现代通信技术概论第6章卫星通信系统综述课件

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版标题样式,*,E-mail:shenjh,*,现代通信技术概论,现代通信技术概论,2,第,6,章 卫星通信系统,6.1,概述,6.2,卫星运行轨道,6.3,卫星通信的多址方式,6.4 VSAT,系统,6.5,卫星导航定位系统,2第6章 卫星通信系统6.1 概述,3,6.1,概述,6.1.1,卫星通信发展简史,6.1.2,卫星通信的特点,6.1.3,卫星通信的工作频段,6.1.4,卫星通信系统的组成,6.1.5,卫星通信系统的分类,36.1 概述6.1.1卫星通信发展简史,4,6.1,概述,卫星通信是指设置在地球上（包括地面、水面,和低层大气中）的无线电通信站之间利用人造,地球卫星作中继站转发或反射无线电波，在两,个或多个地球站之间进行的通信。,卫星通信是在地面微波中继通信和空间电子技,术的基础上发展起来的一种通信方式，它是宇,宙无线通信的主要形式之一，也是微波通信发,展的一种特殊形式。,46.1 概述 卫星通信是指设置在地球上（包括地面、水面,5,6.1.1,卫星通信发展简史,卫星通信的起源,56.1.1 卫星通信发展简史卫星通信的起源,6,6.1.1,卫星通信发展简史,1957,年,10,月，前苏联成功发射了世界上第一颗低轨人造地球卫星,Sputnik,。,1958,年，美国宇航局发射了“,SCORE”,卫星，并通过该卫星广播了美国总统圣诞节祝词。,1962,年，美国电话电报公司发射了“电星” ，它可进行电话、电视、传真和数据的传输。,1964,年,8,月，美国发射了首颗静止轨道的通信卫星“辛康姆,3,号”（,SYNCOM-3,），并利用它成功地进行了电话、电视和传真的传输试验。,1965,年,4,月，,INTELSAT,把原名为“晨鸟” 的第,1,代“国际电信卫星” 射入地球静止轨道。,1970,年,4,月,24,日，我国在酒泉卫星发射中心成功地发射了第一颗人造地球卫星“东方红一号”。,66.1.1 卫星通信发展简史1957年10月，前苏联成功发,7,6.1.2,卫星通信的特点,通信时延较长,通信链路易受外部条件影响,存在星蚀和日凌中断现象,76.1.2 卫星通信的特点通信时延较长,8,6.1.3,卫星通信的工作频段,选择工作频段时考虑的因素,工作频段的电磁波应能轻易穿透电离层；,电波传播损耗应尽可能地小；,天线系统引入的外部噪声要小；,有较宽可用频带，与地面现有的通信系统的兼容性要好，且相互间的干扰要小；,星上设备重量要轻，消耗的功率要小；,尽可能地利用现有的通信技术和设备；,与其他通信、雷达等电子系统或电子设备之间的相互干扰要小。,86.1.3 卫星通信的工作频段选择工作频段时考虑的因素,9,6.1.3,卫星通信的工作频段,卫星通信的频段范围,卫星通信的频率范围一般选在微波频段（,300MHz 300GHz,）。,微波频段的特点是：有较宽的频谱，可以获得较大的通信容量；天线增益高、尺寸小；现有的微波通信设备稍加改造就可以利用。此外，考虑到卫星处于电离层之外的外层空间，而微波频率恰恰能够较容易地穿透电离层。,96.1.3 卫星通信的工作频段卫星通信的频段范围,10,6.1.3,卫星通信的工作频段,微波频段,频率范围（,GHz,）,微波频段,频率范围（,GHz,）,微波频段,频率范围（,GHz,）,L,1 2,K,18 26,E,60 90,S,2 4,Ka,26 40,W,75 110,C,4 8,Q,33 50,D,110 170,X,8 12,U,40 60,G,140 220,Ku,12 18,V,50 75,Y,220 325,106.1.3 卫星通信的工作频段微波频段频率范围（GHz）,11,6.1.4,卫星通信系统的组成,116.1.4 卫星通信系统的组成,12,6.1.4,卫星通信系统的组成,空间段,126.1.4 卫星通信系统的组成空间段,13,通信卫星的组成,13通信卫星的组成,14,6.1.4,卫星通信系统的组成,通信分系统,卫星上的通信分系统又称为转发器，它实际上是一个提供卫星发射天线和接收天线之间链路连接的设备，是构成卫星通信的中枢，其功能是使卫星具有接收、处理并重发信号的能力。,转发器按照变频方式和传输信号形式的不同可分为单变频转发器、双变频转发器和星上处理转发器。,146.1.4 卫星通信系统的组成通信分系统,15,6.1.4,卫星通信系统的组成,单变频转发器,156.1.4 卫星通信系统的组成单变频转发器,16,6.1.4,卫星通信系统的组成,双变频转发器,166.1.4 卫星通信系统的组成双变频转发器,17,6.1.4,卫星通信系统的组成,星上处理转发器,176.1.4 卫星通信系统的组成星上处理转发器,18,6.1.4,卫星通信系统的组成,天线分系统,天线分系统承担了接收上行链路信号和发射下行链路信号的双重任务。,卫星天线分为遥测指令天线和通信天线两类。,186.1.4 卫星通信系统的组成天线分系统,19,6.1.4,卫星通信系统的组成,跟踪、遥测和指令（,TT&C,）分系统,跟踪设备用来为地球站跟踪卫星发送信标。,遥测部分用来对所有的卫星分系统进行监测，获得有关卫星姿态及星内各部分工作状态等的数据，经放大、多路复用、编码、调制等处理后，通过专用的发射机和天线发给地面的,TT&C,站。,指令部分专门用来接收和译出,TT&C,站发给卫星的指令，控制卫星的运行。,196.1.4 卫星通信系统的组成跟踪、遥测和指令（TT&C,20,6.1.4,卫星通信系统的组成,控制分系统,控制分系统（,CS,）由一系列机械的或电子的可控调整装置组成，在,TT&C,站的指令控制下完成对卫星轨道位置、姿态、工作状态等的调整与控制。,CS,需要完成两种控制，即姿态控制和位置控制。姿态控制主要是保证天线波束始终对准地球，同时确保太阳能电池帆板始终对准太阳。位置控制用来消除天体引力产生的摄动影响，使卫星与地球的相对位置保持固定。,206.1.4 卫星通信系统的组成控制分系统,21,6.1.4,卫星通信系统的组成,电源分系统,通信卫星的电源除要求体积小、重量轻、效率高之外，最主要的还应在其寿命期内保持输出足够的电能。,在宇宙空间，阳光是最重要的能源，在有光照时，主要使用太阳能电池产生功率；当卫星处于发射状态或处于地球阴影区时，使用蓄电池来保证电源功率。,216.1.4 卫星通信系统的组成电源分系统,22,6.1.4,卫星通信系统的组成,地面段,226.1.4 卫星通信系统的组成地面段,23,6.1.5,卫星通信系统的分类,按照卫星的运动状态（制式），可分为静止卫,星通信系统和非静止卫星通信系统，非静止卫,星通信系统又可进一步分为随机运动卫星通信,系统和相位运动卫星通信系统。,按照卫星的通信覆盖区范围，可分为全球卫星,通信系统、国际卫星通信系统、国内卫星通信,系统和区域卫星通信系统。,236.1.5 卫星通信系统的分类 按照卫星的运动状态（制式,24,6.1.5,卫星通信系统的分类,按照卫星的结构，可分为无源卫星通信系统,（被动卫星通信系统）和有源卫星通信系统,（主动卫星通信系统）。,按照多址方式，可分为频分多址卫星通信系,统、时分多址卫星通信系统、码分多址卫星,通信系统、空分多址卫星通信系统、混合多,址卫星通信系统等。,按照所传输信号的体制，可分为模拟卫星通,信系统和数字卫星通信系统。,246.1.5 卫星通信系统的分类 按照卫星的结构，可分为无,25,6.1.5,卫星通信系统的分类,按照用户性质，可分为商用卫星通信系统、专,用卫星通信系统和军用卫星通信系统。,按照通信业务种类，可分为固定业务卫星通信,系统、移动业务卫星通信系统、广播电视卫星,通信系统、科学实验卫星通信系统以及教学、,气象、导航、军事等卫星通信系统等。,按照工作频段，可分为特高频卫星通信系统、,超高频卫星通信系统、极高频卫星通信系统和,激光卫星通信系统。,256.1.5 卫星通信系统的分类 按照用户性质，可分为商用,26,6.2,卫星运行轨道,6.2.1,卫星运动的基本规律,6.2.2,卫星轨道分类,6.2.3,卫星轨道的摄动,266.2 卫星运行轨道6.2.1 卫星运动的基本规律,27,6.2.1,卫星运动的基本规律,开普勒第一定律,轨道定律,卫星运动的轨道一般是一个椭圆，一个椭圆有两个焦点，双体系统的质量中心称为质心，它始终处在其中一个焦点上。质心与地球中心是重合的，即地球的中心始终位于该椭圆的一个焦点上。,276.2.1 卫星运动的基本规律开普勒第一定律轨道定律,28,6.2.1,卫星运动的基本规律,开普勒第二定律,面积定律,在单位时间内，卫星的地心向径，即地球质心与卫星质心间的距离向量，扫过的面积相等。,286.2.1 卫星运动的基本规律开普勒第二定律面积定律,29,6.2.1,卫星运动的基本规律,开普勒第三定律,轨道周期定律,卫星围绕地球运动一圈的周期为，其平方与轨道椭圆半长轴的立方之比为一常数，而该常量等于地球引力常数的倒数。,296.2.1 卫星运动的基本规律开普勒第三定律轨道周期,30,6.2.2,卫星轨道分类,按轨道高度分类,低轨道（,LEO,：,Low Earth Orbit,）：距离地球表面大约为,700 1500km,；,中轨道（,MEO,：,Medium Earth Orbit,）：距离地球表面,10000km,左右；,高椭圆轨道（,HEO,：,Highly Elliptic Orbit,）,:,距离地球表面的最近点为,100021,000km,，最远点为,39, 500 50, 600km,；,同步轨道（,GEO,：,Geostationary Earth Orbit,）：距离地球表面,35, 786km,。,306.2.2 卫星轨道分类按轨道高度分类,31,6.2.2,卫星轨道分类,按轨道形状分类,圆形轨道（,e,=0,）,椭圆形轨道（,1,e,0,）,按轨道平面倾角分类,赤道轨道：,i,=0,，轨道面与赤道面重合。,倾斜轨道：,0,i,90,，轨道面与赤道面成一个夹角，倾斜于赤道面。,极轨道：,i=,90,，轨道面穿过地球的南北两极，与赤道面呈垂直状。,316.2.2 卫星轨道分类按轨道形状分类,32,6.2.3,卫星轨道的摄动,引起卫星轨道摄动的主要力学因素,地球引力场的不均匀性,地球大气层阻力,太阳、月亮引力的作用,太阳光压,326.2.3 卫星轨道的摄动引起卫星轨道摄动的主要力学因素,33,6.3,卫星通信的多址方式,6.3.1,频分多址,6.3.2,时分多址,6.3.3,码分多址,6.3.4,空分多址,336.3 卫星通信的多址方式6.3.1 频分多址,34,6.3.1,频分多址,346.3.1 频分多址,35,6.3.2,时分多址,356.3.2 时分多址,36,6.3.3,码分多址,366.3.3 码分多址,37,6.3.4,空分多址,376.3.4 空分多址,38,上述四种多址方式的比较,参见表,6-2,。,38上述四种多址方式的比较参见表6-2。,39,6.4 VSAT,系统,6.4.1 VSAT,网的组成,6.4.2 VSAT,的工作过程,396.4 VSAT系统6.4.1 VSAT网的组成,40,6.4.1 VSAT,网的组成,406.4.1 VSAT网的组成,41,6.4.1 VSAT,网的组成,主站（中心站）,主站又称中心站（中央站）或枢纽站，是,VSAT,网的重要组成部分。,主站使用大型天线，其天线直径一般约为,3.5 8 m,（,Ku,波段）或,7 13 m,（,C,波段），并配有高功率放大器、低噪声放大器、上,/,下变频器、调制解调器及数据接口设备等。,主站内设有一个网络控制中心，对全网运行状况进行监控和管理。,主站的设备皆设有备份。,416.4.1 VSAT网的组成主站（中心站）,42,6.4.1 VSAT,网的组成,小站（,VSAT,）,VSAT,小站由小口径天线、室外单元和室内单元组成。,VSAT,天线有正馈和偏馈两种形成，正馈天线尺寸较大，而偏馈天线尺寸小、性能好，且结构上不易积冰雪，因此常被采用。,室外单元主要包括,GaAsFET,固态功放、低噪声场效应管放大器、上,/,下变频器和相应的监测电路等。,室内单元主要包括调制解调器、编译码器和数据接口设备等。,426.4.1 VSAT网的组成小站（VSAT）,43,6.4.1 VSAT,网的组成,空间段,VSAT,网的空间部分是,C,频段或,Ku,频段同步卫星转发器。,436.4.1 VSAT网的组成空间段,44,6.4.2 VSAT,的工作过程,在,VSAT,网中，小站和主站通过卫星转发器连成星型网络结构，所有的小站可直接与主站互通。小站之间的通信以双跳方式来完成，即由小站首先将信号发送给主站，然后由主站转发给其它小站。在,VSAT,网中，一般采用分组传输方式，任何进入网络的数据在网内发送之前首先要进行格式化，即每份较长的数据分解成若干固定长度的“段”，每“段”再加上必要的地址和控制信息并按规定的格式进行排列作为信息传输单位，通常称之为“分组”。,446.4.2 VSAT的工作过程 在VSAT网中,45,6.4.2 VSAT,的工作过程,出站（,outbound,）传输,在,VSAT,网中，主站向外方向发送的数据，也即从主站通过卫星向小站方向传输的数据称为出站传输。,出站信道通常采用时分复用（,TDM,）或统计时分复用（,STDM,）技术组成,TDM,帧，通过卫星以广播方式发向所有远端小站。,456.4.2 VSAT的工作过程出站（outbound）传,46,6.4.2 VSAT,的工作过程,TDM,帧结构,466.4.2 VSAT的工作过程TDM帧结构,47,6.4.2 VSAT,的工作过程,入站（,inbound,）传输,各远端小站通过卫星向主站传输的数据称为入站传输数据。,在,VSAT,网中，各用户终端可以随机地产生信息，由此入站数据一般采用随机方式发射突发性信号。,采用信道共享协议，一个入站信道可以同时容纳许多小站。,476.4.2 VSAT的工作过程入站（inbound）传输,48,6.4.2 VSAT,的工作过程,TDMA,信道帧结构,486.4.2 VSAT的工作过程TDMA信道帧结构,49,6.5,卫星导航定位系统,6.5.1,全球定位系统（,GPS,）,6.5.2 Galileo,全球卫星导航定位系统,6.5.3 “,北斗一号”卫星导航定位系统,496.5 卫星导航定位系统6.5.1 全球定位系统（GPS,50,6.5.1,全球定位系统（,GPS,）,GPS,构成,空间部分（,GPS,星座）,控制部分（地面监控系统）,用户部分（,GPS,信号接收机）,506.5.1 全球定位系统（GPS）GPS构成,51,6.5.1,全球定位系统（,GPS,）,516.5.1 全球定位系统（GPS）,52,6.5.1,全球定位系统（,GPS,）,空间部分,（空间段）,由运行在,20, 200km,高空的,24,颗,GPS,工作卫星组成的卫星星座，其中包括,21,颗用于导航的卫星和,3,颗在轨备用卫星。,24,颗卫星均匀分布在,6,个轨道平面内，轨道倾角为,55,，各个轨道平面之间夹角为,60,，每颗卫星的正常运行周期为,11h58min,，若考虑地球自转等因素，将提前,4min,进入下一个周期。,526.5.1 全球定位系统（GPS）空间部分（空间段）,53,6.5.1,全球定位系统（,GPS,）,控制部分,（控制段）,由分布在全球的若干个跟踪站组成的监控系统构成，具有跟踪、计算、更新及监视功能，用于控制系统中所有的卫星。,根据跟踪站作用的不同，又可将其分为主控站、监控站和注入站。,536.5.1 全球定位系统（GPS）控制部分（控制段）,54,6.5.1,全球定位系统（,GPS,）,用户部分,（用户段）,所有用户装置及其支持设备的集合。,典型的用户设备包括一部,GPS,接收机,/,处理器、一部天线、计算机和,CDU,（控制和显示单元）四个主要部件。,546.5.1 全球定位系统（GPS）用户部分（用户段）,55,6.5.1,全球定位系统（,GPS,）,GPS,定位,GPS,的定位原理就是利用空间分布的卫星以及卫星与地面点的距离交会得出地面点位置，简言之，,GPS,定位原理是一种空间的距离交会原理。,GPS,的定位方法,若根据定位模式的不同，可分为绝对定位和相对定位。,若根据用户接收机在定位中的运动状态不同，可分为静态定位和动态定位。,556.5.1 全球定位系统（GPS）GPS定位,56,6.5.2 Galileo,全球卫星导航定位系统,空间部分,VSAT,网的空间部分是,C,频段或,Ku,频段同步卫星转发器。,566.5.2 Galileo全球卫星导航定位系统 空间部分,57,6.5.2 Galileo,全球卫星导航定位系统,Galileo,系统组成,全球设施部分,区域设施部分,局域设施部分,用户接收机及终端,576.5.2 Galileo全球卫星导航定位系统 Gali,58,6.5.2 Galileo,全球卫星导航定位系统,全球设施部分,Galileo,系统的空间段由,30,颗,MEO,导航星组成，距离地面约,23,，,616km,，分布在三个轨道倾角为,56,的等间距的轨道上。,地面段由,Galileo,控制中心、,Galileo,上行链路站、,Galileo,监测站网络和,Galileo,全球通信网络组成，具有卫星控制和任务控制功能。卫星控制通过使用,TT&C,上行链路进行监控来实现对星座的管理；任务控制是指对导航任务的核心功能（如定规、时钟同步），以及通过,MEO,卫星发布完好性消息进行全球控制。,586.5.2 Galileo全球卫星导航定位系统 全球设施,59,6.5.2 Galileo,全球卫星导航定位系统,区域设施部分,区域设施部分由完好性监测站网络、完好性控制中心和完好性注入站组成。,区域范围内服务的提供者可独立使用,Galileo,系统提供的完好性上行链路通道发布区域完好性数据，这将确保每个用户能够收到至少由两颗仰角在,25,以上的卫星提供的完好性信号。,全球最多可设,8,个区域性地面设施。,596.5.2 Galileo全球卫星导航定位系统 区域设施,60,6.5.2 Galileo,全球卫星导航定位系统,局域设施部分,局域设施部分根据当地的需要增强系统的性能。,局域设备需要确保完好性检测，数据的处理和发射。,局域设施部分应包括本地精确导航设备、本地高精度导航设备、本地导航辅助设备和本地扩大可用性导航设备组成。,606.5.2 Galileo全球卫星导航定位系统 局域设施,61,6.5.2 Galileo,全球卫星导航定位系统,用户接收机及终端,用户接收机及终端的基本功能是在用户段实现,Galileo,系统所提供各种卫星无线导航服务。,616.5.2 Galileo全球卫星导航定位系统 用户接收,62,6.5.2 Galileo,全球卫星导航定位系统,Galileo,系统与,GPS,的各种参数,比较,系 统,Galileo,GPS,卫 星 总 数,27,24,轨 道 高 度,23, 616,20, 230,轨道平面数,3,6,轨 道 仰 角,56,55,轨 道 形 状,圆轨道,圆轨道,定 位 载 波,L,1,、,L,2,、,L,3,L,1,、,L,2,使 用 频 段,1164 1215MHz,1260 1300MHz,1559 1591MHz,f,1,=1575.42MHz,f,2,=1227.6MHz,626.5.2 Galileo全球卫星导航定位系统 Gali,63,6.5.3 “,北斗一号”卫星导航定位系统,“,北斗一号”卫星导航定位系统是我国自行研制的导航定位系统，也称为双星区域导航定位系统，它是一个全天候、全天时提供卫星导航信息的区域性导航系统，该系统覆盖范围为东经,70 145,，北纬,5 55,，可以无缝覆盖我国全部本土和周边海域，在中国全境范围内具有良好的导航定位可用性。,636.5.3 “北斗一号”卫星导航定位系统 “北,64,6.5.3 “,北斗一号”卫星导航定位系统,系统组成,空间部分,地面中心控制系统,用户终端,646.5.3 “北斗一号”卫星导航定位系统 系统组成,65,空间部分,空间部分由两颗地球静止轨道卫星和一颗备用卫星组成，卫星不发射导航电文，也不配备高精度的原子钟，只是用于在地面中心站与用户之间进行双向信号中继。,6.5.3 “,北斗一号”卫星导航定位系统,65空间部分6.5.3 “北斗一号”卫星导航定位系统,66,地面中心控制系统,地面中心控制系统是北斗导航系统的中枢，包括一个配有电子高程图的地面中心站、地面网管中心、测轨站、测高站和数十个分布在全国各地的地面参考标校站。,地面中心控制系统主要用于对卫星定位、测轨，调整卫星运行轨道、姿态，控制卫星的工作，测量和收集校正导航定位参量，以形成用户定位修正数据并对用户进行精确定位。,6.5.3 “,北斗一号”卫星导航定位系统,66地面中心控制系统6.5.3 “北斗一号”卫星导航定位系统,67,用户终端,用户终端是仅带有定向天线的收发器，用于接收中心站通过卫星转发来的信号和向中心站发射通信请求，不含定位解算处理器。,6.5.3 “,北斗一号”卫星导航定位系统,67用户终端6.5.3 “北斗一号”卫星导航定位系统,68,6.5.3 “,北斗一号”卫星导航定位系统,定位原理,“北斗一号”卫星导航定位系统采用主动式双向测距二维导航，由地面中心控制系统解算供用户使用的三维定位数据。,686.5.3 “北斗一号”卫星导航定位系统定位原理,69,6.5.3 “,北斗一号”卫星导航定位系统,工作过程,地面中心站定时向两颗工作卫星发送载波，载波上调制有测距信号、电文帧、时间码等询问信号。询问信号经其中一颗工作卫星转发器变频放大转发到用户机器。,用户终端接收询问信号后，立即响应并向两颗工作卫星发出应答信号，这个信号中包括了特定的测距码和用户的高程信息。,两颗工作卫星将收到的用户终端应答信号经变频放大下传到地面中心站，地面中心站处理收到的应答信息，将其全部发送到地面网管中心。,696.5.3 “北斗一号”卫星导航定位系统工作过程,70,6.5.3 “,北斗一号”卫星导航定位系统,工作过程,地面网管中心根据用户的申请服务内容进行相应的数据处理，对于定位申请，计算出信号经中心控制系统,-,卫星,-,用户之间的往返时间，再综合用户机发出的自身高程信息和存储在中心控制系统的用户高程电子地图，根据其定位的几何原理，便可算出用户所在点的三维坐标。地面网管中心将处理的信息加密后送地面中心站，再经卫星传到用户端。,另外，也可以由中心站主动进行指定用户的定位，定位后不将位置信息发送给用户，而由中心站保存，这样调度指挥和相关单位就可获得用户所在位置。对于通信申请，将通信以同样的方式发给收信用户。,706.5.3 “北斗一号”卫星导航定位系统工作过程,71,本章小结及知识点,卫星通信的概念和特点,卫星通信的工作频段,卫星通信系统的组成和分类,卫星运行的基本规律,卫星轨道的类型,卫星轨道的摄动,卫星通信的多址方式,VSAT,系统,卫星导航定位系统,71本章小结及知识点卫星通信的概念和特点,72,本章习题解题指导,概念部分主要给出对应的知识点，教学中可,以指导学生在相关章节中自己归纳。,72本章习题解题指导 概念部分主要给出对应的知识点,