现全球无线信号覆盖，但需要的卫星数量多通常包括多个卫星轨道平面，每个平面上有多颗卫星卫星之间可能存在星际链路较频繁的卫星之间的切换卫星相对于地球站移动，系统复杂Iridium1998年开始建设66颗卫星Globalstar1999年开始建设48颗卫星用户数量有限课件仅供北邮学生授课使用，禁止传播2020/1/1640MEO轨道高度5000-12000km与LEO比较移动速度慢卫星数量少系统较简单切换较少传输延迟高(70-80ms)更大的发射频率ICOInmarsat2000年开始建设课件仅供北邮学生授课使用，禁止传播2020/1/1641不同轨道系统的性能比较项目低轨道中轨道高轨道轨道高度700～1200km8000～13000k