衛(wèi)星通信技術發(fā)展及其應用

第頁衛(wèi)星通信技術發(fā)展及其應用摘要：本文介紹了衛(wèi)星通信的基本概念，相關技術，探討了當前衛(wèi)星通信技術發(fā)展索面領的的一些問題，并探討了相應的應用；讓后再當前衛(wèi)星通信技術發(fā)展的基礎上提出了，衛(wèi)星通信系統(tǒng)特點、衛(wèi)星抗干擾技術及需要突破的關鍵技術。關鍵詞：衛(wèi)星通信；寬帶衛(wèi)星通信；衛(wèi)星移動通信；空間衛(wèi)星通信；通信衛(wèi)星；抗干擾；衛(wèi)星通信技術今后的趨勢1衛(wèi)星通信基本概念衛(wèi)星通信是指利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站轉發(fā)無線電波，在兩個或多個地球站之間進行的通信。它是微波通信與航天技術基礎上發(fā)展起來的一門新興的無線通信技術，所使用的無線電波頻率為微波頻段(300MHz～300GHz，即波段lm～1min)。這種利用人造地球衛(wèi)星在地球站之間進行通信的通信系統(tǒng)，則稱為衛(wèi)星通信系統(tǒng)，而把用于現(xiàn)實通信目的的人造衛(wèi)星稱為通信衛(wèi)星，其作用相當于離地面很高的中繼站，因此，可以認為衛(wèi)星通信是地面微波中繼通信的繼承與發(fā)展，是微波接力通向太空的延伸?？臻g無線電通信有3種形式。1地球站與空間站之間的通信；2空間站之間的通信；3通過空間站的轉發(fā)或反射來進行的地球站相互間的通信,也就是通常所稱的衛(wèi)星通信，衛(wèi)星就是一種空間站。實際上，這三者是密切相關的甚至可以結合為一個大系統(tǒng)，因為地球站與空間站之間以及空間站之間的通信也常常需要通過通信衛(wèi)星的轉發(fā)或中繼來進行，并與地面基礎設施相聯(lián)系，從信息傳輸?shù)慕嵌瓤?，前二者也是一種廣義的衛(wèi)星通信。二十世紀六十年代以來，衛(wèi)星通信迅速發(fā)展，在軍事與民事領域獲得了廣泛的應用；七八十年代達到頂峰。八十年代末九十年代初，由于光纖通信以及蜂窩移動通信的發(fā)展，衛(wèi)星通信逐漸由傳統(tǒng)通信領域逐漸轉向其他方向。近幾年來，衛(wèi)星通信在美、歐、日等發(fā)達國家實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化與國際化年收入達900多億美元,年均增長率高達13%。與此同時，在軍事應用中衛(wèi)星通信仍然是其主要的通信手段是其他通信手段所不能取代的；在經(jīng)濟政治與文化領域中衛(wèi)星通信不僅有效地補充了其他通信手段的不足或不能（如海事、遠程航空的通信等），而且作為大眾傳媒如視頻與音頻廣播“最后一公里到戶”的接入，防災、救災、處理突發(fā)事件的應急通信等均大有作為。此外近年來深空探測與載人航天活動的頻繁活動，極大促進了衛(wèi)星通信的發(fā)展也是一大亮點。2.衛(wèi)星通信系統(tǒng)需解決的主要技術問題衛(wèi)星通信內在的大覆蓋范圍，以廣播與組播模式工作的特性使得它們能夠提供高速因特網(wǎng)連接與多媒體遠距離傳輸。但要發(fā)揮這些優(yōu)勢，除了人們所熟知的采用大型星載可展開式天線與多波束相控陣天線增大衛(wèi)星功率與帶寬，使用更高效的星上電源系統(tǒng)采用更先進的高效調制與編碼技術等常規(guī)措施外。還有下列一些技術問題需要解釋。1)寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)空中接口的標準化為了推廣應用降低成本采用標準接口是發(fā)展趨勢目前美國電信工業(yè)協(xié)會TIA與歐洲電信標準學會ETSI分別對此規(guī)定了幾個標準的接口。比較項目：ETSIEN301790TIA-1008ETSIRSM-A網(wǎng)絡拓撲：星形或網(wǎng)狀星形星形或網(wǎng)狀調制方式：QPSKCE-OQPSKCE-OQPSK2)星上處理及交換技術為滿足用戶對傳輸時延，終端小型化誤碼率等方面的要求。寬帶通信衛(wèi)星采用星上處理與交換技術是一種比較好的解決辦法。傳統(tǒng)的通信衛(wèi)星一般采用彎管式。轉發(fā)器衛(wèi)星只是完成變頻放大等基本功能，對信號不進行任何處理。為實現(xiàn)波束間交換，可采用載波處理轉發(fā)器，衛(wèi)星是以信號載波為單位在射頻或中頻上對信號進行交換，但對信息內容不進行處理。最適合寬帶衛(wèi)星通信業(yè)務的是全處理轉發(fā)器，衛(wèi)星不僅需要完成信號的解調、譯碼，還需要一定的信令處理與路由選擇能力能實現(xiàn)信息的星上交換（比如星載ATM交換機）。3)衛(wèi)星IPIPoS技術由于衛(wèi)星信道具有較大的并且可能是可變的分組往返時延RTT、大的時延帶寬積、前/反向道不對稱使、用較高的信道誤碼率及信號衰落等。把為地面網(wǎng)絡設計的TCP/IP直接應用于衛(wèi)星通信會導致其工作效率低下，需采取一些措施予以解決。比如在協(xié)議上進行改進或對鏈路進行分段。4)服務質量QoS保證用戶得到所需要的QoS是寬帶衛(wèi)星通信業(yè)務成功的關鍵包括以下幾個方面：時延：把分組從發(fā)送方傳輸?shù)浇邮辗剿璧臅r間；時延抖動：端端傳輸時延的變化程度；吞吐量：2個端點之間能夠維持的最大數(shù)據(jù)傳輸速率；丟包率:未成功傳輸分組數(shù)與總傳輸分組數(shù)的比例;可靠性:網(wǎng)絡可用度的百分比,主要決定如降雨與大氣這樣的環(huán)境參數(shù)。5)降雨損耗目前，寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要采用Ka，Ku頻段以獲得較寬的可用帶寬與較小的地面站天線口徑，但這些頻帶的電波傳播特性受降雨衰耗的影響較大。根據(jù)實驗與實際應用的結果采用上行鏈路功率控（UPC）與自適應編碼調制可以基本解決這個問題。比如NASA的ACTS衛(wèi)星采用了RS碼與卷積碼級聯(lián)晴朗天氣情況下其誤比特率可達到10_12有雨衰的情況下至少99%的時間可以達到10_11。3.衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及關鍵技術衛(wèi)星移動通信是指利用通信衛(wèi)星作中繼站實現(xiàn)移動用戶之間或移動用戶與固定用戶之間相互通信的一種通信方式。它是傳統(tǒng)的衛(wèi)星固定通信與地面移動通信交叉結合的產(chǎn)物。從表現(xiàn)形式來看它既是一個提供移動業(yè)務的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，又是一個采用衛(wèi)星作中繼站的移動通信系統(tǒng)，所利用的衛(wèi)星既可以是GSO衛(wèi)星，也可以是NGSO衛(wèi)星，如中等高度地球軌道MEO低高度地球軌道LEO與高橢圓軌道HEO衛(wèi)星等。衛(wèi)星移動通信的特點及其關鍵技術與衛(wèi)星固定通信相比，衛(wèi)星移動通信具有如下技術特點：1)衛(wèi)星功率有限與移動站低天線增益之間的矛盾十分突出；2)電波傳播情況復雜；系統(tǒng)是在非高斯信道中工作的，由于移動站采用弱方向性的低增益天線并，在移動狀態(tài)中進行通信多徑效應與多普勒頻移是不可避免的。3)眾多的用戶共享有限的衛(wèi)星、頻率與功率資源4)移動臺要求高度的機動性、故小型化及支持用戶漫游是基本要求為此，除了需要解決如下的一些關鍵技術外，如衛(wèi)星向覆蓋區(qū)提供高的有效全向輻射功率，采用必要的抗衰落技術（如分集技術）、網(wǎng)絡的運行管理與控制、星地一體化的優(yōu)化設計，還需著重解決下列關鍵技術。1)星載多波束天線技術采用多波束天線是解決大覆蓋范圍與高天線增益之間矛盾的惟一手段，如銥系統(tǒng)采用48波束天線全球星系統(tǒng)采用16波束天線。多波束天線是影響我國衛(wèi)星移動通信發(fā)展的核心關鍵技術。一方面，其重量、功耗直接影響衛(wèi)星平臺的設計指標；另一方面，天線增益對系統(tǒng)所能達到的通信性能起著至關重要的作用。目前，國內已有多波束天線的設計能力，對星用T/R組件也有研制經(jīng)驗，與國外先進水平的差距主要在于星載工藝問題，如何降低功耗與重量是研究的重點。2)星上處理與交換技術具有星際鏈路、星上處理與交換能力是對現(xiàn)代衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的基本要求。對于星際鏈路，核心是解決天線的捕獲、跟蹤與瞄準問題；對于星上處理，目前國內已有星上解調、解擴與解跳的較成熟技術。主要問題在于可靠性、重量與功耗等。雖然國內已經(jīng)完成了具有小規(guī)模星上處理與交換功能的樣機研制，但受星載器件水平的限制，在星上實現(xiàn)具有綜合業(yè)務交換功能與動態(tài)拓撲條件下移動路由功能的交換機仍是一項需要重點攻關的關鍵技術。3)移動性管理技術移動性管理是移動通信系統(tǒng)必須要解決的問題，它包括位置管理與切換管理兩方面。雖然地面已有成熟的移動性管理技術，但在NGSO衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中，作為交換節(jié)點的通信衛(wèi)星相對地面作高速移動，導致網(wǎng)絡拓撲是變化的，即使用戶不移動切換也是頻繁發(fā)生的。并且用戶終端，衛(wèi)星與關站之間沒有固定的連接關系。因此，對于星上處理與交換能力、系統(tǒng)容量等都很有限的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)。必須采用適當?shù)囊苿有怨芾聿呗?，以便在盡量降低移動性管理開銷，星載交換機處理負擔與路由更新開銷的條件下保證用戶信息能夠經(jīng)過星際鏈路選路到目的地，并且在通信過程中實現(xiàn)衛(wèi)星之間正確無誤地切換、4)終端小型化終端的體積、重量主要由天線、射頻模塊與電池等決定。從通信技術來說，實現(xiàn)天線與射頻模塊的小型化是解決終端小型化的關鍵技術。適應各類移動臺結構要求的天線、高穩(wěn)定度的頻率源（考慮到系統(tǒng)通常傳輸?shù)退俾市盘?、載波間隔小、多普勒頻移的影響等，此要求尤為突出）、高效率的功率高效率的功率放大器等都是需要進一步研究的在小型化天線中，增益與覆蓋性能的問題十分突出，如既要求高增益，又要兼顧高、低仰角處增益的均勻性，是有矛盾的。實現(xiàn)天線小型化的基本途徑是：研制新穎的天線結構（如螺旋天線、微帶貼片的平面天線、天線分集等）與采用新材料（如介質或磁性材料加載等）。射頻模塊小型化主要涉及到收發(fā)模塊與雙工器，其構成與地面蜂窩系統(tǒng)手機的構成大體相同，而后者技術已十分成熟，可從中得到借鑒?，F(xiàn)有接收與發(fā)射電路都已做得很小與很低功耗，工作于UHF與L/S頻段，每個有源器件尺寸在數(shù)平方毫米至十幾平方毫米之間：在無源器件中值得關注的是工作于雙頻段的雙工器，它可通過聲表面波SAW器件或低溫共燒陶瓷LTCC工藝來實現(xiàn)。其中，利用LTCC工藝制作的雙頻段雙工器在900MHz頻段，隔離度達28dB插損1.7dB在1770MHz隔離度與插損分別為19dB與1.5dB。4.衛(wèi)星通信系統(tǒng)可能遭受的干擾對衛(wèi)星通信而言，其上行鏈路可能遭受的電磁干擾源包括陸地固定式干擾機、車載與艦載移動式干擾機、機載干擾機與干擾衛(wèi)星，麗干擾衛(wèi)星與機載式、飛航式、傘掛式干擾機則可對下行鏈路進行干擾。于擾下行鏈路時，干擾源對于衛(wèi)星轉發(fā)器，雖然在功率與距離方面容易取得較大的優(yōu)勢，但是在覆蓋面與信號輻射方向上通常都處于明顯的劣勢。即使采用機載干擾機在10km以上的高空施放強干擾，其影響面也只能達一百多公里的半徑，更遠距離的地面站容易采用旁瓣遮擋技術排除其干擾，況且地面站容易采用綜合抗干擾措施排除各種類型的干擾。因此，相對而言，衛(wèi)星通信的上行鏈路比較脆弱，是敵方干擾的重點，這樣上行鏈路抗干擾的研究更為重要。無線通信系統(tǒng)中的干擾有很多，按照不同的分類依據(jù)，可以有很多分類方法。如按其形成方式可分為欺騙式干擾、攪擾式干擾與壓制式干擾；按引導方式可分為定頻守候式干擾、連續(xù)搜索干擾、重點搜索干擾、跳頻跟蹤干擾、擴頻跟蹤干擾與轉發(fā)式干擾；按頻譜形式可分為瞄準式干擾，阻塞式干擾，部分頻帶式干擾與掃頻式干擾；按發(fā)射的控制方式可分為人工干擾與自動干擾等。抗干擾的基本目的是通過對信息、信息的載體及傳播方式進行特定的處理，提高通信接收端的輸出信干比，使其具備較強的區(qū)分有用信號與干擾的能力，從而正確地接收所需