卫星通信概论(课件)
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卫星通信
主要内容
卫星通信的基本概念 卫星通信系统的分类 VSAT系统 移动卫星通信系统 几个主要的卫星通信系统
定义
卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站转发或反射无线电信号，在两 个或多个地球站之间进行的通信。卫星通信工作在微波频段。
A 地球 A E D B C 地球 R0
图2-1 VSAT实物图
图2-2 VSAT实物图
VSAT卫星通信
VSAT通信小站的数量 Comsys在1999年发布的VSAT研究报告指出，VSAT销售量 的增长，已经使许多大公司采用VSAT技术作为他们网络中 的核心部件。 1997年全球订购5.5万个星形TDMA VSAT终端 1998年为8万个 连续3年增长率超过27% 至1999年，全球共有50万VSAT终端
主要应用领域
海上、地面和空中的移动通信：
可以提供广域或全球覆盖的移动通信业务 成为UMTS的一部分
基于TCP/IP的internet业务
卫星通信的特点
通信距离远且建站费用与通信距离无关 地球站建设的费用不因两站之间距离远近、地面自然条件 而变化。除了国际通信以外，在国内通信中，尤其是边远 地区和陆地通信系统难以覆盖的地区，卫星通信是不可替 代的选择 通信频带宽，传输容量大，适用于多种业务 宽带数据业务、国际互联网业务、卫星电视业务、移动通 信业务 固定卫星系统通信质量高，通信线路稳定可靠 卫星和地球站的位置相对稳定，只有直射径，无多径干扰 和其他衰落。
主要内容
卫星通信的基本概念 卫星通信系统的分类 VSAT系统 移动卫星通信系统 几个主要的卫星通信系统
VSAT卫星通信
什么是VSAT卫星通信？ VSAT全称是Very Small Aperture Terminal，可以理解为小 站。它的特点就是一个小字。由于小站具有灵活、简单、 方便、成本低等特点，很多企业、政府部门把它作为系统 内的专用通信网。现在VSAT系统的传输速率较初期大为提 高，除了数据外，还传输各种多媒体信息。包括卫星电视 接收小站在内，VAST应用得越来越广泛。
卫星通信系统的组成
卫星通信系统主要由空间分系统、通信地球站分系统、跟 踪遥测及指令分系统和监控管理分系统四大功能部分组成。
电源部分 太阳能 电池
控制部分 执行 机构 自 旋
遥测指令部分
通信部分( 转发器)
传感器 蓄电池 姿态 控制 天线 控制 轨道 控制
百度文库
遥测 编码器 指令 译码器 遥控 发射机 指令 接收机
分类
低轨道卫星（Low Earth Orbit：LEO） 高度在500－900km 提供全球移动电话和数据服务；也可用于地面摄影和侦察 优点： 信号衰减小，时延小 卫星重量轻，结构简单 缺点： 为了覆盖整个地球需要大量卫星，系统复杂！
道 轨
通信卫星1
止
地球
静
极
通信卫星3
通信卫星2
图1-3 全球卫星通信系统示意图
要求
卫星通信的普及要求： 低成本：通信费用和终端费用 方便：手持电话，漫游，切换 可靠：低掉线率，高连接率 高质量通信：可接受的时延，语音质量
铱系统的失败
66颗低轨卫星(轨道高度780km)组成的铱星座是运行过一段 时间的商业移动卫星通信系统，该系统最引人注目的成绩 是在1997年5月至1998年5月的1年多时间中完成了整个卫 星星座的发射，曾成为世界上第一个投人使用的大低轨系 统。到2000年3月17日一直苦苦支持的铱公司终于半途夭折， 宣告破产。 该系统发射成功后反映出的先进之处在于:应用了星上处理 与星间链路技术，相当于把地面蜂窝网倒置于空中;解决了 卫星网与地面蜂窝网之间、以及蜂窝网之间的跨协议漫游， 从而实现了通信终端手机化、个人通信全球化，证明了LEO 可以用于全球个人通信。
卫星通信使用的频段
卫星通信使用的频段
L频段——1-2 GHz（移动卫星业务、地面微波、 广电、蜂窝） S频段——2-4 GHz（移动卫星业务、数字音频广 播、NASA研究） C频段——4-8 GHz （固定卫星业务、地面微波） X频段——8-12.5 GHz（卫星军事通信、地球观测 卫星） Ku频段——12.5-18 GHz（固定卫星、广播卫星、 地面微波） K频段——18-26.5 GHz（固定卫星、广播卫星、 LMDS ） Ka频段——26.5-40 GHz（固定卫星、星际链路、 卫星成像、LMDS）
主要应用领域
互接长途电话业务： ������
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������
国际通信方面：中国电信运营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%） ������ 可以提供备份电路或传送峰值业务
主要应用领域
无线电和电视广播： ������
使用了11颗通信卫星（亚太1A、亚洲2号、亚洲3S、鑫诺1 号、亚太2R、泛美3R号、泛美8号、泛美9号、泛美3R号、 泛美10号、银河3R和热鸟3号）的32个转发器������ 中央电视台的12套节目，中央人民广播电台和国际台的32 路声音广播节目，以及31个省、自治区、直辖市的广播电 视节目均通过卫星向全国传送
VSAT卫星通信
星上处理技术 随着卫星通信带宽不断增加，为降低地面设备的复杂度 和用户终端设备成本，把一些处理技术转移到卫星上进行， 这是卫星通信发展的方向。 比特再生：改善信道质量3-10db 多波束天线：提高EIRP，增加系统容量，简化终端 前向纠错：8db编码增益 功率放大器矩阵组：动态功率匹配，减少功率消耗 自主基带切换：增加系统灵活性，系统吞吐量提高3倍 自适应编译码：提高信道可靠性
VSAT与ATM
1. 2. 3.
4.
5.
VSAT-ATM的优点 卫星的加入，使ATM业务覆盖全球任何地方 卫星通信按需求分配带宽的能力更强 在不同地方建立ATM网时，卫星通信可以提供十分灵活的 网络配置和容量分配 利用卫星通信的广播特性，可以建立ATM网的多点对多点 应用 扩容简单，只需简单的在用户处建立ATM地面站
本 机 振荡器 变频器
电源控 制电路
发射机
接收机
双工器
双工器
遥测指令天线
通信天线
图1-5 通信卫星组成示意图
卫星通信系统的组成
空间分系统是指通信卫星，主要由天线分系统、遥测与指 令分系统、控制分系统、通信分系统和电源分系统组成。 通信地球站由天线馈线设备、发射设备、接收设备、信道 终端设备等组成 跟踪遥测及指令分系统对卫星进行跟踪测量，控制其准确 进入静止轨道上的确定位置，并对在轨卫星的通信性能及 参数进行业务开通前的监测和校正。 监控管理分系统对在轨卫星的通信性能及参数进行业务开 通前的监测和业务开通后的例行监测和控制，以确保通信 卫星正常运行和工作。 具体的结构上，固定卫星系统和移动卫星系统会有所区别
分类
中轨道卫星（Medium Earth Orbit：MEO）
高度在5000－12000km左右 为了覆盖整个地球需要10颗左右卫星 GPS：为美国空军系统运作，用作全球定位。 早期为12个卫星星座，在1978～1985年间发射; 新的GPS系统，在1989～1994年间发射；为24颗小 卫星星座系统,分6个轨道平面覆盖全球
he 卫星
B
1-1卫星通信示意图
简史
1945年，英国《Extra-Terrestrial Relays》一文中提出利用 3颗静止卫星覆盖全球的设想。 1945年到1964年间，曾经先后利用月球、气球、铜针偶极 子带作为中继，进行电话电视传输试验 1957年，前苏联发射了第1颗LEO卫星－Sputnic（美苏太空 竞赛的导火索） 1962年，美国第1次发射了真正实用通信卫星 （Telstar/MEO） 1965年，第1颗商业通信卫星（INTELSAT-1）进入静止轨 道 1990-2000年，引入卫星直接广播语言（DAB）业务 2000-2005年，引入宽带个人通信；Ka频段系统得到迅速； 多个LEO和MEO卫星系统投入运行
卫星通信的特点
发射与控制技术复杂 要把卫星发射到静止轨道上应确定点，并经常保持较小的 漂移，难度是很高的。因为地球表面凹凸不平，太阳和月 球的引力，大气层阻力，太阳辐射压力等都会造成轨道摄 动。 与其他地面通信系统之间的相互干扰 卫星通信与同频段地面微波通信系统间的干扰；卫星通信 系统网络的上下行线路间的干扰；卫星通信系统与雷达系 统间的干扰；卫星通信系统与广播电视系统间的干扰；卫 星通信系统与ISM设备间的干扰（存在可能性，但尚未发现） 较大信号传输时延和回波干扰 静止卫星通信系统中，卫星与地球相距约36000千米，语 音通信时，来回传播时延超过500ms。 具有广播特性，保密要求高
铱系统的失败
铱系统全球覆盖全球漫游的优势是显而易见的，然而，铱 系统固有的问题决定了它失败的命运： 高成本：系统成本47亿美元；铱手机Eurasia公司卖8000美 元/部，TDCOM公司卖5132美元/部；通话费数美元/分钟。 漫游费用 不方便：终端笨重，美国Motorola双模为454g，日本单模 双模均为400g；而GSM < 100 g 不可靠：铱系统掉线率高，通信率80%，掉话率15% 质量低：数据传输率低，只有2.4k/s，远低于GSM系统 其它问题：目标客户定位错误，手机交货逾期，来自其它 廉价陆地移动通信系统的竞争
VSAT卫星通信
VSAT通信业务的应用范围 语音通信 数据通信 高速互联网 广播电视 电子商务 证券交易
VSAT卫星通信网的组成
VSAT通信的应用技术
利用Ku波段，VSAT终端的数据传输速率达到2Mbps以上 Ka波段的开发，使VSAT带宽大大增加 数据通信协议逐渐规范，采用TCP/IP，与Internet互联 采用多波束天线，节省星上资源，增加下行功率 与 B-ISDN结合，实现卫星多媒体通信 采用VSAT实现移动通信业务
发展
早期卫星通信系统采用C波段和S波段的静止轨道卫星通信， 后来在K波段通信采用VSAT（Very Small Aperture Terminals）系统，可以覆盖到原来通信网络覆盖不到的区 域。另外，出现了许多全球移动卫星通信系统，利用许多 颗中低轨道卫星，提供全球的移动通信服务。 早期的卫星通信要求昂贵笨重的终端，因此限制了它的普 及和可用性。静止轨道卫星处于高轨道，传输时延大，不 能满足语音业务对时延的高要求。后来的中低轨道移动卫 星通信系统虽然时延相对减小，但由于卫星运动速度很高， 带来的多普勒频移很大，严重影响系统性能。随着射频技 术的改进，在提高性能、减小体积和重量的同时降低了终 端的成本。技术的进步也更好的解决了多普勒频移带来的 影响。
主要内容
卫星通信的基本概念 卫星通信系统的分类 VSAT系统 移动卫星通信系统 几个主要的卫星通信系统
极轨道 倾斜轨道
北极
赤道轨道 道 道 赤
赤
图1-2 通信卫星轨道示意图
分类
静止轨道卫星（Geostationary Earth Orbit：GEO）： 与地球上某一点保持相对静止 赤道延伸平面：36000km 优点： 经济，三颗卫星，覆盖全球 缺点： 长距离造成大信号衰减和大传播时延（500ms以上）
VSAT与ATM
ATM ATM是CCITT(ITU的前身)在1990年确定的B-ISDN的传输 和交换模式。它吸收了电路交换和分组交换的优点，将数 据、图像、语音等信息分解成定长的数据块，并在各个数 据块前面加上信头，构成信元，以信元多路复用方式进行 发送。当信元空闲时，就可以插入数据发送。插入的位置 无周期性，所以成为异步传输模式。 ATM是信息高速公路的核心技术，ATM到达用户端的传输 带宽为155.2Mbps。压缩后数字化电视的传输速率为 34Mbps，HDTV信号速率为140Mbps，这些ATM是完全可以 传送的。VSAT和ATM结合，是信息高速公路必不可少的组 成部分。
主要内容
卫星通信的基本概念 卫星通信系统的分类 VSAT系统 移动卫星通信系统 几个主要的卫星通信系统
定义
卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站转发或反射无线电信号，在两 个或多个地球站之间进行的通信。卫星通信工作在微波频段。
A 地球 A E D B C 地球 R0
图2-1 VSAT实物图
图2-2 VSAT实物图
VSAT卫星通信
VSAT通信小站的数量 Comsys在1999年发布的VSAT研究报告指出，VSAT销售量 的增长，已经使许多大公司采用VSAT技术作为他们网络中 的核心部件。 1997年全球订购5.5万个星形TDMA VSAT终端 1998年为8万个 连续3年增长率超过27% 至1999年，全球共有50万VSAT终端
主要应用领域
海上、地面和空中的移动通信：
可以提供广域或全球覆盖的移动通信业务 成为UMTS的一部分
基于TCP/IP的internet业务
卫星通信的特点
通信距离远且建站费用与通信距离无关 地球站建设的费用不因两站之间距离远近、地面自然条件 而变化。除了国际通信以外，在国内通信中，尤其是边远 地区和陆地通信系统难以覆盖的地区，卫星通信是不可替 代的选择 通信频带宽，传输容量大，适用于多种业务 宽带数据业务、国际互联网业务、卫星电视业务、移动通 信业务 固定卫星系统通信质量高，通信线路稳定可靠 卫星和地球站的位置相对稳定，只有直射径，无多径干扰 和其他衰落。
主要内容
卫星通信的基本概念 卫星通信系统的分类 VSAT系统 移动卫星通信系统 几个主要的卫星通信系统
VSAT卫星通信
什么是VSAT卫星通信？ VSAT全称是Very Small Aperture Terminal，可以理解为小 站。它的特点就是一个小字。由于小站具有灵活、简单、 方便、成本低等特点，很多企业、政府部门把它作为系统 内的专用通信网。现在VSAT系统的传输速率较初期大为提 高，除了数据外，还传输各种多媒体信息。包括卫星电视 接收小站在内，VAST应用得越来越广泛。
卫星通信系统的组成
卫星通信系统主要由空间分系统、通信地球站分系统、跟 踪遥测及指令分系统和监控管理分系统四大功能部分组成。
电源部分 太阳能 电池
控制部分 执行 机构 自 旋
遥测指令部分
通信部分( 转发器)
传感器 蓄电池 姿态 控制 天线 控制 轨道 控制
百度文库
遥测 编码器 指令 译码器 遥控 发射机 指令 接收机
分类
低轨道卫星（Low Earth Orbit：LEO） 高度在500－900km 提供全球移动电话和数据服务；也可用于地面摄影和侦察 优点： 信号衰减小，时延小 卫星重量轻，结构简单 缺点： 为了覆盖整个地球需要大量卫星，系统复杂！
道 轨
通信卫星1
止
地球
静
极
通信卫星3
通信卫星2
图1-3 全球卫星通信系统示意图
要求
卫星通信的普及要求： 低成本：通信费用和终端费用 方便：手持电话，漫游，切换 可靠：低掉线率，高连接率 高质量通信：可接受的时延，语音质量
铱系统的失败
66颗低轨卫星(轨道高度780km)组成的铱星座是运行过一段 时间的商业移动卫星通信系统，该系统最引人注目的成绩 是在1997年5月至1998年5月的1年多时间中完成了整个卫 星星座的发射，曾成为世界上第一个投人使用的大低轨系 统。到2000年3月17日一直苦苦支持的铱公司终于半途夭折， 宣告破产。 该系统发射成功后反映出的先进之处在于:应用了星上处理 与星间链路技术，相当于把地面蜂窝网倒置于空中;解决了 卫星网与地面蜂窝网之间、以及蜂窝网之间的跨协议漫游， 从而实现了通信终端手机化、个人通信全球化，证明了LEO 可以用于全球个人通信。
卫星通信使用的频段
卫星通信使用的频段
L频段——1-2 GHz（移动卫星业务、地面微波、 广电、蜂窝） S频段——2-4 GHz（移动卫星业务、数字音频广 播、NASA研究） C频段——4-8 GHz （固定卫星业务、地面微波） X频段——8-12.5 GHz（卫星军事通信、地球观测 卫星） Ku频段——12.5-18 GHz（固定卫星、广播卫星、 地面微波） K频段——18-26.5 GHz（固定卫星、广播卫星、 LMDS ） Ka频段——26.5-40 GHz（固定卫星、星际链路、 卫星成像、LMDS）
主要应用领域
互接长途电话业务： ������
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������
国际通信方面：中国电信运营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%） ������ 可以提供备份电路或传送峰值业务
主要应用领域
无线电和电视广播： ������
使用了11颗通信卫星（亚太1A、亚洲2号、亚洲3S、鑫诺1 号、亚太2R、泛美3R号、泛美8号、泛美9号、泛美3R号、 泛美10号、银河3R和热鸟3号）的32个转发器������ 中央电视台的12套节目，中央人民广播电台和国际台的32 路声音广播节目，以及31个省、自治区、直辖市的广播电 视节目均通过卫星向全国传送
VSAT卫星通信
星上处理技术 随着卫星通信带宽不断增加，为降低地面设备的复杂度 和用户终端设备成本，把一些处理技术转移到卫星上进行， 这是卫星通信发展的方向。 比特再生：改善信道质量3-10db 多波束天线：提高EIRP，增加系统容量，简化终端 前向纠错：8db编码增益 功率放大器矩阵组：动态功率匹配，减少功率消耗 自主基带切换：增加系统灵活性，系统吞吐量提高3倍 自适应编译码：提高信道可靠性
VSAT与ATM
1. 2. 3.
4.
5.
VSAT-ATM的优点 卫星的加入，使ATM业务覆盖全球任何地方 卫星通信按需求分配带宽的能力更强 在不同地方建立ATM网时，卫星通信可以提供十分灵活的 网络配置和容量分配 利用卫星通信的广播特性，可以建立ATM网的多点对多点 应用 扩容简单，只需简单的在用户处建立ATM地面站
本 机 振荡器 变频器
电源控 制电路
发射机
接收机
双工器
双工器
遥测指令天线
通信天线
图1-5 通信卫星组成示意图
卫星通信系统的组成
空间分系统是指通信卫星，主要由天线分系统、遥测与指 令分系统、控制分系统、通信分系统和电源分系统组成。 通信地球站由天线馈线设备、发射设备、接收设备、信道 终端设备等组成 跟踪遥测及指令分系统对卫星进行跟踪测量，控制其准确 进入静止轨道上的确定位置，并对在轨卫星的通信性能及 参数进行业务开通前的监测和校正。 监控管理分系统对在轨卫星的通信性能及参数进行业务开 通前的监测和业务开通后的例行监测和控制，以确保通信 卫星正常运行和工作。 具体的结构上，固定卫星系统和移动卫星系统会有所区别
分类
中轨道卫星（Medium Earth Orbit：MEO）
高度在5000－12000km左右 为了覆盖整个地球需要10颗左右卫星 GPS：为美国空军系统运作，用作全球定位。 早期为12个卫星星座，在1978～1985年间发射; 新的GPS系统，在1989～1994年间发射；为24颗小 卫星星座系统,分6个轨道平面覆盖全球
he 卫星
B
1-1卫星通信示意图
简史
1945年，英国《Extra-Terrestrial Relays》一文中提出利用 3颗静止卫星覆盖全球的设想。 1945年到1964年间，曾经先后利用月球、气球、铜针偶极 子带作为中继，进行电话电视传输试验 1957年，前苏联发射了第1颗LEO卫星－Sputnic（美苏太空 竞赛的导火索） 1962年，美国第1次发射了真正实用通信卫星 （Telstar/MEO） 1965年，第1颗商业通信卫星（INTELSAT-1）进入静止轨 道 1990-2000年，引入卫星直接广播语言（DAB）业务 2000-2005年，引入宽带个人通信；Ka频段系统得到迅速； 多个LEO和MEO卫星系统投入运行
卫星通信的特点
发射与控制技术复杂 要把卫星发射到静止轨道上应确定点，并经常保持较小的 漂移，难度是很高的。因为地球表面凹凸不平，太阳和月 球的引力，大气层阻力，太阳辐射压力等都会造成轨道摄 动。 与其他地面通信系统之间的相互干扰 卫星通信与同频段地面微波通信系统间的干扰；卫星通信 系统网络的上下行线路间的干扰；卫星通信系统与雷达系 统间的干扰；卫星通信系统与广播电视系统间的干扰；卫 星通信系统与ISM设备间的干扰（存在可能性，但尚未发现） 较大信号传输时延和回波干扰 静止卫星通信系统中，卫星与地球相距约36000千米，语 音通信时，来回传播时延超过500ms。 具有广播特性，保密要求高
铱系统的失败
铱系统全球覆盖全球漫游的优势是显而易见的，然而，铱 系统固有的问题决定了它失败的命运： 高成本：系统成本47亿美元；铱手机Eurasia公司卖8000美 元/部，TDCOM公司卖5132美元/部；通话费数美元/分钟。 漫游费用 不方便：终端笨重，美国Motorola双模为454g，日本单模 双模均为400g；而GSM < 100 g 不可靠：铱系统掉线率高，通信率80%，掉话率15% 质量低：数据传输率低，只有2.4k/s，远低于GSM系统 其它问题：目标客户定位错误，手机交货逾期，来自其它 廉价陆地移动通信系统的竞争
VSAT卫星通信
VSAT通信业务的应用范围 语音通信 数据通信 高速互联网 广播电视 电子商务 证券交易
VSAT卫星通信网的组成
VSAT通信的应用技术
利用Ku波段，VSAT终端的数据传输速率达到2Mbps以上 Ka波段的开发，使VSAT带宽大大增加 数据通信协议逐渐规范，采用TCP/IP，与Internet互联 采用多波束天线，节省星上资源，增加下行功率 与 B-ISDN结合，实现卫星多媒体通信 采用VSAT实现移动通信业务
发展
早期卫星通信系统采用C波段和S波段的静止轨道卫星通信， 后来在K波段通信采用VSAT（Very Small Aperture Terminals）系统，可以覆盖到原来通信网络覆盖不到的区 域。另外，出现了许多全球移动卫星通信系统，利用许多 颗中低轨道卫星，提供全球的移动通信服务。 早期的卫星通信要求昂贵笨重的终端，因此限制了它的普 及和可用性。静止轨道卫星处于高轨道，传输时延大，不 能满足语音业务对时延的高要求。后来的中低轨道移动卫 星通信系统虽然时延相对减小，但由于卫星运动速度很高， 带来的多普勒频移很大，严重影响系统性能。随着射频技 术的改进，在提高性能、减小体积和重量的同时降低了终 端的成本。技术的进步也更好的解决了多普勒频移带来的 影响。
主要内容
卫星通信的基本概念 卫星通信系统的分类 VSAT系统 移动卫星通信系统 几个主要的卫星通信系统
极轨道 倾斜轨道
北极
赤道轨道 道 道 赤
赤
图1-2 通信卫星轨道示意图
分类
静止轨道卫星（Geostationary Earth Orbit：GEO）： 与地球上某一点保持相对静止 赤道延伸平面：36000km 优点： 经济，三颗卫星，覆盖全球 缺点： 长距离造成大信号衰减和大传播时延（500ms以上）
VSAT与ATM
ATM ATM是CCITT(ITU的前身)在1990年确定的B-ISDN的传输 和交换模式。它吸收了电路交换和分组交换的优点，将数 据、图像、语音等信息分解成定长的数据块，并在各个数 据块前面加上信头，构成信元，以信元多路复用方式进行 发送。当信元空闲时，就可以插入数据发送。插入的位置 无周期性，所以成为异步传输模式。 ATM是信息高速公路的核心技术，ATM到达用户端的传输 带宽为155.2Mbps。压缩后数字化电视的传输速率为 34Mbps，HDTV信号速率为140Mbps，这些ATM是完全可以 传送的。VSAT和ATM结合，是信息高速公路必不可少的组 成部分。