卫星通信系统

卫星通信系统题目：卫星移动通信系统

学院：信息工程与自动化学院

姓名：张永明

学号：200710404207

班级：通信072班

指导教师：彭艺

摘要

随着信息社会化的快速发展与需求扩大，传统的地球静止轨道（GEO）卫星通信已不能满足市场要求。而随着卫星发射技术的进一步成熟和小型卫星技术的进展，利用非静止轨道（NGEO，它又可分为低轨道LEO，中轨道MEO和高轨道HEO等）卫星组网完成新的通信功能（如移动通信和大容量通信）已进入了人们的视野。正因为卫星移动通信系统（MSS）的市场与发展前景如此之诱人；近些年来一些全球性大公司都纷纷研究开发各类LEO／MEO／HEO ／GEO卫星移动通信系统。卫星移动通信系统通常又可分为区域性移动通信系统和全球性移动通信系统。区域性移动通信主要采用地球静止轨道移动通信卫星；如国际移动卫星组织（原国际海事卫星组织）的“国际移动卫星”系统（INMARSAT）。建立卫星移动通信系统可以覆盖区内的小型、低成本终端能通过卫星链路与其他用户进行通信，才是真正意义上的解决了通信网的全面覆盖问题。这种利用卫星移动通信系统来体统基本的通信业务的方法，经济见效快，对发展中国家具有普遍意义。

关键字

卫星移动通信技术特点自动跟踪系统工作原理 TDMA CDMA FDMA 一卫星移动通信系统的技术特点及难点

卫星移动通信是系统庞大、技术复杂的现代化通信系统，它的主要技术特点和难点是：（1）卫星天线的波束应能适应地面覆盖区域的变化并能保持指向，用户移动终端的天线必须能在移动中保持对卫星的指向，或者是全方向性天线。

（2）因为移动终端的EIRP值有限，对空间段的卫星转发器及星上天线都必须专门设计。

（3）工作频段的下限由适合于移动地球站的小口径天线所能达到的增益而定，上限则受到雨衰等因素制约，因此一般只能在200 MHz～10 GHz之间。

（4）多颗卫星构成的卫星星座，需要建立星间通信链路和星上处理、星上交换系统，也需要在地面建立具有交换和处理能力的关口站。

（5）卫星覆盖区域的大小与卫星轨道高度和卫星个数有关。

（6）采用GE0轨道需要的卫星个数少，但传播延时大，无法覆盖南北极地区；采用中、低轨道卫星传播延时小，损耗也小，手持终端容易实现，但卫星个数多，系统复杂。

（7）卫星移动通信最大特点是利用卫星通信的多址传输方式,为全球用户提供大跨度、大范围、远距离的漫游和机动、灵活的移动通信服务,是陆地蜂窝移动通信系统的扩展和延伸,在偏远的地区、山区、海岛、受灾区、远洋船只及远航飞机等通信方面更具独特的优越性。卫星移动通信系统,按所用轨道分,可分为静止轨道(GEO)和中轨道(MEO)、低轨道(LEO)卫星移动通信系统。GEO系统技术成熟、成本相对较低,目前可提供业务的GEO系统有INMARSAT系统、北美卫星移动系统MSAT、澳大利亚卫星移动通信系统Mobilesat系统;LEO系统具有传输时延短、路径损耗小、易实现全球覆盖及避开了静止轨道的拥挤等优点,目前典型的系统有Iridium、Globalstar、Teldest 等系统;MEO则兼有GEO、LEO两种系统的优缺点,典型的系统有Odyssey、AMSC、INMARSMT-P系统等。另外,还有区域性的卫星移动系统,如亚洲的AMPT、日本的N-STAR、巴西的ECO-8系统等。

二卫星移动通信系统的组成

卫星移动通信主要的两个组成部分分别是自动跟踪系统和卫星通信系统

1、自动跟踪系统：卫星自动跟踪系统是天线在载体运动时对准卫星的正确指向。

（1）天线系统：卫星天线的工作状态是三维运动的。采用卸载和储力减小天线传动时的负载惯量。因为各种运动力的影响，卫星的位置在不断地漂移，其姿态也在细微地改变，天线能减少指向误差。

（2）伺服系统：采用位置环或速度环控制方式，使用模拟硬件进步电路响应速度，减小伺服跟踪系统的动态滞后误差。

（3）数据处理：计算平台，对误差信号、载体的动态信号进行处理，计算出天线的控制信号。

（4）载体丈量：

上海卫星电视安装卫星移动通讯系统对运动载体与卫星的丈量提出极高的要求。

捷联式惯性导航系统丈量出载体的变化量，天线根据跟踪参数实时调整指向。捷联式惯性导航系统的主要设备是激光陀螺，激光陀螺是在光学干涉原理基础上发展起来的新型导航

仪器参对物体进行精确定位。

石英挠性摆式加速度计是由熔融石英制成的敏感元件，挠性摆式结构装有一个反馈放大器和一个温度传感器，用于丈量沿载体一个轴的线加速度。

2、卫星通讯系统：卫星通讯系统是将上行信号传输到卫星，卫星转发器传送下行信号到地面卫星接收系统；或单方向接收卫星信号设备。卫星电视双向传输的主要设备有：编/解码器、调制/解调器、上/下变频器、高功率放大器、双工器和低噪声放大器。

三卫星移动通讯系统工程原理

载体在运动过程中，因为姿态和地舆位置发生变化，会使卫星天线的指向偏离卫星，造成通讯间断。必需对载体的这些变化进行隔离，使天线始终对准卫星。这是天线不乱系统要解决的主要题目，也是移动载体进行不中断卫星通讯的条件。

位置的经度和纬度相对水平面的初始角。根据其姿态及地舆位置、卫星经度自动确定以水平面为基准的天线仰角，在保持仰角对水平面不变的条件下滚动方位，并以信号极大值方式自动对准卫星。

载体运动过程中，丈量出载体姿态的变化，通过数学平台的运算，变换为天线的误差角，通过伺服系统调整天线方位角、俯仰角、极化角，保证载体在变化过程中，天线对星在划定范围内，使卫星发射天线在载体运动中实时跟踪地球同步卫星。

跟踪方式有自动跟踪和惯导跟踪两种。自动跟踪是依赖卫星信标进行天线闭环伺服跟踪；惯导跟踪是利用陀螺导组合敏感载体的变化进行天线跟踪。这两种跟踪可根据现场情况自动切换。

当系统对星完毕转入自动跟踪后，以自动跟踪方式工作；同时，惯导系统也进入工作状态，并不断输出天线极化、方位和俯仰等数据。

当因为遮挡或其它原因引起天线信标信号间断时，系统自动切换到惯导跟踪方式。同时，利用提高前辈的卫星移动通讯系统传输广播电视信号，可完全达到现场转播效果。

载体可在20-100KM/H的行驶速度下通过卫星双向传送或接收卫星信号、电视信号，运动载体在运动过程中不中断进行卫星通讯。

四卫星移动通信目前采用的连接技术

目前,卫星移动通信主要采用TDMA和CDMA多址联接技术,不过CDMA技术被认为是更

有发展前途的技术,只是还处于试验开发阶段。WARC-92为卫星移动业务划分了频率,其中空到地链路84.2MHz带宽(1525-1530MHz、2170-2200MHz、2483.5-2500MHz、2500-2520MHz、1613.8-1626.5MHz),地到空链路66.5MHz带宽(1610-1626.5MHz、1980一2010MHz、2670-2690MHz)。由于卫星移动通信系统繁多,相互竞争十分激烈,许多系统要到21世纪才能商用,而且我国最需要卫星移动通信的地区,往往是不发达地区,作为陆地蜂窝移动通信市场潜力巨大,但涉及我国频率使用权益、通信主权、经营管理等诸多方面问题,目前不能操之过急。国家无线电委员会已对我国的“无线电频率划分表”进行修改,相信对卫星移动业务的使用频率的规划和分配会有所考虑。非对地静止卫星的使用,增加了卫星间协调的难度,不仅非静止卫星之间需要进行频率协调,非静止卫星与静止卫星之间、与地面无线电业务之间都需要频率协调。

五有关中、低轨卫星移动通信系统的技术5.1星座

运行于一定的轨道上，构成一个中、低轨卫星系统需要的所有卫星习惯上称为一个星座。卫星星座的轨道高度及星座配置是关系到卫星覆盖能力和通信质量的重要参数。

1、轨道高度（H）

就卫星在空间运行的轨道形状来说，有圆轨道和椭圆轨道之分。卫星轨道与地球赤道可以构成不同的夹角（称为倾角），倾角等于零的称为赤道轨道；倾角等于90°的称为极轨道：倾角在0°～90°之间的称为倾斜轨道。圆轨道又可分为三种：低轨道（LEO）500km ＜H＜2000km：中轨道（MEO）5000km＜H＜20000km：地球静止轨道（GEO）H＝35680km。

2、与H有关的参数

（1）最小仲角（αm）和单星覆盖面积。

在卫星移动通信系统中，由于移动用户的位置是随帆的，此时通信链路的多径效应严重程度完全取决于卫星仰角的高低。研究结果表明仲角小于20°时，卫星移动通信系统的特性完全与地面移动通信信道特性一样存在多径现象：当仰角在20°～40°之间时，其通信链路已基本不存在多径现象，仅有漫反射：如果仰角大于40°，信道质量会更好；如果仰角大于70°，则信道质量总是好的。由此可见卫星仰角的大小决定了通信链路的传输质量，但在一个卫星移动通信系统中，由于移动用户的位置不定，其对卫星的仰角也不可能完全一致。为了便于对不同卫星移动通信系统进行比较，我们引入了卫星最小仰角的概念。

最小仰角是在覆盖区内用户看到卫星的最坏情况时的仰角αm。一般讲H越高，αm越

大，单星的覆盖面积也越大。另一方面当H一定时，αm随卫星数目的增加而增加，即要维持一65αm，H越小，系统所需卫星数越多。星座的最少卫星数与H和αm呈函数关系，用单颗卫星所能覆盖的区域去除整个设计的服务区域即可获得最小卫星数。

（2）自由空间损耗

轨道高度（H）低时，由传输路径长度决定的自由空间损耗也较小。LEO的H仅是GEO 的1/20～1／80，所以其路径损耗通常比 GEO低数十dB。然而对于一定的卫星覆盖区，H 越小，覆盖区中心与边缘的自由空间衰减的一致性越差。

（3）信号传播延时

H越小，信号传播延时减小：LEO的传播延迟是5～35ms，MEO的传播延时是70～80ms，GEO的传播延时是250～ 270ms。

3、星座对地面的通信覆盖

在低轨卫星系统中的每颗卫星仅能观察 2.5％～5%的地球覆盖面，其中Iridium为2.53％，GlobalStar为5.08％：中轨卫星系统中的每颗卫星能观察23％～ 27%的地球覆盖面：同步轨道中每颗卫星能观察34%的地球覆盖面。

5.2通信体制

主要包括调制方式和多址方式。在中、低轨卫星移动通信系统中，大多采用PSK类调制，其优点是频谱利用率高，比较适合频率间隔密集的个人通信。缺声、是对相位干扰敏感，因此采用PSK调令］与纠错编码相结合的方案。该方案虽然频率利用率有所降低，误码率指标却可得到保证。

在中、低轨卫星个人通信系统中有大量用户入网工作，他们如何互不干扰地共用通信资源，要通过多址技术来解决问题。在一般卫星通信中采用的FDMA、TDMA、CDMA等多址技术原则上在中、低轨卫星移动通信系统中均可采用。从当前中、低轨卫星移动通信系统所采用的多址方式来看，在多址方面有两个趋势，一个趋势是较普遍地采用CDMA，例如Globalstar 等均采用CDMA技术。CDMA理论上允许用户随帆地访问卫星，抗干扰能力强一目前对使用CDMA 有两个有利条件：

1、Onalcomm公司的CDMA陆地数字蜂窝标准已被国际电联（IIU）推荐为国际陆地移动通信使用的一种标准体制：2）1610～1612.5MHZ（上行）和2483.5～2520MHz（下行）MSS和RDSS 频段中专门分出11.35MHz频宽（上行频段的低端，下行频段的低端）给CDMA用，其余的5.15MHZ频宽供FDMA/TDMA使用。以此来缓和CDMA和FDMA／TDMA支撑着之间的争论。第二

个趋势是混合使用两种多址技术。MF-TDMA（多频时分多址）：这种方法是FDMA与TDMA的结合，在这种多址方法中，转发器带宽先分成多个频率槽，每个频率槽再由多个地面终端时分共用。Iridium采用了这种多频时分多址技术，它将10.5MHz分成了3条3.15MHz的频率信道。每条信道中再采用帧长90ms的TDMA，每个帧可容纳生个50kb/S用户接入。该技术要求协同波束的利用（即接通和断开天线波束）；协调波束之间的频率管理：提供准确的时间同步。它是比较复杂的，它要求高度复杂的软件来到上述要求。

FDMA＋CDMA：在Globalstar系统中采用了该组合多址方式。在Globalstar系统中，16.5MHz的上行和下行带宽各分成13三条1.25MHz的CDMA信道，6个天线波束中都采用这种相同的划分方法。每条1.25MHZ信道根据卢、波束天线增益不同，可支持27～44个用产，结果每颗卫星的总容量为2808个全双工话音电路（传输速率为4.8kb／S，误码率为1×10-3，CDMA的设计完全类似于Oualcomm公司在陆地移动通信系统中所使用的多址方式。

5.3网络结构

中、低轨卫星系统能提供局部、区域和全球通信且有与之对应的网络结构。局部通信称为有限距离通信，一般为几十～几百km；区域通信指几个国家或一个洲的特定区域通信：全球通信指在世界范围内建立通信链路。由于卫星将依据轨道力学运动，地球站也将随地球表面运转，因此，中、低轨卫星通信系统的网络拓外结构是动态的。网络节卢、相互移动，有时还被地球阻挡，作为全球通信系统，通信的连通状态随时间而变化，通信线路也无法固定不变。因而往往采用自适应编路网络结构。

中、低轨卫星移动通信系统主要由三部分组成，即卫星、用户终端和关口站。这三部通过相应的链路接续起来，构成各种卫星移动通信网络。这些链路为：

1、用户链路：用户终端与卫星之间的链路，有的称为业务链路。

2、馈送链路：关口站与卫星之间的链路。其带宽一般为200MHz左右，通常工作在Ka 和C频段。

3、星间链路：空中卫星间的链路，也可称交叉键路。通过星间键路能实现更为有效的全球覆盖，信号传输延时短。为此，需采用星上处理，卫星较复杂，星间链路多采用Ka频段（上述几种卫星移动通信系统中只有“铱”系统计划有星间键路，工作在Ka频段）或光频段。

非实时通信即所谓存贮转发式传输，在这当中，信息从发方发出到收方收到需要有一定的延时，所以又能传输数据、消息、无线寻呼、电子邮件等。实行非实时通信的网络有两种：

（1）星上存贮。在这种网络结构中，当卫星处于发方可视范围时用户就向卫星发射包括目标用户地址的信令和信息数据，卫星先把数据信息存贮起来，待卫星飞抵收方可规范围后，再把信息发送下来，在海湾战争中，美海军陆战对曾使用Macsat（多址卫星）每天有10分钟用来将信息发回美国。

（2）在地面站存贮。用户把信息发给可视范围内的卫星，卫星将信息转发到一个地面站存贮起来，待有卫星既能覆盖这个地面站，又能覆盖终端用户或其附近地面站时，再通过该卫星转发信息。

5.4关口站

关口站用于卫星移动通信网与公共电话网和地面移动网之间的接口，它完成协议转换、流量控制、寻址、路由选择、分组的打包和拆包等功能。它也是卫星网到网管及卫星控制系统的接续点。有的关。站本身就有网络管理功能。

关口站通常使用高增益天线，而且要用几副天线接收几颗卫星信号。每个网使用的关口站数目很不相同，具有星上处理能力和星间链路的卫星移动通信网使用关口站较少，例如Iridium计划在全世界使用15～20个关口站。而采用“弯管式”转发器的卫星系统中，所有交换和转接均要通过关口站完成，所以关口站的数量较多，而且关口站的位置决定服务区的大小。

5.5用户手持终端

个人卫星通信的一个重要要求就是达到终端手持化，这当中手持终端的价格和重量因素涉及到个人卫星通信能否普遍使用的两个因素。全球星和铱系统均采用四相相移键控调制。2个系统均采用维特比泽码的卷积码格式的前向纠错码（FECC）。

参考文献

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[4] 王亮，张乃通 LEO网络中卫星切换的动态概率优化策略.通信学报，2002