《衛(wèi)星通信與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)》課件-第1章

第1章概述1.1-背景1.2衛(wèi)星通信簡史1.3衛(wèi)星的特點1.4衛(wèi)星通信頻段1.5本章小結(jié)

1.1-背景

近年來,衛(wèi)星同時向兩個方向發(fā)展:

一方面衛(wèi)星的重量、體積、使用壽命和費用日益增加,但受制于運載火箭推力和尺寸的限制,單顆大衛(wèi)星的發(fā)展有瓶頸;

另一方面,微小衛(wèi)星及其編隊成為近年來衛(wèi)星事業(yè)發(fā)展的主要方向。

中、低軌道(MEO/LEO,MiddleEarthOrbit/LowEarthOrbit)通信衛(wèi)星是GEO衛(wèi)星的有力補充,通常用于提供特定地區(qū)的通信業(yè)務(wù),或者構(gòu)成全球覆蓋的通信網(wǎng)絡(luò)。而單顆MEO/LEO覆蓋范圍有限,往往需要多顆衛(wèi)星按照一定的衛(wèi)星星座設(shè)計原則進行“定制”,才能夠發(fā)揮其軌道高度低、地面終端僅需要較小發(fā)射功率就能與衛(wèi)星建立“星地”鏈路的優(yōu)勢。

1.2衛(wèi)星通信簡史

表1-2按照時間順序列出了衛(wèi)星通信的大致發(fā)展歷程。

1.3衛(wèi)星的特點

衛(wèi)星能夠提供大面積的覆蓋范圍,這是衛(wèi)星通信具備的一系列優(yōu)點的基礎(chǔ)。(1)衛(wèi)星通信系統(tǒng)能夠以較低的成本提供較大的覆蓋區(qū)域,單顆衛(wèi)星能夠覆蓋的范圍由軌道高度和最小通信仰角確定,在衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi),通信成本幾乎與通信距離無關(guān),這是與地面通信網(wǎng)絡(luò)的不同之處。

(2)衛(wèi)星通信采用較高頻段,因此可以利用的頻帶較寬,對于C頻段和Ku頻段,可用帶寬達到1GHz,系統(tǒng)容量較大,如果采用多波束復(fù)用技術(shù),可進一步增大系統(tǒng)的容量。如果像星間鏈路采用激光通信一樣,星地鏈路也采用激光通信,則可用帶寬和系統(tǒng)容量將更大。

(3)對于地面通信基礎(chǔ)設(shè)施不足的地區(qū)和國家,衛(wèi)星通信可以不依賴于地面網(wǎng)絡(luò),有利于通信業(yè)務(wù)稀疏地區(qū)的業(yè)務(wù)開展。

(4)衛(wèi)星通信靈活,可以不受自然條件和自然災(zāi)害的影響,如地震、雪災(zāi)、洪水等自然災(zāi)害,滿足應(yīng)急通信的需求。

(5)統(tǒng)一的業(yè)務(wù)提供商有利于系統(tǒng)的均勻服務(wù),也有利于新業(yè)務(wù)的引入。

1.4衛(wèi)星通信頻段

衛(wèi)星運營商和擁有方必須遵循一系列約束衛(wèi)星通信系統(tǒng)基本參數(shù)和特性的相關(guān)法規(guī)。這些法規(guī)涉及:(1)頻段的選擇。(2)最大輻射功率限制。(3)GEO或地球同步軌道(GSO,GeoSynchronousOrbit)的位置。

衛(wèi)星業(yè)務(wù)頻率的劃分是在ITU的支持下進行的。在頻率分配計劃中,將全世界分為三個區(qū)域:

區(qū)域一:歐洲、非洲,以及蘇聯(lián)和蒙古。

區(qū)域二:北美洲、南美洲及格陵蘭島。

區(qū)域三:亞洲(區(qū)域一以外的地區(qū))、澳洲以及西南太平洋。

在這三個區(qū)域內(nèi),頻段被分配給各種類型的衛(wèi)星業(yè)務(wù),而同一業(yè)務(wù)在不同的區(qū)域內(nèi)所分配的頻率可能不同。衛(wèi)星業(yè)務(wù)的類型如下:

固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)(FSS,FixedSatelliteService)。

衛(wèi)星廣播業(yè)務(wù)(BSS,BroadcastingSatelliteService)。

移動衛(wèi)星業(yè)務(wù)(MSS,MobileSatelliteService)。

導(dǎo)航衛(wèi)星業(yè)務(wù)(NavigationSatelliteService)。

氣象衛(wèi)星業(yè)務(wù)(MeteorologicalSatelliteService)。

FSS可以為現(xiàn)有的電話網(wǎng)絡(luò)之間提供連接業(yè)務(wù),也可為有線電視網(wǎng)絡(luò)傳送電視信號。衛(wèi)星廣播業(yè)務(wù)主要用于提供直達用戶家庭的衛(wèi)星電視廣播業(yè)務(wù)。移動衛(wèi)星業(yè)務(wù)包括陸上移

動業(yè)務(wù)、海上移動業(yè)務(wù)和控制移動業(yè)務(wù)。導(dǎo)航衛(wèi)星業(yè)務(wù)提供衛(wèi)星導(dǎo)航與定位,為資源探測、交通運輸、大型測繪等領(lǐng)域提供服務(wù),可供使用的衛(wèi)星系統(tǒng)包括全球定位系統(tǒng)(GPS,GlobalPositioningSystem)、Compass、Glonass和Galileo系統(tǒng)。

1.5本章小結(jié)由于用于寬帶通信的無線電波是以微波頻率沿直線傳播的,因此長距離通信需要利用中繼器轉(zhuǎn)發(fā)信號。衛(wèi)星通信系統(tǒng)根據(jù)牛頓定律和開普勒定律以及其他空間物理和空間力學定律,利用人造衛(wèi)星能夠按照一定周期圍繞地球運行的特點,將無線電波通過大氣層傳送到衛(wèi)星,再經(jīng)過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到地面站,完成中繼轉(zhuǎn)發(fā)。衛(wèi)星距離地面幾百千米至幾萬千米,適合作為長距離中繼器的安裝點。根據(jù)軌道高度和構(gòu)型的不同,有多種衛(wèi)星系統(tǒng)可供選擇。

衛(wèi)星距離地面較遠,如GEO衛(wèi)星軌道距離地面約35786千米,由于無線電信號按照傳輸距離的平方衰減,因此到達衛(wèi)星的信號一般十分微弱;另一方面,由于衛(wèi)星本身質(zhì)量和太陽能電池輸出功率的限制,地面上接收到的衛(wèi)星信號也十分微弱。

將一顆GEO衛(wèi)星送入軌道,每千克質(zhì)量的費用差不多是25000美元,要在僅僅10~15年的衛(wèi)星使用壽命期間回收衛(wèi)星的研制、發(fā)射和運行費用(這主要依靠出售衛(wèi)星的通信容量),衛(wèi)星的體積和質(zhì)量無疑將受到嚴格的限制。因此,衛(wèi)星的設(shè)計要求是極為苛刻和嚴格的。

整個衛(wèi)星系統(tǒng)中地面站的成本也是制約衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展的因素之一。隨著衛(wèi)星重量、體積和功率的增大,地面站所用的天線尺寸可以相應(yīng)地減小,如直接廣播衛(wèi)星電視(DBS-TV,DirectBroadcastingSatellite-TeleVision)系統(tǒng)的接收天線直徑為0.5m。當然,為了接收來自星際空間的無線電信號,往往采用直徑幾十米的巨型碟形天線,甚至直徑幾百米的射電天文望遠鏡的建設(shè)都方興未艾。

衛(wèi)星通信一般采用1~50GHz的頻段,當系統(tǒng)頻率高于10GHz時,大氣效應(yīng)將對無線電波產(chǎn)生重要的影響,甚至會影響衛(wèi)星系統(tǒng)的可用性,在進行系統(tǒng)設(shè)計時必須考慮傳輸鏈路受干擾的情況。當頻