卫星通信原理

The Principal of Satellite Communication

卫星通信原理

张珏10211155

电子信息工程学院

北京交通大学

摘要(Abstract)

交大没有笨学生只有懒学生

卫星通信简单地说就是地球上的无线电通信站间利用卫星作为中继而进行的通信。本论文将介绍直播卫星、卫星通信的原理、卫星通信系统等。近年来卫星通信新技术的发展层出不穷。卫星通信也是未来全球信息高速公路的重要组成部分，成为中国当代远距离通信的支柱。

关键字卫星通信系统多址联接直播卫星

一、前言（Introduction）

卫星通信简单地说就是地球上（包括地面和低层大气中）的无线电通信站间利用卫星作为中继而进行的通信。卫星通信系统由卫星和地球站两部分组成。卫星通信的特点是：通信范围大；只要在卫星发射的电波所覆盖的范围内，从任何两点之间都可进行通信；不易受陆地灾害的影响（可靠性高）；只要设置地球站电路即可开通（开通电路迅速）；同时可在多处接收，能经济地实现广播、多址通信（多址特点）；电路设置非常灵活，可随时分散过于集中的话务量；同一信道可用于不同方向或不同区间（多址联接）。

本文从以下结构来介绍卫星通信：第二部分讲述了现代卫星通信技术的背景以为卫星通信的优缺点；第三部分介绍了卫星通信的基本原理；第四部分介绍了卫星通信的基本概念；第五部分主要介绍了卫星通信系统的构成；第六部分介绍了卫星通信的特点和它所需要的关键技术；第七部分则介绍了有关直播卫星的相关知识；第八部分着重讲解了多址联接方式的内容；第九和第十部分总结了我国卫星通信的发展以及思考。

二、背景（Background）

近年来卫星通信新技术的发展层出不穷。例如甚小口径天线地球站（VSAT）系统，中低轨道的移动卫星通信系统等都受到了人们广泛的关注和应用。卫星通信也是未来全球信息高速公路的重要组成部分。它以其覆盖广、通信容量大。通信距离远、不受地理环境限制、质量优、经济效益高等优点，1972年在中国首次应用，并迅速发展，与光纤通信、数字微波

通信一起，成为中国当代远距离通信的支柱。

卫星通信由于它不受地理条件的限制，具有灵活的可移动性，所以仍依它的优势创新发展。但亦受到迅速发展的光纤通信的挑战，它比卫星通信的容量大，传输速率高，有很多越洋通信被海底光缆所替代，陆地干线亦有类似情况。20世纪90年代中后期卫星电视直播（DBs——Direct Broadcast Satellite或DTH——Direct To Home）、卫星声音广播、卫星移动通信以及卫星宽带多媒体通信成为新的四大发展潮流。

目前，全球绝大多数卫星通信系统都是采用GEO卫星作为整个系统的中继平台，这是由于采用GEO卫星来提供通信业务具有下列优点：

1、地球站天线易于保持对准卫星，不需要复杂的跟踪系统。

2、通信连续，不必频繁更换卫星。

3、多普勒频移可忽略。

4、对地面的通信覆盖区面积大，单颗对地静止轨道卫星可覆盖地球表面积的42．2％，便于实施广播和多址联接。

5、技术相对成熟．简单。

6、信道的绝大部分在自由空间中．工作稳定、通信质量高。

尤其是在20世纪80年代，因特网和地面移动通信的发展尚处于初期．主要的信息传输手段是公共交换电话网(PSTN)。但是PSTN只限于发达地区，提供全球通信的惟一手段是GEO卫星．利用三颗GEO卫星可以实现对南北纬70度以内区域的无缝覆盖．因此，全球建立了相当多的基于GEO卫星的通信系统。但这样的卫星通信系统存在以下问题：

1、向高纬度地区和特定地形内的用户提供通信业务比较困难。

2、传播时延较大．不能满足某些业务对实时性的要求。

3、由于需要大的功放和天线．终端小型化困难。

4、使用费用居高不下．大而贵的卫星通信终端主要用于其他通信手段无法经济解决的应用．

5、用户基数小，达不到规模效益。

6、卫星较大，制造和发射均很困难，风险较大。

7、轨道位置和轨道类型单一，卫星数较少．易受干扰，抗摧毁能力较弱．电磁兼容和轨道协调困难。

8、两极附近有盲区。有日凌中断和星蚀现象。

上述问题主要源自一个根源：即通信卫星位于赤道上空35786km的轨道。20世纪80年代末个人通信概念的提出．使得电信行业意识到必须要解决这个轨道问题引起的“传播距离远”问题，否则无法实现个人卫星通信。

三、基本原理（Principal）

卫星从用途上可以分为：资源探测卫星，气象卫星，军事卫星，通信卫星，直播卫星等。从理论上讲，如果在地球赤道上空相对于地球静止的卫星轨道上放置三颗间隔各１２０度的卫星，就可以实现全球通信或全球广播。

卫星电视传输是在卫星通信的基础上发展起来的，它是在地球赤道上空３５８００ｋｍ处静止卫星上，装载转发器和天线系统向地面转发广播电视信号，直接进行大面积广播电视覆盖的一项技术。它能覆盖区内的广大用户直接收看千百里之外乃至地球另一面广播电视节目。我国幅员辽阔，地形复杂，人口众多，而且分布又很不均匀，如果完全依赖传统的地面无线传输方式解决广播电视覆盖率是极其困难的。利用卫星传输广播和电视节目，作为一种提高广播电视人口覆盖率，改进传输质量的最有效、最经济、最先进的手段，在过去的十几

年里它得到了蓬勃的发展和广泛应用。

四、卫星通信的概念（Conception）

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。它是微波通信和航天技术基础上发展起来的一门新兴的无线通信技术，所使用的无线电波频率为微波频段（300MHz～300GHz，即波段1m～1mm）。这种利用人造地球卫星在地球站之间进行通信的通信系统，则称为卫星通信系统，而把用于实现通信目的的人造卫星称为通信卫星，其作用相当于离地面很高的中继站。因此，可以认为卫星通信是地面微波中继通信的继承和发展，是微波接力通向太空的延伸。

卫星通信具有以下特点：（1）通信距离远，且费用与通信距离无关；（2）通信范围大，只要卫星发射的波束覆盖进行的范围均可进行通信，可进行多址通信；（3）通信频带宽，传输容量大；（4）机动灵活，可用于车载、船载、机载等移动通信；（5）通信链路稳定可靠，传输质量高；（6）不易受陆地灾害影响；7）建设速度快；（8）电路和话务量可灵活调整；（9）同一信通可用于不同方向和不同区域。

同样，其局限性包括：（1）通信卫星使用寿命短；（2）存在日凌中断和星蚀现象；（3）电波的传输时延较大且存在回波干扰，天线受太阳噪声的影响。；（4）卫星通信系统技术复杂；（5）静止卫星通信在地球高纬度地区通信效果不好，并且两极地区为通信盲区。（6）由于两地球站向电磁波传播距离有72000Km，信号到达有延迟。(7) 10GHz以上频带受降雨雪的影响。

五、卫星通信系统(System)

卫星通信系统由卫星和地球站两部分组成。卫星在空中起中继站的作用，即把地球站发上来的电磁波放大后再返送回另一地球站。地球站则是卫星系统与地面公众网的接口，地面用户通过地球站出入卫星系统形成链路。由于静止卫星在赤道上空3600Km，它绕地球一周时间恰好与地球自转一周(23小时56分4秒)一致，从地面看上去如同静止不动一般。三颗相距120°的卫生就能覆盖正个赤道圆周。故卫星通信易于实现越洋和洲际通信。最适合卫星通信的频率是1～10GHz频段。为了满足越来越多的需求，已开始研究应用新的频如12GHz，14GHz，20GHz及30GHz。

中国尚无自建的国内商用卫星移动通信系统，现使用的或准备使用的都是外商建设的卫星移动通信系统，下面介绍几个目前我国使用的卫星通信系统：

1.国际移动卫星系统

国际移动卫星系统是由国际移动卫星组织倡导建立起来的一个全球卫星移动通信系统。该系统卫星已经历了三代,使用的都是对地静止轨道卫星。笫三代全系统由4颗静止轨道卫星组成,每颗卫星有1个全球波束和5个点波束，卫星采用透明转发器。它提供电话、传真、数据和多媒体等业务。它的用户终端有国际移动卫星－A、B/M、C、D/D＋、E、MiNi－M、M4及Aero航空系统，并将推出国际移动卫星－F。其中M4为最新的多媒体移动通信终端。中国几乎所有的远洋船舶都安装了该系统的卫星设备。

2.亚洲蜂窝卫星系统

亚洲蜂窝卫星系统是由亚洲蜂窝卫星公司建立起来的一个服务于亚洲地区的区域性卫星移动通信系统，可向手持机等用户终端提供话音、传真、数据和因特网等通信业务。卫星采用处理转发器和多波束天线，星上两副直径为12米的天线可产生多达140个覆盖亚洲地区的点波束。第一颗卫星（鹰－1）于2000年2月定点于东经123度。该系统自2000年9月投入商用后已拥有9000多用户。中国地区约占ACeS系统卫星服务区的1/3,是该系统最大的潜在市场。亚洲蜂窝卫星公司曾与中国多家卫星公司接触，商讨合作事宜。目前与中国通信广播卫星公司合作正在积极推进中。

3.全球星系统

全球星系统是由美国劳拉、高通等公司倡导发展的系统。它是由48颗低轨卫星组成的全球卫星移动通信系统。卫星采用透明转发器，多波束天线。它向用户提供话音、传真、数据和定位等业务。它的用户终端有单模手机、双模手机（全球星／GSM）、三模手机（全球星／AMPS／CDMA）、车载机和固定终端。

4.ICO系统

ICO系统是国际移动卫星组织倡导的卫星移动通信系统。它是由12颗中轨卫星（含两颗备用星）组成的全球卫星移动通信系统。星上采用处理转发器，多波束天线。它提供电话、传真、数据、寻呼和定位等业务。它的用户终端除双模手机外，还有车载、机载、船载等终端以及半固定和固定终端。中国通信广播卫星公司与交通部有关单位合作正在牵头组织参与经营ICO系统事宜。

5.轨道通信系统

轨道通信系统是由美国轨道科学公司和加拿大全球电信公司联合经营的系统。它是由36～48颗低轨卫星组成的全球卫星移动通信系统。卫星采用处理转发器，单波束天线。它向用户提供寻呼、传真、短数据和定位等业务。它的用户终端有手机、车载、机载、船载等移动终端以及半固定及固定终端。

六、特点以及关键技术（Characteristic And Technology）

(1)信道的传播特点：

移动通信的特点是“动中通”，这决定了其瞬时传播环境的不确定性，通信信号会遭受到许多因素的影响：

1、海平面．机身和地平面反射所引起的信号衰落。

2、树木．建筑物，电线杆．地形和地貌所引起的信号阴影效应或阻挡。

3、终端和卫星移动所引起的多普勒效应。

4、平流层效应(如降雨引起的衰耗)。

5、电离层效应(如电离层闪烁和法拉第旋转)。

由于周围环境和工作条件的不同，海事．航空和陆地卫星移动通信信道的传播特性是不同的。对于陆地卫星移动通信．移动站到卫星的通路可能会遭受到路边树木，电线杆、建筑物或地形的阻挡而造成接收信号中断．这通常与移动站当时所处的区域(如市区．郊区和农村等)有很大关系。移动站也会接收到周围环境反射产生的多径信号．多径衰落的严重程度与移动站当时所处的周围环境有很大关系。因此．需要考虑下列因素：

(1)由于建筑物和周围物体引起的阻挡效应。

(2)树木和叶子引起的阴影效应。

(3)主要由建筑物引起的多径效应。

对于海事卫星移动通信．移动站遭受的主要是海平面反射产生的多径信号，衰落特性主要决定于天线增益．仰角．海况(粗糙还是平滑)等。，

对于航空卫星移动通信，其传播条件要比海事和陆地系统好很多，问题主要是对于低增益天线在低仰角工作时会接收到机身、海平面或地平面反射产生的多径信号；另一个问题是由于飞机高速移动所产生的多普勒效应。当工作频率较高(如Ku，Ka频段)时还需考虑降雨损耗。

需特别指出的是．由于卫星到信关站和卫星到移动用户之间的链路具有很大的差异．以工作频率为例．卫星与移动用户之间通常采用VHF，UHF．L，S等波段，而卫星与信关站之间通常使用C，Ku，Ka等波段。因此，在卫星移动通信系统中，对于各条链路的定义和称呼与传统卫星通信系统中是不同的。在卫星移动通信系统中，定义移动站与卫星之间的链路叫用户链路．信关站与卫星之间的链路叫馈电链路；从信关站到移动站的链路叫前向链路，从移动站到信关站的链路叫反向链路。

(2)关键技术

(1)星座方案设计与优化。卫星星座对整个系统的造价影响极大，需要根据使用需求选择合适的轨道高度和星座方案，并进行优化设计．以达到最佳的性价比。

(2)多波束卫星通信天线。用于向覆盖区提供高的有效全向辐射功率《EIRP)，以满足大量低品质因子{G／T)值的移动站的需要。

(3)J抗衰落技术。如采用空间分集，频率分集、纠错技术．合适的调制解调方式等。

(4)网络管理与控制。由于由大量用户共享有限的卫星功率与频率资源．为获得对资源的有效利用，需要有一个高效而灵活的网络结构、信道申请与分配方式．与地面网络的接口等。

(5)射频技术。适应各类移动台结构要求的天线、高稳定度的频率源、高效率的功率放大器等。

(6)从系统总体看，须解决空问段与地面段相匹配的优化设计。

七、直播卫星（Direct Broadcast Satellite）

直播卫星是指用于直接广播的卫星。1963年，国际电联将卫星直接广播业务与卫星固定通信进行了区分，定义为从中心终端设备向相对较小尺寸的社区或家庭接收终端进行传输的卫星通信，主要特点就是“直播”，分为电视直接广播（简称电视直播）和声音直接广播（简称声音直播）。

1、卫星电视直播

卫星电视直播是卫星广播业务发展的主流。从1993年美国发射第一颗直播卫星至今，已有30多个国家和地区开展了卫星电视直播业务，卫星电视频道总数达到11700多个。我国于2008年6月9日在西昌卫星发射中心成功发射“中星9号”直播卫星，标志着中国正式进入了直播卫星时代。“中星9号”直播卫星定点于东经92.2°赤道上空，发射重量4.5吨，装载有22个Ku转发器，总功率约11KW，设计寿命15年。其下行波束采用单体成型的大波束，覆盖我国大陆及港澳台地区。波形采用圆极化，上行波束采用特殊赋形波束，有效的避免了各种干扰，特别是提高了抗恶意干扰能力。

2、卫星声音直播

比较典型的例子是世广集团（Worldspace）L频段的声音数字广播。世广集团公司使用两颗卫星AfriStar和AsiaStar进行数字声音广播。AfriStar和AsiaStar分别于1998年10月和2000年3月发射，定点于东经21°和东经105°。采用频率为1467-1492MHz。每颗卫星有三个波束，可传送80多个频道。此外，还有美国S频段的同步和非同步轨道的卫星声音广播，以及2004年1月韩国和日本联合发射的S频段的多媒体广播卫星，这些卫星特点是下行波束EIRP甚大，可直接向便携式个体接收机传送高质量的声音、数据和图像等多媒体信息。

八、多址联接方式（Multiple Access Methods）

多址联接的意思是同一个卫星转发器可以联接多个地球站，多址技术是根据信号的特征来分割信号和识别信号，信号通常具有频率、时间、空间等特征。卫星通信常用的多址联接方式有频分多址联接(FDMA)、时分多址联接(TDMA)、码分多址联接(CDMA)和空分多址联接(SDMA)，另外频率再用技术亦是一种多址方式。

在微波频带,整个通信卫星的工作频带约有500MHz宽度,为了便于放大和发射及减少变调干扰,一般在卫星上设置若干个转发器。每个转发器的工作频带宽度为36MHz或72MHz 目前的卫星通信多采用频分多址技术,不同的地球站占用不同的频率,即采用不同的载波。它对于点对点大容量的通信比较适合。近年来,已逐渐采用时分多址技术,即每一地球站占用同一频带,但占用不同的时隙,它比频分多址有一系列优点,如不会产生互调干扰,不需用上下变频把各地球站信号分开,适合数字通信,可根据业务量的变化按需分配,可采用数字话音插空

等新技术,使容量增加5倍。另一种多址技术使码分多址(CDMA),即不同的地球站占用同一频率和同一时间,但有不同的随机码来区分不同的地址。它采用了扩展频谱通信技术,具有抗干扰能力强,有较好的保密通信能力,可灵活调度话路等优点。其缺点使频谱利用率较低。它比较适合于容量小,分布广,有一定保密要求的系统使用。

九、中国卫星通信的发展以及思考（Development And Reflection）

目前国内公众卫星通信网的干线已有37个大型C波段地球站，运行着3万5千条双向电路（占国内长途电路的5~6‰），另有4个试验地球站和约30台移动卫星通信车载站工作在Ku波段。中国尚无自建的国内商用卫星移动通信系统，现使用的或准备使用的都是外商建设的卫星移动通信系统，包括国际移动卫星系统、亚洲蜂窝卫星（ACeS）系统、铱星系统、全球星系统、轨道通信系统和ICO系统等。

国际通信方面我国运营15座国际通信卫星地球站，开通了约1万3千条双向电路（占国际长途电路的26%）。中国通信广播卫星公司等具有国际点对点业务许可的单位开通了150~200条国际双向VSAT电路。公众通信约使用50个转发器。

我国广播电视卫星直播系统建成后要成功地进行商业化运作，其最重要的四条是：节目要丰富和多样化；个体用户可直接收看；用户接收质量好；接收设备和接收费用低。以上四条中，前二条与政府的政策有关，是影响卫星直播系统能否早日建成和成功地进行商业化运作的关键。为了推动直播卫星广播业务的发展，可在现有节目播出和接收管理体制的基础上，补充制定适合直播卫星广播业务发展的专项政策。

随着卫星通信技术的进步和卫星通信能力的提高，卫星通信应用范围愈来愈广泛，服务水平愈来愈提高。在当今地面通信飞速发展的情况下，卫星通信在发展市场中虽然遇到很大的困难和风险，甚至遭受重大挫折，但由于它的不可替代的特点决定了它仍要发展和应用。因此，从全局和长远来看，未来卫星通信的发展前景仍是光明而美好的。

各种卫星通信网与多种地面业务传输网应该进一步互连互通,成为地面业务传输网不可缺少的补充和延伸，并与地面通信网一起联合组成全球无缝隙覆盖的海陆空立体通信网。地面电信网、计算机网和有线电视网当继续往三网融合方向发展。自然，作为地面三网补充和延伸的卫星通信网也参与了融合。其步骤是不同性能和用途的卫星通信网先分别接入各种地面通信网发挥它们的作用，然后随着地面三网融合很自然地成为四网融合。宽带多媒体卫星通信将会有重大发展，将成为地面信息高速公路的一个重要组成部分。它将为正在到来的信息化社会提供各种服务。

十、总结（Conclusion）

可以预见，随着新技术的发展，如频谱扩展、数字无线接入、智能网络技术、光信息处理，以及新的发射工具和新的轨道技术的实现，将使卫星通信得到进一步的发展。同时，卫星通信作为全球信息化网络设施的重要组成部分，将对世界经济、社会、军事的发展产生重大的促进作用。

参考文献(References)

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