第一章 卫星系统概述2011版

1卫星通信的提出1945年，英国物理学家克拉克在《无线电世界》杂志上发表题为《地球以外的中继》的文章，预言人类能够利用在赤道上空同步轨道上运行的卫星实现远距离的通信。在一颗通信卫星天线的波束所覆盖的地域内，各个地球站之间都可以通过卫星中继转发信号，实现通信。例如，当某地的地球站要和另一地区的地球站通信时，该站将无线电信号发射给卫星，卫星将收到的信号进行放大、频率变换等处理后再转发给另一地球站，于是就建立起该站和另一地球站之间的通信联系。2阿瑟·克拉克简介阿瑟·克拉克是英国著名科幻作家，同时也是一位著名的科学家，以及国际通讯卫星的奠基人。克拉克1917年生于英格兰西部的一个小城镇，1941年进入部队服役，从事与雷达有关的技术工作。在克拉克服役的最后一年—1945年，他在《世界无线电》杂志第10期上发表了一篇具有历史意义的关于卫星通信的科学设想论文《地球外的中继——卫星能给出全球范围的无线电覆盖吗？》，详细论述了卫星通信的可行性，为今后全球卫星通信奠定了理论基础。战争结束以后克拉克进入大学深造，攻读物理学和数学。自1950年起克拉克开始创作科幻作品。他以“太阳风”为题材的科幻作品《太阳帆船》曾引起美国国家宇航局的注意，并因此而关注这一领域的研究。60年代以后，这位科幻大师一直居住在岛国斯里兰卡。3克拉克是迄今为止最著名的太空题材科幻作家，他的作品主要讨论人类在宇宙中位置的主题，其《童年的终结》(1950)、《城市和星星》(1956)、《2001：太空探险》(1968)、《与拉玛相会》(1973)、《天堂的喷泉》(1980)等作品无不寓意深刻、脍炙人口。克拉克的作品以其出色的科学预见、东方式的神秘情调以及海明威式的硬汉笔法而著称，此外克拉克还善于运用哲学的方式，使作品具有一定的哲理性，给读者以思考。克拉克在其创作当中，还善于积累有关科学文化方面的经验，并以“定律”的方式加以总结，其中较有代表性的被称为“克拉克基本定律”，很值得我们借鉴。4定律一：如果一个年高德劭的杰出科学家说，某件事情是可能的，那他可能是正确的；但如果他说，某件事情是不可能的，那他也许是非常错误的。定律二：要发现某件事情是否可能的界限，唯一的途径是跨越这个界限，从不可能跑到可能中去。定律三：任何非常先进的技术，初看都与魔法无异。克拉克最为辉煌的成就当推《2001：太空探险》，这部史诗般的作品场面宏大、气势雄伟，展现出人类的过去、现在以及可能的未来，与另一位英国作家乔治·奥威尔的《1984》分享硬软科幻最佳作品的宝座。这部作品首先是以电影的形式展现给观众的，由著名导演斯坦利·库布里克执导。影片一经公映便引起巨大反响，使科幻电影在人们心目中的地位从“谁也看不起”一下提升到“谁也看不懂”，其中某些眩丽多彩的镜头成为电影史上的经典镜头。5一颗距地球表面36000km（距地心42000km）远的同步通信卫星，其天线波束覆盖地域（即对地面的视区）超过地球表面的42.4％，只需要把3颗相隔120°的同步卫星送上天，就可以实现除南北极之外的全球通信。卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电波，在两个或多个地球站之间进行的通信。它是宇宙通信形式之一。6静止卫星的轨道位置示意图地球的平均半径约为6378公里，静止卫星的轨道高度约为35786公里，轨道半径约为42,164公里。从静止卫星看地球，地球的角直径约为17.4度。7静止卫星的覆盖范围示意图8三条绿线分别对应东经105.5度卫星的0度、15度、及30度仰角服务区。图中的0度仰角服务区表明静止卫星只能覆盖到南北纬大约80度处，南北两极附近的高纬度地区并不在静止卫星的服务区内。由15度仰角服务区的经度覆盖范围大致有140度可知，只需轨位间隔约为120度的三颗静止卫星，就可以覆盖南北纬70度以下的绝大部分地球表面。91011卫星通信线路的组成12用户段手持终端掌上型终端车/舰/机载终端便携式终端固定终端系统的组成13卫星通信定义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信号，在两个或多个地球站之间进行的通信。这里地球站是指设在地球表面(包括地面、海洋和大气中)的无线电通信站。而用于实现通信目的的这种人造卫星叫作通信卫星。14我国卫星通信发展状况卫星通信在中国的特殊地位:1、幅员辽阔2、口众多3、地区发展不平衡4、中国有60％左右的地区是地面网盲区，如海洋、高山、沙漠和草原等，通信的困难甚至成为人们生存的障碍15我国卫星通信发展状况1970年4月24日21时35分，我国第一颗人造卫星“东方红”1号发射升空，21时48分进入预定轨道，21时50分传回了《东方红》乐曲,卫星运行轨道的近地点高度439km、远地点高度2384km、轨道平面与地球赤道平面的夹角68.5°、绕地球一圈114min、卫星质量173kg、用20.009MHz的频率向全世界播送《东方红》乐曲，东方红一号的成功发射标志着我国进入了太空时代。16我国卫星通信发展状况“东方红1号”人造卫星的发射成功，开了我国卫星通信事业的先河。1984年4月8日，我国成功地发射了第一颗试验同步通信卫星。1986年2月1日，我国第一颗实用同步通信卫星发射成功，取名为STW，又叫“东方红2号”，向全国传送15套广播节目。1988年3月7日、12月22日、1990年2月4日，我国又分别成功地发射了名为“东方红2号甲”的同步通信卫星。展望未来，到2000年，仅广播电视占用的卫星转发器就将超过30个，电视的人口覆盖率将从现在的84%提高到90%；大型国内地球站将增加到32个左右，国内长途卫星通信电路增加到几万条。卫星通信将和光纤通信、微波接力通信等通信手段一起，为我国社会主义建设事业的发展作出更大的贡献。17卫星通信的特点1、通信距离远。一颗同步通信卫星的无线电波束，可以覆盖地球表面积的42.4％。覆盖区内成千上万公里的距离，经卫星“一跳”可及，最远的通信距离可达13000Km。通信不受地理条件的限制（如山河海洋的阻隔），也不受自然灾害（如洪涝灾害、地震灾害等）和人为事件的影响。182、通信质量高。这首先是因为通常经过卫星一跳就可以把信息传送到对方，不像微波接力通信那样要经过众多的中继站而不可避免地引入噪声；其次，无线电波主要在外层空间传播，所受大气折射和地面反射影响较小，有较好的传播特性。193、覆盖面积大，可进行多址通信。许多其它类型的通信手段常常是只能实现点对点通信。而卫星通信，由于它是大面积覆盖，因而只要是在卫星天线波束的覆盖区域内都可设置地球站，共用同一颗卫星在这些地球站间进行双边或多边通信，或者说多址通信。204、通信频带宽、传输容量大。这是由于卫星通信通常都是使用300MHz以上的微波频段，因而可用频带宽。目前，卫星带宽已达到3000MHz以上，一颗卫星的通信容量已可达到30000路电话，并可同时传输3路彩色电视以及数据等其它信息。215、机动灵活。卫星通信不仅能作为大型固定地球站之间的远距离干线通信，而且可以在车载、船载、机载等移动地球站间进行通信，甚至还可以为个人终端提供通信服务。22卫星通信的不足卫星通信具有广播特性。一般来讲较易被窃听。因此必须采取密措施。保密主要从防窃听和信息加密两方面考虑。(1)防窃听。虽然卫星通信比有线通信较易被窃听，但采用先进的技术体制也能起到防止窃听的作用。例如利用卫星信道时延长的特点，采用跳频技术；利用卫星信道频带宽的特点，采用扩频技术；利用卫星天线有多种覆盖的特点，采用点波束天线，使卫星转信能量集中在某一特定工作地区。23(2)信息加密对于现代侦听技术来说，防窃听已不足以解决通信保密问题，即便是地下电缆、海缆通信，也不能有效地防止窃听。所以，通信保密的重点应是信息加密。现代数字通信及计算机技术为信息加密提供了技术条件。卫星通信信道稳定，不论距离远近均可直达通信，便于传输同步数字加密信息。所以，为保密起见，卫星通信可选用数字通信体制及数字加密技术。24卫星通信发展的回顾早在1945年10月，英国空军雷达军官阿瑟·克拉克在《无线电世界》发表了《地球外的中继站》一文。大约20年之后，这一设想变成现实。卫星通信的发展过程，大致经历了以下几个阶段:1、20世纪40年代提出构想及探索2、20世纪50年代进入试验阶段3、20世纪60年代中期卫星通信进入实用4、20世纪70年代初期卫星通信进入国内通信5、20世纪80年代VSAT问世6、20世纪90年代卫星通信进入个人通信阶段251、20世纪40年代提出构想及探索1945年10月，英国科学家阿瑟·克拉克发表文章，提出利用同步进行全球无线电通信的科学设想。最初利用月球反射进行探索试验以进行通信。但由于回波信号弱、时延长、提供通信时间短、带宽窄、失真大等缺点，因此没有发展前途。262、20世纪50年代进入试验阶段1957年10月，第一颗人造地球卫星上天后，卫星通信的试验很快就转人利用人造地球卫星试验阶段。主要试验项目是有源无源卫星试验和各种不同轨道卫星试验。试验证明：(1)无源卫星不可取。主要缺点是无源卫星要求地面大功率发射和高灵敏接收，通信质量差，不宜宽带通信，卫星反射体面积要大，且受流星撞击干扰，卫星只能是低轨道等。1964年后，无源卫星试验宣告终止。(2)通过对各种轨道高度的有源通信卫星的试验，证明了高空轨道特别是同步定点轨道对于远距离、大容量、高质量的通信最有利。所以，试验及试用逐步集中到同步定点卫星方面。273、20世纪60年代中期卫星通信进入实用美国于1961年7月10日成功地发射了第一颗商业通讯卫星“电星１号”。283、20世纪60年代中期卫星通信进入实用1965年4月，西方国家财团组成的“国际卫星通信组织”把第一代“国际通信卫星”(INTELSAT-1，简记为IS-1，原名“晨鸟”)射入静止同步轨道，正式承担国际通信业务。两周后，苏联也成功地发射了第一颗非同步通信卫星“闪电-1”，进入倾角为650、远地点为40000km、近地点为500km的准同步轨道(运行周期12小时)，对其北方、西伯利亚、中亚地区提供电视、广播、传真和一些电话业务。这标志着卫星通信开始进入实用阶段。293、20世纪60年代中期卫星通信进入实用1965年成立的国际通信卫星组织INTELSAT。相继发射了IS-1，IS-Ⅱ，IS-Ⅲ通信卫星。一些国家建成了一批地球站，初步构成了国际卫星通信网络，开拓了国际卫星通信业务。限于当时技术条件，地球站设备十分庞大，采用30m口径的大型天线、几千瓦速调管发射机、致冷参量放大器接收机，建设一座地球站耗资巨大。304、20世纪70年代初期卫星通信进入国内通信1972年加拿大首次发射了国内通信卫星“ANIK”，率先开展了国内卫星通信业务，取得了明显的规模经济效益。地球站开始采用21m、18m、10m等较小口径天线，用几百瓦级行波管发射机、常温参量放大器接收机，使地球站向小型化迈进一大步，成本也大为下降。此间还出现了海事卫星通信系统，通过大型岸上地球站转接，为海运船只提供了通信服务。315、20世纪80年代VSAT问世VSAT(VerySmallApertureTerminal)卫星通信系统问世，卫星通信进入了一个突破性的发展阶段。VSAT是集通信、电子、计算机技术于一体的、固态化、智能化的小型无人值守的地球站。一般C频段VSAT站的天线口径约3m，Ku频段为1.8m，1.2m或更小。可以把这种小站建在用户的楼顶上或就近地方直接为用户服务。VSAT技术的发展，为大量专业卫星通信网的发展创造了条件，开创了卫星通信应用发展的新局面。326、20世纪90年代卫星通信进入个人通信阶段1998年11月1日，第一个也是目前为止唯一一个全球个人卫星移动通信系统——铱（Iridium）开始商业运营33卫星通信的分类按照业务划分：固定卫星业务（FSS,FixedSatelliteService）广播卫星业务（BSS,BroadcastingSatelliteService）移动卫星业务（MSS,MobileSatelliteService）按照工作频段划分：L频段：1-2GHz，移动通信、