第一章-衛(wèi)星通信簡(jiǎn)介

現(xiàn)代衛(wèi)星通信陳鵬E-mail:pengchen@

TimothyPratt,CharlesBostian,JeremyAllnutt,SatelliteCommunications(SecondEdition)電子工業(yè)出版社，2003TimothyPratt,CharlesBostian,JeremyAllnutt,甘良才等譯，衛(wèi)星通信（第二版）SatelliteCommunication，電子工業(yè)出版社，2005王麗娜、王兵、周賢偉，黃旗明等，衛(wèi)星通信系統(tǒng)，國(guó)防工業(yè)出版社，2006儲(chǔ)鐘圻，數(shù)字衛(wèi)星通信，機(jī)械工業(yè)出版社，2006教材及參考書：衛(wèi)星通信技術(shù)——綜合性課程數(shù)學(xué)物理：軌道、仰角、方位角計(jì)算自動(dòng)控制：衛(wèi)星姿態(tài)，火箭制導(dǎo)遙控遙測(cè)：衛(wèi)星跟蹤技術(shù)數(shù)字通信：調(diào)制編解碼通信系統(tǒng)：衛(wèi)星鏈路計(jì)算，信道模型天線技術(shù)：拋物面天線、相控陣天線、多波束天線、天線饋電網(wǎng)絡(luò)射頻微波技術(shù)：轉(zhuǎn)發(fā)器、LNB、上行PA第一章衛(wèi)星通信簡(jiǎn)介20世紀(jì)無線通信的快速發(fā)展推動(dòng)人類遠(yuǎn)距離通信的需求，早期利用HF（短波）通信HF電報(bào)通信HF依靠電離層散射可以傳輸幾千公里的距離人造衛(wèi)星的歷史緣由:1：頻率資源少（3-30MHz）2：通信不穩(wěn)定，易受太陽(yáng)黑子活動(dòng)干擾，晝夜變化較大3：天線設(shè)備龐大：HF通信的問題：ArthurC.Clarke,“Extra-terrestrialRelays”WirelessWorld,pp.305-308,1945首次提出地球同步靜止軌道衛(wèi)星通信35860Km35860Km最早關(guān)于衛(wèi)星通信的設(shè)想:SputnikI：由蘇聯(lián)與1957年發(fā)射成功SputnikI重量83kg軌道時(shí)間：98分鐘橢圓軌道參與了對(duì)高層大氣層密度的測(cè)量世界上第一個(gè)人造衛(wèi)星:1958年12月18日，首顆通信衛(wèi)星——美國(guó)陸軍彈道導(dǎo)彈局ScoreI1964年8月19日，首顆地球靜止軌道衛(wèi)星——美國(guó)國(guó)家航空宇航局(USA-NASA)Syncom31965年的4月6日，第一顆實(shí)用型商業(yè)通信衛(wèi)星——國(guó)際衛(wèi)星通信組織（INTERSAT）EarlyBird，地球靜止軌道衛(wèi)星（實(shí)現(xiàn)了ArthurC.Clarke的設(shè)想）衛(wèi)星通信歷史上幾個(gè)首次：太空競(jìng)賽：1926年美國(guó)人羅伯特·戈達(dá)德設(shè)計(jì)了第一枚應(yīng)用液體燃料的火箭。標(biāo)志著戰(zhàn)爭(zhēng)進(jìn)入航空與火箭時(shí)代（Catapultrocketry），同時(shí)還預(yù)示著太空競(jìng)賽的到來。盡管太空競(jìng)賽打著“科學(xué)”和“和平利用太空”的幌子，但卻不可避免的要和各國(guó)的軍事目的聯(lián)系起來太空競(jìng)賽歷史背景：火箭——中國(guó)人早在11世紀(jì)就將其用作武器俄國(guó)科學(xué)家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯——多級(jí)液體燃料火箭的設(shè)想德國(guó)人的貢獻(xiàn)——A-4火箭、V2火箭（沃納·馮·布勞恩）二戰(zhàn)后蘇聯(lián)、英國(guó)和美國(guó)人才爭(zhēng)奪戰(zhàn)馮·布勞恩在內(nèi)的很多德國(guó)專家轉(zhuǎn)移到美國(guó)英國(guó)拿到數(shù)枚成品與半成品蘇聯(lián)將剩下的工廠內(nèi)的生產(chǎn)線以及附近與生產(chǎn)和研發(fā)火箭有關(guān)的德國(guó)家庭全數(shù)運(yùn)往國(guó)內(nèi)太空競(jìng)賽的冷戰(zhàn)根源：間諜衛(wèi)星——偵查其他國(guó)家火箭能將人類送入地球軌道或月球表面——也能發(fā)射原子彈到敵國(guó)太空技術(shù)具有雙重屬性：為和平目的服務(wù)用于軍事目的通訊衛(wèi)星重大事件：1962年，Telstar：第一顆跨洋通訊實(shí)驗(yàn)通訊衛(wèi)星1972年，Anik1：第一顆國(guó)內(nèi)通訊衛(wèi)星（加拿大）1974年，WESTAR：美國(guó)第一顆國(guó)內(nèi)通訊衛(wèi)星1976年，MARISAT：第一顆移動(dòng)通訊衛(wèi)星將生命送入太空：太空動(dòng)物：小狗萊伊卡(Laika)——SputnikII，蘇聯(lián)，1957海龜——探測(cè)器5號(hào)（繞月），蘇聯(lián)，1968太空人尤里·加加林——東方1號(hào)，蘇聯(lián)，1961年4月12日阿倫·謝潑德——自由7號(hào)，美國(guó)，23日之后！瓦倫京娜·捷列什科娃（第一位女太空人）——東方6號(hào)，蘇聯(lián)，1963阿波羅計(jì)劃——人類登月：1969年7月21日，阿波羅11首次實(shí)現(xiàn)成功太空競(jìng)賽其他成就（1）：探索其他行星1960年蘇聯(lián)首先發(fā)送了金星和火星的行星探測(cè)器1962年美國(guó)的水手2號(hào)成功探測(cè)了金星并發(fā)回金星表面的溫度和大氣密度數(shù)據(jù)1971年蘇聯(lián)的金星7號(hào)成為第一個(gè)降落在金星的人造物體1974年美國(guó)發(fā)射的水手10號(hào)，唯一一個(gè)到達(dá)過水星的太空船1965年美國(guó)發(fā)射的水手4號(hào)成為首個(gè)抵達(dá)火星軌道的探測(cè)器1971年蘇聯(lián)發(fā)射的火星3號(hào)是第一個(gè)在火星表面著陸的太空船1976年美國(guó)的海盜1號(hào)在火星著陸并首次傳輸了火星圖片1973年美國(guó)的先驅(qū)者10號(hào)成功飛過木星1979年先驅(qū)者11號(hào)首次飛越土星旅行者2號(hào)（1977年）實(shí)現(xiàn)了唯一的一次飛越天王星和海王星！太空競(jìng)賽其他成就（2）：發(fā)射和對(duì)接1962年8月12日蘇聯(lián)的東方3號(hào)和東方4號(hào)實(shí)現(xiàn)了首次太空回匯合美國(guó)的雙子座8號(hào)于1968年3月16日首次完成了太空對(duì)接1967年4月26日美國(guó)的ScoutB進(jìn)行了首次海上發(fā)射1971年6月7日第一個(gè)空間站蘇聯(lián)的禮炮1號(hào)開始運(yùn)作1970年4月24日，我國(guó)第一顆人造衛(wèi)星“東方紅一號(hào)”發(fā)射升空主要參數(shù)衛(wèi)星質(zhì)量：173公斤衛(wèi)星外形：直徑1米的球形72面體近地點(diǎn)：439公里遠(yuǎn)地點(diǎn)：2384公里用途：廣播“東方紅”樂曲我國(guó)衛(wèi)星發(fā)展歷史（1）：1984年4月8日中國(guó)第一顆地球靜止軌道同步衛(wèi)星東方紅二號(hào)主體：圓柱形，高為3.6米，直徑為2.1米重量：441公斤。衛(wèi)星上裝有4個(gè)C波段轉(zhuǎn)發(fā)器，等效全向輻射功率為36dBW。衛(wèi)星采用自旋穩(wěn)定，其軌道保持精度為：南北±1°，東西±0.5°。我國(guó)衛(wèi)星發(fā)展歷史（2）：1997年5月12日東方紅3號(hào)升空質(zhì)量：946kg地球靜止軌道，精度：東西南北均為±0.1°天線指向誤差：俯仰和滾動(dòng)均為±0.15°，偏航為±0.5°衛(wèi)星壽命：8年24路C頻段轉(zhuǎn)發(fā)器，6路為中功率轉(zhuǎn)發(fā)器；18路低功率轉(zhuǎn)發(fā)器。中功率通道EIRP≥37dBW低功率通道EIRP≥33.5dBW。我國(guó)衛(wèi)星發(fā)展歷史（3）：ScoreI：星上電池壽命有限（35天）Telstar：太陽(yáng)能+星上電池，轉(zhuǎn)發(fā)器C波段（上行6389MHz，下行4169MHz，50MHz帶寬），MEO軌道，可實(shí)現(xiàn)20min跨洋通信LEO/MEO軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)的問題：覆蓋全球需要衛(wèi)星多——發(fā)射次數(shù)多，失敗率較高衛(wèi)星與衛(wèi)星之間需要建立鏈路GEO覆蓋廣（1顆衛(wèi)星覆蓋1/3地球表面居住區(qū)域）HEO（高橢圓軌道）適用于俄羅斯等極地附近國(guó)家通訊衛(wèi)星的發(fā)展、軌道的選擇:C波段（下行4GHz，上行6GHz）天線——直徑數(shù)米的拋物面，地面站以及星上天線尺寸較大，頻段資源少（100~300MHz）Ku波段（下行12GHz，上行14GHz）天線——0.5-1米拋物面天線，尺寸小，頻段資源多（500MHz-1GHz）衛(wèi)星通信頻率的提高：人造衛(wèi)星的應(yīng)用與服務(wù)：不同應(yīng)用之衛(wèi)星分類就應(yīng)用方面來說，衛(wèi)星約可分成下列幾類：偵察衛(wèi)星(SurveillanceSatellites)預(yù)警衛(wèi)星(EarlyWarningSatellites)氣象衛(wèi)星(WeatherSatellite)天文衛(wèi)星(AstronomicalSatellite)導(dǎo)航衛(wèi)星(NavigationalSatellite)探測(cè)衛(wèi)星(RemoteSensorSatellite)殺手衛(wèi)星(KillerSatellite)通信衛(wèi)星(CommunicationSatellite)

通訊衛(wèi)星是長(zhǎng)距離通訊的一個(gè)極佳中繼站，它能克服橫跨海洋和大陸的無線電通訊傳播時(shí)所遭遇的困難。大部分的通訊衛(wèi)星都在地球同步軌道上運(yùn)行（即同步衛(wèi)星），看起來就像在地球上空的特定點(diǎn)上靜止不動(dòng)一樣。

通訊衛(wèi)星：衛(wèi)星作為通信、直播廣播鏈路的中繼站：

美國(guó)、俄羅斯、歐洲、中國(guó)均有此類衛(wèi)星。美國(guó)的全球定位系統(tǒng)(GPS)共有24顆導(dǎo)航衛(wèi)星，飛行器可利用四顆衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)來計(jì)算自己的位置、高度和速度。地表上空電離層的電子密度及中性大氣中水汽含量的改變，均會(huì)影響GPS的訊號(hào)。

導(dǎo)航衛(wèi)星：衛(wèi)星在無線通信領(lǐng)域的定位：在無線通信領(lǐng)域中，衛(wèi)星通信將提供全球、廣域之通連服務(wù)：衛(wèi)星通信主要功能運(yùn)用：國(guó)際電信鏈路(InternationalTelecommunication,如INTELSAT)電視節(jié)目傳送(TVProgramDistribution)企業(yè)專用網(wǎng)絡(luò)(VSATs)軍事通信運(yùn)用(MilitaryCommunications)移動(dòng)通信服務(wù)(Mobilesatelliteservices,如INMARSAT)

直接影視廣播(DirectVideoBroadcast,DVB)直接音頻廣播(DirectAudioBroadcast,DAB)緊急救助通信(EmergencyCommunication)全球移動(dòng)電話(如銥計(jì)劃(Iridium))因特網(wǎng)干線(InternetBackboneServices)衛(wèi)星通信特點(diǎn)：衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有以下特征與重要作用：獨(dú)特三度空間無縫隙覆蓋能力獨(dú)特靈活性與普及服務(wù)能力大區(qū)域的可機(jī)動(dòng)性或可行動(dòng)性通連廣域網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)構(gòu)連能力廣域Internet交互連接能力特有的廣域廣播與多點(diǎn)同時(shí)通連能力對(duì)國(guó)際/區(qū)域/本地距離連接的不敏感性對(duì)緊急救災(zāi)及故障搶救的快速靈活通信衛(wèi)星軌道劃分：按軌道高度劃分：低軌道(LEO):300to1,500km中軌道(MEO):8,000to12,000km同步軌道(GEO):approx.36,000km按軌道形狀劃分：圓形軌道(Circular)橢圓軌道(Elliptical)

低軌道(1000公里以內(nèi))衛(wèi)星約二至三小時(shí)繞行地球一周，出現(xiàn)在可視范圍內(nèi)時(shí)間短，因此需要較多衛(wèi)星以接力方式，才能提供全球全天候的服務(wù)。通常間碟衛(wèi)星就是屬于這一種位于高度較低的軌道，由于軌道限制較少，因此近年大為流行。適合于通訊，因此如銥計(jì)劃(Iridium)等都是用低軌道衛(wèi)星來做。銥計(jì)劃即采6個(gè)軌道面，各軌道含11顆衛(wèi)星；Globalstar也是6個(gè)軌道面，各軌道面含8顆衛(wèi)星。

低軌衛(wèi)星(LEO)：在同步軌道與低軌道之間，以導(dǎo)航GPS衛(wèi)星而言，采6個(gè)軌道面，各軌道面含4顆。中軌衛(wèi)星(MEO)：

距離地球表面約36000公里的高度。繞地球旋轉(zhuǎn)速度與地球自轉(zhuǎn)速度一樣，因此在地球上觀看該衛(wèi)星時(shí)，好像靜止不動(dòng)的停留在太空中。做為通訊使用，因?yàn)镈elay嚴(yán)重，會(huì)造成訊息傳送時(shí)間較長(zhǎng)。同步軌道中之衛(wèi)星，因與地球自轉(zhuǎn)同步，因此只需三顆(一顆可覆蓋42％地表)即可構(gòu)成全球通信。

同步衛(wèi)星(GEO)：

軌道資源有限(360o)，ITU于1985年國(guó)際衛(wèi)星會(huì)議，原規(guī)劃3o一顆，已改成2o一顆，經(jīng)申請(qǐng)同意，才可布放。資源衛(wèi)星、通訊衛(wèi)星、軍事衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星…都喜好長(zhǎng)駐。東經(jīng)125o至西經(jīng)125o的范圍是太平洋上空，其同步靜止衛(wèi)星較稀少。不同軌道衛(wèi)星比較：型態(tài)低軌衛(wèi)星LEO中軌衛(wèi)星MEO同步衛(wèi)星GEO高度300-1500km8000-12000km36000km可用時(shí)間15min2-4hrs24hrs優(yōu)點(diǎn)低成本傳輸延遲低信號(hào)衰減低中度成本傳輸延遲低地表覆蓋率42.2%無多普勒效應(yīng)傳輸延遲來回時(shí)間15ms100ms250ms缺點(diǎn)生命周期短衛(wèi)星體系復(fù)雜有多普勒效應(yīng)衛(wèi)星體系復(fù)雜有多普勒效應(yīng)傳輸延遲大衛(wèi)星成本較高軌道為置有限NameFullNameAttitude(Km)Amountneededtocovertheearth同步衛(wèi)星(GEO)GeostationaryOrbit約35860公里3中軌衛(wèi)星(MEO)MediumEarthOrbit1000~25000公里10低軌衛(wèi)星(LEO)LowEarthOrbit500~1000公里48三種軌道的分界卻沒有很明確的標(biāo)準(zhǔn)，只能大致上用大氣圈的中氣層頂上，離地1000公里處作為低軌與中軌的分界；用25000公里的高度作為中軌與高軌的分界。軌道的劃分：衛(wèi)星軌道繞行參數(shù)：10203040x106m2420161284衛(wèi)星周期[h]速度[x1000km/h]同步軌道位置35,786km與地心的距離11000km/h衛(wèi)星波束可覆蓋范圍：HF:2500-6500公里GEO:16,960公里位置高度最大可傳輸距離衛(wèi)星波束覆蓋類別：全球覆蓋：衛(wèi)星天線照射地球表面最大面積，約為17.4度。區(qū)域覆蓋：典型區(qū)域覆蓋天線的波束寬度為5度。點(diǎn)波束覆蓋：天線的波束寬度為2度。全球覆蓋區(qū)域覆蓋點(diǎn)波束覆蓋衛(wèi)星通信使用頻段：衛(wèi)星通信使用微波頻段(300MHz~300GHz)，其原因?yàn)椋韩@得較大頻寬、提供大通信容量。衛(wèi)星處于外層空間(即電離層之外)，電磁波必須能穿透電離層。頻段越高、波束越窄、遭受干擾越小。頻段越高、帶寬越大、傳輸速率越高。衛(wèi)星通信使用頻率：為避免上、下鏈路于傳輸空間相互干擾，需將上、下鏈路的頻帶錯(cuò)開。因?yàn)樾l(wèi)星負(fù)載重量與壽命限制，上行鏈路使用較高頻率。目前衛(wèi)星通信常用的頻帶：頻帶下行頻率（GHz）上行頻率（GHz）備注C4（3.7-4.2）6（5.925-6.425）地面微波干擾Ku