衛(wèi)星通信技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用

第頁衛(wèi)星通信技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用摘要：本文介紹了衛(wèi)星通信的基本概念，相關(guān)技術(shù)，探討了當(dāng)前衛(wèi)星通信技術(shù)發(fā)展索面領(lǐng)的的一些問題，并探討了相應(yīng)的應(yīng)用；讓后再當(dāng)前衛(wèi)星通信技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上提出了，衛(wèi)星通信系統(tǒng)特點(diǎn)、衛(wèi)星抗干擾技術(shù)及需要突破的關(guān)鍵技術(shù)。關(guān)鍵詞：衛(wèi)星通信；寬帶衛(wèi)星通信；衛(wèi)星移動(dòng)通信；空間衛(wèi)星通信；通信衛(wèi)星；抗干擾；衛(wèi)星通信技術(shù)今后的趨勢(shì)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(zhuǎn)發(fā)無線電波，在兩個(gè)或多個(gè)地球站之間進(jìn)行的通信。它是微波通信與航天技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門新興的無線通信技術(shù)，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(jìn)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(shí)通信目的的人造衛(wèi)星稱為通信衛(wèi)星，其作用相當(dāng)于離地面很高的中繼站，因此，可以認(rèn)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(zhuǎn)發(fā)或反射來進(jìn)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(shí)際上，這三者是密切相關(guān)的甚至可以結(jié)合為一個(gè)大系統(tǒng)，因?yàn)榈厍蛘九c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(zhuǎn)發(fā)或中繼來進(jìn)行，并與地面基礎(chǔ)設(shè)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(jì)六十年代以來，衛(wèi)星通信迅速發(fā)展，在軍事與民事領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用；七八十年代達(dá)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(dòng)通信的發(fā)展，衛(wèi)星通信逐漸由傳統(tǒng)通信領(lǐng)域逐漸轉(zhuǎn)向其他方向。近幾年來，衛(wèi)星通信在美、歐、日等發(fā)達(dá)國家實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化與國際化年收入達(dá)900多億美元,年均增長(zhǎng)率高達(dá)13%。與此同時(shí)，在軍事應(yīng)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(jì)政治與文化領(lǐng)域中衛(wèi)星通信不僅有效地補(bǔ)充了其他通信手段的不足或不能（如海事、遠(yuǎn)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(zāi)、救災(zāi)、處理突發(fā)事件的應(yīng)急通信等均大有作為。此外近年來深空探測(cè)與載人航天活動(dòng)的頻繁活動(dòng)，極大促進(jìn)了衛(wèi)星通信的發(fā)展也是一大亮點(diǎn)。2.衛(wèi)星通信系統(tǒng)需解決的主要技術(shù)問題衛(wèi)星通信內(nèi)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(yuǎn)距離傳輸。但要發(fā)揮這些優(yōu)勢(shì)，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(jìn)的高效調(diào)制與編碼技術(shù)等常規(guī)措施外。還有下列一些技術(shù)問題需要解釋。1)寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)空中接口的標(biāo)準(zhǔn)化為了推廣應(yīng)用降低成本采用標(biāo)準(zhǔn)接口是發(fā)展趨勢(shì)目前美國電信工業(yè)協(xié)會(huì)TIA與歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)ETSI分別對(duì)此規(guī)定了幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的接口。比較項(xiàng)目：ETSIEN301790TIA-1008ETSIRSM-A網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌盒切位蚓W(wǎng)狀星形星形或網(wǎng)狀調(diào)制方式：QPSKCE-OQPSKCE-OQPSK2)星上處理及交換技術(shù)為滿足用戶對(duì)傳輸時(shí)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(shù)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(zhuǎn)發(fā)器衛(wèi)星只是完成變頻放大等基本功能，對(duì)信號(hào)不進(jìn)行任何處理。為實(shí)現(xiàn)波束間交換，可采用載波處理轉(zhuǎn)發(fā)器，衛(wèi)星是以信號(hào)載波為單位在射頻或中頻上對(duì)信號(hào)進(jìn)行交換，但對(duì)信息內(nèi)容不進(jìn)行處理。最適合寬帶衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)的是全處理轉(zhuǎn)發(fā)器，衛(wèi)星不僅需要完成信號(hào)的解調(diào)、譯碼，還需要一定的信令處理與路由選擇能力能實(shí)現(xiàn)信息的星上交換（比如星載ATM交換機(jī)）。3)衛(wèi)星IPIPoS技術(shù)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(shí)延RTT、大的時(shí)延帶寬積、前/反向道不對(duì)稱使、用較高的信道誤碼率及信號(hào)衰落等。把為地面網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的TCP/IP直接應(yīng)用于衛(wèi)星通信會(huì)導(dǎo)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(jìn)行改進(jìn)或?qū)︽溌愤M(jìn)行分段。4)服務(wù)質(zhì)量QoS保證用戶得到所需要的QoS是寬帶衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)成功的關(guān)鍵包括以下幾個(gè)方面：時(shí)延：把分組從發(fā)送方傳輸?shù)浇邮辗剿璧臅r(shí)間；時(shí)延抖動(dòng)：端端傳輸時(shí)延的變化程度；吞吐量：2個(gè)端點(diǎn)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(luò)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(shí)驗(yàn)與實(shí)際應(yīng)用的結(jié)果采用上行鏈路功率控（UPC）與自適應(yīng)編碼調(diào)制可以基本解決這個(gè)問題。比如NASA的ACTS衛(wèi)星采用了RS碼與卷積碼級(jí)聯(lián)晴朗天氣情況下其誤比特率可達(dá)到10_12有雨衰的情況下至少99%的時(shí)間可以達(dá)到10_11。3.衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)衛(wèi)星移動(dòng)通信是指利用通信衛(wèi)星作中繼站實(shí)現(xiàn)移動(dòng)用戶之間或移動(dòng)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(dòng)通信交叉結(jié)合的產(chǎn)物。從表現(xiàn)形式來看它既是一個(gè)提供移動(dòng)業(yè)務(wù)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，又是一個(gè)采用衛(wèi)星作中繼站的移動(dòng)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(dòng)通信的特點(diǎn)及其關(guān)鍵技術(shù)與衛(wèi)星固定通信相比，衛(wèi)星移動(dòng)通信具有如下技術(shù)特點(diǎn)：1)衛(wèi)星功率有限與移動(dòng)站低天線增益之間的矛盾十分突出；2)電波傳播情況復(fù)雜；系統(tǒng)是在非高斯信道中工作的，由于移動(dòng)站采用弱方向性的低增益天線并，在移動(dòng)狀態(tài)中進(jìn)行通信多徑效應(yīng)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(dòng)臺(tái)要求高度的機(jī)動(dòng)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(guān)鍵技術(shù)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(shù)（如分集技術(shù)）、網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行管理與控制、星地一體化的優(yōu)化設(shè)計(jì)，還需著重解決下列關(guān)鍵技術(shù)。1)星載多波束天線技術(shù)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(dòng)通信發(fā)展的核心關(guān)鍵技術(shù)。一方面，其重量、功耗直接影響衛(wèi)星平臺(tái)的設(shè)計(jì)指標(biāo)；另一方面，天線增益對(duì)系統(tǒng)所能達(dá)到的通信性能起著至關(guān)重要的作用。目前，國內(nèi)已有多波束天線的設(shè)計(jì)能力，對(duì)星用T/R組件也有研制經(jīng)驗(yàn)，與國外先進(jìn)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(diǎn)。2)星上處理與交換技術(shù)具有星際鏈路、星上處理與交換能力是對(duì)現(xiàn)代衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的基本要求。對(duì)于星際鏈路，核心是解決天線的捕獲、跟蹤與瞄準(zhǔn)問題；對(duì)于星上處理，目前國內(nèi)已有星上解調(diào)、解擴(kuò)與解跳的較成熟技術(shù)。主要問題在于可靠性、重量與功耗等。雖然國內(nèi)已經(jīng)完成了具有小規(guī)模星上處理與交換功能的樣機(jī)研制，但受星載器件水平的限制，在星上實(shí)現(xiàn)具有綜合業(yè)務(wù)交換功能與動(dòng)態(tài)拓?fù)錀l件下移動(dòng)路由功能的交換機(jī)仍是一項(xiàng)需要重點(diǎn)攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。3)移動(dòng)性管理技術(shù)移動(dòng)性管理是移動(dòng)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(dòng)性管理技術(shù)，但在NGSO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中，作為交換節(jié)點(diǎn)的通信衛(wèi)星相對(duì)地面作高速移動(dòng)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫亲兓?，即使用戶不移?dòng)切換也是頻繁發(fā)生的。并且用戶終端，衛(wèi)星與關(guān)站之間沒有固定的連接關(guān)系。因此，對(duì)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(dòng)通信系統(tǒng)。必須采用適當(dāng)?shù)囊苿?dòng)性管理策略，以便在盡量降低移動(dòng)性管理開銷，星載交換機(jī)處理負(fù)擔(dān)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(shí)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(shù)來說，實(shí)現(xiàn)天線與射頻模塊的小型化是解決終端小型化的關(guān)鍵技術(shù)。適應(yīng)各類移動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)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?hào)、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(jìn)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(shí)現(xiàn)天線小型化的基本途徑是：研制新穎的天線結(jié)構(gòu)（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(zhì)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(gòu)成與地面蜂窩系統(tǒng)手機(jī)的構(gòu)成大體相同，而后者技術(shù)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(gè)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(guān)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(shí)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(dá)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(duì)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(jī)、車載與艦載移動(dòng)式干擾機(jī)、機(jī)載干擾機(jī)與干擾衛(wèi)星，麗干擾衛(wèi)星與機(jī)載式、飛航式、傘掛式干擾機(jī)則可對(duì)下行鏈路進(jìn)行干擾。于擾下行鏈路時(shí)，干擾源對(duì)于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，雖然在功率與距離方面容易取得較大的優(yōu)勢(shì)，但是在覆蓋面與信號(hào)輻射方向上通常都處于明顯的劣勢(shì)。即使采用機(jī)載干擾機(jī)在10km以上的高空施放強(qiáng)干擾，其影響面也只能達(dá)一百多公里的半徑，更遠(yuǎn)距離的地面站容易采用旁瓣遮擋技術(shù)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(duì)而言，衛(wèi)星通信的上行鏈路比較脆弱，是敵方干擾的重點(diǎn)，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(dǎo)方式可分為定頻守候式干擾、連續(xù)搜索干擾、重點(diǎn)搜索干擾、跳頻跟蹤干擾、擴(kuò)頻跟蹤干擾與轉(zhuǎn)發(fā)式干擾；按頻譜形式可分為瞄準(zhǔn)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(dòng)干擾等。抗干擾的基本目的是通過對(duì)信息、信息的載體及傳播方式進(jìn)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(qiáng)的區(qū)分有用信號(hào)與干擾的能力，從而正確地接收所需