現(xiàn)代通信系統(tǒng)課件：數(shù)字微波與 衛(wèi)星通信系統(tǒng)

數(shù)字微波與衛(wèi)星通信系統(tǒng)6.1.1微波通信的基本概念1.微波通信的頻段及特點(diǎn)做波i函信是依靠空間電磁波來傳遞信息的一種通信方式。元線電磁波是以頻率或波長來分類的，波長與頻率的關(guān)系如下：λ=V/f式中，A為電磁波波長（m）;C為電磁波傳播速度3×108(m/s);f為電磁波頻率（Hz）。元線電頻段的劃分如表6.1所示。由表可知，微波頻段在較高頻段，通常人們所說的微波是指頻率在0.3～300GHz范圍的電磁波，利用此頻段的電磁波來傳遞信息，就稱之為微波通信。電磁波頻率不同，波長不同（頻率越低，波長越長），其空間傳播的特性也不一樣，因而用途也有不同。頻段名稱頻率范圍波長范圍長波

30～300kHz10000～1000m中波

300～3000kHz1000～100m短波

3～30MHz100～10rn超短波（特高頻）30～300MHz10～lm

分米波300MHz～3GHz100～10cm微厘米波

3～30GHz10～lcm波毫米波

30～300GHz1cm～1mm紅外線（光波）>300GHz<lmm

電磁波頻譜分類

長波繞射能力最強(qiáng)，靠地波傳播，常用于長波電臺進(jìn)行海上通信。中波較穩(wěn)定，主要用于短距離廣播。短波利用了電離層反射進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳播，主要用于短波通信和短波廣播。在短波傳輸時(shí)，由于電離層的變化，信號起伏變化較大，接收信號時(shí)強(qiáng)時(shí)弱，晚上電離層較穩(wěn)定，因此傳播效果較好，信號也較穩(wěn)定，在聽無線電廣播時(shí)人們能體會到這一特性。微波波長短，接近于光波．是直線傳播，這就要求兩個(gè)通信點(diǎn)（信號轉(zhuǎn)接點(diǎn)）間無阻擋，即所謂的視距通信。微波通信除此之外．還有以下特點(diǎn)：（1）工作的微波頻段（GHz級別）頻率高．不易受天電、工業(yè)噪聲干擾及太陽黑子變化等影響，因此，通信可靠性高。由于波長短，因而天線尺寸可做得很小，通常做成面式天線，增益高，方向性強(qiáng)。特別在1～10GHz頻段（稱為無線電窗口的微植頻段），衰減、干擾，以及自然條件等影響都比較小。因此在微波通信以及在衛(wèi)星通信中首先采用，而且使用范圍一般為C波段（4/6GHz頻段）。(2）微波通信又稱接力通信或視距通信。這里視距是指要“看得見”對方，天線的兩站間的通信，距離不會太遠(yuǎn)，－般為50km。為了遠(yuǎn)距離傳送信號，微波通信就像人們進(jìn)行接力賽那樣，把信號一段一段地往前傳送．所以又稱為微波接力通信。(3）微波頻帶寬．傳輸信息容量較大。數(shù)字微波通信系統(tǒng)組成及工作過程

圖6.1數(shù)字微波通信系統(tǒng)方框圖工作過程從罔6.1可知，如從甲地發(fā)端站送來的數(shù)字信號，經(jīng)過數(shù)字基帶信號處理（數(shù)字多路復(fù)用或數(shù)字壓縮處理）后，經(jīng)數(shù)字調(diào)制，形成數(shù)字中頻調(diào)制信號（70MHz或140MHz），再送入發(fā)送設(shè)備，進(jìn)行射頻調(diào)制變成為微波信號，進(jìn)而送入發(fā)射天線向微波中間站（微波中繼站）發(fā)送。微波中間站收到信號后經(jīng)再處理，使數(shù)字信號再生后又恢復(fù)為微波信號向下一站再發(fā)送，這樣一直傳送到收端站，收端站把微波信號經(jīng)過1昆頻、中頻解調(diào)恢復(fù)出數(shù)字基帶信號，再分路還原為原始的數(shù)字信號。2）微波通信設(shè)備的特殊天饋系統(tǒng)無線通信是通過天饋系統(tǒng)來發(fā)射和接收信號的，微波通信也不例外。由于微波頻率高，波長短，因此使用的天線一般都采用面式天線，有喇叭天線、拋物面天線、卡塞格倫天線等。如圖6.2所示，微波天線常用雙反射面的拋物面天線（或卡塞格倫天線）。其主反射面似一口大鍋的拋物面，其拋物面中心（鍋底）底部置饋源，作為發(fā)送和接收電磁波信號的門戶。其饋線系統(tǒng)，一般由波導(dǎo)和同軸電纜（工作頻段在2GHz以下時(shí)）組成。由圖6.2中可看出，天線饋源與饋線是直接相連的，微波信號天饋系統(tǒng)中還要通過濾波、極化分離、極化旋轉(zhuǎn)等多次變換．這些濾波器、極化器、匹配器等一般都是特殊的波導(dǎo)器件，不同于傳統(tǒng)的電子器件。

圖6.2天線饋線系統(tǒng)6.1.2微波傳輸線路1.微波接力通信系統(tǒng)組成“微波接力”是目前廣泛使用于視距微波的通信方式。由于地球是圓的，使得地球上兩點(diǎn)（兩個(gè)微波站）間不被阻擋的距離有限，為了可靠通信，一條長的微波中繼線路就要在線路中間設(shè)若干個(gè)中繼站，采用接力的方式傳輸信息。具體來說，一個(gè)完整的長途傳輸?shù)奈⒉ń恿νㄐ畔到y(tǒng)由終端站、樞紐站、分路站及若干中繼站所組成，如圖6.3所示。1)終端站處于線路兩端或分支線路終點(diǎn)的站稱為終端站。對于向若干方向輻射的樞紐站，就其某個(gè)方向上的站來說也是終端站。在此站可上、下傳輸全部支路信號，可配備SDH數(shù)字微波的ADM或TM設(shè)備，可作為集中監(jiān)控站或主站。2）樞紐站位于于線上的、兩條以上的微波線路交叉的站稱為樞紐站。除對信號的再生中繼外，樞紐站可以從幾個(gè)方向分出或加入話路或電視信號，實(shí)現(xiàn)兩條鏈路上信號或部分信號的交換。3）分路站在長途線路中間，分路站除具有對接收信號放大、轉(zhuǎn)發(fā)的中繼站功能外，還能將信道上傳送的多路信號中的部分話路分離出來，并插入相同路數(shù)的新話路，以實(shí)現(xiàn)長距離傳輸系統(tǒng)的區(qū)間通信。

4）中繼站微波中繼站是微波傳輸線路的中間轉(zhuǎn)接站。其作用是接收相鄰甲站發(fā)來的微弱微波信號，進(jìn)行再生、功率放大后，再轉(zhuǎn)發(fā)給下一個(gè)相鄰乙站，以確保傳輸信號的質(zhì)量。也可以接收乙站發(fā)來的微波信號，經(jīng)再生、功率放大后轉(zhuǎn)發(fā)給甲站。中繼站不上（插入）下（抽出）話路，僅負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)接，起中繼、接力的作用。2.微波傳播的電波特性在兩個(gè)微波站間的電波傳播我們稱為微波信道或微波線路（兩站間的接力通道、接力線路）。它們之間存在衰減，這種衰減可以按自由空間天線輻射能量的衰落進(jìn)行計(jì)算，但其實(shí)際傳播情況與兩站內(nèi)所處的環(huán)境、自然現(xiàn)象等有關(guān)。如地面或山地的反射波，雨、霧、雪等對電波的吸收和散射、折射，這些情況會引起電誠的快主運(yùn)洛與慢衰落，使對萬實(shí)際收到的電平要低十幾至幾十分貝。這些衰落還與頻率高低有關(guān)，一般在無線電窗口(1～10GHz)范圍電波特性較好（電波自由空間傳播衰耗見衛(wèi)星通信中的Lr計(jì)算公式）。3.微波信號傳輸線路中的余隙概念收、發(fā)兩微波站間的電波傳播，受到電離層、對流層及環(huán)境的大氣壓力、溫度、濕度等參數(shù)變化的影響。在空間不同高度的波束，其傳播速度會發(fā)生變化，當(dāng)上層比下層傳播快時(shí)，則電波射線往下彎曲，當(dāng)下層比上層傳播快時(shí)，則電波射線往上彎曲，如圖6.4所示。從圖中看出，在傳輸線路上，有一部分波會投射到地面上來，引起地面波的反射，這樣在收端除收到直射波外，還會收到滿足反射條件的反射波。此時(shí)接收信號的電波即為合成波。

從圖6.4中可看出微波線路的余隙概念，它是指從地面最高點(diǎn)（設(shè)為信號反射點(diǎn)）至收、發(fā)天線連線間的距離，用h，來表示。在設(shè)計(jì)天線高度時(shí)→定要有余隙的計(jì)算。余隙的計(jì)算與等效地球半徑系數(shù)h和第一菲涅爾區(qū)半徑＜F1）有關(guān)。其中，走主要隨氣象變化而受影響；F1與電波反射波長、地面反射點(diǎn)距兩微波天線距離等有關(guān)。余隙計(jì)算如下：。

圖6.4(1）當(dāng)?shù)孛娣瓷湎禂?shù)較小時(shí)，線路（山區(qū)、丘陵、城市、森林等地區(qū)）天線不能太低，否則會使大氣折射電波向下彎曲，這時(shí)k＝2/3,he大于等于0.3F1。

(2）當(dāng)?shù)孛娣瓷湎禂?shù)較大時(shí)，線路（如水面、湖面、稻田等地區(qū)）余隙不能太小。這時(shí)，余隙標(biāo)準(zhǔn)為走＝4/3（標(biāo)準(zhǔn)大氣）,he注大于等于1.0F1.(3）當(dāng)k＝＝無窮（余隙較大）時(shí)，he小于等于1.35F14.數(shù)字微波信道的干擾和躁聲微波線路的干擾主要來自天饋系統(tǒng)和空間傳播引人，一般有回波干擾、交叉極化干擾、收發(fā)干擾、鄰近波道干擾、天線系統(tǒng)同頻干擾及其他微波系統(tǒng)、雷達(dá)等干擾。噪聲主要來自設(shè)備，如收、發(fā)信機(jī)熱噪聲以及本振源的熱噪聲等。6.2衛(wèi)星通信系統(tǒng)衛(wèi)星通信是地面微波中繼通信的發(fā)展，是隨航天技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的現(xiàn)代通信方式。我們可以這樣來定義：衛(wèi)星通信是指利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站，轉(zhuǎn)發(fā)無線電信號，在多個(gè)地球站之間進(jìn)行信息交流的通信方式，如圖6.5所示。圖6.5衛(wèi)星通信的示意圖6.2.1衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)我們這里主要講同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)，它由兩大部分，即通信部分和保障部分組成。1.衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成及工作過程衛(wèi)星通信部分主要包括發(fā)端地面站、收端地面站、上行線路、下行線路和通信衛(wèi)星等五大部分，如罔6.6所示。

圖6.6衛(wèi)星通信線路的組成在地面站要構(gòu)成雙工通信，既要向衛(wèi)星發(fā)射信號，也要接收從衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)其他地面站送給本站的信號。在實(shí)際地面站要完成雙向通信的過程如圖6.7所示。

圖6.7衛(wèi)星通信系統(tǒng)的工作過程當(dāng)甲地一些用戶要與乙地的某些用戶通話時(shí)，甲地首先要把本站的信號組成基帶信號，經(jīng)過調(diào)制器變換為中頻信號（70MHz），再經(jīng)上變頻變?yōu)槲⒉ㄐ盘?，?jīng)高功放放大后，由天線發(fā)向衛(wèi)星（上行線）。衛(wèi)星收到地面站的上行信號，經(jīng)放大處理，變換為下行的微波信號。乙地收端站收到從E星傳送來的信號（下行線），經(jīng)低噪聲放大、下變頻、中頻解調(diào)，還原為基帶信號，并分路后送到各用戶。這就完成了甲端到乙端地面站信號的傳輸工作過程。乙地終端站發(fā)向甲地的信號過程與此相同，只是上行線、下行線的頻率不同而已。2.衛(wèi)星通信的保障部分衛(wèi)星通信的保障部分主要由地面話音的監(jiān)控管理及衛(wèi)星通信系統(tǒng)的監(jiān)控、管理維護(hù)等組成。在一個(gè)地面站要設(shè)立監(jiān)控臺，具有控制、監(jiān)視、監(jiān)測、維護(hù)及倒換等功能，有計(jì)算機(jī)及人工兩種控制方式。衛(wèi)星通信控制系統(tǒng)，包括星上控制、E星通信網(wǎng)絡(luò)的管理和控制。主要控制：衛(wèi)星運(yùn)行的軌道、定點(diǎn)，通信過程中各地球站發(fā)射的頻率、功率，以及衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的工作性能監(jiān)測、控制等。這可由專門設(shè)立的衛(wèi)星監(jiān)控站完成，也可由與某一地面站共用的控制通信主站來完成。3.衛(wèi)星通信的特點(diǎn)與其他長途通信系統(tǒng)相比，衛(wèi)星通信具有以下特點(diǎn)：Cl）覆蓋面積大，通信距離遠(yuǎn)。一顆靜止衛(wèi)星最大可覆蓋地球表面三分之一，蘭顆同步衛(wèi)星可覆蓋除兩極外的全球表面，從而實(shí)現(xiàn)全球通信。(2）設(shè)站靈活，容易實(shí)現(xiàn)多址通信。(3）通信容量大，傳送的業(yè)務(wù)類型多。(4）衛(wèi)星通信一般為恒參信道，信道特性穩(wěn)定。(5）電路使用費(fèi)用與通信距離無關(guān)。(6）建站快，投資省。其不足主要表現(xiàn)為：(l)要求衛(wèi)星嚴(yán)格，有高可靠性、長壽命。(2）通信地面站設(shè)備較復(fù)雜、龐大。(3）衛(wèi)星傳輸信號有延遲。6.2.2衛(wèi)星通信傳輸線路的性能參數(shù)在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中（如圖6.7所示），信號從發(fā)端地面站到收端地面站，經(jīng)過了信號發(fā)射、上行線、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)、下行線和收端接收這一系列的傳輸過程。在整個(gè)傳輸過程中，信號會受到各種干擾、衰耗、噪聲及本身信道頻率特性等影響，使波形失真，從而使信號質(zhì)量惡化。因此，我們必須規(guī)定所傳輸?shù)男盘栆_(dá)到的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、基本要求和限度。這就必須對傳輸線路的各參數(shù)進(jìn)行一系列規(guī)范（原CCIR及現(xiàn)在ITU-R的建議標(biāo)準(zhǔn)）。在這里只對衛(wèi)星傳輸?shù)膸讉€(gè)主要參數(shù)進(jìn)行介紹，其他有關(guān)參數(shù)性能及線路計(jì)算請參閱有關(guān)專著。1.全向有效輻射功率CEIRP)全向有效輻射功率表示天線對著目標(biāo)方向所輻射的電波強(qiáng)度（一般用dBW來表示）：EIRP=(Pt/Lt)Gt

式中：Yr為設(shè)備發(fā)送功率（W);LT為發(fā)射部分天饋系統(tǒng)損耗；GT為發(fā)射天線增益，且有Gt=(πD/λ)2α式中：D為天線直徑Cm）；л為發(fā)射電波波長（m）；α可為天線效率。EIRP有兩個(gè)含義：其一，是指地面站天線向著衛(wèi)星接收方向輻射的電波強(qiáng)度，用EIRPE表示；其二，是指衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器天線向接收地面站方向所輻射的電波強(qiáng)度，用EIRPs表示。2.傳播衰耗傳播衰耗表示電波在自由空間（恒參信道）傳播的衰耗，又稱故有衰減（衛(wèi)星與地面站兩天線間傳輸衰耗），用Lr表示：Lp=（4πd/λ）2式中：d為衛(wèi)星與地面站之間的距離Cm）；л為電波的波長Cm);L＂為傳播衰耗。3.傳播方程接收端的信號強(qiáng)度CPR）表示衛(wèi)星通信系統(tǒng)接收信號的能力。它與對方的全向有效輻射功率成正比，與傳播衰耗成反比，與接收天線增益成正比，即

Pr=（EIRP/Lp）GR式中，EIRP為發(fā)送端的全向有效輻射功率（它可以是EIRPs，也可為EIRPE);GR為接收天線有效增益（這已經(jīng)排除了天饋系統(tǒng)的損耗，稱有效增益hLp為傳播衰耗（它可以是上行線，也可以是下行線的傳播路途的衰耗）。4.接收地面站性能指數(shù)接收地面站性能指數(shù)是衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的特有參數(shù)：

[G/T]=10lgGr/T=10lgGr-10lgT式中：GR表示天線的有效增益（可以是衛(wèi)星上天線，也可以是地面站天線的增益）;T為接收系統(tǒng)的等效噪聲溫度。注：這里的T要折合到信號輸入端進(jìn)行計(jì)算。從［G/T］值來看，接收天線增益越大越好，從T來看，接收部分的等效噪聲越小越好，這就直觀反映了接收端的性能優(yōu)劣，所以一般稱為地面站或者衛(wèi)星接收機(jī)的性能指數(shù)。世界衛(wèi)星組織規(guī)定了A級衛(wèi)星地面站性能指數(shù)[G/T］大于等于40.7十20lgf/4（dB/k6）這里f的單位為千兆赫（GHz）。5.CIT值與SIN值載噪比CC/N）和載波噪聲溫度比CC/T)是衡量衛(wèi)星線路未經(jīng)解調(diào)前送入接收設(shè)備的重要參數(shù)。因?yàn)镹=KTB所以C/N=C/KTB式中，N為噪聲功率；K為波爾前羅常數(shù)；T為系統(tǒng)等效噪聲溫度；B為接收機(jī)帶寬。這里，C/N和CIT的區(qū)別在于CIT中沒有寬帶因素。S/N是指衛(wèi)星傳送信號經(jīng)解調(diào)后的輸出信噪比，它是隨傳送信號種類，如圖像、話音、數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)不同而有區(qū)別的。6.門限電平衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，在接收端恢復(fù)出的信號的質(zhì)量一般用SIN來表示，以此表示信號優(yōu)劣。在數(shù)字系統(tǒng)中，一般用誤碼率來表示，也可以等效為SIN。當(dāng)設(shè)備已經(jīng)確定時(shí)，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的C/NCC/T）與SIN的關(guān)系，可用門限電平來表示，如圖6.8所示。門限效應(yīng)：當(dāng)衛(wèi)星接收機(jī)解調(diào)器輸出端的S/N與系統(tǒng)輸入端的C/N之間的關(guān)系如圖6.8所示，如C/N小于某一數(shù)值時(shí)，SIN會急劇下降的這種現(xiàn)象，稱為門限效應(yīng)。產(chǎn)生門限效應(yīng)的這一C/N值稱為門限電平。圖6.8調(diào)頻系統(tǒng)的門限電平門限電平的含義是：為保證接收到的話音、圖像、數(shù)據(jù)等信號的質(zhì)量，或者說為使接收系統(tǒng)對接收到的信號進(jìn)行解調(diào)后，能有起碼的信噪比或誤比特率時(shí)，接收系統(tǒng)必須得到的最小載噪比值。由于在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中有些不確定因素，如電子設(shè)備性能變化，天線走向偏差，氣候條件變化等都會引起傳輸衰耗增大和噪聲增加，使C/N下降。為保證衛(wèi)星通信線路不至于工作在門限電平以下，一般都留有一定的余量，此余量稱為門限余量CE）。在傳輸線路總體設(shè)計(jì)時(shí)就必須考慮門限余量CE）。7.衛(wèi)星傳輸信號的幾種信號處理技術(shù)除在前面已講述過的數(shù)字信號基帶處理的糾錯(cuò)編碼技術(shù)和擾碼處理技術(shù)外，還有以下幾種信號處理技術(shù)。1)能量擴(kuò)散技術(shù)由于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器是在多載波工作，而轉(zhuǎn)發(fā)器的變頻器件為非線性器件，因而會產(chǎn)生交流干擾，特別對于有些載波未調(diào)制和負(fù)擔(dān)少的情況，載波功率大就會對其他載波帶來嚴(yán)重干擾。為此，對未調(diào)制的載波，外加一個(gè)信號，使其能量擴(kuò)散。外加信號稱為能量擴(kuò)散信號，－般為20～150Hz的三角波，它可在接收端用高通濾波去掉。2）預(yù)加重由于收端解調(diào)器對多路信號調(diào)頻波解調(diào)時(shí)，噪聲也在其中，解調(diào)后的高端信號SIN比低端的SIN低。為解決這一問題，在基帶處理時(shí)加一個(gè)預(yù)加重網(wǎng)絡(luò)，使頻帶內(nèi)信噪比均勻，在接收端進(jìn)行相反處理，用去加重網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)原信號。3)加權(quán)加權(quán)主要是對人的視覺和聽覺頻率特性而言的。人們對噪聲的敏感程度和實(shí)際上存在的噪聲之間有差別，為使SIN的實(shí)際情況和人的感覺器官協(xié)調(diào)，特采用了修正值，這個(gè)修正值稱為加權(quán)值。加權(quán)在傳輸中沒有實(shí)際意義，而是改善了人們在接收信號時(shí)的感覺。采用了加權(quán)、加重以后使人們感覺到SIN提高了。6.3通信衛(wèi)星自從1957年蘇聯(lián)把第一顆人造地球衛(wèi)星送上太空，就使衛(wèi)星通信成為可能。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，通信衛(wèi)星是核心，沒有現(xiàn)代的空間技術(shù)把衛(wèi)星送到預(yù)定空間軌道，就不可能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代的衛(wèi)星通信。6.3.1同步通信衛(wèi)星1.地球衛(wèi)星軌道地球衛(wèi)星都有自己的運(yùn)行軌道，這種軌道有圓形，也有橢圓形，軌道所在的平面稱為軌道面，軌道面都要通過地心。當(dāng)衛(wèi)星軌道平面與赤道平面的夾角為0。時(shí)，稱衛(wèi)星的軌道為赤道軌道。當(dāng)衛(wèi)星軌道平面與赤道平面的夾角為90。時(shí)，稱衛(wèi)星的軌道為極軌道。當(dāng)衛(wèi)星軌道平面與赤道平面的夾角在0～90。之間時(shí)，稱衛(wèi)星的軌道為傾斜軌道，如圖6.9所示當(dāng)衛(wèi)星運(yùn)行軌道在赤道面內(nèi)時(shí)，稱衛(wèi)星的軌道為赤道軌道，如軌道呈圓形，此軌道離地面高度為35786.6km時(shí)，此軌道稱為同步軌道。同步軌道只有一個(gè)，是寶貴的空間資源。圖6.9地球衛(wèi)星的幾種軌道2.同步通信衛(wèi)星在同步軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星，衛(wèi)星運(yùn)行方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同，由西向東做圓周運(yùn)動，衛(wèi)星運(yùn)行周期為恒星日（23小時(shí)56分4秒），一般稱為24小時(shí)。它的勻速運(yùn)動速度v=3.07km／日，這時(shí)衛(wèi)星相對于地球表面呈靜止?fàn)顟B(tài)，在地球上觀察衛(wèi)星時(shí)，此衛(wèi)星是靜止不動的，人們把這個(gè)衛(wèi)星叫做同步衛(wèi)星或叫靜止衛(wèi)星。這個(gè)軌道也稱為靜止軌道。利用同步衛(wèi)星（靜止衛(wèi)星）來轉(zhuǎn)發(fā)元線電信號組成的通信系統(tǒng)就稱為衛(wèi)星通信系統(tǒng)，作為通信用的這個(gè)衛(wèi)星就叫做同步通信衛(wèi)星。我們這里主要講述的就是同步衛(wèi)星通信。3.影晌同步衛(wèi)星通信的因素1）攝動在空中運(yùn)行的衛(wèi)星，受到來自地球、太陽、月亮的引力以及地球形狀不均勻，太陽輻射壓力等影響，使衛(wèi)星運(yùn)行軌道偏離預(yù)定理想軌道，這種現(xiàn)象稱為攝動。2）軌道平面傾斜效應(yīng)當(dāng)靜止衛(wèi)星受到某些因素影響而發(fā)生相對于赤道平面向上、向下的固定偏離時(shí)，就使衛(wèi)星的視在位置及星下點(diǎn)發(fā)生改變，這就稱為傾斜效應(yīng)。衛(wèi)星的攝動及傾斜效應(yīng)會引起衛(wèi)星的位置發(fā)生變化，偏離原來的經(jīng)度、緯度。對于靜止衛(wèi)星通信系統(tǒng)就必須采取措施，使衛(wèi)星穩(wěn)定在預(yù)定的位置，這就稱為位置控制。在衛(wèi)星上有許多噴嘴，當(dāng)發(fā)生位置偏離時(shí)，控制其噴射氣體燃燒，推動衛(wèi)星回到原位置。3）星蝕與日凌中斷當(dāng)靜止衛(wèi)星和地心及太陽在一條直線上，且地球擋住太陽使衛(wèi)星處于陰影區(qū)時(shí)，就稱此為星蝕。星蝕→般發(fā)生在每年春分和秋分前后23天，當(dāng)?shù)氐奈缫箷r(shí)間前后，持續(xù)時(shí)間大約1小時(shí)。這時(shí)，衛(wèi)星上太陽能電池不能供電，只能依靠星載蓄電池或化學(xué)電池供電，也可以適當(dāng)調(diào)整衛(wèi)星位置。在這一直線上的另一種情況是，當(dāng)太陽正對著衛(wèi)星，地面站天線對準(zhǔn)太陽時(shí)，因太陽黑子產(chǎn)生的強(qiáng)大的太陽噪聲干擾，會使通信短暫中斷，這種現(xiàn)象稱為日凌中斷。這種現(xiàn)象發(fā)生在每年春分、秋分前后各6天左右，每次持續(xù)時(shí)間大概為6分鐘，因此在通信中要盡量避免。4）衛(wèi)星姿態(tài)的保持與控制前面講到衛(wèi)星的位置要控制，使之保持在預(yù)定位置，但這還不夠，還必須使衛(wèi)星的天線波束指向覆蓋區(qū)中心，使衛(wèi)星上太陽能電池板正對太陽。這就要求衛(wèi)星相對于地球保持→定的姿態(tài)，使之達(dá)到上述兩項(xiàng)要求。使衛(wèi)星姿態(tài)保持的控制方法主要有：角度慣性控制（自施穩(wěn)定法）和三軸穩(wěn)定法。后者采用較多，因后者具有控制精度較高，可節(jié)省燃料，太陽能電池板可以做得較大，電能供給功率較大等優(yōu)點(diǎn)。6.3.2通信衛(wèi)星的組成同步通信衛(wèi)星主要由控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、遙測指令系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)等組成，如圖6.10所示。圖6.10通信衛(wèi)星的組成1.控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)主要由各種可控的調(diào)整裝置、驅(qū)動裝置（噴氣抵進(jìn)器）及各種轉(zhuǎn)換開關(guān)等組成。它在地面遙控指令下，主要完成對衛(wèi)星姿態(tài)、位置、工作狀態(tài)，主、備用設(shè)備切換等控制功能。2.通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)是通信衛(wèi)星的關(guān)鍵，通信轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)全落在它身上，因此責(zé)任重大。它主要由天線和轉(zhuǎn)發(fā)器兩大部分組成。圖6.11IS-V太平洋覆蓋區(qū)的波束配置1)天線衛(wèi)星上使用的天線要求嚴(yán)格：體積小、重量輕、饋電方便、易折疊、易展開；電器特性好、增益高、效率高、寬頻帶等。其種類有：(1）全方向性天線。此天線是完成遙測和指令信號的發(fā)送、接收功能的。(2）通信天線。衛(wèi)星上的通信天線，主要是接收、轉(zhuǎn)發(fā)地面站的通信信號。通信天線要對準(zhǔn)所覆蓋的區(qū)域，按其覆蓋面大小可分為以下4類。①球波束天線：覆蓋地球表面面積最大，如圖6.11所示。一般可達(dá)地球表面的1/30②覆球波束天線（區(qū)域波束天線）：覆蓋的地球通信區(qū)域?yàn)橐惶囟ǖ膮^(qū)域，如為一個(gè)國家國土等。③半球i皮束天線：是球波束天線覆蓋的1/2。④點(diǎn)波柬天線2此搜柬很窄，覆蓋地面某一限定的小區(qū)。2）轉(zhuǎn)發(fā)器 衛(wèi)星通信轉(zhuǎn)發(fā)器有三種，即雙、單變頻轉(zhuǎn)發(fā)器和處理轉(zhuǎn)發(fā)器。(1）單變頻轉(zhuǎn)發(fā)器。此轉(zhuǎn)發(fā)器是目前用得較多的轉(zhuǎn)發(fā)器。這種轉(zhuǎn)發(fā)器較簡單，實(shí)現(xiàn)容易，它的組成框圖如圖6.12所示。此轉(zhuǎn)發(fā)器一直在微波段工作，它把接收到的上行信號，經(jīng)過放大，直接變換為下行頻率，再經(jīng)功率放大后，通過天線發(fā)回地面。

圖6.12單變頻轉(zhuǎn)發(fā)器組成方框圖(2）雙變頻轉(zhuǎn)發(fā)器。雙變頻轉(zhuǎn)發(fā)器如怪：6.13所示，它先把接收到的上行信號經(jīng)下變頻為中頻，經(jīng)放大、限幅以后再上變頻為下行信號，再進(jìn)行功放和發(fā)射。這種轉(zhuǎn)發(fā)器經(jīng)過兩次變頻，所以稱雙變頻轉(zhuǎn)發(fā)器。此種轉(zhuǎn)發(fā)器用得較少，早期的業(yè)務(wù)量小的衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用過。(3）處理轉(zhuǎn)發(fā)器。處理轉(zhuǎn)發(fā)器主要具有處理信號的功能，它的組成框圖如圖6.14所示。在衛(wèi)星上的信號處理主要指經(jīng)下變頻后，對信號進(jìn)行解調(diào)后的處理，然后重新調(diào)制、上變頻、功放后發(fā)向地面站。衛(wèi)星上的信號處理一般分三種情況：一種是對數(shù)字信號進(jìn)行判決、再生，使噪聲不積累；第二種是多個(gè)衛(wèi)星天線之間的信號交換處理；第三種為更復(fù)雜的星上處理系統(tǒng)，它包括了信號的變換、交換和處理等。3.遙測指令系統(tǒng)遙測指令系統(tǒng)分兩部分：遙測部分和遙控指令部分。1）遙測部分遙測部分主要收集衛(wèi)星上設(shè)備工作的數(shù)據(jù)，如電流、電壓、溫度、傳感器信息、氣體壓力指令證實(shí)等信號。這些數(shù)據(jù)經(jīng)處理后送往地面監(jiān)測中心站。2）遙控指令部分地球上收到衛(wèi)星遙測的有關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)，要對衛(wèi)星的位置、姿態(tài)進(jìn)行控制。設(shè)備中的部件轉(zhuǎn)換，大功率電源開關(guān)等，都要由遙控指令來進(jìn)行。地面控制中心把指令發(fā)向衛(wèi)星，在衛(wèi)星上經(jīng)處理后送往控制設(shè)備，控制設(shè)備根據(jù)指令的準(zhǔn)備、指令、執(zhí)行幾個(gè)階段來完成對衛(wèi)星上各部分設(shè)備的控制和備用部件的倒換等。4.電源系統(tǒng)衛(wèi)星上設(shè)備工作的能源主要由太陽能電池提供，輔助以原子能電池和化學(xué)電池。對電池的要求高，除要求體積小、重量輕、高效率、高可靠性外，還要求提供電能的時(shí)間長而穩(wěn)定。為保證衛(wèi)星上的設(shè)備供電，在衛(wèi)星上特別設(shè)置了電源控制電路，在特定情況下進(jìn)行電源的控制。5.溫控系統(tǒng)通信衛(wèi)星里的設(shè)備都是在密閉環(huán)境下工作的。電器設(shè)備工作，特別是行波管功率放大器產(chǎn)生的熱量及衛(wèi)星受太陽照射等使溫度會發(fā)生變化，而工作要求，特別是本振設(shè)備，要求溫度恒定，因此就必須對星上溫度進(jìn)行控制。在E星上的溫度傳感器，隨時(shí)監(jiān)測衛(wèi)星的溫度并把信號送回監(jiān)控站，如發(fā)生異常，地面通過遙控指令進(jìn)行控制，以恢復(fù)保持預(yù)定的溫度。6.3.3觀察參量衛(wèi)星地面站的天線要與衛(wèi)星上的通信天線對準(zhǔn)，才能接收和發(fā)送通信信號。如何才能使兩者對準(zhǔn)呢？主要由地面站對衛(wèi)星的幾個(gè)觀察參量來決定。這幾個(gè)觀察參量是指地球站天線軸線指向靜止衛(wèi)星的方位角、仰角和距離三個(gè)參數(shù)。同步衛(wèi)星的觀察參量如圖6.15所示。同步衛(wèi)星的位置，只要有了經(jīng)度就能確定（因在同步軌道上由經(jīng)度定點(diǎn)），地面站位置由經(jīng)度和緯度確定。利用以上的條件和衛(wèi)星高度（35786km),即可用公式（工程用）計(jì)算出來。圖6.15中，S表示靜止衛(wèi)星，D表示地球站，0為地球中心。S與0連線在地表面交點(diǎn)為M，叫做星下點(diǎn)。D與S連線叫直視線，直視線的長度就是地球站至衛(wèi)星的距離d。D所在的水平面稱地球站平面，SD（直視線）在地面的投影稱方位線。直視線與方位線所確定的平面稱方位面，由圖可見，SM在此方位面內(nèi)。6.4衛(wèi)星通信系統(tǒng)的多址方式多址方式是指在衛(wèi)星覆蓋區(qū)內(nèi)的多地球站，通過一顆衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)信號，建立以地球站為站址的兩址或多址間的通信。這里的多址是指在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器頻帶的射頻信道的復(fù)用。6.4.1頻分多址CFDMA）方式所謂頻分多址，是指按地面站分配的射頻不同來區(qū)別地球站的站址，如圖6.16所示。各地球站的地址頻率，在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器頻帶內(nèi)不發(fā)生重疊，而且還要留有保護(hù)頻帶，如罔6.17所示。在這種多址方式中，要注意防止多載波間的互調(diào)干擾（交調(diào)干擾）。衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器和地球站的高功率射頻信號由行波管或速調(diào)管放大．并同時(shí)放大多個(gè)載波信號。由于器件的輸入、輸出非線性以及調(diào)幅／調(diào)相的非線圖6.17頻分多址方式的頻率配置性，會使輸出信號中產(chǎn)生多種組合頻率成分。這些組合頻率成分，特別是三階組合頻率成分．可能與有用載波頻率相同，會對原信號載波（地址頻率）產(chǎn)生干擾．這就是交調(diào)干擾（三階干擾最為嚴(yán)重）。為防止和克服交調(diào)干擾，采取了一系列的措施．如在設(shè)計(jì)地址頻率時(shí)．對某些頻率進(jìn)行限制．注意發(fā)射功率控制噸加能量擴(kuò)散信號等（克服交調(diào)干擾的最根本辦法是采用諸如FDMA、TDMA等其他多址方式）。頻分多址又可分為多種：C1)SCPC/FDMA方式。這種方式用在小容量衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，它的含義是每站路一個(gè)載波．所以又稱為單路單載i皮，這在早期的衛(wèi)星通信中采用較多。這種方式有很多優(yōu)點(diǎn)：可擴(kuò)大轉(zhuǎn)發(fā)器容量；便于實(shí)現(xiàn)信道的按巾請分配或按需分配CSPADE方式）。在這種多址方式下的數(shù)字話音編碼或數(shù)據(jù)信號，一般都控制在低速率61!kb/s以下，因此話音采用壓縮編碼，如56kb/s或DPCM、ADPCMCVSD等的壓縮編碼數(shù)字信號。SCPC/FDMA系統(tǒng)的信號終端如圖6.18所示。在SC磯、系統(tǒng)中還采用話音激活技術(shù)。(2)PCM/TDMA/PSK/FDMA方式。這種方式是先把話音進(jìn)行PCM編碼（64kb/s),然后進(jìn)行多路復(fù)用．變?yōu)镻DH系列的數(shù)字信號（或者SDH系列的數(shù)字信號），再迸行相移鍵控，最后進(jìn)行FDMA，根據(jù)載波頻率不同來區(qū)別站址?，F(xiàn)在我國廣泛采用的IDR屬于其中一種類型的FDMA方式。6.4.2時(shí)分多址（TDMA）方式時(shí)分多址就是指用時(shí)間的間隙來區(qū)別地球的站址，各地球站的信號只在規(guī)定的時(shí)隙通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，如圖6.19所示。由圖6.19中可看出，各地面站在一定時(shí)間｜回隔內(nèi)輪流發(fā)射一段信號，發(fā)射一改信號所占的時(shí)間稱為時(shí)隙。每個(gè)地面站都輪流一次的時(shí)間間隔稱為TDMA幀。時(shí)－分多址系統(tǒng)組成如圖6.20所示。為實(shí)現(xiàn)各地球站的信號按指定的時(shí)隙通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，必須要有一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)。因此，就安排某個(gè)地球站作為基準(zhǔn)站，它周期性地向衛(wèi)星發(fā)射脈沖射頻信號，經(jīng)衛(wèi)星“廣播”給各地面站，作為該系統(tǒng)內(nèi)各地球站共同的時(shí)間基準(zhǔn)。各地球站以此為基準(zhǔn)，按分配時(shí)隙發(fā)射載波通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，這就是通常說的數(shù)字系統(tǒng)同步。圖6.20時(shí)分多址系統(tǒng)的組成由圖6.20中可看出，在一幀中一個(gè)系統(tǒng)的每個(gè)地球站所占時(shí)隙分別為T1，T2,T3，，…，TK。這各個(gè)時(shí)隙又稱為分幀信號，設(shè)一幀信號時(shí)間為Ts，則一幀長：

Ts＝T1+T2+T3+…+TK (6.5.1)在數(shù)字衛(wèi)星通信TDMA方式中，一般一幀時(shí)間Ts=125μs，或者是其整數(shù)倍。時(shí)分多址方式的具體實(shí)現(xiàn)方法有多種，常采用的是PCM/TDM/PSK/TDMA方式。PCM/TDM/PSK的信號變換過程與前面講到的FDMA基本相同，主要區(qū)別在TDMA的多址技術(shù)的幀結(jié)構(gòu)。6.4.3空分多址CSDMA）方式空分多址是以衛(wèi)星天線指向地面的波束來區(qū)別站址的，即利用波束的方向性來分割不同區(qū)域地球站電波，使各地球站發(fā)射電波在空間不互相重疊，即使在同→時(shí)間．不同區(qū)域站使用同一頻率工作，它們之間也不會形成干擾。這樣，頻率、時(shí)間都可再用，可容納更多用戶，減少干擾，這就對天線波束指向提出了更高的要求。空分多址方式一般都是與時(shí)分多址方式相結(jié)合而構(gòu)成所謂TDMA/SS/SDMA的。這里的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器應(yīng)有信號處理功能，相當(dāng)于一個(gè)電話自動交換機(jī)。在空分多址系統(tǒng)工作中，特別要注意以下幾個(gè)同步問題：(1）因空分多址實(shí)際上是TDMA/SS/SDMA，是在時(shí)分多址基礎(chǔ)上進(jìn)行工作的，所以上行的TDMA幀信號進(jìn)入衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)，必須保證幀內(nèi)各分幀的同步，這與時(shí)分方式幀同步相同。(2）在轉(zhuǎn)發(fā)器中，接通收、發(fā)信道和窄波束天線的轉(zhuǎn)換開關(guān)的動作，分別與上行TDMA幀和下行TDMA幀保持同步，即每經(jīng)過一幀，天線波束轉(zhuǎn)換一下，這是空分多址方式的特有同步方式。(3）每個(gè)地球站的相移鍵控調(diào)制和解調(diào)必須與各分幀同步。6.4.4碼分多址（CDMA）方式所謂碼分多址，就是用碼型來區(qū)別地球站站址。碼分多址方式屬拓寬頻帶、低信噪比的工作方式，利用了擴(kuò)展頻譜的方法，使在C/N較小的條件下，仍然能得到相同的通信質(zhì)量。它一般用于用戶容量小，但地球站站址多的系統(tǒng)，由于有抗干擾、保密、隱蔽、機(jī)動、靈活分配信道及多址的特點(diǎn)而廣泛用于軍事、公安、國防等要害部門。此技術(shù)在移動通信中已廣泛應(yīng)用。有關(guān)擴(kuò)展頻譜的通信原理，所采用的偽隨機(jī)序列擴(kuò)頻或時(shí)頻編碼等方式來實(shí)現(xiàn)的方法在CDMA移動通信中再進(jìn)行講述。6.5衛(wèi)星地球站在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，我們主要是用地球站來完成信號的組裝與分路。地球站分許多類型，有固定的、移動的、可拆卸的站，有大型的A級、B級國際國內(nèi)大城市內(nèi)的通信站，也有各種小型的用于小城市和特殊用途的地球站。根據(jù)地球站用途可分為民用、軍用、廣播、航海、氣象、通信、探測等多種地球站。按天線大小不同分為30m,10m,5m,3m,1m等站。還可按業(yè)務(wù)不同來分類，分為通信、數(shù)據(jù)、廣播、跟蹤、遙測等。這里只對一般的通信地球站的組成作簡單介紹。6.5.1地球站的組成對于不同的地球站，其組成有區(qū)別，但是一般地球站的信號都要經(jīng)過大體相同的處理過程，其流程在前節(jié)己講過。我們這里以國際國內(nèi)大型站A級、B級地面站的組成進(jìn)行簡單地講述。圖6.21為通信的標(biāo)準(zhǔn)地球站，它主要由天饋系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、終端接口與通信控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等組成。6.5.2地球站分系統(tǒng)1.天饋系統(tǒng)地球站天饋系統(tǒng)主要由天線和饋線以及伺服跟蹤等幾部分組成。其天線主要為卡塞格倫天線，由饋源、拋物主反射面、雙曲副反射面構(gòu)成，如圖6.22所示。它利用了光的反射原理而使光線聚集起來，使收到的信號投射入饋源喇叭。另一方面把發(fā)出去的信號通過饋游、經(jīng)兩次反射由主反射面以一束平行光射向衛(wèi)星?？ㄈ駛愄炀€有很多優(yōu)點(diǎn)，有助于形成指向準(zhǔn)確的高增益的窄波束天線，地面噪聲不容易進(jìn)入饋源形成干擾，噪聲溫度低。饋源的信號經(jīng)極化變換，輸入的信號經(jīng)圓極化轉(zhuǎn)換為線極化，輸出信號由線極化轉(zhuǎn)換為圓極化。另一方面是雙工變換（來去信號分隔開）、阻抗變換等。多種變換后進(jìn)入天線發(fā)射并由饋線進(jìn)入接收機(jī)（低噪聲接收機(jī)）。在天饋系統(tǒng)中還有龐大的伺服跟蹤部分。由于靜止衛(wèi)星有一定漂移和攝動，姿態(tài)也會發(fā)生變化，為了使通信能正常進(jìn)行，要使地球站天線始終瞄準(zhǔn)衛(wèi)星天線，因此，就需要有跟蹤伺服的能力。伺服跟蹤衛(wèi)星主要是控制觀察參量、方位角、仰角等。一般采用的方法有三種：一種是手動跟蹤；第二種為程序跟蹤（半自動）；第蘭種為自動跟蹤?，F(xiàn)在大型的地面站采用自動跟蹤。現(xiàn)在一般的直播衛(wèi)星電視小站采用于動跟蹤或半自動跟蹤。2.發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射系統(tǒng)主要由上變頻器、自動功率控制電路、發(fā)射波合成裝置、激勵(lì)器和大功率放大器等組成。其組成方框圖如圖6.23所示。

對地球站發(fā)射機(jī)的要求是比較高的，因?yàn)樗l(fā)射和傳輸信號的路徑很長，接近4萬公里，因此對發(fā)射機(jī)部分要求如下：(1）發(fā)射機(jī)功率要大，一般都要求EIRPE大，它取決于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的GIT值、輸入功率密度Ws，地球站用戶容量和天線增益等。(2）頻帶寬度要大。(3）載頻的精度要高。(4）放大器的線性要好，增益要穩(wěn)定。發(fā)射系統(tǒng)的功率放大器使用行波管或速調(diào)管，一般都工作在微波段。在大型的地面站很少用半導(dǎo)體的放大器件。為減小交調(diào)干擾，在多載波工作時(shí)，采取輸入／輸出補(bǔ)償，使其不工作在飽和點(diǎn)附近。上變頻器一般都采用參量變頻器，主要是噪聲小，而且有一定增益。由于變頻在微波段進(jìn)行，本機(jī)振蕩器一般是采用微波固體振蕩器．而且頻率穩(wěn)定度要高。3.接收系統(tǒng)由于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器功率?。◣淄呋驇资撸?，天線也不可能做得很大，因此增益也不高，下行信號線經(jīng)過4萬公里的長距離傳輸其衰減相當(dāng)大，到達(dá)地面的信號非常弱，甚至被淹沒在噪聲中。因此，地球站的接收系統(tǒng)必須是低噪聲接收系統(tǒng)才能正常工作。低噪聲接收系統(tǒng)主要由低噪聲放大器、下變頻器、本機(jī)振蕩器等組成，對其要求比較嚴(yán)格：(1）噪聲溫度要低，一般噪聲溫度為幾十開。(2）工作頻帶要寬，一般要求500MHz帶寬。(3）增益要穩(wěn)定。因?yàn)樵诮邮障到y(tǒng)的低噪聲放大器要求低噪聲、高增益、寬頻帶．所以在衛(wèi)星接收系統(tǒng)的低噪聲放大器都采用參量放大器。在初期使用冷參（用液氮冷卻使降至零下幾十甚至負(fù)上百度以保證低噪聲溫度為幾十開），現(xiàn)在大量采用常溫參量放大器，有低噪聲晶體管放大器、場效應(yīng)管放大器等。一般采用碑化嫁場效應(yīng)管放大器和體效應(yīng)管為多?，F(xiàn)在器件的噪聲溫度可做到50K以下。經(jīng)低噪聲放大后的信號送入下變頻器變?yōu)橹蓄l信號。有的變頻器經(jīng)過兩次變頻，有的只經(jīng)過一次變i顱，視其地球站設(shè)備的用途和制造商的情況而定。衛(wèi)星直播電視接收站在第一次變頻后主要用于選擇衛(wèi)星節(jié)目（第幾套），然后再解調(diào)出衛(wèi)星基帶信號。這一點(diǎn)將在后面直播衛(wèi)星系統(tǒng)中講述。4.通信終端部分衛(wèi)星通信的終端部分主要分為上行和下行兩部分，這兩部分工作在中頻（70MHz）以下。在數(shù)字衛(wèi)星通信中的信號處理包括了數(shù)字基帶信號處理以及數(shù)字調(diào)制處理等，這已在數(shù)字衛(wèi)星通信及TDMA多址方式中作了簡單介紹，在下節(jié)有關(guān)數(shù)字衛(wèi)星系統(tǒng)中將再作講述。5.通信控制部分和電源部分1）通信控制部分一個(gè)完整的通信地球站相當(dāng)復(fù)雜和龐大。為了保證通信正常進(jìn)行，使設(shè)備各部分正常工作，就要對各部分設(shè)備的有關(guān)參數(shù)、現(xiàn)象等進(jìn)行測試、監(jiān)視和控制。在一個(gè)地球站把這幾部分都集中在一個(gè)控制室內(nèi)（中央控制室），控制系統(tǒng)主要由監(jiān)視設(shè)備、控制設(shè)備和測試設(shè)備等組成。這些部分都安裝在中央控制臺上，分別進(jìn)行測試、監(jiān)視和控制。2）電源部分地球站電源系統(tǒng)要滿足整個(gè)衛(wèi)星地球站的所有供電，特別是大型地球站（國際、國內(nèi)衛(wèi)星網(wǎng)站）。由于市電的定期停電或偶然斷電對地球站的影響很大，特別是對于大功率發(fā)射機(jī)，如果斷電超過60秒鐘則不能重新自動工作，因而要求地球站的供電必須是定電壓、定頻率、高可靠、不間斷的。為滿足其要求，通常設(shè)有兩種電源設(shè)備，即應(yīng)急電源和交流不間斷電源。(1）對于市電，一般都要求可由幾條供電線路供電，或者由不停電的專網(wǎng)供電。(2）應(yīng)急電源設(shè)備，當(dāng)市電發(fā)生重大事故或供電不足等情況時(shí)，在地球站特配兩臺全自動控制的并聯(lián)運(yùn)行的柴油發(fā)電機(jī)，并輔助以高壓配電房和并聯(lián)控制等設(shè)備，保證充足供電。(3）蓄電池，平時(shí)儲存穩(wěn)定的電能以備萬一停電或補(bǔ)充電力不足。(4）交流不間斷電源，這里主要指向地球站，特別是向大功率發(fā)射機(jī)提供定頻率、定電壓、不間斷的、穩(wěn)定性的電源設(shè)備。6.6數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)范例衛(wèi)星電視廣播是由設(shè)置在赤道上空的地球同步衛(wèi)星接收衛(wèi)星地面站發(fā)射的電視信號，把它轉(zhuǎn)發(fā)到地球上指定的區(qū)域，再由地面接收設(shè)備接收，供電視機(jī)收看。1.衛(wèi)星電視廣播的特點(diǎn)(1）在它的覆蓋區(qū)內(nèi)，可以有很多條線路，直接和各個(gè)地面站發(fā)生聯(lián)系，傳送信息。(2）它與各地面站的通信聯(lián)系不受距離的限制，其技術(shù)性能和操作費(fèi)用也不受距離遠(yuǎn)近的影響。(3）衛(wèi)星與地面站的聯(lián)系．可按實(shí)際需要提供線路，因?yàn)樾l(wèi)星本身有許多線路可以連接任何兩個(gè)地面站。2.衛(wèi)星電視廣播系統(tǒng)的組成衛(wèi)星電視廣播系統(tǒng)主要由上行地球站、廣播衛(wèi)星、衛(wèi)星電視接收站、衛(wèi)星測控站四個(gè)主要部分組成。衛(wèi)星電視廣播系統(tǒng)的組成如圖6.24所示。上行地球站（簡稱上行站）上行地球站的主要任務(wù)是把電視廣播中心的廣播電視信號加以信號處理，并經(jīng)過調(diào)制、上變頻．然后對輸出信號的功率進(jìn)行放大處理．再通過定向發(fā)射天線向衛(wèi)星發(fā)送上行微波信號。同時(shí)也接收衛(wèi)星下行做弱的微波信號，以監(jiān)測衛(wèi)星轉(zhuǎn)播節(jié)目質(zhì)量。通常將地面發(fā)送到衛(wèi)星的信號稱為上行信號．把衛(wèi)星傳送到地面的信號稱為下行信號。上、下行信號的載波頻率是不一樣的，這樣就避免了上行信號和下行信號之間的相互干擾。上行地球站可以是一個(gè)或多個(gè)。2）廣播衛(wèi)星廣播衛(wèi)星相當(dāng)于設(shè)在地球赤道上空的轉(zhuǎn)擂臺，其作用是接收設(shè)置在地球上的上行站發(fā)射的電視信號，并將該信號進(jìn)行頻率變換和功率放大處理后，再向所服務(wù)的覆蓋區(qū)域轉(zhuǎn)發(fā)。為了實(shí)現(xiàn)廣播電視信號的正常轉(zhuǎn)發(fā)．要求衛(wèi)星保持精確的姿態(tài)和軌道位置。并且衛(wèi)星相對于地球是靜止的．以便地面衛(wèi)星接收站準(zhǔn)確地接收衛(wèi)星傳送的信號。3）衛(wèi)星電視接收站衛(wèi)星電視接收站主要用來接收廣播衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的電視節(jié)目，為用戶服務(wù)。接收站可分為個(gè)體接收者、集體接收站、無線接收站、有線電視收轉(zhuǎn)站等四種類型。4）衛(wèi)星測控站衛(wèi)星測控站的主要任務(wù)是測量衛(wèi)星內(nèi)部各種設(shè)備的技術(shù)參數(shù)和環(huán)境參數(shù)，進(jìn)行設(shè)備的切換．測控衛(wèi)星的姿態(tài)和軌道。6.6.2VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)VSAT是VerySmallApertureTerminal的簡稱，直譯為甚小口徑衛(wèi)星終端站，所以也稱為衛(wèi)星小數(shù)據(jù)站（小站）或個(gè)人地球站CPES），這里的“小”字指的是VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)中小站設(shè)備的天線口徑小，通常為1.2～2.4m。對于一般的E星通信系統(tǒng)，用戶在利用衛(wèi)星通信的過程中．必須要通過地面通信網(wǎng)匯接到地面站后才能進(jìn)行．使一些用戶感到不太方便，他們希望能自己組建一個(gè)更為靈活的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)．并且各自能夠直接利用衛(wèi)星來進(jìn)行通信．把通信終端延伸到辦公室或個(gè)人家庭．面向個(gè)人進(jìn)行通信．這樣就產(chǎn)咕了VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)。利用VSAT系統(tǒng)進(jìn)行通信具有靈活性強(qiáng)、可靠性高、使用方便及小站可直接裝在用戶端等特點(diǎn)．利用VSAT用戶數(shù)據(jù)終端可直接和計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行單向EX雙向的數(shù)據(jù)傳遞、文件交換、陽像傳輸?shù)韧ㄐ湃蝿?wù)，從而擺脫了遠(yuǎn)距離通信地面巾繼站的問題。使用VSAT作為專用遠(yuǎn)距離通信系統(tǒng)是一種很好的選擇。1.VSAT系統(tǒng)的特點(diǎn)Cl)VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)．是衛(wèi)星通信技術(shù)演變的產(chǎn)物．是二系列先進(jìn)技術(shù)綜合運(yùn)用的結(jié)果，這些技術(shù)包括了調(diào)制解調(diào)技術(shù)、處理模塊以及維比特譯碼器陣列的數(shù)字技術(shù)的通信控制器和處理器。(2)VSAT系統(tǒng)一般采用C波段CG,4GHz）或Ku波段（14/11GHz）以及擴(kuò)頻通信技術(shù)。(3)VSAT系統(tǒng)綜合了諸如分組信息傳輸與交換、多址協(xié)議以及頻i普擴(kuò)展等多種先進(jìn)技術(shù)，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)、語音、視頻圖像、圖文傳真等多種信息的傳輸。C4)VSATE星通信地球站設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，全同態(tài)化．尺寸?。哪艿停到y(tǒng)集成與安裝方便。地面（遠(yuǎn)端）站天線的直徑小一般在2m以下－日前采用較多的是1.2～1.8m(5)VSAT的組網(wǎng)優(yōu)點(diǎn)主要包括：成本低，體積?。子诎惭b維護(hù)．不受地形限制；組網(wǎng)方便，通信效率高；性能質(zhì)量好．可靠性高，通信容量自適應(yīng)且擴(kuò)容簡便等。VSAT系統(tǒng)在商業(yè)、服務(wù)業(yè)、醫(yī)療、金融業(yè)、教育、交通能源、政府、新問、科研等部門都能方便組成自己獨(dú)立的衛(wèi)星網(wǎng).可開通的業(yè)務(wù)有低速隨機(jī)數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)、批量數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)、實(shí)時(shí)性要求較高的業(yè)務(wù)等。VSAT網(wǎng)絡(luò)可作為較經(jīng)濟(jì)的專用通用網(wǎng)，在網(wǎng)絡(luò)壽命期問能靈活地滿足網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)增長的要求。此網(wǎng)絡(luò)元需地而公用交換網(wǎng)的支持，對網(wǎng)絡(luò)的故障診斷和維護(hù)較為容易。2.VSAT的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)典型的VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)主要由主站、衛(wèi)星和許多遠(yuǎn)端小站CVSAT)三部分組成。從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上分為星型網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)和混合網(wǎng)三種．如圖6.25（a）（b）（c）所示。星型網(wǎng)義稱之為衛(wèi)星通信的單（雙）跳形式．如同6.25(a）所示．此種通信方式是各遠(yuǎn)端的站（VSAT站）與處于中心城市的樞紐站問通過衛(wèi)星建立雙向通信信道，這里通常把遠(yuǎn)端站（PC）通過衛(wèi)星至樞紐站（計(jì)算中心）叫做內(nèi)向信道．反之稱為外向信道。在這種方式中，各遠(yuǎn)端站之間不能直接進(jìn)行通信．稱之為單跳方式，只經(jīng)衛(wèi)星一次轉(zhuǎn)發(fā)，另一種情況為雙跳，當(dāng)各小站內(nèi)要進(jìn)行雙向通信時(shí)，必須首先通過內(nèi)向信道與樞紐站聯(lián)系·通過主站再向另一小站通過外向信道聯(lián)系．即小站→衛(wèi)星如樞紐站→衛(wèi)星→另一小站．以“雙跳”方式完成信號傳送過程·這是VSAT系統(tǒng)最典型的常用結(jié)構(gòu)．其核心部分是樞紐站·或稱主站。它通過衛(wèi)星數(shù)字基帶處理器及通信控制器與各子網(wǎng)的主計(jì)算機(jī)或交換機(jī)接口．通過網(wǎng)絡(luò)控制中心對全網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測管理．此種通信一般用于數(shù)據(jù)通信和計(jì)算機(jī)通信。網(wǎng)狀網(wǎng)如圖6.25(b）所示－這種結(jié)構(gòu)為全連接網(wǎng)形式·各站叮通過r'J'I.跳直接進(jìn)行相互通信．為此．對各站的EIRP、G／T值均有較高的要求。此種系統(tǒng)雖然不寫過樞紐站進(jìn)行雙向通信．但必須有－個(gè)控制站來控制全網(wǎng).并根據(jù)各站的業(yè)務(wù)量大小分配信道。此種系統(tǒng)的地球站設(shè)備技術(shù)復(fù)雜一些．成本較高但延時(shí)小.可開展語音業(yè)務(wù)。混合網(wǎng)兼顧了星型向和網(wǎng)狀網(wǎng)的特性.如圖6.25(c）所示．它可實(shí)現(xiàn)在某些站間以現(xiàn)跳形式進(jìn)行數(shù)據(jù)、錄音電話等非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)。而在另一些站內(nèi)進(jìn)行單跳形式的實(shí)時(shí)話音通信，它比網(wǎng)狀網(wǎng)的成本低。此種形式可以收容成千上萬個(gè)小站．組成特殊的VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)。3.VSAT地球站終端設(shè)備VSAT系統(tǒng)一般都由主站（樞紐站）和許多遠(yuǎn)端小站構(gòu)成，從終端設(shè)備來看，它具有與普通地球站相同的硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)。在這里主要就VSAT終端的特殊點(diǎn)作一介紹。1）主站設(shè)備在VSAT系統(tǒng)中，主站是VSAT網(wǎng)的心臟，在衛(wèi)星通信中使系統(tǒng)可靠性達(dá)99.5%以上，一般主站設(shè)一個(gè)備份。從降低成本出發(fā)，一個(gè)系統(tǒng)采用一個(gè)主站，那么在公共通路部分要采用1:1熱備份．并具有自動切換功能?；鶐卧刹捎?:N冷或熱備份。主站設(shè)備包括了大型的天饋系統(tǒng)、高功放（HPA）、低噪聲放大器（LNA）、上／下變頻器、調(diào)制解調(diào)器及數(shù)字接口設(shè)備、基帶設(shè)備以及監(jiān)控設(shè)備等。主站主要設(shè)備的有關(guān)參數(shù)如表6.2示。表6.2主站主要設(shè)備參數(shù)設(shè)備參數(shù)天線口徑3.5～8m/Ku頻段；7～13m/C頻段LNA噪聲溫度180K/Ku頻段，55K/C頻段HPA輸出功率6W～I(xiàn)kW2)VSAT小站設(shè)備（Ku頻段）VSAT小站一般由小口徑天饋系統(tǒng)、室外單元和室內(nèi)單元組成，其結(jié)構(gòu)如圖6.26所示。VSAT天饋系統(tǒng)具有尺寸小、重量輕、性能好、易于安裝的特點(diǎn)，一般采用前饋式拋物面天線。VSAT小站的室外單元主要包括發(fā)射在內(nèi)的射頻電路，它主要由功率放大器、低噪聲放大器，上／下變頻器、本振及正交模式轉(zhuǎn)換器等組成。為減少高頻饋線的噪聲溫度，一般把這部分電路安裝在室外，稱之為室外單元，使之與饋源的連接饋線最短，如圖6.27所示，要求這部分設(shè)備密閉性能好，穩(wěn)定、可靠。VSAT小站的室內(nèi)單元包括了兩個(gè)功能塊，即中頻調(diào)制解調(diào)部分<IF/MODEM）和基帶處理器CBBP）。中頻調(diào)制解調(diào)器直接與室外單元相連，BBP與用戶數(shù)據(jù)終端相連。6.6.3海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)目前海事衛(wèi)星（INMARSAT）系統(tǒng)是世界上能對海、陸、空中的移動體提供靜止衛(wèi)星通信的唯一系統(tǒng)。它使用L波段，是集全球海上常規(guī)通信、遇險(xiǎn)與安全通信、特殊與戰(zhàn)備通信于一體的實(shí)用性高科技產(chǎn)物。此系統(tǒng)由地球段和i空間段組成，系統(tǒng)的操作中心設(shè)在倫敦，衛(wèi)星的控制中心設(shè)在華盛頓和達(dá)姆斯特。另外還有跟蹤、遙測和指令地球站．通信網(wǎng)絡(luò)控制地球站和數(shù)量龐大的船舶地球站，如圖6.28所示。系統(tǒng)的空間部分由分布在大西洋、印度洋、太平洋三個(gè)區(qū)域上空的衛(wèi)星（大西洋上26。W衛(wèi)星，印度洋上63°E衛(wèi)星．太平洋上180。E衛(wèi)星）所組成，以形成覆蓋全球的通信網(wǎng)。衛(wèi)星都有兩個(gè)以上轉(zhuǎn)發(fā)器，衛(wèi)星上天線采用Cj皮段覆球波束，波柬邊緣增益可達(dá)16dB。一般采用SCPC方式．按需分配的頻分多址·此類系統(tǒng)的地球站可分為A、B、C、D四種船舶標(biāo)準(zhǔn)站。海事衛(wèi)星組織原是一個(gè)提供全球也圍衛(wèi)星移動通信的政府間合作機(jī)構(gòu)，即國際移動衛(wèi)星組織，同內(nèi)習(xí)慣簡稱為海事衛(wèi)星。海事衛(wèi)星組織現(xiàn)已發(fā)展為世界上唯一能為海、陸、空各行業(yè)用戶提供全球化、全天候、全方位公眾通信和l~險(xiǎn)安全通信服務(wù)的機(jī)構(gòu)。海事衛(wèi)星系統(tǒng)提供了電話、傳真、電報(bào)、數(shù)據(jù)、遇險(xiǎn)呼救、緊急安全通信及現(xiàn)代的多媒體通信等。我國已申請加入了這一系統(tǒng)，在北京開通了海事衛(wèi)星地球站，屬于海事衛(wèi)星A型標(biāo)準(zhǔn)站。目前，我國的這種系統(tǒng)中已有350多臺移動終端，為航行在世界各地的中同遠(yuǎn)洋船隊(duì)提供全天候的通信服務(wù)。在有些飛機(jī)上（如747客機(jī)）也配備了移動終端，實(shí)現(xiàn)國際航線上的移動衛(wèi)星通信。6.6.4IDR衛(wèi)星通信系統(tǒng)所謂IDR系統(tǒng)，是國際衛(wèi)星組織（INTELSAT）引人的一種綜合性的數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)。IDR是一種頻分多址方式，采用TDM/QPSK/FDMA制式。這里的TDM不同于SCPC的單路數(shù)字話音信號（即低速56kb；川，這里的TDM為64kb/s～1.IDR特點(diǎn)1.IDR特點(diǎn)主要是數(shù)字基帶信號，是專為廣大中、小容量用戶設(shè)計(jì)的公眾業(yè)務(wù)，它包括了數(shù)45Mb凡的數(shù)字多路信息速率信號。字話音、數(shù)據(jù)、數(shù)字電視等多種數(shù)字業(yè)務(wù)，以及計(jì)算機(jī)通信和其他新業(yè)務(wù)，此種系統(tǒng)投資省，是SCPC數(shù)字系統(tǒng)的擴(kuò)展。它與時(shí)分多址TDMA系統(tǒng)相比，設(shè)備簡單，在開通路數(shù)不多的情況下較經(jīng)濟(jì)。IDR利用了DCME技術(shù)來降低空間段的租費(fèi)，IDR通過DCME信道復(fù)用，復(fù)用度可為1:5、1:7甚至可達(dá)1:10以上，提高了信道的使用效率，這樣每信道可降低幾倍的資費(fèi)。IDR衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)比較成熟，設(shè)備規(guī)范比較完善，比TDMA系統(tǒng)簡單，成本較低。在當(dāng)前或今后一個(gè)時(shí)期內(nèi)，中小容量用戶需求比較突出，特別適合于包括中國在內(nèi)的發(fā)展中國家組成IDR衛(wèi)星通信系統(tǒng)，我國目前許多省會城市都建立了IDR衛(wèi)星通信系統(tǒng)地球站。2,IDR（數(shù)字衛(wèi)星通信終端的）數(shù)字基帶信號數(shù)字衛(wèi)星通信的數(shù)字基帶信號在前面已經(jīng)講述過，對輸入的原數(shù)字單路信號（數(shù)據(jù)信號）經(jīng)TDM處理后，還要進(jìn)行幀的變換，加入輔助幀。IDR通過加入輔助幀的方式來提供（ESC）公務(wù)及告警通道，輔助幀速率為96kb/so主要用于信息速率為1.544～44.736kb/s的數(shù)據(jù)信號，如2.048kb/s、34.36kb/s信號等。通過輔助幀與輸入信息數(shù)據(jù)幀復(fù)接后構(gòu)成新的IDR幀結(jié)構(gòu)，每個(gè)IDR幀的幀長為125us。6.6.5GPS定位及差分原理由于全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)具有全能（陸地、海洋、航空和航天）、全球性、全天候、連續(xù)性和實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，因此，在信息、交通、安全防衛(wèi)、環(huán)境監(jiān)測等方面具有其他手段無法替代的重要作用。目前已經(jīng)成為移動設(shè)備（智能于機(jī)、平板電腦等）的標(biāo)配。而在定位導(dǎo)航技術(shù)中，目前精度最高、應(yīng)用最廣泛的為GPS，尤其是GPS在汽車導(dǎo)航中的應(yīng)用前景非?？捎^。下面簡單介紹一下GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)的基本原理。GPS(NavigationSatelliteTimingAndRanging/GlobalPositionSystem，導(dǎo)航星測時(shí)與測距／全球定位系統(tǒng)），簡稱全球定位系統(tǒng)？是由美國建立的一個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。GPS定位實(shí)際上就是通過四顆已知位置的人造衛(wèi)星來確定GPS接收器的位置，如圖6.29所示。1.GPS系統(tǒng)GPS衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的信號采用L頻段做載波，采用擴(kuò)頻技術(shù)來傳送衛(wèi)星導(dǎo)航電文。GPS系統(tǒng)主要由三大部分構(gòu)成：空間部分（GPS衛(wèi)星星座）、控制部分（地面監(jiān)控系統(tǒng)）、用戶部分（GPS信號接收機(jī)），如圖6.30所示。1)空間部分GPS的空間部分由GPS衛(wèi)星組成，它們作為“天文”參考點(diǎn)，向空間發(fā)射精準(zhǔn)的定位信號?？臻g衛(wèi)星星座由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道平面內(nèi)（每個(gè)軌道面4顆），軌道平面的傾角為55。，衛(wèi)星的平均高度為20200km,運(yùn)行周期為11h58min，衛(wèi)星用L波段的兩個(gè)無線電載波向廣大用戶連續(xù)不斷地發(fā)送導(dǎo)航定位信號，導(dǎo)航定位信號中含有衛(wèi)星的位置信息，使衛(wèi)星成為一個(gè)動態(tài)的已知點(diǎn)。在地球的任何地點(diǎn)、任何時(shí)刻，在高度角15。以上，平均可同時(shí)觀測到6顆衛(wèi)星，最多可達(dá)到9顆，因此，GPS是一個(gè)全天候、實(shí)時(shí)性的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。2）控制部分地面控制部分由1個(gè)主控站、5個(gè)全球監(jiān)測站和3個(gè)地面控制站組成。監(jiān)測站均配裝有精密的鈍鐘和能夠連續(xù)測量到所有可見衛(wèi)星的接收機(jī)。監(jiān)測站眼蹤視野內(nèi)的所有衛(wèi)星，獲得衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，包括衛(wèi)星之間的距離、電離層和氣象數(shù)據(jù)等，經(jīng)過初步處理后，傳送到主控站。主控站從各監(jiān)測站收集跟蹤數(shù)據(jù)，計(jì)算出衛(wèi)星的軌道和時(shí)鐘參數(shù)，然后將結(jié)果送到3個(gè)地面控制站。地面控制站在每顆衛(wèi)星運(yùn)行至上空時(shí)，把這些導(dǎo)航數(shù)據(jù)及主控站指令注入衛(wèi)星。這種注人對每顆GPS衛(wèi)星每天至少3次，如果某地面站發(fā)生故障，那么在衛(wèi)星中預(yù)存的導(dǎo)航信息還可用一段時(shí)間，但導(dǎo)航精度會逐漸降低。3）用戶部分用戶部分即GPS信號接收機(jī)。其主要功能是能夠捕獲到按一定衛(wèi)星截止角所選擇的待測衛(wèi)星，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行。當(dāng)接收機(jī)捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號后，即可測量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率，解調(diào)出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，接收機(jī)中的微處理計(jì)算機(jī)就可按定位解算方法進(jìn)行定位計(jì)算，計(jì)算出用戶所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時(shí)間等信息。用戶設(shè)備包括接收機(jī)硬件、軟件以及GPS數(shù)據(jù)的后處理軟件包。GPS接收機(jī)的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩部分。目前各種類型的接收機(jī)體積越來越小，重量越來越輕，便于攜帶使用。2.GPS定位原理24顆GPS衛(wèi)星在離地面約2萬公里的高空上，以12小時(shí)的周期環(huán)繞地球運(yùn)行，使得在任意時(shí)刻，在地面上的任意一點(diǎn)都可以同時(shí)觀測到4顆以上的衛(wèi)星。GPS定位的原理實(shí)際是根據(jù)GPS接收機(jī)與其所觀察到的衛(wèi)星之間的距離，應(yīng)用三維坐標(biāo)中的距離公式，利用3顆E星，就可以組成3個(gè)方程式，解出現(xiàn)測點(diǎn)的位置（x,y,z）?？紤]到發(fā)出信息時(shí)刻的軌道偏差、電離層與對流層的延遲效應(yīng)、E星時(shí)鐘和接收機(jī)時(shí)鐘與統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)之間的偏差等因素的影響，造成衛(wèi)星與接收機(jī)之間時(shí)鐘的誤差，實(shí)際上有4個(gè)未知數(shù)，工、y、z和鐘差，因而需要引入第4顆衛(wèi)星，形成4個(gè)方程式進(jìn)行求解，從而得到觀測點(diǎn)的經(jīng)緯度和高程。如罔6.31所示．假設(shè)f時(shí)刻在地面待測點(diǎn)上安置GPS接收機(jī)，可以測定GPS信號到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間缸，再加上接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星星歷等其他數(shù)據(jù)，可以確定以下4個(gè)方程式

[（Xi-X)2+(Yi-Y)2+(Zi+Z)2

]1/2+CVio+c(vAi

-vii)=d;i (i=1,2,3，4）的上述方程式中，待測點(diǎn)坐標(biāo)x、y、z和vio為未知參數(shù)。di(i=l,2,3,4）分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4到接收機(jī)之間的距離。c為GPS信號的傳播速度（即光速）。4個(gè)方程式中各個(gè)參數(shù)意義如下：x、y、z為待測點(diǎn)坐標(biāo)的空間直角坐標(biāo)。但隨著用戶到基準(zhǔn)站距離的增加又出現(xiàn)了系統(tǒng)誤差，這種誤差用任何差分法都是不能消除的。用戶和基準(zhǔn)站之間的距離對精度有決定性影響。3）載波相位差分載波相位差分技術(shù)又稱為R1飛K技術(shù)（RealTinKinematic）’是建立在實(shí)時(shí)處理兩個(gè)監(jiān)測站的載波相位基礎(chǔ)上的。它能實(shí)時(shí)提供觀測點(diǎn)的主維坐標(biāo)．并達(dá)到厘米級的高精度，是更加精密的測量技術(shù)。與偽距差分原理相同，載波相位差分由基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)將其載波觀測量及站坐標(biāo)信息一同傳送給用戶站．用戶站接收G-PS衛(wèi)星的載波相位與來自基準(zhǔn)站的載波相位，并組成相位差分觀測值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理－能實(shí)時(shí)給IH厘米級的定位結(jié)果。實(shí)現(xiàn)載波相位差分G-PS的方法分為兩類：修正法和差分法。前者與偽距差分相同，基準(zhǔn)站將載波相位修正量發(fā)送給用戶站．以修正其載波相位－然后求解坐標(biāo)。后者將基準(zhǔn)站采集的載波相位發(fā)送給用戶站，進(jìn)行求差，解算坐標(biāo)。前者為準(zhǔn)：RTK技術(shù)，后者為真正的RTK技術(shù)。6.6.6量子衛(wèi)星通信系統(tǒng)量子通信是指利用鹽F糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的→種新型的通信方式，是近二十年發(fā)展起來的新型交叉學(xué)科．是最子論和l信息論相結(jié)合的新的研究領(lǐng)域。高效安全的信息傳輸日益受到人們的關(guān)注。孟子通信基于聾子力學(xué)的基本原理，具有高效率和絕對安全等特點(diǎn)，是同際量子物理和信息科學(xué)的研究熱點(diǎn)。1.量子通信發(fā)展現(xiàn)狀1993年，美國科學(xué)家C.H.Bennett提出了量子通信（QuantumTcleportation）的概念。量子通信是由量子態(tài)攜帶信息的通信方式．它利用光子等基本粒子的量子糾纏原理實(shí)現(xiàn)保密通信過程。量子通信概念的提出，使愛阿斯坦的··幽靈”（Spooky)量子糾纏效益開始真正發(fā)揮其威力。我同在監(jiān)子通信方面起步比較晚，但發(fā)展很快。1995年．中國科學(xué)院物理所在國內(nèi)首次完成了自由空間BB84量子密鑰分發(fā)協(xié)議的演示實(shí)驗(yàn)。1997年．在奧地利留學(xué)的中國青年學(xué)者潘建偉與荷蘭學(xué)者披密斯特等人合作，首次實(shí)現(xiàn)了未知量子態(tài)的遠(yuǎn)程傳輸。這是同際1首次在實(shí)驗(yàn)上成功地將－個(gè)過子態(tài)從甲地的光子傳送到乙地的光子上。實(shí)驗(yàn)中傳輸?shù)闹皇潜磉_(dá)孟子信息的“狀態(tài)”，作為信息載體的光子本身并不被傳輸。2003年．韓國、中同、加拿大等同學(xué)者提出了誘騙態(tài)量子密碼理論方案，徹底解決了真實(shí)系統(tǒng)和現(xiàn)有技術(shù)條件F量子通信的安全速率隨距離增加而嚴(yán)重下降的問題。2006年夏，中同科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉小組、美罔洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室、歐洲l慕尼黑大學(xué)與維也納大學(xué)聯(lián)合研究小組各自獨(dú)立實(shí)現(xiàn)了誘騙態(tài)方案，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了超過100公里的誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)‘由此打開了量子通信走向應(yīng)用的大門。2009年9月，潘建偉的科研團(tuán)隊(duì)正式在3節(jié)點(diǎn)鏈狀光量子電話網(wǎng)的基礎(chǔ)上，建成了世界上首個(gè)全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)，首次實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)i吾吾量子保密通信。這一成果在同類產(chǎn)品中位居國際先進(jìn)水平．標(biāo)志著中國在城域量子網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)方面己經(jīng)達(dá)到了產(chǎn)業(yè)化要求。2012年．中同科學(xué)家潘建偉等人在國際上首次成功實(shí)現(xiàn)百公里量級的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)，為發(fā)射全球首顆“量子通信衛(wèi)星”奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。2.量子通信的類型經(jīng)過二十多年的發(fā)展，量子通信這門學(xué)科已逐步從理論走向?qū)嶒?yàn)，并向?qū)嵱没l(fā)展，主要涉及的領(lǐng)域包括量子密碼通信、量子隱形傳態(tài)和量子密集編碼等。1）量子密碼通信量子密碼技術(shù)是用我們當(dāng)前的物理學(xué)知識來開發(fā)不能被破獲的密碼系統(tǒng)，即如果不了解發(fā)送者和接收者的信息啕該系統(tǒng)就完全安全。量子密碼技術(shù)與傳統(tǒng)的密碼系統(tǒng)不同．它依賴于物理學(xué)作為安全模式的關(guān)鍵方面，而不是數(shù)學(xué)。實(shí)質(zhì)上，量子密碼技術(shù)是基于單個(gè)光子的應(yīng)用和它們固有的量子屬性開發(fā)的不可破解的密碼系統(tǒng)，因?yàn)樵诓桓蓴_系統(tǒng)的情況下無法測定該系統(tǒng)的量子狀態(tài)。2）量子隱形傳態(tài)量子隱形傳態(tài)（QuantumTeleportation），也稱為量子遠(yuǎn)程通信、量子離物傳態(tài)，是企圖表現(xiàn)一種信息的元須直接通過一個(gè)通道的隱形傳送過程，即先提取原物的所有信息，然后傳送到接收地點(diǎn)．接收者根據(jù)這些信息復(fù)制出原物的復(fù)制品。量子隱形傳態(tài)應(yīng)用量子力學(xué)的糾纏特性，將攜帶信息的光量子與糾纏光子對之一進(jìn)行貝爾態(tài)測量，將測量結(jié)果發(fā)送給接收方，基于兩個(gè)粒子具有的量子關(guān)聯(lián)特性建立量子信道，可以在相距較遠(yuǎn)的兩地之間實(shí)現(xiàn)未知量子態(tài)的遠(yuǎn)程傳輸。在量子隱形傳態(tài)過程中，原物并沒有被傳送給接收者，它始終停留在發(fā)送者處，被傳送的僅僅是原物的量子態(tài)。在傳輸過程中，發(fā)送者不需要知道原物的這個(gè)量子態(tài)。接收者將另一個(gè)光子的狀態(tài)變換成與原物完全相同的量子態(tài)。在傳輸過程結(jié)束以后，原物的這個(gè)量子態(tài)由于發(fā)送者進(jìn)行測量和提取經(jīng)典信息而現(xiàn)縮損壞。3）量子密集編碼量子密集編碼（DenseCoding）是指在糾纏通道中通過傳輸一個(gè)量子比特而傳輸兩個(gè)比特的經(jīng)典信息．發(fā)送方實(shí)際傳送給接收方的信息量小子接收方真正得到的信息量。量子密集編碼是目前量子信息科學(xué)中保密性非常強(qiáng)的一種通信技術(shù)．它的理論依據(jù)是量子理論中糾纏態(tài)的非局域性。量子糾纏在量子信息學(xué)中起著非常重要的作用。在量子隱形傳態(tài)、量子密集編碼和量子密鑰分配等領(lǐng)域有著很重要的應(yīng)用。自1992年Bennett等提出利用ERP對實(shí)現(xiàn)量子密集編碼方案以來，量子密集編碼在理論和實(shí)驗(yàn)上都取得了很大的進(jìn)展。量子密集編碼已經(jīng)由兩方之間推廣到多方之間．所利用的量子通道也由二級能級糾纏態(tài)推廣到多能級粒子糾纏態(tài)，密集編碼在實(shí)驗(yàn)室中也得到了證實(shí)。3.量子通信系統(tǒng)1)量子通信模型量子通信模型包括量子信源、信道和量子信宿三個(gè)主要部分，其中信道包括量子傳輸信道、量子測量信道和輔助信道蘭個(gè)部分。圖6.32中的密鑰信道是通信者之間最終將獲得的密鑰對應(yīng)的信道，是量子密鑰分配協(xié)議的最終目標(biāo)，該信道不是量子密鑰分發(fā)過程中的組成部分，圖中用虛線表示。輔助信道是指除了傳輸信道和測量信道外的其他附加信道，如經(jīng)典信道，圖中用虛線表示。2）量子誤碼卒量子誤碼率飛QuantumBitErrorRate,QBER）是指承載信息的光量子波包中，能用來使發(fā)送和接收雙方進(jìn)行有效通信的那部分信息的誤碼率。由于信道的損耗和接收機(jī)探測器的效率等尿因，使得發(fā)送的大部分光子不能得到有效的計(jì)數(shù)，而實(shí)際通信系統(tǒng)中只保留雙方認(rèn)可的那部分比特值。3）通信這率量子通信系統(tǒng)的速率隨通信的樣式不同而不同。在量子保密通信系統(tǒng)中，除了加密數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕?jīng)典通信速率外，更重要的是密鑰產(chǎn)生速率。衡量不同QKD系統(tǒng)性能時(shí)，往往用密鑰產(chǎn)生率（KeyRate），其含義是發(fā)送一個(gè)光脈沖，它能形成最后密鑰的概率。在間接量子通信系統(tǒng)和量子安全直接通信系統(tǒng)中，通信速率指傳輸經(jīng)典信息（用經(jīng)典比特表示的信息）或量子信息（用量子態(tài)表示的信息）的傳輸速率。4）通信距離由于量子信號不能放大，而且量子中繼器還處在實(shí)驗(yàn)室研究階段，所以通信距離是一個(gè)重要指標(biāo)。由于量子信道的損耗，隨著通信距離的增加，量子通信的速率（不是加密后的經(jīng)典數(shù)據(jù)）迅速下降，所以實(shí)際應(yīng)用時(shí)往往要在兩者之間進(jìn)行權(quán)衡。5）量子中繼不同于近距離通信，在經(jīng)典或者量子通信中，要保證遠(yuǎn)距離通信的進(jìn)行，必須有中繼的傳輸保證。信號在傳輸過程中由于受到外界環(huán)境的影響，會發(fā)生衰減，中繼將對信號進(jìn)行能量補(bǔ)充，以保證更遠(yuǎn)距離的傳輸。量子中繼設(shè)備的研究對于實(shí)現(xiàn)全球空間量子通信網(wǎng)絡(luò)有著舉足輕重的作用。一般來說，量子通信的物理傳輸模式有兩種：直接傳輸和間接傳輸。所謂直接傳輸模式，就是將量子信號在通信協(xié)議的控制下，直接從發(fā)送方傳送到接收方。所謂間接傳輸模式，就是需要傳送的量子比