电子科大 卫星通信系统概述(课件)

1、卫星通信通向无缝覆盖全球移动通信系统之路陈智 副教授 通信抗干扰技术国家级重点实验室 2008.91关于我办公地址：电子通信大楼513房间电话：83208948Email：研究方向： 无线与移动通信技术、通信抗干扰技术 无线通信网络 通信信号处理担任课程： 卫星通信 移动通信系统 信息论导论2关于本课程本课程的学习目标l卫星通信系统的一些基本概念l卫星通信系统的一些基本特征l卫星通信系统的通信技术l卫星通信链路设计方法l卫星基本覆盖特性和星座设计的计算方法l卫星移动通信系统的网络特性和协议l卫星定位与导航系统的基本原理3关于考试开卷考试平时成绩（作业加点名）：30分考试成绩：70分4卫星通信通信：在两个或多个位置实现信息的传输 、接收和处理。有线通信：光纤、电缆。无线通信：短波/超短波通信、微波中继 通信、地面移动通信、卫星通信。5卫星通信卫星通信的概念卫星通信是指利用通信卫星转发器实现 地球站（或手持终端）之间、或者地球站 与航天器之间的无线通信。卫星通信是个人通信网的组成部分，是地 面通信网的补充。678第一章 卫星通信系统概述9第一章 卫星通信系统概述1.1 卫星通信的发展1.2

2、 卫星轨道1.3 系统的组成1.4 频率分配1.5 卫星通信的特点1.6 卫星通信系统的应用类型101.1卫星通信发展简史卫星通信之父 Arthus Clarke：1945年， Wireless World上发表论文地球外的中继卫星通信时代的开启： 1957年10月4日，前苏 联发射第一颗人造地球卫星SPUTNIK-I1958年1月31日，美国发射其第一颗卫星 Explorer-I，发现范 艾伦电磁辐射带1963年，美国发射第一颗静止轨道卫星Syncom -II第一批实用的通信卫星，美国的电星（Telstar ）系列111.1 卫星通信发展简史 续120世纪70年代，开始提供卫星广播业务20世纪80年代，开始提供海事卫星通信服务20世纪90年代，开始提供航空通信、陆地移 动通信和个人卫星通信服务 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121.2 卫星轨道开普勒定理假设地球是质量均匀分布的圆球体，忽略太 阳、月球和其它行星的引力作用，忽略大气 阻力，卫星运动服从开普勒三大定律。131.2 卫星轨道开普勒第一定理（160

3、2年）小物体（卫星）在围绕大物体（地球）运动 时的轨道是一个椭圆，并以大物体的质心作 为一个焦点 141.2 卫星轨道 续1开普勒第二定理（1605年） 小物体（卫星）在轨道上运动时，在相同的时 间内扫过的面积相同；其中：a是半长轴，开普勒常数 =3.9861105 km3/s2151.2 卫星轨道 续2开普勒第三定理（1618年） 小物体（卫星）的运动周期的平方与椭圆轨道 半长轴的立方成正比关系 161.2 卫星轨道 续3圆轨道卫星具有恒定的运动速度典型卫星通信系统的轨道高度、卫星速度和轨 道周期如下表卫星系统轨道高度 (km) 在轨速度 (km/s)轨道周期（时/分/秒 ）Intelsat (GEO)357863.074723/56/04.1 NewICO (MEO)103554.895405/59/01.0SkyBridge (LEO)14697.127201/55/17.8Iridium (LEO)7807.462401/40/27.0171.2 卫星轨道 续4从轨道形状进行分类l圆轨道： GEO，GSO，MEO，LEOl椭圆轨道 HEO181.2 卫星轨道 续5从轨道高度进行

4、分类l低地球轨轨道LEO：Low Earth Orbit，700 2000 kml中地球轨轨道MEO：Medium Earth Orbit， 10000 20000 kml同步轨轨道GSO：GeoSynchronous Orbit， 35786 kml静止轨轨道GEO：GEostationary Orbit， 35786 kml高椭圆轨椭圆轨 道HEO：Highly Elliptical Orbits ，最高点可达40000km 191.2 卫星轨道 续6内范伦带： 15005000 km 外范伦带: 1300020000km201.2 卫星轨道 续6211.2 卫星轨道 续7GEO/GSO的主要优势l 对地（球）位置相对固定l 几乎恒定的传输传输 延时时l 广阔的覆盖区域（单星覆盖面积约占地球表面1/3） GEO/GSO的主要缺点l 大的传输传输 延时时和衰减l 仰角随着纬度的增高而降低（GEO）l 不能覆盖极地地区（GEO）l 轨轨位资资源缺乏l 发发射费费用高221.2 卫星轨道 续8LEO的主要优势l 低传输传输 延时时和衰减（利于使用手持终终端）l 灵活的系统设计统设计l（单

5、单星）发发射费费用低 LEO的主要缺点l 对地的快速相对移动，大多普勒频频移l 单星覆盖面积小（因此需要几十到上百颗卫星实现 全球覆盖）l LEO星座的延时时抖动动大l LEO星座的管理复杂杂性高231.2 卫星轨道 续9MEO：GEO和LEO的折中l 单单星的中等覆盖面积积（需要几颗颗到十几颗颗 卫卫星实现实现 全球覆盖）l 中等的传输传输 延时时和衰减l 中等的对对地移动动速度（即中等的多普勒频频 移）l 中等的星座延时时抖动动l 中等的星座管理复杂杂度241.2 卫星轨道 续10HEO的主要优势l 高纬纬度地区的仰角大l 单单星覆盖范围围大l 对对地相对对运动动速度较较慢（在服 务时间务时间 内）HEO的主要缺点l 传输传输 延时时和衰减大l 穿越范艾伦带伦带 ，卫卫星寿命较较 短l 大的多普勒频移251.2 卫星轨道 续11从轨道倾角进行分类l 赤道轨轨道：零度倾倾角l 极轨轨道：90倾倾角l 倾倾斜轨轨道l 顺顺行（prograde）轨轨道：倾倾角在0到90 之间间 l 逆行（retrograde）轨轨道：倾倾角在90到 180之间间261.2 卫星轨道 续12271.2 卫

6、星轨道 续13卫星轨道摄动 l地球形状不规则规则l卫卫星的轨轨道面绕绕地轴缓轴缓 慢转动转动l近地点位置变变化l 大气阻力l卫卫星轨轨道的远远地点降低，长轴缩长轴缩 短，即 运行周期缩缩短l偏心率减小，轨轨道愈变变愈圆圆l 太阳和月球引力281.2 卫星轨道 续14卫星轨道控制 卫星姿态保持291.3 系统的组成星际链路ISL Inter-Satellite Link 网络控制中心NCC Network Control Center 卫星控制中心SCC/ SOCC Satellite (Operation) Control Center 用户信息管理系统CIMS Customer Information Management System 公用电话交换网PSTN Public Switched Telephone Network 公用地面移动网PLMN Public Land Mobile Network 301.3 系统的组成 续1空间段卫星 1）通信有效载荷l天线线分系统统l通信转发器l星上处理器 2）卫星公用舱l遥测和命令分系统l动动力分系统统l姿态态控制和助推分系统统l热热控分

7、系统统l结结构分系统统311.3 系统的组成 续2地面段 由3个主要的网络单元构成：l信关站Gateway, 也称为固定地球站（ FES）l网络络控制中心NCCl卫卫星（运行）控制中心SCC/SOCCl用户户信息管理系统统CIMS l跟踪、遥测测和命令（ TT&C ）站321.3 系统的组成 续3信关站天线 网络控制中心 韩国城南，地面中心331.3系统的组成 续4信关站 完成本地交换换服务务，是卫卫星网络络与已有 核心网络络（如PSTN和PLMN）的固定接 入点 包括信关站收发发子系统统（GTS）和信关 站配置控制子系统统（GSC）341.3系统的组成 续5网络控制中心NCC 1）网络管理功能l网络业务结络业务结 构管理l系统资统资 源管理和网络络同步l运行和维护维护 （OAM）功能l站内信令链链路管理l拥拥塞控制l用户终户终 端启动动支持 2）呼叫控制功能l公用信道信令功能l信关站选择选择 功能l信关站配置界定351.3系统的组成 续6卫星（运行）控制中心SCC/SOCC 1）卫星控制功能l生成并分发卫发卫 星星历历表l产产生并传输对卫传输对卫 星有效载载荷和公用舱舱的命 令l接受

8、并处处理遥测测命令l传输传输 波束指向调调整命令l 完成卫卫星距离校准 2）呼叫控制功能 361.3系统的组成 续7用户户信息管理系统统CIMS 负责维护信关站配置信息，完成系统记帐 和计费，实现详细通话记录371.3 系统的组成 续8用户段 手持终终端 掌上型终端 车/舰/机载终端 便携式终端 固定终端381.4 工作频段划分两个权威组织l 国际电联ITU International Telecommunication Unionl美国联邦通信委员会FCC Federal Communications Committee391.4 工作频段划分 续1ITU划分的频率区域划分 区域1：欧洲，非洲，前苏联地理区域，蒙古和西亚半岛 区域2：南北美洲和格陵兰岛 区域3：亚洲（除区域1部分），澳洲和西南太平洋401.4 工作频段划分 续2频段标识频率范围 (GHz)频段标识 0.1-0.3VHF 0.3-1.0UHF 1.0-2.0L 2.0-4.0S 4.0-8.0C 8.0-12.0X 12.0-18.0Ku 18.0-27.0K 27.0-40.0Ka 40.0-75.0V 75-110

9、W 110-300mm 300-3000m411.4 工作频段划分 续3421.4 工作频段划分 续4ITU无线组定义的无线通信服务频段（通用，未指定使用 区域）业务频段频率范围 (GHz)FSSC 上行：5.85-7.075； 下行：3.4- 4.2X 上行：7.90-8.4； 下行：7.25 -7.75Ku 上行：13.75-14.8； 下行：10.7 -11.7Ka 上行：28.0-30.0； 下行：17.7 -19.7BSSS 上行：2.65-2.69； 下行：2.5- 2.54Ku 上行：17.7-18.2； 下行：11.2 -12.2Ka 上行：24.75-25.25； 下行：21.4 -22.0MSSL 上行：1.626-1.66； 下行： 1.525-1.56L/S 上行：1.61-1.626； 下行： 2.483-2.5S 上行：2.67-2.69； 下行：2.5- 2.52431.5 卫星通信的特点服务范围宽，不受地理条件限制：一颗GEO卫星覆盖 全球表面的42 % ；中低轨星座系统可实现全球覆盖。可用频段宽：从150MHz(VHF频段)30GHz(Ka频段) 。目前已开始开发 Q、V 波段(4050GHz) 。网络路由简捷：旁路复杂的地面“网络云” ，适合跨国 公司专网。网络建设速度快、成本低：除建站外，无需地面施工 ，运行维护费用低。系统均匀服务，易引入新业务：统一的业务提供商， 利于系统为各地区提供均匀的服务。441.5 卫星通信的特点 续1卫星通信系统的定位由于卫星通信相对于地面通信网的综合造价 成本高，终端贵，因此，卫星通信的市场定位 应该是地面通信网的延伸、补充和备份，主要 服务于地面通信网不能覆盖的区域及有特殊通 信需求

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