《GMDSS綜合業(yè)務(wù)》第06章 衛(wèi)星通信概論

第六章衛(wèi)星通信概論

主要知識點

主要技術(shù)COSPAS-SARSAT系統(tǒng)（406MHz示位標(biāo)）

衛(wèi)星通信系統(tǒng)系統(tǒng)組成、特點、各種通信業(yè)務(wù)的接續(xù)過程。

衛(wèi)星通信基本知識什么是衛(wèi)星通信、特點?多址連接多路復(fù)用Inmarsat系統(tǒng)(F、C船站）主要涉及的問題：2/59第一節(jié)衛(wèi)星通信的概念及其特點第二節(jié)通信衛(wèi)星系統(tǒng)第三節(jié)衛(wèi)星通信頻段及主要性能參數(shù)第四節(jié)衛(wèi)星通信中的主要技術(shù)第六章衛(wèi)星通信概論3/59什么是衛(wèi)星通信？第一節(jié)衛(wèi)星通信及其特點衛(wèi)星為兩個或多個

地球站進行通信的中繼站1）衛(wèi)星通信：2）地球站：地球站是指設(shè)在地球上(包括地面、海洋和低層大氣層中)的無線電通信站。

包括：移動地球站固定地球站指連接地面用戶的地面站指安裝在移動體上的地球站，船載、機載、車載4/59波長范圍波段名稱頻率范圍極長波>100km極低頻(ELF)<3kHz超長波100~10km甚低頻(VLF)3~30kHz長波10~1km低頻(LF)30~300kHz中波1000~100m中頻(MF)300~3000kHz短波100~10m高頻(HF)3~30MHz超短波10~1m甚高頻(VHF)30~300MHz微波分米波10~1dm特高頻(UHF)300~3000MHz厘米波10~1cm超高頻(SHF)3~30GHz毫米波10~1mm極高頻(EHF)30~300GHz無線電波波段的劃分船用通信波段：MF/HF（中波/短波）1.6~27.5MHzVHF（超短波）156~174MHz

衛(wèi)星船載設(shè)備（分米波）

1.5~1.6GHz衛(wèi)星岸基設(shè)備（厘米波）

4~6GHz5/59衛(wèi)星通信條件地面站地面站船載站地面站車載站衛(wèi)星機載站固定地球站移動地球站

地球站

條件：衛(wèi)星信號覆蓋區(qū)內(nèi)6/59衛(wèi)星通信的特點1）覆蓋區(qū)域大，通信距離遠衛(wèi)星高度：近4萬公里可至少覆蓋1/3個地球2）便于多址連接衛(wèi)星通信網(wǎng)多方向多點7/593）機動靈活衛(wèi)星居高臨下轉(zhuǎn)發(fā)，少有障礙，不受地理條件限制。4）頻帶寬、容量大微波資源豐富信道復(fù)用技術(shù)5）通信質(zhì)量好，可靠性高自由空間干擾小衛(wèi)星具有轉(zhuǎn)發(fā)放大功能6）通信成本與距離無關(guān)無線路投資8/597）需要先進的空間技術(shù)8）有一定的信號延遲衛(wèi)星遙測、遙控技術(shù)衛(wèi)星通信性能要求高衛(wèi)星發(fā)射及定點技術(shù)9）衛(wèi)星壽命短傳播速度—

光速傳輸距離遠3-10年9/59第二節(jié)通信衛(wèi)星系統(tǒng)作用：

作為無線通信的中繼站，實現(xiàn)遠距離無線通信。組成：空間段和地面段

1.衛(wèi)星系統(tǒng)的組成

10/59天線點波束天線區(qū)域波束天線全球波束天線

按衛(wèi)星高度分類通信衛(wèi)星的仰角和方位角方位角：以正北為基準(zhǔn)順時針轉(zhuǎn)動到衛(wèi)星在地平線上方向的角度。仰角：從地平線仰起到衛(wèi)星所轉(zhuǎn)動的角度。按軌道傾角分類赤道軌道（軌道傾角i=00，軌道面與赤道面重合）二、衛(wèi)星分類低（<5000km，運行周期﹤4小時）極軌道（i=900，軌道面與赤道面垂直并穿過南北極）傾斜軌道（00<i<900）中（5000～20000km，運行周期4～12小時）高（>20000km，運行周期>12小時）12/59（1）覆蓋面大（42%）（2）衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng)不復(fù)雜（3）存在通信盲區(qū)（4）傳輸損耗和延時均較大（5）衛(wèi)星數(shù)量有限。三、地球靜止軌道衛(wèi)星靜止衛(wèi)星：赤道軌道，高軌道(36000km)，衛(wèi)星運行方向、周期與地球自轉(zhuǎn)方向及角速度相同、周期相同（24h）特點：13/591.通信時延較長2.衛(wèi)星通信線路容易受外部條件影響

3.日凌中斷

4.星蝕

5.影響衛(wèi)星通信的其他因素四、衛(wèi)星通信存在的問題14/593.日凌中斷日凌中斷太陽、衛(wèi)星、地球依次排列為一直線條件：地球站天線對著衛(wèi)星的同時也正對著太陽，太陽噪聲最大原因：每年春分、秋分前后數(shù)日，白天中午發(fā)生時間：數(shù)日、每日幾分鐘持續(xù)時間：15/59星蝕太陽、地球、衛(wèi)星依次排列為一直線條件：太陽能電池不工作，蓄電池工作，無法支持大業(yè)務(wù)量通信原因：春分、秋分前后，夜間時間：4.星蝕16/595.影響衛(wèi)星通信的其他因素攝動現(xiàn)象：

其他因素：

衛(wèi)星運行的實際軌道不斷發(fā)生不同程度地偏離理想軌道的現(xiàn)象，稱為攝動。太陽、地球、月亮的引力地球大氣層阻力太陽輻射壓力成因：

大雨雪等惡劣氣候大氣噪聲太陽黑子活動引起的電離層閃爍17/59一、衛(wèi)星通信所用的頻段ITU分配給衛(wèi)星通信頻道現(xiàn)在擴展為117MHz-275GHz18/59

衛(wèi)星通信頻段頻段名稱頻率范圍（GHz）頻段名稱頻率范圍（GHz）L1~2S2~4K18~27Ka27~40C4~8X8~12V40~60W60~75Ku12~18mm110~300第三節(jié)衛(wèi)星通信頻段及主要性能參數(shù)電波應(yīng)能穿透電離層且傳播過程中衰減要??；天線系統(tǒng)接收的外部噪聲要??；有較寬的頻帶，較大的通信容量，滿足信息傳輸?shù)囊?；能充分利用現(xiàn)有的通信技術(shù)；與其它通信、雷達等電子系統(tǒng)間的干擾要小。衛(wèi)星通信頻段的選擇原則：19/59衛(wèi)星通信的頻段選擇

穿透電離層傳輸衰減越小工作頻率要高噪聲影響可忽略但是隨著頻率升高，特別是在>10GHz時云、水蒸氣、氧氣、雨等噪聲增加工作頻率＞1GHz時頻率足夠高綜合考慮，1～10GHz是衛(wèi)星通信的最佳頻段。20/59衛(wèi)星通信的主要性能參數(shù)

1.天線增益——定向天線增益

定義：為定向天線輻射時接收到的最大功率與無方向性天線輻射時接收到的功率之比。作用：用來衡量天線朝一個特定方向收發(fā)信號的能力的指標(biāo)實際天線增益計算公式如下：G=(4πA)η/λ2A為天線的口徑面積（m2）λ為工作波長（m）η為天線效率21/59作用：它是決定衛(wèi)星通信線路傳輸質(zhì)量好壞的基本參數(shù)。衛(wèi)星通信的主要性能參數(shù)

2.載噪比定義：載噪比是指載波功率與噪聲功率之比。其值越大，通信質(zhì)量越好

3.全向有效輻射功(EIRP)

4.接收系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)衡量接收系統(tǒng)好壞的重要指標(biāo)；EIRP=PT

×GT發(fā)射機的功放輸出功率為PT

發(fā)射天線的增益為GT22/59第四節(jié)衛(wèi)星通信中的主要技術(shù)信源編碼技術(shù)

多路復(fù)用

信道編碼技術(shù)

多址通信技術(shù)

多址聯(lián)接

信道分配技術(shù)

調(diào)制技術(shù)

23/59多路復(fù)用通過同一信道，互不干擾傳輸多路信號將多個地面用戶信號的合并和分離定義：技術(shù)難點：海事衛(wèi)星通信主要涉及的多路復(fù)用：第四節(jié)衛(wèi)星通信中的主要技術(shù)頻分多路FDM時分多路TDM發(fā)射端接收端傳輸信道（地面段基帶復(fù)用）24/59通常用于傳輸語音信號多路復(fù)用1.FDM

頻分多路復(fù)用Frequency

Division

Multiplex將多路信號通過調(diào)制分別搬移到基帶信道的不同頻段，同時占用一個基帶信道進行傳輸。特點：各路信號同時不同頻基帶信道25/59多路復(fù)用2.TDM

時分多路復(fù)用Time

Division

Multiplex是指多路信號用同一載波在不同時隙交替占用同一信道進行傳輸。特點：各路信號同頻不同時只能傳輸數(shù)字信號

26/59AB頻分多路27/59AB時分多路28/59二、多址聯(lián)接：多個地球站利用同一顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器實現(xiàn)多邊通信。定義海事衛(wèi)星通信主要涉及的多址聯(lián)接：FDMA（頻分多址）TDMA（時分多址）SDMA（空分多址）CDMA（碼分多址）（空間段射頻復(fù)用）多路復(fù)用多址聯(lián)接多路信號共用同一基帶同時發(fā)射多路射頻共享信道資源多址聯(lián)接與多路復(fù)用的比較：29/591.頻分多址（FDMA-

Frequency

Division

Multiple

Access）

定義:把衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的工作頻帶分成若干互不重疊的小頻段，分配給各地球站，作發(fā)射的載波使用。因而，可通過載波來識別地球站。保護頻帶地球站A地球站B地球站C衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器頻帶分配特點：各路射頻信號同時不同頻30/59單址載波：指一個載波只傳一路信號，每個地球站與其它不同的地球站通信時采用各自不同的載波以實現(xiàn)多路通信。多址載波：指每個地球站只允許發(fā)射一個載波，但一個載波可傳多路信號，各地球站利用多路復(fù)用技術(shù)進行信息傳輸，實現(xiàn)多路通信。FDMA的三種方式單路單載波（SCPC-Single

Channel

Per

Carrier）:是指每個載波只傳一路信號，每個地球站只有在需要通信時才被分配給載波，即按需分配載波信道，通信結(jié)束后信道隨即被收回，以此提高信道利用率。在移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)中電話及數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)主要使用此方式。31/593)FDMA的優(yōu)缺點①優(yōu)點②缺點設(shè)備簡單；可利用地面微波通信的成熟技術(shù)和設(shè)備；不需要網(wǎng)同步

相鄰信道有互調(diào)噪聲干擾適用于各種容量的線路須控制每一路信號功率的大小難以充分利用衛(wèi)星功率和頻帶32/592.時分多址（TDMA）定義：將衛(wèi)星工作時間分成周期性的若干個不重疊時隙分給各地球站使用，它利用轉(zhuǎn)發(fā)器不同的工作時間區(qū)分各地球站。

CA1C1B1R2B2A2C0R1AB基準(zhǔn)站R基準(zhǔn)子幀Co

R1

A1

B1

C1

R2A2

B2TDMA幀分幀轉(zhuǎn)發(fā)器上分幀排列T衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器時間分配特點：各地球站載波信號頻率相同，但發(fā)射時間不同。

33/59在TDMA方式中，為建立精確同步，需要確定一個地球站為基準(zhǔn)站，其它各地球站從基準(zhǔn)站的信號中提取同步信號；在國際移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)中通常以岸站（CES）作為基準(zhǔn)站。

同步基準(zhǔn)站：TDMA主要優(yōu)缺點：優(yōu)點缺點 只有一個載波工作，因而無互調(diào)干擾能充分利用轉(zhuǎn)發(fā)器的輸出功率易實現(xiàn)按需分配適用于大、中容量的線路需全網(wǎng)嚴(yán)格同步技術(shù)設(shè)備較復(fù)雜 34/59預(yù)備知識：點波束模式與全球覆蓋模式3.空分多址（SDMA-

Space

Division

Multiple

Access

）將衛(wèi)星發(fā)射功率集中在一些航運密集，通信業(yè)務(wù)繁忙的地區(qū)，以便為這一地區(qū)提供更多的通信線路。除了給航運密集的地區(qū)提供足夠的能量、保證其正常通信外，也兼顧航運稀疏過往船舶較少的地區(qū)，使得航行于世界任何地區(qū)的船舶能夠利用衛(wèi)星進行通信。點波束模式：全球覆蓋模式:35/59將地球空間分割成多個點波束區(qū)域，利用衛(wèi)星天線波束在空間指向的差異來區(qū)分各地球站，即以各地球站所處點波束區(qū)域的不同來區(qū)分各站址。定義：3.空分多址（SDMA-

Space

Division

Multiple

Access

）特征:一個衛(wèi)星有多個窄波束，每個波束覆蓋地球表面一定區(qū)域。頻率利用率高，通信容量大；衛(wèi)星對其它地面系統(tǒng)的干擾??；衛(wèi)星控制要求高，且技術(shù)及設(shè)備復(fù)雜。主要特點:能量輻射集中，通信效果好；36/59SDMA示意圖地球站12地球站11地球站1n地球站m1地球站m2地球站mn衛(wèi)星（含轉(zhuǎn)換開關(guān)）點波束1點波束m37/59動態(tài)接續(xù)矩陣4.碼分多址（CDMA-

Code

Division

Multiple

Access）

將不同的地址碼分配給各地球站使用，各地球站通過不同的地址碼來區(qū)分站址。

各地球站所發(fā)射的載波既受基帶信號的調(diào)制，又受接收方地址碼的調(diào)制。定義：特征:主要特點:通信容量大；要求的技術(shù)復(fù)雜；抗干擾能力強；適用于多媒體通信系統(tǒng)。與TDMA和FDMA的不同之處：

所有地球站可以共用一個射頻載波，可以占用轉(zhuǎn)發(fā)器的全部時隙。38/595.信道分配方