衛(wèi)星通信技術(shù)及其在石油行業(yè)的應(yīng)用ppt課件-PPT精選

1、衛(wèi)星通信技術(shù)及其在石油行業(yè)的應(yīng)用 主講人：吳彥偉中國石油西南油氣田通信公司一、衛(wèi)星通信技術(shù)1、衛(wèi)星通信的基本概念 2、通信衛(wèi)星的種類 3、衛(wèi)星通信系統(tǒng)分類 4、衛(wèi)星通信的特點(diǎn) 5、衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成及工作原理 6、多址連接技術(shù)7、典型衛(wèi)星通信系統(tǒng)介紹二、石油行業(yè)中的應(yīng)用1、石油行業(yè)特點(diǎn)2、主要衛(wèi)星通信應(yīng)用系統(tǒng)3、實(shí)用組網(wǎng)技術(shù)星狀網(wǎng)及其特點(diǎn)網(wǎng)狀網(wǎng)及其特點(diǎn) 1 、衛(wèi)星通信的基本概念 衛(wèi)星通信是指利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)無線電信號，在兩個或多個地面站之間進(jìn)行的通信過程或方式。衛(wèi)星通信屬于宇宙無線電通信的一種形式，工作在微波頻段。 宇宙通信是以宇宙飛行體或通信轉(zhuǎn)發(fā)體作為對象的無線電通信。它可分為

2、三種形式： （1）地球站與宇宙站間的通信； （2）宇宙站之間的通信； （3）通過宇宙站的轉(zhuǎn)發(fā)或反射進(jìn)行的地球站之間的通信。 人們常把第三種形式稱為衛(wèi)星通信。宇宙站是指地球大氣層以外的宇宙飛行體（如人造衛(wèi)星和宇宙飛船等）或其它星球上的通信站。地球站是指設(shè)在地面、海洋或大氣層中的通信站，習(xí)慣上統(tǒng)稱為地面站。 衛(wèi)星通信是在地面微波中繼通信和空間技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。微波中繼通信是一種“視距”通信，即只有在”看得見”的范圍內(nèi)才能通信。而通信衛(wèi)星的作用相當(dāng)于離地面很高的微波中繼站。由于作為中繼的衛(wèi)星離地面很高，因此經(jīng)過一次中繼轉(zhuǎn)接之后即可進(jìn)行長距離的通信。圖1是一種簡單的衛(wèi)星通信系統(tǒng)示意圖，它是由一顆

3、通信衛(wèi)星和多個地面通信站組成的。圖1 衛(wèi)星通信示意圖 由圖1可見，離地面高度為he的衛(wèi)星中繼站，看到地面的兩個極端點(diǎn)是A和B點(diǎn)，即S長度將是以衛(wèi)星為中繼站所能達(dá)到的最大通信距離。其計算公式為 式中，R0為地球半徑， R0 =6378km；為AB所對應(yīng)的圓心角（弧度）；he為通信衛(wèi)星到地面的高度，單位為km。上式說明， he越高，地面上最大通信距離越大。 （1） he =500km時，由公式求得S=4892km； （2） he =35800km時，S=18100km。 由于衛(wèi)星處于外層空間，即在電離層之外，地面上發(fā)射的電磁波必須能穿透電離層才能到達(dá)衛(wèi)星；同樣，從衛(wèi)星到地面上的電磁波也必須穿透電離

4、層，而在無線電頻段中只有微波頻段恰好具備這一條件，因此衛(wèi)星通信使用微波頻段。衛(wèi)星通信系統(tǒng)頻段劃分及其用途 (1) UHF波段（300/3000MHz），地面無線，Little LEO； (2) L波段（1/2GHz），移動通信和靜止衛(wèi)星測控指令傳輸； (3) S波段（ 2/4GHz），同上 (4) C波段（4/7GHz），多數(shù)商用衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)，已擁擠； (5) X波段（7/12GHz），雷達(dá)，地球探測； (6) Ku波段（12/18GHz），商用，正大量使用； (7) Ka波段（20/40GHz），開始使用 2、通信衛(wèi)星的分類 目前，通信衛(wèi)星的種類繁多，按不同的標(biāo)準(zhǔn)有不同的分類。下面我們給出幾

5、種常用的衛(wèi)星種類。 (1)按衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)可分為： 無源衛(wèi)星和有源衛(wèi)星兩類 無源衛(wèi)星是運(yùn)行在特定軌道上的球形或其它形狀的反射體，沒有任何電子設(shè)備，它是靠其金屬表面對無線電波進(jìn)行反射來完成信號中繼任務(wù)的。在20世紀(jì)5060年代進(jìn)行衛(wèi)星通信試驗(yàn)時，曾利用過這種衛(wèi)星。 目前，幾乎所有的通信衛(wèi)星都是有源衛(wèi)星，一般多采用太陽能電池和化學(xué)能電池作為能源。 這種衛(wèi)星裝有收、發(fā)信機(jī)等電子設(shè)備，能將地面站發(fā)來的信號進(jìn)行接收、放大、頻率變換等其它處理，然后再發(fā)回地球。這種衛(wèi)星可以部分地補(bǔ)償在空間傳輸所造成的信號損耗。 (2)按通信衛(wèi)星的運(yùn)行軌道可分為：赤道軌道衛(wèi)星（指軌道平面與赤道平面夾角=0）；極軌道衛(wèi)星（=90）

6、；傾斜軌道衛(wèi)星（090）。所謂軌道就是衛(wèi)星在空間運(yùn)行的路線。見圖2。 圖2 通信衛(wèi)星軌道示意圖 (3)按衛(wèi)星離地面最大高度h的不同可分為：低軌衛(wèi)星 (LEO Low Earth Orbit) 500-1500km中軌衛(wèi)星 (MEO Medium Earth Orbit) 10000-20000km靜止軌道衛(wèi)星 (GEO Geostationary Earth Orbit) 35786km (4) 按衛(wèi)星與地球上任一點(diǎn)的相對位置可分為： 同步衛(wèi)星和非同步衛(wèi)星 同步衛(wèi)星是指在赤道上空約35800km高的圓形軌道上與地球自轉(zhuǎn)同向運(yùn)行的衛(wèi)星。由于其運(yùn)行方向和周期與地球自轉(zhuǎn)方向和周期均相同，因此從地面上

7、任何一點(diǎn)看上去，衛(wèi)星都是“靜止”不動的，所以把這種對地球相對靜止的衛(wèi)星簡稱為同步（靜止）衛(wèi)星，其運(yùn)行軌道稱為同步軌道。 非同步衛(wèi)星的運(yùn)行周期不等于（通常小于）地球自轉(zhuǎn)周期，其軌道傾角、軌道高度、軌道形狀（圓形或橢圓形）可因需要而不同。從地球上看，這種衛(wèi)星以一定的速度在運(yùn)動，故又稱為移動衛(wèi)星或運(yùn)動衛(wèi)星。同步衛(wèi)星的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) 在衛(wèi)星通信中，同步衛(wèi)星使用得最為廣泛，其主要原因是： 第一，同步衛(wèi)星距地面高達(dá)35800km，一顆衛(wèi)星的覆蓋區(qū)（從衛(wèi)星上能“看到”的地球區(qū)域）可達(dá)地球總面積的40%左右，地面最大跨距可達(dá)18000km。因此只需三顆衛(wèi)星適當(dāng)配置，就可建立除兩極地區(qū)（南極和北極）以外的全球性通

8、信。如圖3所示。 圖3 全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)示意圖 圖中，每兩顆相鄰衛(wèi)星都有一定的重疊覆蓋區(qū)，但南、北兩極地區(qū)則為盲區(qū)。目前正在使用的國際通信衛(wèi)星系統(tǒng)就是按這個原理建立的，其衛(wèi)星分別位于大西洋、印度洋和太平洋上空。其中，印度洋衛(wèi)星能覆蓋我國的全部領(lǐng)土，太平洋衛(wèi)星覆蓋我國的東部地區(qū)，即我國東部地區(qū)處在印度洋衛(wèi)星和太平洋衛(wèi)星的重疊覆蓋區(qū)中。 第二，由于同步衛(wèi)星相對于地球是靜止的，因此，地面站天線易于保持對準(zhǔn)衛(wèi)星，不需要復(fù)雜的跟蹤系統(tǒng)；通信連續(xù)，不像衛(wèi)星相對于地球以一定的速度運(yùn)動時那樣，需要變更轉(zhuǎn)發(fā)當(dāng)時信號的衛(wèi)星而出現(xiàn)信號中斷；信號頻率穩(wěn)定，不會因衛(wèi)星相對于地球運(yùn)動而產(chǎn)生多卜勒頻移。當(dāng)然，同步衛(wèi)星也有一

9、些缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：兩極地區(qū)為通信盲區(qū)；衛(wèi)星離地球較遠(yuǎn)， 缺點(diǎn)： 1、兩極地區(qū)為通信盲區(qū)； 2、衛(wèi)星離地球較遠(yuǎn)，故傳輸損耗和傳輸時延都較大； 3、同步軌道只有一條，能容納衛(wèi)星的數(shù)量有限； 4、同步衛(wèi)星的發(fā)射和在軌測控技術(shù)比較復(fù)雜 5、在春分和秋分前后，存在星蝕（衛(wèi)星進(jìn)入地球的陰影區(qū)）和日凌中斷（衛(wèi)星處于太陽和地球之間，受強(qiáng)大的太陽噪聲影響而使通信中斷）現(xiàn)象 非同步衛(wèi)星的主要優(yōu)缺點(diǎn) 1、基本上與同步衛(wèi)星相反 2、由于非同步衛(wèi)星的抗毀性較高，因此也有一定的應(yīng)用 3、 衛(wèi)星通信系統(tǒng)分類 目前世界上建成了數(shù)以百計的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，歸結(jié)起來可進(jìn)行如下分類： (1)按衛(wèi)星制式可分為 靜止衛(wèi)星通信系統(tǒng)、隨機(jī)軌

10、道衛(wèi)星通信系統(tǒng)和低軌道衛(wèi)星（移動）通信系統(tǒng)。 (2)按通信覆蓋區(qū)域的范圍劃分為 國際衛(wèi)星通信系統(tǒng)、國內(nèi)衛(wèi)星通信系統(tǒng)和區(qū)域衛(wèi)星通信系統(tǒng)。 (3)按用戶性質(zhì)可分為 公用（商用）衛(wèi)星通信系統(tǒng)、專用衛(wèi)星通信系統(tǒng)和軍用衛(wèi)星通信系統(tǒng)。 (4)按業(yè)務(wù)范圍可分為 固定業(yè)務(wù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)、移動業(yè)務(wù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)、廣播電視業(yè)務(wù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星通信系統(tǒng)。 (5)按基帶信號體制可分為 模擬制衛(wèi)星通信系統(tǒng)和數(shù)字制衛(wèi)星通信系統(tǒng)。 (6)按多址方式可分為 頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）、空分多址（SDMA）和碼分多址（CDMA）衛(wèi)星通信系統(tǒng)。 (7)按運(yùn)行方式可分為 同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)和非同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

11、目前國際和國內(nèi)的衛(wèi)星通信大都是同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)。4、 衛(wèi)星通信的特點(diǎn) 衛(wèi)星通信系統(tǒng)以通信衛(wèi)星為中繼站，與其它通信系統(tǒng)相比較，衛(wèi)星通信有如下特點(diǎn)： (1)覆蓋區(qū)域大，通信距離遠(yuǎn)。一顆同步通信衛(wèi)星可以覆蓋地球表面的三分之一區(qū)域，因而利用三顆同步衛(wèi)星即可實(shí)現(xiàn)全球通信。它是遠(yuǎn)距離越洋通信和電視轉(zhuǎn)播的主要手段。 (2)具有多址連接能力。地面微波中繼的通信區(qū)域基本上是一條線路，而衛(wèi)星通信可在通信衛(wèi)星所覆蓋的區(qū)域內(nèi)，所有四面八方的地面站都能利用這一衛(wèi)星進(jìn)行相互間的通信。我們稱衛(wèi)星通信的這種能同時實(shí)現(xiàn)多方向、多個地面站之間的相互聯(lián)系的特性為多址連接。 (3)頻帶寬，通信容量大。衛(wèi)星通信采用微波頻段，傳輸容量主

12、要由終端站決定，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的傳輸容量取決于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的帶寬和發(fā)射功率，而且一顆衛(wèi)星可設(shè)置多個（如IS-有46個）轉(zhuǎn)發(fā)器，故通信容量很大。例如，利用頻率再用技術(shù)的某些衛(wèi)星通信系統(tǒng)可傳輸30000路電話和4路彩色電視。 (4) 通信質(zhì)量好，可靠性高。衛(wèi)星通信的電波主要在自由（宇宙）空間傳播，傳輸電波十分穩(wěn)定，而且通常只經(jīng)過衛(wèi)星一次轉(zhuǎn)接，其噪聲影響較小，通信質(zhì)量好。通信可靠性可達(dá)99.8%以上。 (5) 通信機(jī)動靈活。衛(wèi)星通信系統(tǒng)的建立不受地理條件的限制，地面站可以建立在邊遠(yuǎn)山區(qū)、海島、汽車、飛機(jī)和艦艇上。 (6)電路使用費(fèi)用與通信距離無關(guān)。地面微波中繼或光纜通信系統(tǒng)，其建設(shè)投資和維護(hù)使用費(fèi)用都隨

13、距離而增加。而衛(wèi)星通信的地面站至空間轉(zhuǎn)發(fā)器這一區(qū)間并不需要投資，因此線路使用費(fèi)用與通信距離無關(guān)。 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的一些特殊問題： 一是由于通信衛(wèi)星的一次投資費(fèi)用較高，在運(yùn)行中難以進(jìn)行檢修，故要求通信衛(wèi)星具備高可靠性和較長的使用壽命； 二是衛(wèi)星上能源有限，衛(wèi)星的發(fā)射功率只能達(dá)到幾十至幾百瓦，因此要求地面站要有大功率發(fā)射機(jī)、低噪聲接收機(jī)和高增益天線，這使得地面站比較龐大； 三是由于衛(wèi)星通信傳輸距離很長，使信號傳輸?shù)臅r延較大，其單程距離（地面站A衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)地面站B）長達(dá)80000km，需要時間約270ms；雙向通信往返約160000km，延時約540ms，所以，在通過衛(wèi)星打電話時，通信雙方會感到很不習(xí)慣

14、。 5、 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成及工作原理 根據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的任務(wù)，一條衛(wèi)星通信線路要由發(fā)端地面站、上行線路、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器、下行線路和收端地面站組成，如圖4所示。 圖4 衛(wèi)星通信線路組成框圖 其中上行線路和下行線路就是無線電波傳播的路徑。為了進(jìn)行雙向通信，每一地面站均應(yīng)包括發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)。由于收、發(fā)系統(tǒng)一般是共用一副天線，因此需要使用雙工器以便將收、發(fā)信號分開。地面站收、發(fā)系統(tǒng)的終端，通常都是與長途電信局或微波線路連接。地面站的規(guī)模大小則由通信系統(tǒng)的用途而定。轉(zhuǎn)發(fā)器的作用是接收地面站發(fā)來的信號，經(jīng)變頻、放大后，再轉(zhuǎn)發(fā)給其它地面站。衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器由天線、接收設(shè)備、變頻器、發(fā)射設(shè)備和雙工器等部分組成。

15、在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，各地面站發(fā)射的信號都是經(jīng)過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給對方地面站的，因此，除了要保證在衛(wèi)星上配置轉(zhuǎn)發(fā)無線電信號的天線及通信設(shè)備外，還要有保證完成通信任務(wù)的其它設(shè)備。一般來說，一個通信衛(wèi)星主要由天線系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、遙測指令系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源系統(tǒng)五大部分組成，如圖5所示。圖5 通信衛(wèi)星組成示意圖 1.天線系統(tǒng) 天線系統(tǒng)包括通信用的微波天線和遙測遙控系統(tǒng)用的高頻（或甚高頻）天線。微波天線根據(jù)波束的寬、窄又可分為覆球波束天線、區(qū)域波束天線和點(diǎn)波束天線。對靜止衛(wèi)星來說衛(wèi)星覆球波束天線的波束寬度約為1718，其增益可達(dá)18dB；點(diǎn)波束天線因波束較窄而具有較高的增益，用來把輻射的電磁波功率集中到地球上較小

16、的區(qū)域內(nèi)。 通信微波天線的波束應(yīng)對準(zhǔn)地球上的通信區(qū)域。但是，對于采用自旋穩(wěn)定方式以保持姿態(tài)穩(wěn)定的靜止衛(wèi)星，由于衛(wèi)星是旋轉(zhuǎn)的，故要采用消旋天線，才能使波束始終對準(zhǔn)地球。常用的有機(jī)械消旋天線和電子消旋天線，其消旋原理是用機(jī)械的方法或電子的方法，讓天線的旋轉(zhuǎn)方向與衛(wèi)星自旋方向相反，而兩者的旋轉(zhuǎn)速度相等，以保證天線波束始終朝著地球上需要通信的區(qū)域。 遙測指令天線用于衛(wèi)星進(jìn)人靜止軌道之前和之后，能向地面控制中心發(fā)射遙測信號和接收地面的指令信號。這種天線為甚高頻全方向性天線，通常采用傾斜式繞桿天線和螺旋天線等天線。 2.通信系統(tǒng)（轉(zhuǎn)發(fā)器） 靜止衛(wèi)星的通信系統(tǒng)又稱為通信中繼機(jī)，通常由多個（可達(dá)24個或更多）

17、信道轉(zhuǎn)發(fā)器互相連接而組成。其任務(wù)是把接收的信號放大，并利用變頻器交換成下行頻率后再發(fā)射出去。 它實(shí)質(zhì)上是一組寬頻帶收、發(fā)信機(jī)，對其要求是工作穩(wěn)定可靠，附加的噪聲小。衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器是通信衛(wèi)星中最重要的組成部分，它能起到衛(wèi)星通信中繼站的作用，其性能直接影響到衛(wèi)星通信系統(tǒng)的工作質(zhì)量。 對衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的基本要求是附加噪聲和失真小，要有足夠的工作頻帶，有足夠大的總增益，頻率穩(wěn)定度和可靠性盡量高。衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器通常分為透明轉(zhuǎn)發(fā)器和處理轉(zhuǎn)發(fā)器兩大類。 (1) 透明轉(zhuǎn)發(fā)器。 這類轉(zhuǎn)發(fā)器接收到地面站發(fā)來的信號后，除進(jìn)行低噪聲放大、變頻、功率放大外，不作任何處理，只是單純地完成轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。也就是說，它對工作頻帶內(nèi)的任何信號都

18、是“透明”的通路。 透明轉(zhuǎn)發(fā)器有雙變頻和單變頻兩種，前者的優(yōu)點(diǎn)是中頻增益高（可達(dá)80100dB），電路工作穩(wěn)定，曾用于國際通信衛(wèi)星ISI。其缺點(diǎn)是中頻頻帶窄，不適于多載波工作，已很少使用。單變頻轉(zhuǎn)發(fā)器是先將輸人信號直接放大，再變頻為下行頻率，經(jīng)功率放大后轉(zhuǎn)發(fā)給地面站。單變頻轉(zhuǎn)發(fā)器實(shí)際上是微波放大式轉(zhuǎn)發(fā)器，射頻帶寬可達(dá)500MHz，且由于其輸入、輸出特性的線性良好，允許多載波工作，適于多址連接，因此得到廣泛使用。 (2)處理轉(zhuǎn)發(fā)器。 指除了信號轉(zhuǎn)發(fā)外，還具有信號處理功能的轉(zhuǎn)發(fā)器。與上述雙變頻透明轉(zhuǎn)發(fā)器相比，處理轉(zhuǎn)發(fā)器只是在兩級變頻器之間增加了信號的解調(diào)器、處理單元和調(diào)制器。先將信號解調(diào)，便于信號

19、處理，再經(jīng)調(diào)制、變頻、功率放大后發(fā)回地面。 3.遙測指令系統(tǒng) 遙測指令系統(tǒng)包括遙測和遙控指令系統(tǒng)兩個部分。 遙測部分的作用是在地球上測試衛(wèi)星的各種設(shè)備的工作情況，包括表示有關(guān)部分電流、電壓、溫度等工作狀態(tài)的信號；來自各傳感器的信息；指令證實(shí)信號以及作控制用的氣體壓力等等。上述各種數(shù)據(jù)通過遙測系統(tǒng)送往地面監(jiān)測中心，這些數(shù)據(jù)傳送的方法與通信過程相似，即先通過多路復(fù)用、放大、編碼等處理后，再調(diào)制和傳輸。 遙控指令系統(tǒng)包括對衛(wèi)星進(jìn)行姿態(tài)和位置控制的噴射推進(jìn)裝置的點(diǎn)火控制指令，行波管高壓電源的開、關(guān)控制指令，發(fā)生故障的部件與備用部件的轉(zhuǎn)換指令，以及其它由地面對衛(wèi)星內(nèi)部各種設(shè)備的控制指令等等。指令信號由地

20、面的控制站發(fā)出，在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器內(nèi)被分離出來。經(jīng)檢波、解碼后送至控制設(shè)備，以控制各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)施指令。 4.控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)包括位置控制和姿態(tài)控制兩部分。 位置控制系統(tǒng)用來消除“攝動”的影響，以便使衛(wèi)星與地球的相對位置固定。位置控制是利用裝在星體上的氣體噴射裝置由地面控制站發(fā)出指令進(jìn)行工作的。當(dāng)衛(wèi)星有“攝動”現(xiàn)象時，衛(wèi)星上的遙測裝置就發(fā)給地面控制站遙測信號，地面控制站隨即向衛(wèi)星發(fā)出遙控指令，以進(jìn)行位置控制。 姿態(tài)控制是使衛(wèi)星對地球或其它基準(zhǔn)物保持正確的姿態(tài)，即衛(wèi)星在軌道上立著還是躺著。衛(wèi)星姿態(tài)是否正確，不僅影響衛(wèi)星上的定向通信天線是否指向覆蓋區(qū)，還會影響太陽能電池帆板是否朝向太陽。 5.電源系統(tǒng)

21、 通信衛(wèi)星的電源要求體積小、重量輕和壽命長。常用的電源有太陽能電池和化學(xué)能電池。 平時主要使用太陽能電池，當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)入地球的陰影區(qū)（即星蝕）時，則使用化學(xué)能電池。 太陽能電池由光電器件組成。由太陽能電池直接供出的電壓是不穩(wěn)定的，必須經(jīng)電壓調(diào)整后才能供給負(fù)載?；瘜W(xué)能電池可以進(jìn)行充電和放電。如鎳鎘蓄電池。平時由大陽能電池給它充電，當(dāng)衛(wèi)星發(fā)生星蝕時，由太陽能電池轉(zhuǎn)換為化學(xué)能電池供電。 6.衛(wèi)星通信地面站 在前面已經(jīng)講過，任何一條衛(wèi)星通信線路都包括發(fā)端和收端地面站、上行和下行線路以及通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器?？梢姡孛嬲臼切l(wèi)星通信系統(tǒng)中的一個重要組成部分。 地面站的基本作用是向衛(wèi)星發(fā)射信號，同時接收由其它地面站經(jīng)

22、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)來的信號。根據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的性質(zhì)和用途的不同；可有不同形式的地面站。例如，按站址的固定與否、G/T值的大小、用途、天線口徑以及傳輸信號的特征等多種方法來分類。 (1)按站址特征分類：可分為固定站、移動站（如艦載站、機(jī)載站和車載站等）、可拆卸站（短時間能拆卸轉(zhuǎn)移地點(diǎn)的站）。 (2)按G/T值分類：地面站性能指數(shù)G/T值是反映地面站接收系統(tǒng)的一項重要技術(shù)性能指標(biāo)。其中G為接收天線增益，T為表示接收系統(tǒng)噪聲性能的等效噪聲溫度。GT值越大，說明地面站接收系統(tǒng)的性能越好。 目前，國際上把G/T35dB/K的地面站定為A型標(biāo)準(zhǔn)站，把G/T31.7dB/K的站定為B型標(biāo)準(zhǔn)站，而把G/T31.7dB/

23、K的站稱為非標(biāo)準(zhǔn)站。 (3)按用途分類：可分為民用、軍用、廣播、航海、實(shí)驗(yàn)等地面站。 (4)按天線口徑分類：可分為1米站、5米站、10米站以及30米站等等。 (5)按傳輸信號的特征分類：可分為模擬通信站和數(shù)字通信站。 地面站種類繁多，大小不一，所采用的通信體制也不同，因而所需的設(shè)備組成也不一樣，但基本組成大同小異。典型的地面站由天線系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、終端系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、地面接口及傳輸分系統(tǒng)等組成，如圖6所示。 圖6 地面站設(shè)備組成 天線系統(tǒng)完成發(fā)送信號、接收信號和跟蹤衛(wèi)星的任務(wù)，是決定地面站容量與通信質(zhì)量的關(guān)鍵組成之一。天線系統(tǒng)只包括天線、饋線和跟蹤設(shè)備三個部分。 發(fā)射系統(tǒng)的

24、主要作用是將終端系統(tǒng)送來的基帶信號進(jìn)行調(diào)制，再經(jīng)過上變頻和功率放大后饋送給天線發(fā)往衛(wèi)星。 接收系統(tǒng)的主要作用是將天線系統(tǒng)收到的由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)下來的微弱信號進(jìn)行放大、下變頻和解調(diào)，并將解調(diào)后的基帶信號送至終端系統(tǒng)。 終端系統(tǒng)有兩個作用：一個是對經(jīng)地面接口線路傳來的各種用戶信號分別用相應(yīng)的終端設(shè)備對其進(jìn)行轉(zhuǎn)換、編排及其它基帶處理，形成適合衛(wèi)星信道傳輸?shù)幕鶐盘?；第二個作用是將接收系統(tǒng)收到并解調(diào)的基帶信號進(jìn)行與上述相反的處理，然后經(jīng)地面接口線路送到各有關(guān)用戶。 電源系統(tǒng)對所有通信設(shè)備及輔助設(shè)備供電。 監(jiān)控系統(tǒng)通過監(jiān)控臺監(jiān)測各種設(shè)備是否發(fā)生故障、主要設(shè)備的工作參數(shù)是否正常等，便于及時處理，以及有效地對設(shè)備

25、進(jìn)行維護(hù)管理。6、多址連接技術(shù) 衛(wèi)星通信的多址連接技術(shù)主要采用四種方式， 頻分多址（FDMA） 時分多址（TDMA） 碼分多址（CDMA） 空分多址（SDMA）FDMA：Frequency Division Multiple Access 不同的用戶分配在時隙相同而頻率不同的信道上。按照這種技術(shù)，把在頻分多路傳輸系統(tǒng)中集中控制的頻段根據(jù)要求分配給用戶。同固定分配系統(tǒng)相比，頻分多址使通道容量可根據(jù)要求動態(tài)地進(jìn)行交換。 在FDMA系統(tǒng)中，分配給用戶一個信道，即一對頻譜，一個頻譜用作前向信道即基站向移動臺方向的信道，另一個則用作反向信道即移動臺向基站方向的信道。這種通信系統(tǒng)的基站必須同時發(fā)射和接收多

26、個不同頻率的信號，任意兩個移動用戶之間進(jìn)行通信都必須經(jīng)過基站的中轉(zhuǎn)，因而必須同時占用2個信道(2對頻譜)才能實(shí)現(xiàn)雙工通信。TDMA：Time Division Multiple Access 把一個傳輸通道進(jìn)行時間分割以傳送若干話路的信息，把N個話路設(shè)備接到一條公共的通道上，按一定的次序輪流的給各個設(shè)備分配一段使用通道的時間。當(dāng)輪到某個設(shè)備時，這個設(shè)備與通道接通，執(zhí)行操作。與此同時，其它設(shè)備與通道的聯(lián)系均被切斷。待指定的使用時間間隔一到，則通過時分多路轉(zhuǎn)換開關(guān)把通道聯(lián)接到下一個要連接的設(shè)備上去。時分制通信也稱時間分割通信，它是數(shù)字電話多路通信的主要方法。CDMA：Code Division M

27、ultiple Access 是在擴(kuò)頻通信技術(shù)上發(fā)展起來的一種嶄新而成熟的無線通信技術(shù)。 其技術(shù)原理是基于擴(kuò)頻技術(shù)，即將需傳送的具有一定信號帶寬信息數(shù)據(jù)，用一個帶寬遠(yuǎn)大于信號帶寬的高速偽隨機(jī)碼進(jìn)行調(diào)制，使原數(shù)據(jù)信號的帶寬被擴(kuò)展，再經(jīng)載波調(diào)制并發(fā)送出去。接收端使用完全相同的偽隨機(jī)碼，與接收的帶寬信號作相關(guān)處理，把寬帶信號換成原信息數(shù)據(jù)的窄帶信號即解擴(kuò)，以實(shí)現(xiàn)信息通信 。SDMA：Space Division Multiple Access 利用碟形天線的方向性來優(yōu)化無線頻域的使用并減少系統(tǒng)成本。這種技術(shù)是利用空間分割構(gòu)成不同的信道。舉例來說，在一顆衛(wèi)星上使用多個天線，各個天線的波束射向地球表面的

28、不同區(qū)域。地面上不同地區(qū)的地球站，它們在同一時間、即使使用相同的頻率進(jìn)行工作，它們之間也不會形成干擾?？辗侄嘀罚⊿DMA）是一種信道增容的方式，可以實(shí)現(xiàn)頻率的重復(fù)使用，充分利用頻率資源。空分多址一般與其它多址方式組合使用 ，例如空分碼分多址（SD-CDMA）。 簡言之，所謂空分多址就是利用天線波束將空間分割出互不重疊的多個邏輯信道，以滿足同頻、同時向多點(diǎn)通信的目的。注意這里的邏輯信道和物理信道都是指無線電信道。 一個通信區(qū)域內(nèi)如果有幾個地面站，則它們之間的站址識別還要借助FDMA或TDMA技術(shù)。所以，在實(shí)際應(yīng)用中，一般不單獨(dú)使用SDMA方式，而是與其它多址方式相結(jié)合。 若要保證空分多址方式的系

29、統(tǒng)正常工作，必須有以下幾個同步過程。 (1)由于空分多址方式是在時分多址方式的基礎(chǔ)上進(jìn)行工作的，因此各地面站的上行TDMA幀信號進(jìn)入衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器時，必須保證幀內(nèi)各分幀的同步，這與時分多址的幀同步相同。 (2)在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中，接通收、發(fā)信道和窄波束天線的轉(zhuǎn)換開關(guān)的動作，分別與上行TDMA幀和下行TDMA幀保持同步，即每經(jīng)過一幀，天線的波束就要相應(yīng)轉(zhuǎn)換一下。這是空分多址方式特有的一個同步關(guān)系。 (3)每個地面站的相移鍵控調(diào)制和解調(diào)必須與各個分幀同步，這與數(shù)字微波中繼通信系統(tǒng)的載波同步相同。從以上討論可以看出，空分多址方式有以下三個特點(diǎn)： (1)由于空分多址方式必須采用窄波束的天線，衛(wèi)星天線的輻射功率

30、集中，有利于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器和地面站采用固體功率器件而變得小型化。 (2)由于利用了多波束之間的空分關(guān)系，提高了抗同波道干擾的能力。 (3)空分多址方式要求衛(wèi)星的位置和姿態(tài)高度穩(wěn)定，以保證天線窄波束的指向準(zhǔn)確。7 、典型衛(wèi)星通信系統(tǒng)介紹 一、 VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng) VSAT是Very Small Aperture Terminals（小天線地面站衛(wèi)星通信系統(tǒng)或甚小口徑終端）的英文縮寫。所謂VSAT通常是指天線口徑小于2.4米。G/T值（天線增益與噪聲溫度之比）低于19.7dB/K和高度軟件控制的地球站。 一般的衛(wèi)星通信系統(tǒng)用戶在利用衛(wèi)星通信的過程中，必須要通過地面通信網(wǎng)匯接到地面站后才能進(jìn)行。 一些

31、特殊用戶，如銀行、航空公司、汽車運(yùn)輸公司、石油公司等就顯得很不方便，這些用戶希望能自己組成一個更為靈活的衛(wèi)星通信網(wǎng)， 并且各自能夠直接利用衛(wèi)星來進(jìn)行通信，把通信終端直接延伸到辦公室和私人家庭，甚至面向個人進(jìn)行通信。這樣就產(chǎn)生了VSAT系統(tǒng)。VSAT系統(tǒng)代表了當(dāng)今衛(wèi)星通信發(fā)展的一個重要方向，它的產(chǎn)生和發(fā)展奠定了衛(wèi)星通信設(shè)備向多功能化、智能化、小型化的方向發(fā)展。VSAT系統(tǒng)（網(wǎng)絡(luò)）是由一個主站和若干個VSAT終端組成的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。 主站也稱為中心站或樞紐站，它是一個較大的地球站，具有全網(wǎng)的出、入站信息傳輸、交換和控制功能。VSAT系統(tǒng)終端，通常指天線尺寸小于2.4m，由主站應(yīng)用管理軟件高度監(jiān)測和

32、控制的小型地面站。 VSAT系統(tǒng)主要用來進(jìn)行2Mb/s以下低速率數(shù)據(jù)的雙向通信。VSAT系統(tǒng)中的用戶小站對環(huán)境條件要求不高，可以直接安裝在用戶屋頂上，不必匯接中轉(zhuǎn)，可由用戶直接控制電路，安裝組網(wǎng)方便、靈活。因而VSAT系統(tǒng)的發(fā)展非常迅速。 VSAT系統(tǒng)工作在14/11GHz的KU頻段以及C頻段。系統(tǒng)中綜合了分組信息傳輸與交換、多址協(xié)議、頻譜擴(kuò)展等多種先進(jìn)技術(shù)，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)、語言、視頻圖像、傳真、計算機(jī)信息等多種信息的傳輸。 二、 低軌道（LEO）移動衛(wèi)星通信系統(tǒng) 為了實(shí)現(xiàn)全球個人通信，人們研究了很多方法，其中的一個方案就是利用低軌道衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)。 低軌道衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)與地面蜂窩式移動電話

33、系統(tǒng)的基本原理相似，都采用劃分小區(qū)和重復(fù)使用頻率的方法進(jìn)行通信；不同的是低軌道衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)相當(dāng)于把地面蜂窩式移動電話系統(tǒng)的基站安裝在衛(wèi)星上。低軌道衛(wèi)星體積小，重量輕，只有500kg左右，利用小型火箭就可以發(fā)射，便于及時更換有故障的衛(wèi)星，有利于提高系統(tǒng)的通信質(zhì)量和可靠性。 這種系統(tǒng)中的衛(wèi)星離地面高度較低，約為765km，所以叫做低軌道衛(wèi)星。由于衛(wèi)星離地球表面較近，每顆衛(wèi)星能夠覆蓋的地球表面就比靜止衛(wèi)星小得多，但是仍然比地面上移動通信的基站覆蓋的面積大得多，從而使系統(tǒng)中衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域能布滿整個地球表面。這時，衛(wèi)星與移動通信用戶之間的最大通信距離不超過2315km，在這樣的距離內(nèi)，可以使用小天線

34、、小功率、重量輕的移動通信電話機(jī)，通過衛(wèi)星直接通話。 目前提出的低軌道衛(wèi)星方案的大公司有8家。其中最有代表性的低軌道衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)主要有銥（Iridium）系統(tǒng)和全球星系統(tǒng)（Globalstar）系統(tǒng)、白羊（Arics）系統(tǒng)、低軌衛(wèi)星（Leo-Set）系統(tǒng)、柯斯卡（Coscon）系統(tǒng)、衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)（Teledesic）系統(tǒng)等。 銥系統(tǒng)簡介： 美國摩托羅拉公司在1991年提出用77顆衛(wèi)星，覆蓋全球的移動電話系統(tǒng)，這個方案和銥原子外圍包圍著77個電子的原子結(jié)構(gòu)很相似，所以被稱為“銥系統(tǒng)”。 這77顆衛(wèi)星分成7組，每組11顆，分布圍繞在地球上空、經(jīng)度上距離相等的7個平面內(nèi)的低軌道上；后又改為66顆

35、小型智能衛(wèi)星在地面上空765km處圍繞6條極地軌道運(yùn)行，衛(wèi)星與衛(wèi)星之間可以接力傳輸，從而使衛(wèi)星天線的波束覆蓋全球表面。這樣，在地面的任何地點(diǎn)、任何時間，總有一顆衛(wèi)星在視線范圍內(nèi)，以此來實(shí)現(xiàn)全球個人通信。 摩托羅拉所屬的“銥星”公司因市場定位及營銷體制失誤等原因，已于2000年5月宣布倒閉，投入運(yùn)行僅僅兩年的“銥”系統(tǒng)已終止服務(wù)，目前由美國防部出資維持其運(yùn)行。 “銥”系統(tǒng)雖然失敗，但其技術(shù)上的先進(jìn)性是毋庸置疑的，它成功地向人們展示了全球低軌衛(wèi)星蜂窩系統(tǒng)是實(shí)際可行的，從而向全球個人通信邁出了一大步。全球星（Globalstar）系統(tǒng)簡介： 全球星（Globalstar）系統(tǒng)是美國LQSS（Lora

36、l Qualcomm Satellite Service）公司于1991年6月向美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）提出低軌道衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)。LQSS公司是由Loral宇航局和Qualcomm公司共同組建的一個股份公司。全球星（Globalstar）系統(tǒng)與銥系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計和技術(shù)上均不同。全球星（Globalstar）系統(tǒng)屬于非迂回型，不單獨(dú)組網(wǎng)，其作用只是保證全球范圍內(nèi)任意用戶隨時可以通過該系統(tǒng)接入地面公共網(wǎng)聯(lián)合組網(wǎng)，其聯(lián)結(jié)接口設(shè)在關(guān)口站。 全球星（Globalstar）系統(tǒng)的基本設(shè)計思想是利用LEO衛(wèi)星組成一個連續(xù)覆蓋全球的移動通信衛(wèi)星系統(tǒng)。向世界各地提供話音、數(shù)據(jù)或傳真、無線電定位業(yè)務(wù)。它是作為地面蜂窩移動通信系統(tǒng)和其他移動通信系統(tǒng)的延伸，與這些系統(tǒng)具有互運(yùn)行性。此外，它還是一個類似于無繩電話的無線電話系統(tǒng)，但其服務(wù)范圍不受限制，