第1章卫星通信系统概述
微波与卫星通信概述
第一章微波与卫星通信概述主要讲述的内容：①微波与卫星通信的基本概念与特点；②微波通信系统的组成、移动通信系统的组成、卫星通信系统的组成；1.1微波与卫星通信的基本概念与特点1.2长途微波通信系统的组成1.3移动通信系统的组成1.4卫星通信系统的组成1.1 微波与卫星通信的基本概念与特点1.1.1 微波与卫星通信1．微波与卫星通信共同点：微波与卫星通信的工作频率都是属于微波频率，微波是指频率为300MHz至300GHz的电磁波。
不同点：微波通信，是指用微波频率作载波携带信息，通过无线电波空间进行中继（接力）通信的方式。
常见的典型地面微波通信系统包括长途微波通信系统和移动通信系统。
卫星通信，是指利用人造地球卫星作为中继站，转发或反射无线电波，在两个或多个地球站之间进行的通信。
实际上，卫星通信可以看作是利用微波频率、把通信卫星作为中继站而进行的一种特殊的微波中继通信。
2．长途微波通信的特点①微波：②多路③接力数字通信的缺点：数字微波要求传输信道带宽较宽，因而产生了频率选择性衰落。
3、移动无线通信的特点移动通信是指通信双方或至少一方在运动状态中进行信息传递的通信方式。
(1) 电波传播环境极恶劣由于移动台处于运动状态之中，无线电的多径传输会造成接收信号瑞利衰落，使所接收场强的幅度和相位呈现快速变化的现象。
另外移动台的通信质量还会受到地理环境的影响。
(2)移动台受到多种干扰影响和噪声影响(3)应采用动态范围大的移动接收设备(4)频谱资源非常珍贵(5)组网技术复杂4、卫星通信的特点(1) 静止卫星通信的优点①通信距离远，且费用与通信距离无关②覆盖面积大，可进行多址通信③通信频带宽，传输容量大④信号传输质量高、通信线路稳定可靠⑤建立通信电路灵活、机动性好(2) 静止卫星通信的缺点①静止卫星的发射与控制技术比较复杂②地球的两极地区为通信盲区，而且地球的高纬度地区通信效果不好③存在星蚀和日凌中断现象：注意各自的特点④有较大的信号传输时延和回波干扰假定地球站与卫星间的通信距离为40000km，发端地球站信号经卫星转发到收端地球站（信号一上、一下），单程传输时间约为0.27s，当进行双方通信（一问一答）时，就是0.54s。
第一章 卫星系统概述(2011版)
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。
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(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。
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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
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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
卫星通信系统概述-文档资料
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1.4 卫星通信的特点
卫星移动通信和地面移动通信的关系： 卫星移动通信系统能扩大地面移动通信的地理
和业务覆盖范围，除提供常规的移动通信业务 外，还可向空中、海面和复杂地理结构的地面 区域的各类移动用户提供服务。 从应用来讲，地面移动通信网主要集中在高业 务量的应用环境，而卫星移动通信系统最适合 于低业务量地区、航海、航空及地面网欠发达 地区的应用环境，并且在地面网络过载或发生 故障时作为其迂回网络。
换言之，卫星通信是在地球站上，包
括地面、水面和大气层中的无线电通信站 之间，利用人造卫星作为中继站进行的通 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。
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1.1 卫星轨道
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，卫星运动 服从开普勒(Kepler)三大定律。
（8）现有卫星通信系统为适应新技术发展和系统对容量的 更大要求形成了新的演变方案，如Iridium系统将其运行 的卫星数目从66颗增加至96颗。
（9）天地网络不断融合。卫星通信与有线电视、宽带互联 网、移动互联网等融合。
（10）新技术广泛应用。如星上交换与处理、多波速天线等。
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附录：通信卫星的分类
300~3000吉赫(GHz)
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1.3 卫星通信的工根作据IE频EE段521-2002标准，L
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第1章 卫星通信概述11要点
当卫星运行轨道在赤道平面内，其高度约为35786km时，它的运行方向 与地球相同，且围绕地球公转周期与地球自转周期相等时(24h)，从地球上 去，卫星如同静止一般，则称为静止卫星(或同步卫星)。如图1-3所示。地球 表面除南、北两极是盲区外，其它区域均在卫星覆盖范围之内，而且部分区 域为两颗卫星波束的重叠地区，因此借助于在重叠区内地球站的中继（称之 为双跳），可以实现在不同卫星覆盖区域内的地球站之间的通信。例如，世 界卫星通信系统（INTELSAT，简称IS），其静止卫星分别处在太平洋、印 度洋和大西洋上空。它们构成的全球通信网承担着绝大部分的国际通信业务 和全部国际电视转播。我国的“东方红”卫星通信也是静止卫星通信。
卫星通信是空间通信形式之一。通常，以空间飞行器或通信转发体为对 象的无线电通信称为空间通信。它包括三种形式： （1）地球站与空间站之间的通信； （2）空间站之间的通信； （3）通过空间站的转发或反射进行地球站之间的通信。通常人们把这第 三种形式称为卫星通信。这里说的地球站是指设在地球表面（包括地面、海 洋或大气层）的通信站。而把用于现实通信目的的人造卫星称为通信卫星。
（3）电波的传播时延较大和存在回波干扰。 如静止卫星通信时，单程传输时间约为0.27s，双向通信时间0.54s。若通话会 给人一种不自然感觉。同时还会由于收、发话音的混合线圈不平衡等原因，产生回 波干扰，使发话者在0.54s以后，又听到了反馈回来的自己讲话的回音,造成干扰。 （4）卫星通信系统技术复杂。 对于静止卫星的制造、发射和测控需要先进的空间技术和电子技术。目前世界 上只有少数几个国家能自行研制和发射静止同步卫星。 （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。 总之，卫星通信有其优点，也存在一些缺点。不过这些缺点与优点相比是次要 的，而且有的缺点随着卫星通信技术的发展，已经得到或正在得到解决。比如，近 年来一些国家又开始研究利用多颗低轨道移动卫星组网，以实现全球范围内的通信 ，其中包括个人通信网。
卫星通信第1章
名词解释：1 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。
2 宇宙通信：以宇宙飞行体或通信转发体为对象的无线电通信称为宇宙通信。
3 摄动:对静止卫星来说,由于地球结构的不均匀和太阳,月亮的引力的影响等,将使卫星轨道参数随时变化,不断偏离出开卜勒法则确定的理想轨道,产生一定的漂移这种现象称为摄动.填空：1 宇宙通信包括三种形式：（1）（地球站）与（宇宙站）之间的通信，（2）（宇宙站）与（宇宙站）之间的通信，（3）通过宇宙站的（转发或反射）进行地球站之间的通信。
2 卫星通信系统通常由（通信卫星），（地球站）（跟踪遥测及指令系统）和（监控管理系统）等四大部分组成。
3 通信卫星主要由（天线分系统），（通信分系统），（遥测指令系统），（控制分系统）和（电源分系统）等五部分组成。
简答：1卫星通信与其它通信手段相比，具有哪些明显的特点？答：（1）通信距离远，且费用与通信距离无关；（2）覆盖面积大，可进行多址通信；（3）通信频带宽，传输容量大；（4）机动灵活；（5）通信线路稳定可靠，传输质量高。
2 简述卫星通信的基本工作原理。
答：首先，经市内通信线路送来的电话信号，在一个地球站的终端设备内进行多路复用，成为多路电话的基带信号，在调制器中对中频载波进行调制，然后经上变频器变换为微波频率f1的射频信号，再经功率放大器、双工器和天线发向卫星。
这一信号经过大气层和宇宙空间，信号强度将受到很大的衰减，并引入一定的噪声，最后到达卫星。
在卫星转发器中，首先将微波频率f1的上行信号经低噪声接收机进行放大，并变换为微波频率较低的下行频率f2的信号,再经功率放大，由天线发向收端地球站。
由卫星转发器发向地球站的载波频率f2的信号，同样要经过大气层和宇宙空间，也要受到很大的衰减，最后到达收端地球站。
由于卫星发射功率较小，天线增益较低，所以收端地球站必须用增益很高的天线和噪声非常低的接收机才能进行正常接收。
卫星通信简介ppt课件
卫星通信的特点
5、可以与接收无线电信号
通信分系统：接收、处理并重发信号。（转发器）
电源分系统：为卫星提供电能，包括太阳能电池、 蓄电池和配电设备。
跟踪遥测指令分系统：
跟踪部分用来为地球站跟踪卫星发送信标
遥测部分用来在星上测定并给地面的TTC站发 送的有关卫星姿态、星上各部件工作状态的数据
➢ 组网灵活，建设周期短（经济活跃时，优势明显） ➢ 非对称信道 ➢ 网状指挥、控制（司令部与单兵） ➢ 面向用户（更好地交互）
卫星通信的缺点
➢ 同步轨道卫星： 通信时延大 通信端站体积大 设备价格高 操作复杂
➢ 中、低轨道卫星： 系统复杂，使用费用高
➢ 政策、通信安全方面 ➢ 易受恶意干扰和攻击
1#站
信信 号号 设识 计别
2#站
信信 号号 设识 计别
3#站
一个无线电信号可以用若干个参量（指广义的参量，
下同）来表征，最基本的是：信号的射频频率，信号 出现的时间以及信号所处的空间
目前卫星通信系统主要多址
按 射
预分配
按需分配
随机接入
频 多
CDMA
CDMA
CDMA 码分多址
址
联 接
SDMA
SDMA
信息调制波频谱 扩频调制后频谱
fc-Rc
fc-Rd fc fc+Rd
频率 fc+Rc
扩频原理示意图
fc为中心频率 Rc为码速率 Rd为数据速率
码分多址方式（CDMA）
CDMA方式的优点是：具有较强的抗干扰能力；有 一定的保密能力；改变地十比较灵活。
缺点是：要占用很宽的频带，频带利用率一般较低； 要选择数量足够的可用地址码组较为困难；接收时，对 地址码的捕获与同步需有一定时间。CDMA方式特别适 用于军事卫星通信系统及小容量的系统。
卫星通信技术概要
的“闪电”号卫星及实现全球通信三颗同步卫星）
2、国内卫星通信系统——为本国提供卫星业务的系统 3、区域卫星通信系统——低轨卫星。（用于特殊服务，地质勘测，海洋勘探等）
二、按卫星业务分类 1、卫星固定业务：向现有的电话网（PSTN）和有线电视网（CATV） 提供卫星链路，用来传输语音信号和电视信号。
重叠区设置中继站，可实现全球通卫星通信。
第二阶段：实用阶段
1964年，美国人成功发射了“辛康姆”卫星——事件标志着卫星通信进入实 用阶段，标志性体现在：
1、成功的进行了电话和电视的传输试验。 2、向美国国内传播在日本东京举行的奥运会。 第三阶段：商用阶段
由于卫星通信带来的巨大经济效益。卫星通信商用化逐渐提上了议事日程。
E
E
1.2 卫星通信的发展史：
卫星通信发展主要经历了三个阶段：试验阶段、实用阶段和商用阶段。 第一阶段：试验阶段 1945年，英国军官阿瑟· 克拉克在《地球外的中继站》一文中提出了卫星 覆盖说→该学说在20年后得到了实现。
卫星覆盖说主要内容：
1、在赤道平面上空35786km处设置一颗卫星，可实现与地球同步。 同步概念：i）卫星的旋转方向与地球的自旋方向相同（自西向东） ii）同步卫星的轨道周期=地球自转周期=24恒星时=23小时56分04秒 2、从卫星向地球引两条切线，通过计算，两切点间的弧线距离为18100km。 ——单颗同步卫星可实现的最大距离为18100km 3、以120°等间隔的配置三颗同步卫星可实现全球通信。 4、通过在重叠区内建立中继站，可实现不同卫星覆盖区的地球站之间的通信。 结论：以太阳能为动力，通过在赤道平面上空等间隔的放置三颗同步卫星和在
INTELSAT (international telecommunication satellite consortium)
第1章 卫星通信系统概述
第一章卫星通信系统概述l1945年，英国的科幻小学作家阿瑟·C·克拉克在世界上首次提出了使用卫星进行远距离无线电能信和无线电广播的设想，这位作家在《无线电杂志》上发表了一篇文章，提出用火箭发射一颗人造卫星，绕地球转动，然后，地面上发送信号给卫星，通过卫星再传回地面。
l1957年10月4日，原苏联成功发射了人类历史上第一颗人造地球卫星。
l在人类已经发射的卫星中，通信卫星只占其中的一部分。
目前围绕地球飞行的卫星中，大多数是有带有各种传感器的观察卫星，如气象卫星、电子侦察卫星、成像侦察卫星、海洋监视卫星、预警卫星、核爆炸探测卫星、资源卫星、天文观测卫星；其他的是通信卫星或是广播通信卫星，如亚太卫星、中星5号等。
目前在轨道上运行的通信卫星有数百颗。
在80年代和90年代初承担了国际通信业务量的70%。
l1962年7月美国成功地发射了第一颗通信卫星Telestar，实验了横跨大西洋的电视和电话传输。
但是，Telestar并非在静止轨道上。
第一颗静止轨道卫星则是1963年2月美国发射的SYNCOM实验卫星，它成功地转播了1964年东京奥运会的实况，使全世界看到了卫星通信的优越性和实用价值。
l90年代初提出的各种通信卫星系统多至几十个，其中最著名的就是“铱”移动卫星通信系统和“全球星”系统。
这两个系统可以提供覆盖全球的移动电话业务。
在波黑执行任务的美军飞行员每人都配备了一部“铱”手机。
这些卫星通信系统除了广播业务以外，基本上都只能提供话音业务。
所以从97年以后，廉价的地面通信系统的发展如光纤通信系统、蜂窝移动通信系统的蓬勃发展，一下子大大压缩了卫星通信的市场，国内国际的骨干网通信负荷的80%以上改由光纤网络承担。
获得技术上巨大成功的“铱”移动卫星通信系统也惨遭倒闭。
但是新的曙光出现了：军事通信的巨大需求和民用宽带卫星市场的急剧扩大。
l纳卫星(NanoSat)的概念最早是由美国航空航天公司(Aerospace)于1993年在一份研究报告中首次提出的,它带来了小卫星设计思想上的根本变革.纳卫星和皮卫星(PicoSat)是以微机电系统(MEMS)技术和由数个MEMS组成的专用集成微型仪器(ASIM)为基础的一种全新概念的卫星,它基于微电子技术、微机电技术、微光电技术等微纳米技术而发展的，纳卫星体现了航天器微小化的发展趋势。
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三、卫星通信的业务类型
ITU (International Telecommunication Union)定义三种 业务类型： 固定卫星业务FSS (Fixed satellite service) 移动卫星业务MSS (Mobile satellite service) 广播卫星业务BSS (Broadcasting satellite service)
• Timothy Pratt, Charles Bostian and Jeremy Allnutt. Satellite Communications. New York: John Wily and Sons, Inc., 2003 （电子工业出版社）
• 张乃通等，《卫星移动通信系统》(第2版）， 北京：电子工业出版社，2000
课程成绩计算
• 平时成绩：30％（半期考试和作业各占15％） • 期末考试：70％
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、明线 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 卫星通信是个人通信网的组成部分，是
地面通信网的补充。
卫星通信的概念
四、频率分配
卫星通信的频率窗口：大气对不同频率电波传播的吸收损 耗差异很大，形成星－地传输的频率窗口。吸收损耗在22 和60GHz有峰值。 卫星通信频段：目前常用频段有L，S，C，X，Ku，Ka。
L频段：1～2GHZ，一般记为1.6/1.5G(上行/ 下行) ，用于MSS，GEO卫星测控。 S频段：2～4GHz，用于MSS，GEO卫星测控。 C频段：4～7GHz，用于FSS和MSS的馈电链路。 Ku频段：12～18GHz，用于FSS，BSS。 Ka频段：20～40GHz, 用于FSS，MSS。 此外，VHF、UHF用于低轨小卫星通信。 VHF频段：0.1~0.3GHz，用于移动、导航业务 UHF频段：0.3~1.0GHz，用于移动、导航业务 更高频段 Q频段：36.0~46.0GHz， V频段：46.0~56.0GHz
大气吸收附加损耗与频率的关系
五、卫星通信的特点
服务范围宽：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～30GHz(Ka波段) 。目前 已开始开发 Q、V 波段(40～50GHz) 。 网络路由简捷：旁路复杂的地面“网络云” 。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。
• 卫星覆盖区域广，可以较经济地为 地面蜂窝网覆盖范围以外的用户--“唯星用户”提供移动通信业务
• Erich Lutz, Markus Werner and Axel Jahn. Satellite Systems for Personal and Broad Communications. Berlin: Springer-Verlag, 2000
第一章 卫星通信系统概述
一、卫星轨道 二、卫星通信系统的组成 三、卫星通信的业务类型 四、频率分配 五、卫星通信的特点 六、卫星通信的发展历史 七、通信卫星的分类 八、卫星通信的研究动态 九、卫星通信的应用
卫星轨道摄动
地球形状不规则 大气阻力 太阳和月球引力 (1) 地球非球形引起的摄动，表现为：
卫星的轨道面绕地轴缓慢转动 近地点位置变化
（2）大气阻力的影响
卫星轨道的远地点降低，长轴缩短，即运行周期缩短 偏心率减小，轨道愈变愈圆
二、卫星通信系统的组成
空间段 主要是卫星本身。星体包括两大子系统：星载 设备和卫星母体。 地面段 典型的地面段即地球站，包括地面卫星控制中 心（SCC, Satellite control center）及其跟踪、 遥测和指令站（TT&C, Tracking, telemetry and command station）。 用户段：各种用户终端
卫星通信在中国的特殊地位
• 幅员辽阔 • 人口众多 • 地区发展不平衡 • 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
• 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和 补充，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的人群
一、卫星轨道
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，卫星运动服从开 普勒三大定律。 开普勒定律 开普勒第一定律：卫星以地心为一个焦点做椭 圆运动。其轨道平面的极坐标为：
r P
1 e cos
e
1
b a
2
P a(1 e2 )
图1 椭圆轨道的示意图
开普勒第二定律：卫星与地心的连线在相同时 间内扫过的面积相等。
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
• 朱立东等，《卫星通信导论》（第3版），北 京：电子工业出版社，2009年11月第1次印刷 （卫星通信课程教材）
• Dennis Roddy. Satellite Communications. The McGraw-Hill Companies, inc., 2002 （清华大学 出版社）
V u(2 1) ra
(km/s)
V为卫星在轨道上的瞬时速度。其中a为椭圆轨道的半
长轴，r为卫星到地心的距离。u为开普勒常数，u值为
398601.58*109m3/s2
开普勒第三定律：卫星运转周期的平方与轨道 半长轴的3次方成正比。
Ts 2
a3 u
u为开普勒常数，u值为398601.58 109m3/s2。
课程概况
课程简介
课程名称：卫星通信
课程学时：32
周学时：4
课程性质：专业选修
课程目的 本课程是为通信工程、计算机通信、无线电技术等专业 高年级学生开设的一门专业课，其目的是使学生掌握卫 星通信系统的组成、原理和技术的基础知识。 课程特点 讲述卫星通信的基础知识，侧重于基本概念和原理，而 对于复杂的数学推导，则从略。