《卫星通信讲义》PPT课件.ppt

卫星通信导论 一 卫星通信系统综述 二 卫星通信系统的结构 特点 三 通信系统的多址技术 四 卫星通信传输工程 五 VSAT系统简介 六 GPS系统简介 七 铱系统简介 目前全球无线通信技术的热点 3G MMDS WLAN WiMAX UWB 全球移动通信系统 全球卫星通信系统 卫星通信系统的特点 覆盖区域大 通信距离远 三颗同步卫星即可覆盖全球 频带宽 容量大 机动性好 不受地理条件限制 通信可靠性高 质量好而稳定 费用与距离无关 有多址能力 组网灵活 可实现区域及全球个人移动通信 通信卫星的分类 按轨道分 赤道轨道 极轨道 倾斜轨道 同步卫星 移动卫星 GEO MEO LEO 按通信范围分类 国际通信卫星 区域性通信卫星 国内通信卫星 按用途分类 综合业务通信卫星 军事通信卫星 海事通信卫星 电视直播卫星 气象卫星等 按转发能力分类 无星上处理能力 有星上处理能力 按频段分类 0 1 0 3 GHz VHF 移动 导航业务 0 3 1 0 UHF 移动 导航业务 1 0 2 0 L 移动业务 指令传输 2 0 4 0 S 移动业务 指令传输 4 0 8 0 4 6 C 固定业务 8 0 12 0 X 12 0 18 0 12 14 Ku 固定 DSS业务 18 0 24 0 K 24 0 30 0 Ka 33 0 50 0 Q 50 0 75 0 V 按重量分类 大型卫星 Large 1000kg 1亿美元 小卫星 Small 500 1000kg 0 5 1亿美元 微小卫星 Mini 100 500kg 500 2000万美元 微卫星 Micro 10 100kg 200 300万美元 纳卫星 Nano 10kg 100万美元 皮卫星 Pico 1kg 世界卫星通信发展简史 1000AD中国发明火箭1945AutherCClarke提出三颗同步卫星覆盖全球1957前苏联发射世界上第一颗卫星SPUTNIK1963美国发射世界上第一颗同步卫星SYNCOM1964INTELSAT建立1965第一颗商用同步卫星INTELSAT 11979INMARSAT 海事 建立1970中国发射第一颗卫星DFH 1 世界卫星通信发展简史 截止1999年底全球有300颗同步通信卫星提供60 洲际通信和100 国际电视转播全球在轨转发器4467个正在建造的转发器1793个1997年世界卫星市场售业额512亿美元2007年预计达1900亿美元2004 2010年将发射350颗同步通信卫星 中国卫星通信的发展史 1000AD中国发明火箭 1970中国发射第一颗卫星DFH 1 1984年4月 发射了第一颗试验用 同步通信卫星 STW 1 即东方红二号 1986年2月于我国西昌发射场 用长征3号火箭成功发射第二颗 实验通信卫星 STW 2 1988年3月 又于西昌发射场 用长征3号火箭发射成功第一颗 实用通信卫星 即 东二甲 卫星 到2002底中国共发射约60颗卫星 卫星通信在中国的特殊地位 地域辽阔 960万平方公里 东西南北跨度均超过5000公里 地形复杂 山区占31 高原26 丘陵10 平原仅占31 人口众多 13亿人口 8亿农村人口 全国1 5以上行政村尚无电话 经济增长迅速 西部和农村经济发展尤为重要 空间站 卫星系统的结构 卫星的主要设备包括下列七大系统 位置与姿态控制系统 天线系统 转发器系统 遥测指令系统 电源系统 温控系统 入轨和推进系统 推进系统的自旋控制 我国自制卫星的发展情况 1970年4月24日东方红一号1975年11月26日返回式遥感卫星1984年4月8日试验通信卫星1986年2月1日东方红二号甲1988年3月7日东方红二号甲1988年12月22日实用通信卫星1990年2月4日实用通信卫星1997年5月12日东方红三号甲 1970年4月24日发射的第一颗人造地球卫星 星上的仪器舱装有电源 测轨用的雷达应答机 雷达信标机 遥测装置 电子乐音发生器和发射机 科学试验仪器等 卫星的主要任务是向太空播放 东方红 乐曲 同时进行卫星技术试验 探测电离层和大气密度 星上采用银锌蓄电池作电源 电池寿命有限 卫星运行20天后 电池耗尽 东方红 乐曲停止播放 卫星结束了它的工作寿命 东方红一号 微小卫星的应用 国际空间站 总质量423吨 长108米 宽88米 密封舱容积达1202立方米 运行高度397KM 倾角51 6度 空间站由多个模块组合而成 第一舱 曙光 号功能货舱和服务舱已于发射成功 国际空间站 建造分三个阶段1994 1998试验航天飞机与俄 和平 号空间站对接1998 2000初期装配阶段 建立空间站核心部分 第一批宇航员登上空间站2000 2004最后装配阶段 我国参与了其中 阿尔法 磁谱仪的研制 主要用于微重力科学 空间材料加工 对天地观测等活动 通信系统的多址技术 正交性原理 发射机1 发射机2 发射机N 信道 接收机 多址系统的信道容量 理想AWGN的信道容量 多址系统的信道容量 N0 AWGN的功率谱密度 通信系统的多址技术 FDMATDMACDMASDMAALOHA FDMA 采用FDD的双工模式 FDMA的信道容量 单用户的信道容量 对于固定的带宽W 随着用户数量K的增加 总的容量是增加的 但是分配给每个用户的容量和带宽却逐渐减少 因此实际上总的信道容量不可能无限的增加 总的信道容量 TDMA 1 TDD的双工模式 2 子帧的捕获和同步 GSM的帧长为4 6ms 每帧8个时隙 TDMA的信道容量 TDMA的信道容量与FDMA相同 但是从应用的观点来说 TDMA中当K很大时 对发送机来说 保持发送机功率为K S是不可能的 因此 用户的数量在实际应用中存在限制 单用户的信道容量 CDMA 逻辑信道2 逻辑信道1 逻辑信道3 逻辑信道N 码字 伪随即序列 频率 时间 CDMA的信道容量 每个用户的容量 由于系统使用同样的频段 因此在极端状况有可能其他所有的 K 1 个用户成为噪声 CDMA移动通信技术 关键技术 1 扩频通信 2 软切换 3 功率控制技术 4 多径分集接收 CDMA的主要技术特点 大容量 单一无线信道 软切换 话音激活技术 具有所有扩频技术的特点 SDMA 空分多址是通过空间的分割来区别不同的用户 达到正交性 目前主要采用自适应阵列天线来实现 它的主要参数包括 工作频点 波束夹角和波束覆盖的半径 随即多址技术 1 概念 2 分类 ALOHA CSMA PRMA3 ALOHA的性能指标 通过量 分组平均延时 信道利用率 第四章卫星通信系统的链路传输工程 1 卫星通信系统的信道模型 2 卫星移动通信的链路特性 3 星 地链路损耗 4 卫星通信全链路质量 多径信道模型 是接收端接收到的信号 是由于多径效应产生的不同衰落的衰落系数 对应于时变系统 衰落系数是随时间变化的 是时间的函数 在时不变系统中 衰落系数为一组固定的常数 是系统的时延 是频偏 是信道中的噪声 L是信道中的路径数目 A是整体信道对信号幅度的增益 与多径信道等效的FIR滤波器 卫星通信的链路特性 1 频率选择性失真 由信道相干带宽和发送信号带宽之差引起的不同频率下的增益和相位变化 通过来分析 2 衰落失真 由信道的时变引起的 主要是多普勒频移 噪声与干扰P39 系统热噪声1 等效噪声温度噪声功率谱密度 输出噪声功率 其中 宇宙噪声外部环境干扰其他干扰 2 有耗无源网络的等效噪声温度3 级联网络的等效噪声温度 星 地链路损耗 1 自由空间传播损耗 馈线 波导 损耗P40 LF 馈线损耗 dB T0 环境温度 k 波耳兹曼常数 B 带宽 级联网络的噪声 N级网络的级联总噪声 星 地链路损耗 2 链路附加损耗 大气吸收损耗 雨衰 大气折射干扰 电离层的闪烁与多径 卫星通信全链路质量 一 链路预算分析 发射机 信道 接收天线 发射天线 接收机 馈线损耗 馈线损耗 信噪比的预算 接收系统的等效噪声温度 卫星通信全链路传输质量 链路预算的案例 一 上行链路的载波噪声温度比 二 下行链路的载波噪声温度比 5 GPS系统 5 1GPS的发展 5 2GPS系统结构 5 3GPS定位的基本原理 5 4GPS信号结构和接收机基本工作原理 5 5GPS功能模块的应用案例 5 1GPS的发展历史 一 早期的卫星三角测量技术 已知A B两点的坐标位置 通过在三点的卫星摄影图片 利用立体几何的简单原理对C点的坐标作出估计 5米的点位精度 二 基于多普勒定位的NNSS 海军卫星导航系统 利用开普勒效应测量地面观测站与卫星的距离或距离差 得到观测点的坐标 5 1GPS的发展历史 1958年12月开始 U S 和Hopkins大学研制 到1961年11月 先后发射了6颗用于试验的 子午卫星 极轨道卫星 卫星高度950 1200km 每隔2小时可观测到一次 它由三部分组成 子午卫星 地面跟踪网和用户接收机 地面跟踪网 跟踪站 计算中心 注入站 海军天文台和控制中心 它们的任务是测定各卫星的轨道参数 并定时将这些数据和时间信号注入到相应的各颗卫星上 以便卫星可以按时向地面播发 5 1GPS的发展历史 用户接收机 用来接受卫星发射的信号 测量多普勒频移 解译轨道参数和计算接收机三维地心坐标 1967年7月 美国政府将解密的子午卫星部分电文给予民用 70s中期 我国引进该系统接收机 并进行了几次大规模的多普勒定位项目 联合测设的全国卫星多普勒大地网 西北地区卫星多普勒定位网 全国陆地海洋卫星定位网 南极长城测量等 点精度可达到分米级 缺陷是 无法真正实现实时性 5 1GPS的发展历史 三 GPS系统 特点 高精度 全天候 高效率 多功能 易操作 应用广等 成为当今世界上最实用 也是应用最广泛的全球精密导航 指挥和调度系统 利用卫星星历和载波信号传播时间差测距 并通过坐标转换算法 WGS 84大地坐标系 地面网坐标 1973年12月美国国防部立项 投资200亿美元 于1989年完成实验系统测试并正式投入运营 5 1GPS的发展历史 1994年建成完整的GPS系统 国防部于1996年12月31日停止了之前提供全球定位 导航和测量用的NNSS系统 正式进入GPS时代 另外 有前苏联研制开发成功了GLONASS系统 GlobalNavigationSatelliteSystem 欧洲空间局正在发展以民用为主的NAVSAT系统 5 1GPS的发展历史 GPS提供的主要业务 海陆空运动目标的导航 监控 管理 报警和救援 大地测量 工程测量 变形检测 地籍测量 航空摄影测量和海洋测绘 森林火灾定位 提供精密标准时间 物理探矿及检测地壳运动等 5 2GPS的系统结构 空间星座部分 包括GPS工作卫星和备用卫星 地面监控部分 控制整个系统和时间 负责轨道检测和预报 用户设备部分 各种兼容的接收机 一 空间星座部分 21颗工作卫星和3颗备用卫星均匀分布在6个轨道面上 迄今为止 设计了三代卫星 Block1 Block2和Block3 功能 1 向广大用户连续发送定位信息 2 接受和存储地面站发来的卫星导航电文等信息 3 接受地面监控站的控制 4 通过星载的高精度 铷 钟和 铯 钟 提供精密的时间标准 二 地面站 1 主控站 1个设在美国本土的科罗拉多州斯本斯 主要用来产生参数和控制卫星等 2 检测站 5个数据自动采集中心 分布在美国本土和三大洋的美军军事基地 3 注入站 3个将主控站的导航电文注入到相应卫星的存储器 三 用户端设备 包含各种兼容GPS系统的不同公司的产品 设备由GPS接收机及其天线 CPU 电源和终端设备等部分构成 目前主要有徕卡 Leica 公司 天宝 Trimble 公司 阿士杰 Ashtech 公司 Koden Garmin 5 3GPS基本工作原理 通过接受 只需接受无需发送 来自至少4颗工作卫星的导航电文 利用其中的时间信号 或者载波相位偏移 计算接收点与卫星的距离 在得到卫星星历的情况下接收点的位置 纬度 经度和高度 就可以精确地确定 卫星作为测量位置标记并利用一个时间标记 通过三角关系来确定纬度 经度和高度 基于WGS 84大地坐标系 然后转换为各个国家大地坐标系 然后根据不同的业务进行信息处理 5 3GPS基本工作原理 卫星星历每一颗卫星都会广播其星历表 该星历表包含用来计算其轨道位置的轨道要素 由地面控制站不断地更新和修正 时间系统1 作为原子级时间基准 2 利用时间计算传输延迟 载波相位偏移即多普勒频移 5 3 不同的定位方式 一 单点定位和相对定位 单点定位采用延迟时间定位方式 相对定位 差分定位 还可以使用载波相位观测定位方式 二 动态定位和静态定位 三 精准定位服务 PPS 和标准定位服务 SPS 5 3美方的SA政策 SA SelectiveAvailability 选择可用性认为的施加误差以降低GPS卫星的星历精度和星载时钟频率精度 以限制民用和他国利用GPS进行实时 或快速 和较高精度的定位 在SA信号的影响下 SPS的单点定位精度从20 30m降到100m 水平 和150m 垂直 削弱SA的策略 1 建立独立的GPS卫星测轨系统 2 开发多系统兼容的接收机 3 发展差分定位技术 4 开展传输工程技术的研究 日本区域性导航卫星系统计划 日本科学与技术厅于1996年提出建立一个区域性导航卫星系统 拟通过在通信卫星上搭载导航载荷来实现 其星座由1颗地球静止轨道卫星和3颗或8颗低轨道卫星组成 这一建议虽因美国的反对而搁浅 但日本并未彻底放弃原来的打算 日本科学与技术厅于1997年3月要求日本宇宙开发事业团用7年时间开发导航卫星的关键技术 如研制星载高精度氢原子钟和精密定轨技术 卫星轨道保持技术等 日本计划在1999年以后发射 多功能运输卫星 MTSAT 该卫星服务于国际民航组织提出的通信导航监视 空中交通管理系统 并建立基于MTSAT卫星的GPS增强系统 包括增发GPS格式的测距信号 中国民间卫星导航应用的情况 按照美国的经验 开展导航军事应用的同时开发民间应用 可广泛带动导航产品市场 美国政府部门在2000年5月宣称 其GPS设备全球范围有用户400万以上 有关GPS商品和服务的应用市场在今后3年内将翻一番 即由80亿上升至160亿美元以上 欧洲导航市场估计在2025年间用户设备收益为880亿欧元 服务收益为1120亿欧元 由伽利略引起的欧洲设备工业出口为700亿欧元 总和为2700亿欧元 其中新兴的最有希望的道路交通应用占77 海运占1 民航和铁路各占不到1 其他如精细农业 海上勘探 大地测量和精密时间同步等占21 伽利略计划投资为35亿欧元 中国民间卫星导航应用的情况 预计2005 2025年间 相当于两代伽利略卫星 民用经济效益为900亿欧元 返回政府的直接与间接税收是450亿欧元 提供10万个高新技术就业机会 中国民用卫星导航市场广阔 潜在经济效益巨大 是今后可持续发展的重要因素 在本国自主卫星导航系统正式运行以前 中国民用卫星导航目前主要集中于对GPS的应用 中国自主研制的第一代卫星导航定位系统 2000年10月31日和12月21日中国相继成功发射第一颗和第二颗导航定位试验卫星 报道称中国将自行建立第一代卫星导航定位系统 北斗星导航系统 5 4GPS的信号结构 GPS卫星信号包括 载波 测距码和数据码测距码包括 C A码 粗捕获码 和P码 精密测距码 时钟基本频率为 10 23MHz 调制方式为 BPSK 0度的幅值为1 代表逻辑 1 180度代表逻辑 0 测距码的产生 测距码的产生 C A码和P码的产生 两种码字都由最长线性一位寄存器码序列 m序列 产生的复合码 m序列 由多级反馈移位寄存器电路产生 编码电路范例如下图 噪声通信理论 M序列 统计特性是 每个周期内 1 0 1 出现的次数基本相等 只相差一次 2 长度为n的游程出现的次数比长度为n 1的游程出现的次数多一倍 相关特性 具有非常好的相关特性 互相关函数的定义 自相关函数的定义 M序列的自相关特性 一个周期 R m GPS卫星的数据码 导航电文 导航电文是用户来定位和导航的数据基础 主要包括 卫星星历 时钟改正 电离层时延改正 工作状态信息以及由C A码捕获P码的信息 6sec 1个主帧 1个子帧 1个字码 子帧4 5含25页 30sec 数据码结构 遥测码 TLW TelemetryWord 转换码 HOW HandOverWord 1 第一数据块 第1帧 标示码 时延差改正 星期序号 卫星的健康状况 数据龄期 卫星时钟改正系数 2 第二数据块 第2 3帧 开普勒六参数 轨道摄动九参数 时间两参数 3 第三数据块 第4 5帧 包括所有系统内的卫星的历书数据 接收机分类 1 按用途分类 导航型接收机 车载型 航海型和航空型 测地型接收机 授时型接收机 2 按接收机的载波频率分类 单频接收机 双频接收机 接收机分类 3 按接收机通道数分类 多通道接收机 序贯通道接收机 多路复用通道接收机 4 按接收机工作原理 码相关型接收机 平方型接收机 混合型接收机 干涉型接收机 接收机的组成 一 接收机的天线单元 包括天线和前置放大器 天线类型 单板天线 四螺旋形天线 微带天线 锥形天线 二 接收机主机 1 变频器2 信号通道3 存储器4 微处理器5 显示器和控制部分 5 4接收机定位工作原理 GPS单点定位结果参考于WGS 84坐标系 电子地图的制作一般是以原始的地形图或地籍图为基础 通过数字化来实现的 为了与电子地图的当地坐标系或高斯坐标相一致 将目标位置显示在屏幕上 还需进行坐标转换 大地坐标到平面坐标的直接转换公式为 在以上所建立的两种坐标系间的直接转换关系式中没有考虑高程 当地图上不同区域的高程发生变化时 利用这样的直接转换必然会产生投影误差 由此而得的转换结果也会存在一定的误差 所以这种转换公式只适用于城市或者平原丘陵地区 这时计算得的平面坐标与实际的平面坐标误差很小 对于实现系统的功能并无大碍 GPS接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离 由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差 故称为伪距 对C A码测得的伪距称为C A码伪距 精度约为20米左右 对P码测得的伪距称为P码伪距 精度约为2米左右 接收机定位工作原理 GPS应用实例 基于嵌入式系统的便携式GPS跟踪系统的设计 摘要 随着嵌入式系统的发展 GPS 电子地图同便携式设备相结合的技术具有广阔的应用前景 本系统将GPS接收板与JingWei 充分利用JingWei板资源 实现了全球定位系统与电子地图相结合的目标定位跟踪 它可以对静态目标定位和动态目标追踪 显示追踪路径 并能将当前目标所在位置的经纬度数据根据POCSAG协议进行编码 通过发送模块实时发送出去 供监控设备接收 关键词 JingWei GPS 电子地图 定位跟踪 1 设计目标 接收功能 定向功能 地图显示及操作功能 跟踪功能 发送功能 2 设计方案 2 设计方案 本设计方案考虑到GPS和电子地图的实时性 JingWei板的高性能 将GPS和电子地图结合在一起 完成目标的跟踪功能 2 1硬件结构 GPS25 LVS接收板 JingWei嵌入式系统 发射机 2 2软件流程 2 3系统界面 3 系统的实现 3 1电子地图 3 2GPS与嵌入式系统的数据交换 目前许多GPS厂商遵循NMEA0183协议对PDA掌上电脑开发了多种导航型GPS接收机 这些接收机提供了串行通信接口 串行通信的参数为 波特率4 800bps 8位数据位 1位停止位 无奇偶校验 GPS接收机与掌上电脑通信时 通过串口每秒钟发送1组数据 包括大约10条语句 通信过程为 打开串口 配置串口 设置串口超时 读写串口 关闭 3 3跟踪的基本原理 本系统通过GPS接收机得到目标 携带GPS的目标 当前的经纬度信息 经过坐标转换得到目标在电子地图上的坐标 并且在地图上将相应的位置显示标记 使观测者能够清楚地知道目标的当前位置 从GPS接收机不断地得到目标的当前位置 并不断地刷新其在地图上的标记 这样就能够清楚地观察到目标经过的路径 从而实现跟踪目标的功能 运用不同的方法 有不同的跟踪的方式 在本系统中可以实现两种跟踪方式 3 3 1图板跟踪 1 显示点 对应于Trace菜单 在PDA的屏幕上显示电子地图 EVC的函数可以实现地图的放大 缩小和平移 因为屏幕无法以1 1的比例显示全幅地图 故接收到当前目标的大地坐标值后 根据定位过程中解算的系数转换为平面坐标 还不能直接显示在屏幕上 需要进一步转换得到屏幕坐标 我们可以设一个POINT值 保存当前屏幕中心点的平面坐标值 根据目标点和屏幕中心点在地图上的相对位置以及当前的显示比例计算得到两点在屏幕上的相对位置关系 从而显示目标的位置 当移动目标运动出屏幕所显示的 区域 屏幕所显示区域将根据目标的平面坐标 xT yT 的变化趋势产生一定的平移 而当移动目标的位置与屏幕所显示区域相距甚远时 屏幕所显示区域将以目标的位置为新的中心点 目标处于屏幕边缘时除外 而选取新的区域 2 显示路径 对应于Rou比菜单 显示行经路线时 首先在全幅地图上画出全部路线 然后可以选定一个点放大其周围的区域 放大的图形还可以进行平移 由此查看更清楚的路线或在某一区域内的路线 3 保存路径 对应于SaVe菜单 可以将用户走过的路径上点的坐标以文件的形式保存起来 4 打开保存文件 对应于0pen菜单 可以打开原来保存的路径信息 5 显示当前点的地理信息 3 3 2无线跟踪 无线跟踪 就是当监控系统和被跟踪的目标处于不同的地理位置时 监控系统无法直接获取目标的信息 必须使被跟踪的目标将其当前的位置信息通过某种远程的 无线 的方式实时发送给监控系统 供其接收处理 动态显示在电子地图上 6 VSAT系统 VSAT的主要应用 电话业务 数据业务6 1 1VSAT网络结构 1 星型网络2 交互式网状网6 1 2VSAT地面设备1 主站 2 小站 6 2VSAT数据网 1 网络结构 底层 OSI下三层 物理层 数据链路层 网络层 MAC层 传输管理 包括业务申请的分配和管理 消息管理高层 应用层 VSAT数据网 2 数据业务类型 短信 电子邮件和大的数据包 3 多址技术 不同的业务选择不同的多址方式ALOHA 小数据量的短信业务 DAMA TDMA 电子邮件业务 TDMA 大数据量的业务 6 3VSAT电话网 VSAT电话网的特点 网络结构 网状结构以保证实时性3 按需分配多址技术 DAMA 图6 7