第7章衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)

1、內(nèi)容提要一、衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)二、衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的特點三、星座與星間鏈路四、典型衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)一、衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)l 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的概念衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的概念 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)是指提供衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)(MSS)的通信系統(tǒng)，其典型特征是利用衛(wèi)星作中繼站向用戶提供移動業(yè)務(wù)。衛(wèi)星移動通信是傳統(tǒng)的固定衛(wèi)星通信與移動通信交叉結(jié)合的產(chǎn)物，從表現(xiàn)形式看，它既是一個提供移動業(yè)務(wù)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，又是一個利用衛(wèi)星作為中繼站的移動通信系統(tǒng)。l 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的組成衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的組成 空間段：衛(wèi)星母體及星載設(shè)備 地面段：衛(wèi)星測控中心及相應的衛(wèi)星測控網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)控制中心以及各類關(guān)口站 用戶段：由各種用戶終端組成，

2、可以是手持機、便攜機、機（車、艦）載臺l 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 星形結(jié)構(gòu) 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) 混合結(jié)構(gòu)GEOLEO/MEOHEO優(yōu)點l配置簡單l寬波束覆蓋l星地間時間恒定l空間段控制系統(tǒng)簡單l傳播時延固定l傳播時延短l鏈路增益高l發(fā)射容易l支持手持式終端l可覆蓋全球l仰角高l系統(tǒng)設(shè)計靈活缺點l鏈路功率受限l話音、ARQ分組數(shù)據(jù)傳播時延大l高緯地區(qū)仰角低，不能覆蓋極地l需大量衛(wèi)星l星上處理復雜l衛(wèi)星壽命短l大量切換l多普勒頻移大l鏈 路 增 益 比MEO低l星上天線大l多普勒頻移大l因周期性穿越Van Allen帶而使衛(wèi)星壽命縮短各種星座的移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)比較用戶鏈路饋電鏈

3、路應用系統(tǒng)頻段（GHz）傳輸方向頻段（GHz）傳輸方向2.48352.5001.6101.62135下行上行5.0915.2506.8757.055上行下行Globalstar1.621351.6265上、下行29.129.419.319.623.1823.38上行下行星間Iridium2.5832.5001.6101.6215下行上行29.129.419.319.6上行下行OdysseyS頻段C頻段ICO若干大若干大LEO和和MEO系統(tǒng)的用戶業(yè)務(wù)和饋送鏈路頻段系統(tǒng)的用戶業(yè)務(wù)和饋送鏈路頻段二、衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的特點l 與固定業(yè)務(wù)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)相比，衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)在技術(shù)上有以下特點：衛(wèi)星功率有

4、限與移動臺天線增益低之間的矛盾十分突出系統(tǒng)在非高斯信道中工作，電波傳播情況復雜，多徑效應、陰影遮蔽、多普勒頻移等不可避免眾多用戶共享有限的衛(wèi)星資源（頻率與功率）移動臺要求高度的機動性，故小型化具有十分重要的意義三、星座與星間鏈路（一）星座設(shè)計（二）太陽同步軌道（三）極軌道星座（四）傾斜軌道星座（五）星間鏈路q星座覆蓋的定義q最佳星座q星座設(shè)計參數(shù)q星座設(shè)計方法q星座設(shè)計軟件p星座的覆蓋星座的覆蓋覆蓋的定義：l根據(jù)地面用戶終端的最小仰角定義覆蓋區(qū)域l地面上處于衛(wèi)星天線波束半功率角度范圍以內(nèi)的區(qū)域為覆蓋區(qū)域。 衛(wèi)星星座的覆蓋要求由星座所要完成的任務(wù)決定，根據(jù)不同的任務(wù)確定不同的覆蓋方式。p最佳星座

5、最佳星座選取最佳的軌道傾角和升節(jié)點的位置。l軌道高度盡可能低l衛(wèi)星數(shù)量盡可能少l最小仰角盡可能大l對指定區(qū)域進行全天候的持續(xù)性覆蓋p星座設(shè)計參數(shù)星座設(shè)計參數(shù)圓軌道的星座設(shè)計參數(shù)包括：l星座的衛(wèi)星數(shù)量l衛(wèi)星軌道平面數(shù)量l衛(wèi)星軌道平面的傾角l不同軌道平面的相對間隔l同一軌道平面內(nèi)衛(wèi)星的相對相位l相鄰軌道平面衛(wèi)星的相對相位l每顆衛(wèi)星的軌道高度（或軌道周期）p星座設(shè)計方法星座設(shè)計方法軌道平面傾角為90度對高緯度地區(qū)形成多重覆蓋i: T/P/F (0FP-1)對某緯度帶均勻覆蓋靜止軌道衛(wèi)星星座中軌衛(wèi)星星座l特殊衛(wèi)星星座設(shè)計特殊衛(wèi)星星座設(shè)計赤道軌道衛(wèi)星星座的設(shè)計橢圓軌道衛(wèi)星星座的設(shè)計p星座設(shè)計軟件星座設(shè)計

6、軟件l STK/Coverage覆蓋分析模塊覆蓋分析模塊 STK/Coverage用于對衛(wèi)星、地面站、車輛、導彈、飛機、船舶進行全面的覆蓋性能分析。 STK/Coverage可以分析各種覆蓋問題，如一顆失靈的衛(wèi)星對整個星座覆蓋情況產(chǎn)生的影響，何處區(qū)域因當?shù)氐匦蔚挠绊懺斐尚l(wèi)星通信阻塞，何時何地出現(xiàn)覆蓋間隙，何時出現(xiàn)多個衛(wèi)星同時可見一個對象的機會。 GlobalStar工作組利用STK進行星座設(shè)計，包括地面站可見時間，覆蓋分析，鏈路預算等等。GlobalStar利用STK星座設(shè)計（二）太陽同步軌道地球非球形引起的衛(wèi)星軌道面的旋轉(zhuǎn)問題，視軌道傾角i 不同的取值范圍而有所不同：當0i90o時，軌道面西

7、退（從地球上看），即軌道面的旋轉(zhuǎn)方向與地球自轉(zhuǎn)方向相反；當90o90，所以它是逆行軌道。 太陽同步軌道 軌道平面與太陽間幾乎固定的幾何關(guān)系表征在：軌道平面與黃道面的交線與地心-日心連線的夾角保持固定的一個角度 這種固定的空間幾何關(guān)系使得太陽同步軌道的衛(wèi)星總是在相同的本地時（LST）經(jīng)過某一區(qū)域的上空 太陽同步軌道 圓太陽同步軌道的軌道高度和軌道傾角之間的制約關(guān)系 根據(jù)上式可知： 由于cosi的取值始終為負，因此傾角i的取值范圍為 ( 90, 180，所以太陽同步軌道一定是逆行軌道； 由| cosi |=4.77310-15(h+Re)3.51，可知圓軌道太陽同步軌道的高度是受限的，最高高度為5

8、974.9 km。 3.5157/2Re0.98569.964coscos4.773 10(Re)Rediihdth 太陽同步軌道星座 太陽同步軌道也能夠用于實現(xiàn)衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，如由288顆衛(wèi)星構(gòu)成的Teledesic系統(tǒng) 圖7-8 太陽同步軌道傾角與高度的關(guān)系ihRRdtdEEcos964. 99856. 05 . 3（三）極軌道星座 極軌道:衛(wèi)星軌道平面傾角為90時，軌道通過地球南、北極。極軌道星座對高緯度地區(qū)可形成多重覆蓋，當其衛(wèi)星軌道高度和最小覆蓋仰角確定之后，即可大致估算所需的軌道數(shù)目和每個軌道面上衛(wèi)星的數(shù)目。 極軌道星座的衛(wèi)星分布特性由于極軌道星座的特殊軌道結(jié)構(gòu)（90傾角，所有軌

9、道面交于南北極點），星座中的衛(wèi)星在天球上的分布是不均勻的：衛(wèi)星在赤道平面上最稀疏，相互間的間隔距離最大；在兩極處最密集，相互間的間隔距離最小。因此，在考慮極軌道星座對全球的覆蓋時，只需考慮對赤道實現(xiàn)連續(xù)覆蓋；在考慮對球冠區(qū)域的覆蓋時，只需考慮對球冠的最低緯度圈實現(xiàn)連續(xù)覆蓋。 (四）傾斜軌道星座 傾斜軌道星座的衛(wèi)星可以比較“均勻”地覆蓋服務(wù)區(qū)，常采用Walker星座。全球星系統(tǒng)和奧德賽（Odyssey）系統(tǒng)都采用了Walker星座。星座參數(shù)有四個，表示為i: T/P/F 其中：i為軌道平面傾角 T是星座中總的衛(wèi)星數(shù)目 P為軌道平面的數(shù)目 F是相位因子 傾斜圓軌道星座的基本特性 多個傾角和高度相同

10、的軌道平面 各軌道平面具有相同數(shù)量的衛(wèi)星 各軌道平面內(nèi)衛(wèi)星在面內(nèi)均勻分布 各軌道平面的右旋升交點在參考平面內(nèi)均勻分布 相鄰軌道相鄰衛(wèi)星間存在確定的相位關(guān)系 傾斜圓軌道星座 Walker Delta星座 Ballard玫瑰（Rosette）星座 Delta星座 Delta星座使用相鄰軌道面內(nèi)，相鄰衛(wèi)星的初始相位差來確定星座中各衛(wèi)星的相對空間位置關(guān)系 相鄰軌道面相鄰衛(wèi)星相位差 Delta星座標識法Walker采用3個參數(shù)來描述Delta星座：T/P/FT/P/F。 T T 代表星座的衛(wèi)星總數(shù)； P P 代表星座的軌道面數(shù)量； F F 稱為相位因子相位因子， Delta星座按下式確定相鄰軌道相鄰衛(wèi)星

11、的初始相位差 2/fF T 玫瑰星座 Rosette星座中，衛(wèi)星的初始相位與其所在軌道面的右旋升交點赤經(jīng)（或經(jīng)度值）成一定的比例關(guān)系 Ballard使用3個不變的方向角和一個時變的相位角來確定衛(wèi)星在運行天球面上的瞬時位置 玫瑰星座標識法Ballard采用3個參數(shù)來描述玫瑰星座: (N N, P P, m m) N N 代表星座的衛(wèi)星總數(shù)； P P 代表星座的軌道面數(shù)量； m m 稱為協(xié)因子協(xié)因子，確定了衛(wèi)星在軌道面內(nèi)的初始相位。 協(xié)因子m m是一個非常重要的玫瑰星座參數(shù)，它不僅影響衛(wèi)星初始時刻在運行天球上的分布，也影響衛(wèi)星組成的圖案在天球上的旋進速度。 協(xié)因子m m 的特性 協(xié)因子m可以是整數(shù)

12、也可以是不可約分數(shù)； 如果m是0到N1的整數(shù)，表示星座中每一個軌道平面上只有一顆衛(wèi)星； 如果協(xié)因子m為不可約分數(shù)，則一定以S為分母，表示星座中每一個軌道平面上有S顆衛(wèi)星。 共地面軌跡星座的特性 包含多個軌道高度和傾角相同軌道面； 每軌道面一顆衛(wèi)星； 所有衛(wèi)星沿不變的地面軌跡運行； 適合于實現(xiàn)區(qū)域覆蓋衛(wèi)星通信系統(tǒng)。（五）星間鏈路 在衛(wèi)星之間建立星間通信鏈路（激光鏈路或毫米波鏈路），每顆衛(wèi)星將成為空間網(wǎng)的一個節(jié)點，使通信信號能不依賴于地面通信網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，提高傳輸?shù)男屎拖到y(tǒng)的獨立性，對于組建全球通信網(wǎng)將是十分方便和靈活的。 星間鏈路特性 仰角的時變特性 天線的動態(tài)指向特性 方位角的時變特性 天線

13、的動態(tài)指向特性 星間距離的時變特性 功率的動態(tài)控制特性 相同軌道高度衛(wèi)星間的星間鏈路 同一軌道平面內(nèi)的軌內(nèi)星間鏈路：同一軌道面內(nèi)的兩顆衛(wèi)星能夠基本保持不變的相對位置，軌內(nèi)星際鏈路的星間距離、方位角和仰角變化很小，建立相對容易 不同軌道平面之間的軌間星間鏈路：由于不同軌道面內(nèi)兩顆衛(wèi)星存在著相對運動，軌間星際鏈路的方位角、仰角和星間距離一般隨時間而變化，建立相對比較困難 星間鏈路的仰角和距離計算 根據(jù)右圖所示的幾何關(guān)系容易推出 max22max/22 (Re) sin(/2)Re2arccosRe2 (Re)(Re)ABsPsPEEDhHhDhH 仰角：星間距離：最大地心角：最大星間距離： 星間鏈

14、路的方位角計算 方位角的度量以衛(wèi)星運動方向為基準，沿順時針方向旋轉(zhuǎn)到衛(wèi)星連線方向。 星間鏈路性能隨軌道高度的變化 星間鏈路性能隨軌道傾角的變化 不同軌道高度衛(wèi)星間的星間鏈路 衛(wèi)星的仰角滿足關(guān)系式 可見：軌道高度較高的衛(wèi)星將始終有負的仰角值，而高度較低的衛(wèi)星的仰角則可正可負 Rearctan (cos( )/sin( )ReAABBAhEhEE 五、典型衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)（一）銥系統(tǒng)(Iridium)（二）全球星系統(tǒng)(Globalstar)（三）亞洲蜂窩系統(tǒng)(ACeS)（四）Thuraya系統(tǒng)（一）銥系統(tǒng) 系統(tǒng)構(gòu)成 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 多址技術(shù) 應用和業(yè)務(wù) 與GSM系統(tǒng)的比較圖1 銥系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖表5 用戶

15、鏈路、饋電鏈路和星間鏈路的參數(shù) Iridium系統(tǒng)的用戶 “銥銥”自身的用戶自身的用戶，是指使用銥用戶終端(ISU）的用戶，用戶直接訪問“銥”衛(wèi)星，主要是地面網(wǎng)絡(luò)尚沒有覆蓋到的地區(qū)的用戶。 PSTNPDN用戶用戶，包括家庭用戶在內(nèi)的地面公共交換網(wǎng)和分組數(shù)據(jù)網(wǎng)用戶可通過關(guān)口站進入“銥”衛(wèi)星網(wǎng)。 GSM用戶用戶，“銥”系統(tǒng)與GSM系統(tǒng)兼容，通過“銥”系統(tǒng)可為全世界的各個GSM蜂窩網(wǎng)提供全球漫游。 其他地面蜂窩網(wǎng)用戶其他地面蜂窩網(wǎng)用戶，通過使用“銥連網(wǎng)單元”(IIU)，“銥”系統(tǒng)可提供銥蜂窩漫游業(yè)務(wù)。IIU可將不同的蜂窩標準進行變換。Iridium系統(tǒng)的用戶和業(yè)務(wù) “銥”系統(tǒng)可以提供以下業(yè)務(wù)：全雙工

16、2400或4800b/s的數(shù)字電話，采用間斷傳輸，即在話音間隙無信號發(fā)射數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，速率2400b/s，含傳真?zhèn)骱魳I(yè)務(wù)，文字型全球傳呼業(yè)務(wù)及雙向短消息業(yè)務(wù)。無線電定位（RDSS）業(yè)務(wù)，可在手機上顯示用戶當時所處的經(jīng)緯度（誤差小于1.6公里）慢掃圖象及無線電調(diào)度Iridium和GSM系統(tǒng)的比較 “銥”系統(tǒng)是以GSM數(shù)字式地面蜂窩系統(tǒng)技術(shù)為基礎(chǔ)的，在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成、基本體制、呼叫處理等方面有許多共同的地方。有人把“銥”系統(tǒng)說成是“倒置”的GSM，也就是說，其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在天上，基站處理在星上完成，“銥”系統(tǒng)與GSM網(wǎng)技術(shù)上是兼容的，甚至關(guān)口站交換設(shè)備也是相同的。（二）全球星系統(tǒng) 系統(tǒng)構(gòu)成 頻率計劃 多址技術(shù)

17、系統(tǒng)容量 主要特點 提供的業(yè)務(wù)圖5 “全球星”系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖6 “全球星”天線波束的排列圖案 L波段接收多波束天線 S波段發(fā)射多波束天線表6 Globalstar主要參數(shù) Globalstar的主要特點完全與地面PSTN和PLMN綜合 采用碼分多址技術(shù) 采用路徑分集技術(shù)和功率控制技術(shù)軟切換技術(shù)Globalstar系統(tǒng)提供的業(yè)務(wù)話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，能直接接到PSTN無線電定位業(yè)務(wù)（定位和位置消息）話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，能直接連接各種專用網(wǎng)傳呼和消息。通過 GLOBALSTAR可獲得目前移動電話用戶能獲得的任何具體通信業(yè)務(wù)，例如電話、數(shù)據(jù)和傳真 亞洲蜂窩衛(wèi)星通信系統(tǒng)ACeS ACeS系統(tǒng)的第一顆衛(wèi)星Gar

18、uda-1于2000年2月發(fā)射，定位于東經(jīng)123上空 Garuda-1衛(wèi)星由美國Lockheed Martin公司制造，使用該公司的A2100AX衛(wèi)星共用艙 Garuda-1衛(wèi)星的星載傘裝賦形天線直徑為12米，具有140個點波束，在地面產(chǎn)生140個宏小區(qū)，覆蓋亞洲24個國家和地區(qū)，覆蓋面積超過2850萬平方公里，覆蓋區(qū)人口超過30億 （三）亞洲蜂窩系統(tǒng)（ACeS） Garuda-1衛(wèi)星的覆蓋特性 ACeS的地面設(shè)備 信關(guān)站天線 Ericsson手持機 ACeS通信鏈路 用戶鏈路使用L頻段：上行1626.5-1660.5MHz，下行1525.0-1559.0MHz；上行用戶信道帶寬50kHz，采用GMSK調(diào)制方式和FDD/TDMA/FDMA多址接入方式 饋電鏈路采用C頻段，上行6.425-6.725GHz，下行3.400-3.700GHz；上行用戶信道帶寬200KHz，采用OQPSK調(diào)制方式和FDD/TDMA/FDMA多址接入方式 （四）Thuraya系統(tǒng) Thuraya系統(tǒng) Thuraya公司1997年在阿聯(lián)酋創(chuàng)立，是一個私營股份制公司，目前共有21個股東，主要是一些國家的主要電信業(yè)務(wù)提供商和國際投資機構(gòu)，系統(tǒng)的總投資為11億美元 Thuraya系統(tǒng)提供區(qū)域性的衛(wèi)星移動通信業(yè)務(wù)，支持包括語音、傳真、短消息、數(shù)據(jù)傳輸和GPS定位服務(wù) Thuray