第十一章SATCOMACARS

第十一章卫星通信系统与通信寻址报告系统（ACARS）11.1.1卫星通信的定义卫星通信，是指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电信号，在两个或多个地球站之间进行的通信。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，包括地面地球站（GES）和飞机上的机载地球站（AES）。用于实现通信目的的这种人造卫星叫作通信卫星。如图11—1所示。卫星通信实际上就是利用通信卫星作为中继站的一种特殊的微波中继通信方式。图11—1卫星通信示意图同步卫星（静止卫星）:目前，绝大多数通信卫星是地球同步卫星（静止卫星）。这种卫星的运行轨道是赤道平面内的圆形轨道，距地面约36000km。它运行的方向与地球自转的方向相同，绕地球旋转一周的时间，即公转周期恰好是24h，和地球的自转周期相等，从地球上看去，如同静止一般，故叫静止卫星。静止卫星并不是说卫星真的静止不动，而是与地球同步运行，故又叫同步卫星。由静止卫星作中继站组成的通信系统称为静止卫星通信系统或称同步卫星通信系统。图11—2是静止卫星与地球相对位置的示意图。从卫星向地球引两条切线，切线夹角为17.34度。两切点间弧线距离为18101km。可见在这个卫星电波波束覆盖区的地球站均可通过该卫星来实现通信，这种波束称全球波束。若以120度的等间隔在静止、轨道上配置三颗卫星，则地球表面除了两极区未被卫星波束覆盖外，其他区域均在覆盖范围之内.由此可见，只要用三颗等间隔配置的静止卫星上的全球波束覆盖就可以实现全球通信，这一特点是任何其他通信方式所不具备的。静止卫星所处的位置分别在太平洋、印度洋和大西洋上空。半球波束、区域波束、国内波束、点波束:除了上述能覆盖1／3地球表面的全球波束（又叫覆球波束）之外，对于固定卫星业务和陆地卫星业务，事实上只要保证覆盖陆地即可，没有必要覆盖海洋。对于区域通信或国内通信，也只要求卫星能覆盖特定地区。因此，可以根据特定业务的需要来设计卫星天线，因而出现了半球波束、区域波束、国内波束、点波束以及形形色色的覆盖特定区域的成形波束，如图11—3所示。这样的波束较全球波束窄，可以提高卫星的有效辐射功率，因而增加系统容量。图11—3几种常见波束覆盖区域示意图11.1.2卫星通信系统的分类（1）按卫星通信范围分为：全球卫星通信系统、国际卫星通信系统、区域卫星通信系统和国内卫星通信系统。（2）按卫星处理能力可分为：星上处理通信系统和星上能量放大的转发通信系统（又称弯管型通信系统）。（3）按基带信号体制可分为：模拟制卫星通信系统和数字制卫星通信系统。数字制又分为窄带和宽带卫星通信系统。（4）按多址方式可分为：频分多址卫星通信系统、时分多址卫星通信系统、空分多址卫星通信系统、码分多址卫星通信系统和混合多址卫星通信系统。（5）按所用的频段可分为：特高频（UHF）卫星通信系统、超高频（SHF）卫星通信系统、极高频（毫米波）（EHF）卫星通信系统，或者分为C波段、Ku波段、Ka波段卫星通信系统，以及激光卫星通信系统。（6）按通信业务种类可分为：固定业务卫星通信系统、移动业务卫星通信系统、广播电视卫星通信系统、科学实验卫星通信系统和军事等卫星通信系统。11.1.3卫星通信的特点一、与其他通信手段相比的主要优点（1）通信距离远，且费用与通信距离无关。由图12—13可见，利用静止卫星，最大通信距离达18000Km左右。而且建站费用和运行费用不因通信站之间的距离远近及两站之间地面上的自然条件恶劣程度而变化。这在远距离通信上，比地面微波中继、电缆、光缆、短波通信等有明显的优势。除了国际通信外，在国内或区域通信中，尤其对边远的城市、农村和交通、经济不发达的地区，卫星通信是极其有效的现代通信手段。（2）覆盖面积大，可进行多址通信。许多其他类型的通信手段，通常只能实现点对点通信。例如地面微波中继线路只有干线或分支线路上的中继站方能参与通信，不在这条线上的点就无法利用它进行通信。而卫星通信由于是大面积覆盖，在卫星天线波束覆盖的整个区域内的任何一点都可设置地球站，这些地球站可共用一颗通信卫星来实现双边或多边通信，即进行多址通信。由于卫星覆盖区域很大，而且在这个范围内的地球站基本上不受地理条件或通信对象的限制，有一颗在轨道上的卫星，就相当于在全国铺设了可以通过任何一点的无形的电路，因此使通信线路具有很大的灵活性。（3）通信频带宽、传输容量大，适于多种业务传输。目前，卫星带宽可达GHz量级。一颗卫星的容量可达数千路以至上万路电话，并可传输高分辨力的照片和其他信息。（4）通信线路稳定可靠，通信质量高。卫星通信的电波主要是在大气层以外的宇宙空间传输，而宇宙空间是接近真空状态的，可看做是均匀介质，电波传播比较稳定。同时它不受地形、地物如丘陵、沙漠、丛林、沼泽地等自然条件影响，且不易受自然或人为干扰以及通信距离变化的影响，故通信稳定可靠，传输质量高。（5）通信电路灵活。地面微波通信要考虑地势情况，要避开高空遮挡，在高空中、海洋上都不能实现通信，而卫星通信解决了这个问题，具有较大的灵活性。（6）机动性好。卫星通信不仅能作为大型地球站之间的远距离通信干线，而且可以为车载、船载、地面小型机动终端以及个人终端提供移动通信，能够根据需要迅速建立同各个方向的通信联络，能在短时间内将通信网延伸至新的区域，或者使设施遭到破坏的地域迅速恢复通信。（7）可以自发自收进行监测。当收发端地球站处于同一覆盖区域内时，本站同样收到自己发出的信号，从而可以监视本站所发消息是否正确传输，以及传输质量的优劣。卫星通信具有上述这些突出的优点，从而获得了迅速的发展，成为强有力的现代化通信手段之一，应用范围极其广泛，不仅用于传输话音、电报、数据等，而且由于卫星所具有的广播特性，它也特别适用于广播电视节目的传送。二、静止卫星通信存在的某些不足（1）两极地区为通信盲区，高纬度地区通信效果不好。（2）卫星发射和控制技术比较复杂。接收天线的尺寸较大，设施昂贵，通信费用高。（3）存在日凌中断和星蚀现象。即每年春分和秋分前后数日，太阳、卫星和地球共处在一条直线上，当卫星处在太阳和地球之间时，地球站天线对准卫星的同时，也会对准太阳，这时因太阳干扰太强，每天有几分钟的通信中断。这种现象通常称为日凌中断。而当卫星进入地球阴影区时，造成了卫星的日蚀，称作星蚀。在星蚀期间，卫星靠蓄电池供电。由于卫星重量限制，星载电池除维持星体正常运转需要外，难以为各转发器提供充足的电源。（4）有较大的信号传播延迟和回波干扰。在静止卫星通信系统中，从地球站发射的信号经过卫星转发到另一地球站时，单程传播时间约为0.27s。进行双向通信时，一问一答往返传播延迟约为0.54s，通话时给人一种不自然的感觉。此外，如果不采取特殊措施，由于混合线圈不平衡等因素还会产生“回波干扰”，即发话者0.54s以后会听到反射回来自己的讲话回声，成为一种干扰。这是卫星通信的明显缺点。为了消除或抑制回波干扰，地球站要增设回波抵消或抑制设备。三、数字卫星通信的优点和主要技术（一）数字卫星通信的优点与模拟卫星通信相比，数字卫星通信具有如下主要优点：（1）多址联接能增大传输容量。卫星转发器的传输容量取决于发射机高功率放大器（HPA）的输出功率。在模拟调频方式中，采用频分多址（FDMA）方式，转发器同时放大多个载波，为了减小互调干扰，就必须降低放大器的输入和输出功率，因而传输容量必然小。在数字卫星通信方式中，一般采用时分多址（TDMA）方式，单载波工作不会产生互调干扰，HPA可工作在饱和区，所以传输容量就能加大。可更有效地利用空间段资源。卫星转发器功率效率高，空间段费用经济。（2）时分多址（TDMA）或中数据速率（IDR）载波系统可以与低速率编码（LRE）及数字话音内插（DSI）结合使用获得高增益电路倍增，从而大大提高了信道利用率和系统容量。（3）抗干扰能力强。当载波干扰比在20—30dB范围内时，数字系统即能提供优良的性能，而模拟FDM—FM系统往往要求高得多的载波干扰比。（4）和等效的模拟系统相比可改善端到端的质量和性能。便于进行纠错控制和加密。同时可改善设备可靠性且易于维护。（5）便于同综合业务数字网（ISDN）配合工作。由于数据、电话、传真、会议电视等各种业务迅速发展，地面通信网正向数字化发展。数字化后，各种信源信息都转换为统一的数字比特流。它与源信息是彩色电视或模拟话音还是数字数据无关。数字卫星通信可以容纳各种业务，而且可以和地面网连接。（6）便于提供新业务。随着数字技术、计算机和各种新器件的出现，产生了一些用模拟方法不能实现的新业务，如计算机通信、各种服务预定系统和银行数据转移等。（7）具有高度的灵活性，可适应话音业务和信息速率范围很广（如从64kb／S—44.736Mb／）泛的数据业务的需要。能够把传输速率不同的信号进行复接和多址连接。（8）利用数字通信技术后，“空中交换台”——具有很强信号处理能力的再生式卫星成为可行。另外，多波束星上交换工作也成为可能。（9）可以采用数字处理压缩频带，提高传输效率。还可以采用数字处理的回波抵消技术消除因静止卫星通信长时延造成的回波干扰。（10）传输质量几乎与距离及网络布局无关。在多跨距线路中，多段接续、信号再生和信号处理都不会降低数字信号的质量。而在模拟系统中，噪声是要积累的（在非再生式卫星系统中，上行线路噪声和下行线路噪声是相加的）。（二）数字卫星通信的主要技术包括数字卫星通信在内的各种数字通信系统虽然千差万别，但归纳起来，可用图11—4所示的典型数字通信系统模型来概括。图中不带阴影部分是基本的，即数字信号形成、调制与解调、同步系统、收发信机和信道。阴影部分则属于信号的处理和变换部分，其中包括：信源编码与解码、加密与解密、信道编码与解码、多路分解与合成、扩频与解扩、多址技术等。图中各部分的排列顺序是一种典型情况，但具体实现起来并非一定都按这一顺序安排，而且并非必须包括其中所有环节。图中虚线框内部分叫做调制解调器（MODEM），现把各部分的技术简述如下。1、数字信号形成数字信号形成主要用来把源信息，如文字或模拟信息变换成适应数字系统处理和传输的数字信号技术上包含字母编码、抽样、量化、脉冲编码调制。对于模拟信息（如话音），则先按照抽样定理抽样，抽样频率至少为信号上限频率的两倍。量化则是把模拟信号无限多可能的连续值用有限离散值来代替。这些有限的离散值通过脉冲编码调制变换成各种类型的PCM波形。2、信源编码与解码信源编解码的目的在于把所形成的数字信号在一定比特率下增加其信噪比，或者在一定信噪比下减少比特率。换句话说，即尽量减少信源的多余度，用最少的比特来传送信息，从而提高了传输的有效性。信源编码的基本方法有三类。一类是匹配编码，它是根据信源中各元素的出现概率不同，分别给予不同长短的代码，使代码长度与概率分布相匹配，代码的平均长度比较短，数码也就少了。另一类是变换编码，它是把信源从一种信号空间变换成另一种信号空间，然后对变换后的信号进行编码。例如预测变换，即把预测将发生的信号值与真实信号的误差信号进行编码。如果预测比较准确，预测误差越小，编成的码就越少，达到了压缩数码的目的。第三类为识别编码，它是对信源先进行识别，视其是什么文字或什么声音，然后把每种文字和声音编成不同的代码。发端向收端只发送代码，收端则根据代码恢复成标准的文字或声音。显然，这种方法可极大地压缩数码率。但因已失去了原来的文字或声音的特征，不同人写的字或不同人发的声音都恢复成同一个样了。3、加密与解密为了保证数字信号与所传信息的安全，防止无权用户干扰和窃密，一般应采取加密措施。数字信号比起模拟信号来易于加密，且效果也好。这是数字通信突出的优点之一。4、信道编码与解码数字信号在信道传输时，由于噪声、衰落以及人为干扰等，将会引起差错，信道编码的目的就是提高传输的抗干扰性。信道编码的一类基本方法是波形编码，或称为信号设计，它把原来的波形变换成新的较好的波形，以改善其检测性能。编码过程主要是使被编码信号具有更好的距离特性（即信号之间的差别性更大）。5、多路复用及多址联接技术多路复用和多址联接都是信道复用问题，目的是充分利用