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1、第2章 卫星通信第2章 卫星通信n2.1 卫星通信概述n2.2 通信卫星 2.1 卫星通信概述 2.1.1 卫星通信的概念 1卫星通信的定义卫星通信的定义 卫星通信是指卫星通信是指利用人造地球卫星利用人造地球卫星作为中继站转发无作为中继站转发无线电信号，在两个线电信号，在两个或多个地球站之间或多个地球站之间进行的通信，如图进行的通信，如图2.1所示。所示。图2.1 卫星通信示意图图图2.1表表示示在在一一颗颗通通信信卫卫星星天天线线的的波波束束所所覆覆盖盖的的地地球球表表面面区区域域内内的的各各种种地地球球站站，都都可可以以通通过过卫卫星星中中继继转转发发信信号号来来进进行行通通信信。因因此此
2、可可以以说说，卫卫星星通通信信是是地地面面微微波中继通信的发展，是微波中继通信的一种特殊方式。波中继通信的发展，是微波中继通信的一种特殊方式。1979年年世世界界无无线线电电行行政政会会议议（WARC）规规定定宇宇宙宙无线电通信有三种基本形式无线电通信有三种基本形式：（1）宇宙站与地球站之间的通信；）宇宙站与地球站之间的通信；（2）宇宙站之间的通信；）宇宙站之间的通信；（3）通通过过宇宇宙宙站站的的转转发发或或反反射射而而进进行行的的地地球球站站之之间间的通信。的通信。卫星通信属于宇宙无线电通信中的第三种方式卫星通信属于宇宙无线电通信中的第三种方式。这。这里，宇宙无线电通信是指以宇宙飞行体或通
3、信转发体为里，宇宙无线电通信是指以宇宙飞行体或通信转发体为对象的无线电通信。宇宙站是指设在地球的大气层以外对象的无线电通信。宇宙站是指设在地球的大气层以外的宇宙飞行体或其他行星、月球等天体上的通信站。的宇宙飞行体或其他行星、月球等天体上的通信站。地地球站是指设在地球表面的通信站，包括陆地上、水面上、球站是指设在地球表面的通信站，包括陆地上、水面上、大气低层中移动的或固定的地球站。大气低层中移动的或固定的地球站。2地球卫星的轨道地球卫星的轨道地球卫星的轨道有地球卫星的轨道有圆形圆形和和椭圆形椭圆形两种形状，地心处两种形状，地心处在圆形轨道的圆心位置或椭圆轨道的一个焦点上。如果在圆形轨道的圆心位置
4、或椭圆轨道的一个焦点上。如果设卫星的轨道平面与地球的赤道平面之间的夹角为设卫星的轨道平面与地球的赤道平面之间的夹角为i，则则当当i=0时，地球卫星的轨道叫做时，地球卫星的轨道叫做赤道轨道赤道轨道，如图，如图2.2所所示。示。图2.2卫星轨道 当当i=90时时，卫卫星星的的轨轨道道为为极极轨轨道道。当当i为为090之之间间时时，卫卫星星的的轨轨道道叫叫做做倾倾斜斜轨轨道道。如如果果卫卫星星的的轨轨道道是是圆圆形形的的，而而且且轨轨道道平平面面与与地地球球赤赤道道平平面面重重合合，即即i=0时时，卫卫 星星 离离 地地 球球 表表 面面 的的 高高 度度 为为35786.6km，卫卫星星的的飞飞行
5、行方方向向又又与与地地球球的的自自转转方方向向相相同同。这这时时，卫卫星星绕绕地地球球一一周周的的时时间间恰恰好好为为24h，如如果果从从地地球球表表面面任任何何一一点点看看卫卫星星，卫卫星星都都是是“静静止止”不不动动的的。这这种种相相对对地地球球表表面面静静止止的的卫卫星星称称为为静静止止卫卫星星或或同同步步卫卫星星，利利用用这这种种卫卫星星来来进进行行通通信信的的系系统称为统称为静止卫星通信系统静止卫星通信系统。3卫星通信系统的分类卫星通信系统按不同的角度分，可以分成以下几类：（1）按卫星运动方式分 国际卫星通信系统（2）按通信覆盖区域分 国内卫星通信系统 区域卫星通信系统（3）按用户分
6、）按用户分 固定地球站卫星通信系统固定地球站卫星通信系统（4）按通信业务分）按通信业务分 移动地球站卫星通信系统移动地球站卫星通信系统 广播业务卫星通信系统广播业务卫星通信系统 科学实验卫星通信系统科学实验卫星通信系统（气象、军事等）频分多址卫星通信系统频分多址卫星通信系统 时分多址卫星通信系统时分多址卫星通信系统（5）按多址方式分）按多址方式分 空分多址卫星通信系统空分多址卫星通信系统 码分多址卫星通信系统码分多址卫星通信系统 混合多址卫星通信系统混合多址卫星通信系统（6）按基带信号分）按基带信号分 4卫星通信的发展与应用卫星通信的发展与应用利利用用人人造造地地球球卫卫星星进进行行通通信信的
7、的设设想想是是20世世纪纪40年年代代中中期期提提出出的的，历历经经了了20年年的的探探索索、试试验验后后，终终于于在在20世世纪纪60年年代代中中期期投投入入实实用用，并并在在应应用用与与发发展展上上取取得得了了举举世世瞩瞩目目的的伟伟大大成成就就。今今天天，卫卫星星通通信信已已成成为为人人们们普普遍遍使使用用的的重重要要通通信信手手段段，并并且且它它以以信信道道稳稳定定可可靠靠、通通信信覆覆盖盖面面积积大大、有有多多址址通通信信能能力力、建建设设方方便便、组网灵活、见效快等优势，深受广大用户青睐。组网灵活、见效快等优势，深受广大用户青睐。（1）20世纪世纪40年代提出构想及探索年代提出构想
8、及探索 1945年年10月月，英英国国科科学学家家阿阿瑟瑟克克拉拉克克发发表表文文章章，提提出出利利用用同同步步卫卫星星进进行行全全球球无无线线电电通通信信的的科科学学设设想想。最最初初利利用用月月球球反反射射进进行行探探索索试试验验，证证明明可可以以进进行行通通信信。但但由由于于回回波波信信号号太太弱弱、时时延延长长、提提供供通通信信时时间间短短、带带宽宽窄窄、失失真真大大等等缺缺点点，因因此此没没有有发展前途。发展前途。（2）20世纪世纪50年代进入试验阶段年代进入试验阶段 1957年年10月月，第第一一颗颗人人造造地地球球卫卫星星上上天天后后，卫卫星星通通信信的的试试验验很很快快就就转转
9、入入利利用用人人造造地地球球卫卫星星试试验验阶阶段段。主主要要试试验验项项目是有源无源卫星试验和各种不同轨道卫星试验。试验证明：目是有源无源卫星试验和各种不同轨道卫星试验。试验证明：无无源源卫卫星星不不可可取取。主主要要缺缺点点是是要要求求地地面面大大功功率率发发射射和和高高灵灵敏敏接接收收，通通信信质质量量差差，不不宜宜宽宽带带通通信信，卫卫星星反反射射体体面面积积要要大大，且且受受流流星星撞撞击击干干扰扰，卫卫星星只只能能是是低低轨轨道道等等。1964年后，无源卫星试验宣告终止。年后，无源卫星试验宣告终止。通通过过对对各各种种轨轨道道高高度度的的有有源源通通信信卫卫星星的的试试验验，证证明
10、明了了高高轨轨道道特特别别是是同同步步定定点点轨轨道道对对于于远远距距离离、大大容容量量、高高质质量量的的通通信信最最有有利利。所所以以，试试验验及及试试用用逐逐步步集集中中到到同同步步定定点点卫卫星星方面。方面。（3）20世纪世纪60年代中期，卫星通信进入实用阶段年代中期，卫星通信进入实用阶段1965年年成成立立了了国国际际通通信信卫卫星星组组织织INTELSAT，相相继继发发射射了了IS-、IS-、IS-通通信信卫卫星星。一一些些国国家家建建立立了了一一批批地地球球站站，初初步步构构成成了了国国际际卫卫星星通通信信网网络络，开开拓拓了了国国际际卫卫星星通通信信业业务务。限限于于当当时时的的
11、技技术术条条件件，地地球球站站设设备备十十分分庞庞大大，采采用用30m口口径径的的大大型型天天线线、几几千千瓦瓦速速调调管管发发射射机机、致致冷冷参参量量放放大大器器接接收收机机，建建设设一一座座地地球球站站耗耗资巨大。资巨大。（4）20世纪世纪70年代初期，卫星通信进入国内通信阶段年代初期，卫星通信进入国内通信阶段1972年年加加拿拿大大首首次次发发射射了了国国内内通通信信卫卫星星“ANIK”，率率先先开开展展了了国国内内卫卫星星通通信信业业务务，取取得得了了明明显显的的规规模模经经济济效效益益。地地球球站站开开始始采采用用21m、18m、10m等等较较小小口口径径的的天天线线，用用几几百百
12、瓦瓦级级行行波波管管发发射射机机、常常温温参参量量放放大大器器接接收收机机，使使地地球球站站向向小小型型化化迈迈进进一一大大步步，成成本本也大为下降。也大为下降。（5）20世世 纪纪 80年年 代代，VSAT（Very Small Aperture Terminal）卫卫星星通通信信系系统统问问世世，卫卫星星通通信信进进入了一个突破性的发展阶段。入了一个突破性的发展阶段。VSAT是是集集通通信信、电电子子、计计算算机机技技术术于于一一体体的的、固固态态化化、智智能能化化的的小小型型无无人人值值守守地地球球站站。一一般般C频频段段VSAT站站的的天天线线口口径径约约3m，Ku频频段段为为1.8m
13、、1.2m或或更更小小。可可以以把把这这种种小小站站建建在在用用户户的的楼楼顶顶上上或或就就近近地地方方直直接接为为用用户户服服务务。VSAT技技术术的的发发展展，为为大大量量专专业业卫卫星星通通信信网网的的发发展展创创造造了了条条件件，开开创创了了卫卫星星通通信信应应用用发发展展的的新新局面。局面。展展望望未未来来，卫卫星星通通信信的的发发展展方方兴兴未未艾艾，20世世纪纪90年年代代，VSAT卫卫星星通通信信更更加加普普及及；移移动动卫卫星星通通信信发发展展迅迅速速，随随着着21世世纪纪信信息息时时代代的的到到来来，人人们们对对信信息息传传输输的的可可靠靠性性、有有效效性性及及灵灵活活性性
14、的的要要求求越越来来越越高高，卫卫星星通通信信将以它独特的优势具备广阔的发展前景。将以它独特的优势具备广阔的发展前景。图2.3卫星通信的应用 卫星通信的应用如图卫星通信的应用如图2.32.3所示。所示。2.1.2 静止卫星通信的特点 1静止卫星通信静止卫星通信 目前，绝大多数通信卫星是地球同步卫星（静止卫星）。目前，绝大多数通信卫星是地球同步卫星（静止卫星）。静止静止 卫星的条件卫星的条件为：为：（1）卫星的运行轨道在赤道平面内；）卫星的运行轨道在赤道平面内；（2）卫星运行的轨道形状为圆形轨道；）卫星运行的轨道形状为圆形轨道；（3）卫星距地面的高度约为）卫星距地面的高度约为35786.6km；
15、（4）卫星运行的方向与地球自转的方向相同，即自西向东；卫星运行的方向与地球自转的方向相同，即自西向东；（5）卫卫星星绕绕地地球球运运行行一一周周的的时时间间恰恰好好是是24h，和和地地球球的的自自转转周周期等。期等。因此，从地球上看，卫星与地球的相对位置如同因此，从地球上看，卫星与地球的相对位置如同静止一般，故叫静止卫星。利用静止卫星作为中继站静止一般，故叫静止卫星。利用静止卫星作为中继站组成的通信系统称为静止卫星通信系统或同步卫星通组成的通信系统称为静止卫星通信系统或同步卫星通信系统。信系统。2静止卫星的特点静止卫星的特点（1）静止卫星在通信中有如下优点：）静止卫星在通信中有如下优点：由由于
16、于卫卫星星的的高高度度较较高高，因因而而一一颗颗卫卫星星对对地地球球表表面面的的覆覆盖盖区区域域面面积积大大。该该区区域域的的面面积积达达到到全全球球表表面面的的42.4%，因因此此只只需需设设置置彼彼此此间间隔隔为为120的的三三颗颗卫卫星星，就可以建立起除南、北两极地区以外的全球通信。就可以建立起除南、北两极地区以外的全球通信。由由于于卫卫星星相相对对于于地地球球表表面面是是静静止止的的，因因此此地地球球站站不不需需要要复复杂杂的的跟跟踪踪系系统统就就能能使使自自己己的的天天线线对对准准卫卫星。星。多谱勒频移可以忽略多谱勒频移可以忽略。通信中通信中不会因更换卫星而使通信中断不会因更换卫星而
17、使通信中断。因因大大气气层层的的厚厚度度一一般般认认为为是是16km，因因此此，绝绝大部分的通信信道位于自由空间，大部分的通信信道位于自由空间，信道特性稳定信道特性稳定。（2）静止卫星通信有以下缺点：）静止卫星通信有以下缺点：由于卫星的高度为由于卫星的高度为35 786.6km，信号的信号的传传输损耗、传输时延和回波干扰都较大输损耗、传输时延和回波干扰都较大。在静止卫星通。在静止卫星通信系统中，从地球站发射的信号经过卫星转发到另一信系统中，从地球站发射的信号经过卫星转发到另一地球站时，单程传播时间约为地球站时，单程传播时间约为0.27s。进行双向通信进行双向通信时，一问一答往返传播延迟约为时，
18、一问一答往返传播延迟约为0.54s，通话时给人通话时给人一种不自然的感觉。此外，如果不采取特殊措施，由一种不自然的感觉。此外，如果不采取特殊措施，由于混合线圈不平衡等因素还会产生于混合线圈不平衡等因素还会产生“回波干扰回波干扰”，即，即发话者在发话者在0.54s以后会听到反射回来的自己讲话的回以后会听到反射回来的自己讲话的回声，成为一种干扰。声，成为一种干扰。地球的两极地球的两极存在存在“盲区盲区”，高纬度地区通信效果不好。高纬度地区通信效果不好。卫星卫星发射和控制技术比较复杂发射和控制技术比较复杂。由由于于静静止止卫卫星星轨轨道道只只有有一一条条，因因此此，轨轨道道上上所所能能容容纳纳的静止
19、卫星数量有限的静止卫星数量有限。3影响静止卫星通信的因素影响静止卫星通信的因素（1）摄动）摄动 在地球卫星轨道上运行的卫星主要受到地球的引在地球卫星轨道上运行的卫星主要受到地球的引力，还要受到其他一些较次要因素的影响，力，还要受到其他一些较次要因素的影响，使卫星实际使卫星实际的运行轨道逐渐偏离开普勒定律规定的理想轨道，这就的运行轨道逐渐偏离开普勒定律规定的理想轨道，这就是所谓的摄动。是所谓的摄动。卫星产生摄动的主要原因有：卫星产生摄动的主要原因有：太阳、月亮的引力太阳、月亮的引力。对于低高度的卫星，由于地球的引力。对于低高度的卫星，由于地球的引力占绝对优势，所以太阳、月亮以及其他行星的作用可以
20、忽略不计。占绝对优势，所以太阳、月亮以及其他行星的作用可以忽略不计。但对高高度的卫星，太阳、月亮的引力就较大了。例如，对静止卫但对高高度的卫星，太阳、月亮的引力就较大了。例如，对静止卫星来说，太阳的引力约为地球引力的星来说，太阳的引力约为地球引力的1/37，月亮的引力约为地球引，月亮的引力约为地球引力的力的1/6 800。这些引力不断使卫星在轨道上的位置发生微小摆。这些引力不断使卫星在轨道上的位置发生微小摆动，累计起来约使卫星轨道的倾角平均发生动，累计起来约使卫星轨道的倾角平均发生0.85/年的变化。年的变化。其他原因其他原因。如地球引力不均匀，地球大气层的阻力和太阳。如地球引力不均匀，地球大
21、气层的阻力和太阳的辐射压力等也会引起卫星摄动。的辐射压力等也会引起卫星摄动。对于静止卫星通信系统来说，必须采取卫星位置稳定技术，以对于静止卫星通信系统来说，必须采取卫星位置稳定技术，以便克服摄动的影响，从而使静止卫星的经度、纬度稳定在允许的误便克服摄动的影响，从而使静止卫星的经度、纬度稳定在允许的误差范围内。差范围内。（2）星蚀）星蚀在每年的春分和秋分前后各在每年的春分和秋分前后各23天中，当静止卫星和地心的天中，当静止卫星和地心的连线在地球表面的交点（称为星下点）进入当地的午夜时间前后，连线在地球表面的交点（称为星下点）进入当地的午夜时间前后，太阳、地球和卫星处在一条直线上。此时太阳、地球和
22、卫星处在一条直线上。此时卫星进入了地球的阴影卫星进入了地球的阴影区，即地球挡住了照射到卫星上的太阳光，发生了卫星的日蚀，区，即地球挡住了照射到卫星上的太阳光，发生了卫星的日蚀，这就是星蚀，这就是星蚀，如图如图2.4所示。在发生星蚀期间，卫星的主电池所示。在发生星蚀期间，卫星的主电池太阳能电池因没有太阳光而无法工作，卫星只能依靠星载蓄电太阳能电池因没有太阳光而无法工作，卫星只能依靠星载蓄电池来供给能源。星载蓄电池虽然能满足卫星运动的需要，但毕竟池来供给能源。星载蓄电池虽然能满足卫星运动的需要，但毕竟受卫星质量的限制，不能为全部转发器提供足够的电能。因此，受卫星质量的限制，不能为全部转发器提供足够
23、的电能。因此，要尽量把星蚀发生的时间调整到卫星服务区通信业务量最低的时要尽量把星蚀发生的时间调整到卫星服务区通信业务量最低的时间内。间内。（3）日凌中断）日凌中断与与星星蚀蚀原原因因相相似似的的另另一一现现象象，是是每每年年春春分分和和秋秋分分的的前前后后几几天天中中，当当星星下下点点进进入入当当地地中中午午前前后后的的一一段段时时间间里里，卫卫星星处处于于地地球球与与太太阳阳之之间间的的连连线线上上。这这时时，对对准准卫卫星星的的地地球球站站天天线线也也就就同同时时对对准准了了太太阳阳，强强大大的的太太阳阳噪噪声声会会使使信信噪噪比比下下降降或或信信号号被被淹淹没没而而使使通通信信中中断断，
24、这这种种现现象象就就是是所所谓谓的的日日凌凌中中断断，如如图图2.4所所示示。日日凌凌中中断断每每年年在在春春分分或或秋秋分分前前后后各各发发生生一一次次，每每次次约约持持续续6天天，每每天天日日凌凌中中断断的的最最长长时时间间与与地地球球站站的的天天线线口口径径、工作频率等有关。工作频率等有关。图2.4静止卫星发生星蚀和日凌中断的原理 2.1.3 卫星通信的工作频段 1卫星通信工作频段的选择卫星通信工作频段的选择 卫星通信工作频段的选择十分重要，因为它会影响到系统的传卫星通信工作频段的选择十分重要，因为它会影响到系统的传输容量、质量、地球站与转发器的发射功率、天线尺寸的大小和设输容量、质量、
25、地球站与转发器的发射功率、天线尺寸的大小和设备的复杂程度以及成本的高低等。所以在选择卫星通信的工作频段备的复杂程度以及成本的高低等。所以在选择卫星通信的工作频段时应考虑以下因素：时应考虑以下因素：（1）频带足够宽，能满足所传输信息的要求；）频带足够宽，能满足所传输信息的要求；（2）电波传播时产生的衰耗应尽可能小；）电波传播时产生的衰耗应尽可能小；（3）天线系统接收到的外部噪声应尽可能小；）天线系统接收到的外部噪声应尽可能小；（4）尽可能利用现有的通信技术和设备；）尽可能利用现有的通信技术和设备；（5）与其他通信或雷达等微波设备之间的干扰尽可能小。）与其他通信或雷达等微波设备之间的干扰尽可能小。
26、归纳起来就是从归纳起来就是从容量大、信噪比大和成本低容量大、信噪比大和成本低三个方面考虑。三个方面考虑。2卫星通信的工作频段卫星通信的工作频段从从选选择择卫卫星星通通信信工工作作频频段段时时应应考考虑虑的的因因素素来来看看，卫卫星星通通信信的的频频率率范范围围应应选选在在微微波波波波段段。因因为为微微波波波波段段的的频频谱谱很很宽宽，并并且且可可以以利利用用现现有有的的微微波波通通信信设设备备。至至于于在在微微波波波波段段中中具具体体采采用用哪哪个个频频段段，就就要要综综合合考考虑虑传传输输损损耗耗、噪噪声声、与与其其他他通通信信业业务务之之间间的干扰等与频率有关的问题。的干扰等与频率有关的问
27、题。（1）从传输损耗、噪声方面考虑）从传输损耗、噪声方面考虑当当频频率率f小小于于10GHz时时，大大气气层层对对电电磁磁波波的的吸吸收收小小，但但当当频频率率f大大于于10GHz后后，大大气气层层对对电电磁磁波波的的吸吸收收将将猛猛增增。另另外外，当当频频率率f小小于于1GHz时时，存存在在的的外外部部噪噪声声较较大大，但但当当频频率率f大大于于1GHz时时，存存在在的的外外部部噪噪声声却却很很小小。因因此此，综综合合以以上上分分析析，卫卫星星通信的最佳工作频段应在通信的最佳工作频段应在1GHz10GHz之间之间。（2）从与其他通信设备的干扰考虑）从与其他通信设备的干扰考虑因因为为4GHz6
28、GHz的的频频段段已已分分配配给给地地面面微微波波中中继继通通信信使使用用，所所以以使使用用C波波段段的的卫卫星星地地面面站站必必须须建建在在远远离离城城市市的的地地方方（因因微微波波中中继继线线路路一一般般集集中中在在城城市市），以以免免发发生生干干扰扰。从从这这个个角角度度看看，频频率率f选大些较好。目前，选大些较好。目前，Ku波段已广泛使用波段已广泛使用。卫星通信中使用的微波各频段列于表卫星通信中使用的微波各频段列于表2.1。频段范围（GHz）频段范围（GHz）UHF0.31.12Ku12.418L1.122.6K1826.5S2.63.95Ka26.540C3.958.2毫米波4030
29、0X8.212.4表2.1卫星通信的工作频段 3卫星通信工作频段的现状卫星通信工作频段的现状现现在在国国际际卫卫星星通通信信中中的的商商业业卫卫星星和和国国内内区区域域卫卫星星通通 信信 大大 多多 数数 都都 使使 用用 6/4GHz频频 段段，上上 行行 线线 路路 用用5.925GHz 6.425GHz，下下 行行 线线 路路 用用 3.7GHz4.2GHz的的频频率率，卫卫星星转转发发器器的的带带宽宽可可达达500MHz。为为了了和和上上述述民民用用卫卫星星通通信信系系统统互互不不干干扰扰，许许多多国国家家的的军军用用和和政政府府卫卫星星通通信信使使用用8/7GHz频频段段，上上行行线
30、线路路为为7.9 GHz 8.4GHz，下下 行行 线线 路路 为为 7.25 GHz7.75GHz。由由于于通通信信卫卫星星的的业业务务量量不不断断增增加加，1GHz10GHz的的“电电波波窗窗口口”日日益益拥拥挤挤，从从而而开开发发使使用用了了14/11GHz频频段段即即Ku波波段段。即即上上行行线线路路采采用用14GHz14.5GHz，下下行行线线路路采采用用10.95GHz11.7GHz或或11.7GHz12.2GHz等等频频率率，带带宽宽可可达达500MHz。另另外外，为为了了解解决决频频段段拥拥挤挤的的现现象象，Ka波波段段也也开开始始使使用用，即即上上行行线线路路采采用用27.5
31、GHz30GHz，下下行行线线路路采采用用17.7GHz21.2GHz，带带宽宽达达到到2.5GHz。由由以以上上对对卫卫星星通通信信工工作作频频段段的的分分析析可可知知，最最佳佳工工作作频频段段应应在在1GHz10GHz，那那么么，Ku波波段段的的14/11GHz频频段段能能否否适适合合卫卫星星通通信信的的要要求求呢呢？与与6/4GHz C波波段段频频率率相相比比,14/11GHz Ku波段具有以下特点：波段具有以下特点：2.1.4 卫星通信的优点 卫星通信与其他通信手段相比，具有以下一些优点：卫星通信与其他通信手段相比，具有以下一些优点：（1）通信距离远，且费用与通信距离无关）通信距离远，
32、且费用与通信距离无关 利利用用静静止止卫卫星星，最最大大通通信信距距离离达达18 000km左左右右，而而且且建建站站费费用用和和运运行行费费用用不不因因通通信信站站之之间间的的距距离离远远近近及及两两站站之之间间地地面面上上的的自自然然条条件件恶恶劣劣程程度度而而变变化化。这这在在远远距距离离通通信信上上，比比地地面面微微波波中中继继、电电缆缆、光缆、短波通信等有明显的优势。光缆、短波通信等有明显的优势。（2）覆盖面积大，可进行多址通信）覆盖面积大，可进行多址通信 许许多多其其他他类类型型的的通通信信手手段段，通通常常只只能能实实现现点点对对点点通通信信。而而卫卫星星通通信信由由于于是是大大
33、面面积积覆覆盖盖，因因而而在在卫卫星星天天线线波波束束覆覆盖盖的的整整个个区区域域内内的的任任何何一一点点都都可可设设置置地地球球站站，这这些些地地球球站站可可共共用用一一颗颗通通信信卫卫星星来来实实现现双双边或多边通信，即进行多址通信。边或多边通信，即进行多址通信。（3）通信频带宽，传输容量大，适用于多种业务传输）通信频带宽，传输容量大，适用于多种业务传输由由于于卫卫星星通通信信通通常常使使用用300MHz以以上上的的微微波波频频段段，所所以以信信号号所所用用带带宽宽和和传传输输容容量量要要比比其其他他频频段段大大得得多多。目目前前，卫卫星星带带宽宽已已达达3 000MHz以以上上。一一颗颗
34、卫卫星星的的通通信信容容量量已已达达到到30 000路路电电话话，并并可可同同时时传传输输3路路彩彩色色电电视视以以及及数数据据等等其他信息。其他信息。（4）通信线路稳定可靠，传输质量高）通信线路稳定可靠，传输质量高由于卫星通信的无线电波主要是在大气层以外的宇宙由于卫星通信的无线电波主要是在大气层以外的宇宙空间中传输，而宇宙空间是接近真空状态的，可看做是均空间中传输，而宇宙空间是接近真空状态的，可看做是均匀介质，所以电波传播比较稳定。同时它不受地形、地貌匀介质，所以电波传播比较稳定。同时它不受地形、地貌如丘陵、沙漠、丛林、沼泽地等自然条件的影响，且不易如丘陵、沙漠、丛林、沼泽地等自然条件的影响
35、，且不易受自然或人为干扰以及通信距离变化的影响，故通信稳定受自然或人为干扰以及通信距离变化的影响，故通信稳定可靠，传输质量高。可靠，传输质量高。（5）机动灵活）机动灵活卫卫星星通通信信不不仅仅能能作作为为大大型型地地球球站站之之间间的的远远距距离离通通信信干干线线，而而且且可可以以在在车车载载、船船载载、机机载载等等移移动动地地球球站站间间进进行行通通信信，甚甚至至还还可可以以为为个个人人终终端端提提供供通通信信服服务务。卫卫星星通通信信还还做做到到了了在在短短时时间间内内将将通通信信网网延延伸伸至新的区域，使设施遭到破坏的地域迅速恢复通信。至新的区域，使设施遭到破坏的地域迅速恢复通信。2.1
36、.5 卫星通信系统的组成 利用卫星进行通信，除应有通信卫星和地球站以外，利用卫星进行通信，除应有通信卫星和地球站以外，为了保证通信的正常进行，还需要对卫星进行跟踪测量为了保证通信的正常进行，还需要对卫星进行跟踪测量并对卫星在轨道上的位置及姿态进行监视和控制，完成并对卫星在轨道上的位置及姿态进行监视和控制，完成这一功能的就是跟踪遥测和指令系统。而且为了对卫星这一功能的就是跟踪遥测和指令系统。而且为了对卫星的通信性能及参数进行通信业务开通前和开通后的监测的通信性能及参数进行通信业务开通前和开通后的监测与管理，还需要监控管理系统。所以，卫星通信系统由与管理，还需要监控管理系统。所以，卫星通信系统由通
37、信卫星、地球站群、跟踪遥测指令系统和监控管理系通信卫星、地球站群、跟踪遥测指令系统和监控管理系统等四大功能部分组成统等四大功能部分组成，如图，如图2.5所示。所示。图2.5卫星通信系统的组成 由由发发端端地地球球站站、上上行行线线传传播播路路径径、卫卫星星转转发发器器、下下行行线线传传播播路路径径和和收收端端地地球球站站组组成成卫卫星星通通信信线线路路，直接用于通信。其构成方框图如图直接用于通信。其构成方框图如图2.6所示。所示。图2.6卫星通信线路的组成 2.2 通信卫星2.2.1 通信卫星的种类 通信卫星的分类方法很多，下面列出几种常用的分类通信卫星的分类方法很多，下面列出几种常用的分类方
38、法。方法。1按通信卫星的结构和运动状态分类按通信卫星的结构和运动状态分类 按其结构可分为：按其结构可分为：无源卫星和有源卫星。无源卫星和有源卫星。按其运动状态可分为按其运动状态可分为：静止卫星和运动卫星。：静止卫星和运动卫星。无源卫星无源卫星是一种表面镀有一层金属的球形或其他形状是一种表面镀有一层金属的球形或其他形状的反射体，不装任何电子设备和电源，它是依靠其表面的反射体，不装任何电子设备和电源，它是依靠其表面金属层反射无线电信号来实现地球站之间的通信。金属层反射无线电信号来实现地球站之间的通信。有有源源卫卫星星是是指指装装有有电电子子设设备备和和电电源源的的通通信信卫卫星星，它它将将地地面面
39、发发来来的的信信号号接接收收下下来来加加以以放放大大、变变频频，然然后后发发回回地地面面。它它也也可可以以转转播播无无线线电电广广播和电视信号。播和电视信号。2按卫星形状分类按卫星形状分类 按按其其形形状状，通通信信卫卫星星可可分分为为球球形形卫卫星星、箱箱形形卫卫星星、圆圆柱柱体体（套套筒筒式式）卫卫星星、锥锥顶顶圆圆柱柱体体卫卫星星、多多棱棱柱柱形形卫卫星星、风风扇扇形形卫卫星星、多多面面塔塔形形卫卫星星、球球环形卫星、不规则形卫星等环形卫星、不规则形卫星等。3按其业务种类分类按其业务种类分类 按按其其业业务务种种类类，通通信信卫卫星星可可分分为为商商用用卫卫星星、军军用卫星、气象卫星、科
40、研卫星、广播卫星等用卫星、气象卫星、科研卫星、广播卫星等。4按卫星姿态稳定方式分类按卫星姿态稳定方式分类 按按姿姿态态稳稳定定方方式式，通通信信卫卫星星可可分分为为自自旋旋稳稳定定卫星和三轴稳定卫星卫星和三轴稳定卫星。5按卫星制式分类按卫星制式分类按按卫卫星星配配置置制制式式，通通信信卫卫星星可可分分为为随随机机卫卫星星制、相位卫星制和静止卫星制制、相位卫星制和静止卫星制三种。三种。6按卫星运行的轨道分类按卫星运行的轨道分类（1）按按照照卫卫星星离离地地面面最最大大高高度度hmax的的不不同同，可可以以把把卫卫星分成如下三类：星分成如下三类：低低高高度度卫卫星星。该该卫卫星星轨轨道道的的hma
41、x5000km，运运行周期约为行周期约为2h4h；中中高高度度卫卫星星。5000kmhmax20000km，运运行行周周期期大大于于12h。静止卫星属于高高度卫星。静止卫星属于高高度卫星。（2）按按卫卫星星轨轨道道与与地地球球赤赤道道平平面面的的夹夹角角即即卫卫星星轨轨道道平面的倾角平面的倾角i来分有如下几种：来分有如下几种：赤赤道道轨轨道道卫卫星星。卫卫星星的的轨轨道道平平面面与与赤赤道道平平面面相相重合，即重合，即i=0。倾倾斜斜轨轨道道卫卫星星。卫卫星星的的轨轨道道平平面面与与赤赤道道平平面面的的夹角为夹角为0 i 90。极轨道卫星极轨道卫星。卫星轨道平面通过地球的南北两。卫星轨道平面通
42、过地球的南北两极，并与赤道平面垂直，即极，并与赤道平面垂直，即i=90 （3）按卫星的运转与地球自转是否同步分：）按卫星的运转与地球自转是否同步分：同同步步卫卫星星。即即卫卫星星的的运运行行轨轨道道为为在在赤赤道道平平面面内内的的圆圆形形轨轨道道，轨轨道道半半径径为为42 164.6km，运运行行与与地地球球自转方向相同。自转方向相同。异步卫星异步卫星。即指运行周期。即指运行周期T24h的卫星。的卫星。2.2.2 卫星的运动轨道和卫星的发射 1 1人造地球卫星在空间的运动人造地球卫星在空间的运动在在空空间间的的人人造造地地球球卫卫星星要要受受到到地地球球、太太阳阳、月月亮亮、行行星星等等多多种
43、种引引力力的的作作用用，其其中中最最重重要要的的是是地地球球引引力力的的作作用用。为为了了克克服服地地球球的的引引力力，卫卫星星必必须须以以适适当当的的速速度度绕绕地地心心飞飞行行。即即卫卫星星只只在在过过地地心心的的一一个个平平面面内内运运动动，并并满满足足万有万有引力引力定律定律式式中中，G=6.668 4621020 km3/kgs2，为为万万有有引引力力常常数数；M=5.977 4141024kg，为为地地球球质质量量；r为为地地球球与与卫星间的距离，为卫星间的距离，为42 164.6 km；m为卫星的质量。为卫星的质量。当卫星离地面的高度当卫星离地面的高度为为h时，其时，其离心力离心
44、力为：为：式式中中，Re=6 378 km，为为地地球球半半径径；h为为卫卫星星离离地地面面的的高高度度；G=6.668 46210-20 km3/kgs2，为为万万有有引引力力常常数；数；M=5.977 4141024kg，为地球质量。为地球质量。可可以以计计算算出出，当当h为为35 786.6 km时时，自自然然的的静静止止卫卫星星的的离心力与地球对卫星的引力正好抵消。离心力与地球对卫星的引力正好抵消。2地球卫星运动轨道和静止轨道地球卫星运动轨道和静止轨道地地球球卫卫星星受受重重力力吸吸引引在在轨轨道道平平面面上上的的运运动动符符合合开开普勒三定律。普勒三定律。地球卫星轨道的极坐标表达式为
45、：地球卫星轨道的极坐标表达式为：式式中中，e为为偏偏心心率率；p为为半半焦焦弦弦（HI）/2。一一般般情情况况下下0e1，这这时时地地球球卫卫星星的的轨轨道道为为一一个个椭椭圆圆，当当e=0时，轨道为一个圆形，圆心即地心。时，轨道为一个圆形，圆心即地心。图2.7地球卫星的轨道 当当卫卫星星的的高高度度h35786.6 km时时，卫卫星星的的运运转转周周期恰好为一恒星日。期恰好为一恒星日。这这时时卫卫星星相相对对于于地地球球表表面面呈呈现现静静止止状状态态，即即由由地地面面上上观观察察卫卫星星时时，卫卫星星是是静静止止不不动动的的，所所以以这这种种卫卫星星叫叫做做静静止止卫卫星星或或同同步步卫卫
46、星星。它它的的运运行行轨轨道道叫叫做做静静止止轨轨道或同步轨道。道或同步轨道。3静止卫星的发射静止卫星的发射（1）运运载载火火箭箭。发发射射一一颗颗静静止止卫卫星星进进入入运运行行轨轨道道必必须须依依靠靠运运载载火火箭箭。要要想想使使卫卫星星逃逃逸逸地地球球对对其其的的吸吸引引力力，必必须须使使卫卫星星的的初初始始速速度度大大于于8km/s，但但目目前前的的单单级级火火箭箭最最快快只只能能达达到到2.5km/s。因因此此，发发射射静静止止卫卫星星必必须须采采用用带带有有捆绑技术的三级火箭。捆绑技术的三级火箭。（2）发发射射过过程程。一一颗颗自自旋旋稳稳定定的的静静止止卫卫星星的的发发射射过过程
47、程如如图图2.8所示，其大体可分为如下几个阶段：所示，其大体可分为如下几个阶段：图2.8静止卫星的发射过程 进进入入初初始始轨轨道道。开开始始发发射射后后，依依次次点点燃燃三三级级火火箭箭的的一一、二二级级火火箭箭，把把卫卫星星送送到到初初始始轨轨道道。初初始始轨轨道道是是一一个个离离地地球球表表面面高高度度为为100多多千千米米或或几几百百千千米米的的与与赤赤道道平平面面有有预预定夹角的倾斜圆形轨道。定夹角的倾斜圆形轨道。进进入入转转移移轨轨道道。卫卫星星在在初初始始轨轨道道上上只只飞飞行行一一小小段段，当当卫卫星星快快要要到到达达初初始始轨轨道道与与赤赤道道平平面面的的交交点点时时，要要点
48、点燃燃第第三三级级火火箭箭，以以使使卫卫星星脱脱离离初初始始轨轨道道而而进进入入转转移移轨轨道道。转转移移轨轨道道是是一一个个倾倾斜斜的的椭椭圆圆轨轨道道，椭椭圆圆轨轨道道的的近近地地点点就就是是初初始始轨轨道道与与赤赤道道平平面面的的交交点点，即即转转移移轨轨道道、赤赤道道平平面面和和初初始始轨轨道道同同时时都都交交于于这这点点。转转移移轨轨道道与与赤赤道道平平面面的的另另一一个交点就是转移轨道的远地点。个交点就是转移轨道的远地点。进进入入漂漂移移轨轨道道。卫卫星星在在转转移移轨轨道道上上运运行行几几圈圈完完成成了了上上述述各各项项准准备备工工作作后后，当当再再次次到到达达远远地地点点时时，
49、就就要要启启动动远远地地点点发发动动机机，使使卫卫星星进进入入漂漂移移轨轨道道。漂漂移移轨轨道道是是位位于于赤赤道道平平面面附附近近的的圆圆形形的的接接近近静静止止轨轨道道的的一一个个轨轨道道。卫卫星星在在漂移轨道上要运行漂移轨道上要运行几天几天。进进入入静静止止轨轨道道。卫卫星星在在漂漂移移轨轨道道上上运运行行时时，离离静静止止卫卫星星定定点点位位置置是是很很近近的的，可可以以利利用用卫卫星星上上的的小小推推进进喷喷嘴嘴进进行行位位置置误误差差修修正正，以以使使卫卫星星精精确确地地定定点点于于静静止止轨轨道道上上的的预定位置。预定位置。2.2.3 通信卫星的覆盖 利用卫星构成通信系统，首先要
50、知道它的覆盖利用卫星构成通信系统，首先要知道它的覆盖范围。范围。当卫星上天线波束形状不同及波束中心指向当卫星上天线波束形状不同及波束中心指向不同时，它们照射地球表面所形成的覆盖范围和区不同时，它们照射地球表面所形成的覆盖范围和区域也就不同。域也就不同。这里主要讨论利用静止卫星进行的地这里主要讨论利用静止卫星进行的地球覆盖。球覆盖。1地球覆盖区类型地球覆盖区类型利用高度约利用高度约35 786km轨道上的静止卫星基本上可覆轨道上的静止卫星基本上可覆盖地球表面的盖地球表面的1/3以上的区域，不能覆盖的区域是高于南以上的区域，不能覆盖的区域是高于南北纬北纬75以上的地区。以上的地区。（1）全球波束）