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卫星通信学习报告摘要 本学习报告主要是针对卫星通信的学习。通过对卫星通 信的发展历程的简单阐述，卫星通信技术基本原理的概述，其中主要 分析了甚小天线地球站(VSAT)卫星网络系统的原理及发展，从而引出 了对我国卫星通信应用现状和发展前景的学习与探究。第一部分：卫星通信的历程在1945年10月，英国人A.C.克拉克在英国Wireless World(无 线电世界)杂志第10期发表了题为地球外的中继卫星能提供全 球范围的无线电覆盖吗?的文章，首次揭示了人类使用卫星进行通 信的可能性，提出静止卫星通信的设想。而现代卫星通信的发展，证 实了克拉克设想的科学性。虽然是由英国人提出，但确是由美国人取得了最先的发展。在 1946年，美国利用雷达接收到了月球表面回波。8年后，1954年7月， 美国海军利用月球表面对无线电波的反射进行了地球上两地的电话 传输试验。试验成功后于1956年在华盛顿和夏威夷之间建立了通信 业务。仅仅一年后，1957年10月4日，世界上第一颗人造卫星升空。 在接下来卫星通信的发展中，美国一直处于世界领先的位置。如：1958 年12月，美利用“斯科尔”卫星进行录音带音响传输；1963年5月， 美国发射了 “西福特”铜针卫星，用来反射无线电信号供地面上两点 之间的无线电通信等。到了 1962年7月，美英法三国利用“电星1号”卫星进行横跨 大西洋有源中继通信后，世界上在当时处于领先地位的国家纷纷开始 发展卫星通信技术。如1962年8月，前苏联进行东方3号、东方4 号宇宙飞船间通信，以及宇宙电视试验。从1965年4月6日美国成 功发射了世界第一颗实用静止轨道通信卫星：国际通信卫星1号起一 系列的“国际通信卫星”，不断开发应用新技术，通信容量已经达到 可同时传送10万个双向话路加4路彩色电视。不断的为我们提供方 便。然而，我国的卫星通信发展则起步较晚。直到1984年4月8日， 我国发射成功“东方红一I型”试验通信卫星(STW1)，4月6日定 点于东经125度赤道上空。1986年又发射成功“东方红-H型”实用 通信广播卫星(STW-2)，用于部分电视、广播及通信的传输。通过 不断的发展，在88年到90年两年之间，我国已经发射了四颗实用通 信卫星。在1994年12月1日，我国发射成功由空间技术研究院研制， 达到国际80年代水平的“东方红山）实用广播通信卫星。星上装有24 个C波段转发器，其中6个中功率（EIRPs不少于37dBW）转发器用于 电视传输，18个低功率EIRP不少于24dBW）用于电话、电报、传真、 数据传输等通信业务。卫星设计寿命不低于8年，定点于东经125度 赤道上空，卫星波束可覆盖90%以上的国土。第二部分：卫星通信的技术一、卫星通信概述1. 什么是卫星通信卫星通信实际上也是一种微波通信，它以卫星作为中继站转发微 波信号，在多个地面站之间通信。卫星通信的主要目的是实现对地面的;无缝隙;覆盖，由于卫星工 作于几百、几千、甚至上万公里的轨道上，因此覆盖范围远大于一般 的移动通信系统。但卫星通信要求地面设备具有较大的发射功率，因此不易普及使 用。2. 卫星与地球的位置关系同步卫星是被发射到赤道上空离地面约36 000里处，在这个高 度，卫星环绕地球的速度与地球自转速度是一致的。这时，从地球上 看，卫星在空中静止不动，所以又被称为静止轨道卫星。一颗同步卫 星的通信范围大约可以覆盖地球表面的三分之一地区。因此，只需在 太平洋、印度洋、大西洋的赤道上空各配置一颗同步通信卫星，即可 实现全球卫星通信。例如1963年2月，美国发射了第一颗同步卫星 “辛康”。3. 卫星通信的特点（1）卫星通信覆盖区域大，通信距离远，在跨越高山海洋时， 更能显示其优越性；（2）卫星通信便于实现多址连接。微波中继接力通信只能实 现点对点的通信，不在微波线路是上的地方无法利用它进行通信。卫 星通信由于是大面积覆盖，在覆盖区内的任何地方都可设置地球站实 现双边或多边通信。这种能同时实现多方向、多地点通信的能力称为“多址连接”；（3）工作频带宽：可用频段从150MHz30GHz。目前已经 开始开发Q、V波段（4050GHZ）°ka波段甚至可以支持155Mbit/s的数据业务；（4）通信质量好：卫星通信中电磁波主要在大气层以外传 播，电波传播非常稳定。虽然在大气层内的传播会受到天气的影响， 但仍然是一种可靠性很高的通信系统；（5）网络建设速度快、成本低：除建地面站外，无需地面施 工。运行维护费用低；（6）信号传输时延大：高轨道卫星的双向传输时延达到秒 级，用于话音业务时会有非常明显的中断；（7）控制复杂：由于卫星通信系统中所有链路均是无线链 路，而且卫星的位置还可能处于不断变化中，因此控制系统也较为复 杂。控制方式有星间协商和地面集中控制两种。二、卫星通信系统的组成1. 系统组成地为站地办站Uli 1潞动站先被通信卫星天线所接收，经过卫星转发器放: 线转发到地球站B,当地球站B接收到信号后： 站的信息传递过程。从地球站发射的信号到空间站（通信卫星）中央站L IljJ；ifi础纹经过的通信线路称为上行线路。从空间站（通信卫星）发射信号到地球站所经过的通信线路称为下行线路。同样，地球站B也可以通过卫 星向地球站A发射信号来传递信息。2. 通信卫星的组成及功能通信卫星由天线系统，通信分系统，遥测与指令分系统，控 制分系统和电源分系统五部分组成。(1) 天线系统：分为两类，一类是遥测，遥控和信标天线，使卫星天线精确地指向地球上的覆盖区。一类是通 信天线，可分为全球波束天线，点波束天线和区域 波束天线。(2) 通信分系统：又称为转发器，起通信中继器的作用(3) 遥测与指令分系统：其功能是了解星内设备的工作情况，对卫星的工作、位置和姿态进行控制。(4) 控制分系统：有两种控制。一种是姿态控制，一种是位置控制。(5) 电源分系统：常用的电源有太阳能电池和化学能电池3. 地球站设备地球站由天线系统，发射系统，接收系统，通信控制系统， 终端系统和电源系统六部分组成。主要性能要求如下(1) 工作频率范围宽。国际卫星通信组织工作在6/4GHZ频段的地球站，其上下行的带宽均是5 0 0 MHz(2) 地球站的品质因素G/T高。G为天线增益，T为放大器的等效噪声温度(3) 等效全向辐射功率的稳定度高(4) 频波频率的准确度和稳定度高(5) 互调引起的带外辐射及计生辐射的容许电平小三、甚小天线地球站(VSAT)卫星网络系统1. VSAT概述“VSAT”是 “VERY SMALL APERTURE TERMINAL”的缩 写，即甚小孔径终端。由于源于传统卫星通信系统，所以也称为 卫星小数据站或个人地球站，这里的“小”指的是VSAT系统中 小站设备的天线口径小，通常为0.3m-2.4m。VSAT是80年代中期利用现代技术开发的一种新的卫星通信 系统，属于同步静止轨道通信系统，它通过卫星上的转发器来为 多个小规模的地面设备提供点到多点的链路。利用这种系统进行 通信具有灵活性强、覆盖范围大、可靠性高、成本低、使用方便 以及终端设备体积小、安装方便、功耗小等特点。借助VSAT用 户数据终端可直接利用卫星信道与远端的计算机进行联网，完成 数据传递、文件交换或远程处理，从而摆脱了本地区的地面中继 线问题，这在地面网络不发达、通信线路质量不好或难于传输高 速数据的边远地区，如：乡村、油田，使用VSAT作为数据传输 手段是一种很好的选择。目前，广泛应用于银行、饭店、新闻、 保险、运输、旅游等部门。由众多甚小天线地球站组成的卫星通 信网，被成为VSAT卫星通信网。VSAT网络一般由一个中心地面站、卫星和广泛分布在各地 的VSAT小站组成。中心地面站是VSAT网络的管理控制中心， 它由卫星天线、射频设备、中频设备及交换单元等系统组成。主 站设有网络管理系统，负责对全网监测、管理、控制和维护，如 实时监测、诊断各小站和主站本身的工作情况、测试信道质量、 负责信道分配、统计、记费等。分布在各地的VSAT小站由天线、 室外射频单元和室内数字处理单元组成。室内数字处理单元承担 发送和接收数据的处理、操纵功能。其用户接口可以同时支持多 种通信协议，它可以根据用户要求配置为不同的带宽，方便用户 将各种终端设备接入VSAT网络。VSAT通信使用的卫星资源是C 波段和Ku波段的卫星转发器，其中C波段极为拥挤而且天线尺 寸较大；而ku波段拥挤程度较低且天线尺寸较小。目前使用较多 的是天线尺寸小、不易受地面电磁干扰的Ku波段卫星转发器。2. VSAT的发展VSAT技术的迅速发展得益于80年代计算机的大量普及和计 算机联网需求的大量增加。VSAT网络不仅能非常经济、方便地 解决地面通信网很难处理的计算机通信业务的点对多点寻址；又 已综合了许多新的技术(如分组传输与交换技术、高效的多址接 续技术、高集成度微处理器技术、协议的标准化、天线的小型化 及高功率的卫星等)，VSAT从80年代开始得到了迅速的发展，成 为卫星通信中发展最快的一个领域。从VSAT的发展分为三个阶段。(1) 初期阶段：主要指1980年以前及以后2年。在此阶段， VSAT以采用C波段为主要标志，并且只能提供单向和低速数据业务；（2）第一代 VSAT:指1983年1988年这一时期的VSAT 产品。此阶段的VSAT以采用Ku波段和星形结构进行数据传输 为显著标志，并开发了一些新的多址方式；（3）第二代VSAT:指1988年到90年代中期。此阶段,VSAT 已从单纯支持数据型业务向数据、话音、图形等综合业务方向转 化，并且开始采用网状结构。到1993年底，全球已安装和预订的VSAT数超过了 116000 个。近几年来，每年的销售额约5.5亿美元，预计以后每年的增长 率仍将在20%左右。3. VSAT的基本网络结构VSAT通信网络的基本网络结构有星型、网状以及混合型三 种，它们分别针对不同的业务需求。（1）星型网络：是VSAT网中应用最广泛的网络形式，各 VSAT小站只与中心站发生通信联系。它适用于具有大量数据需 要被广播分配发送或是集中收集处理的单位，如：银行、新闻、交通、连锁店、气象地震监测等；（如图表1）（2）网状网络：网状网络不需要中心站的参与，各VSAT小 站之间能够直接建立通信连接。相对星型网络也具有较小的端到 端时延；（如图表2）(3) 混合型网络：混合型网络是最近发展起来。这种网络结图表2 VSAT网状网络构可充分利用前两种网络结构的优点，同时能最大限度地满足用 户的要求。此外，由于此结构中允许两种网络结构并存，因此可图表3 VSAT混合网络采用两种完全不同的多址方式；如图表3四、卫星通信的应用按用途可分为专用通信卫星和多用途通信卫星。前者如电视 广播卫星、军用通信卫星、海事通信卫星、跟踪和数据中继卫星 等；后者如军民合用的通信卫星，兼有通信、气象和广播功能的多用途卫星等。第三部分：我国卫星通信的应用现状经过改革开放十多年的努力，我国卫星通信事业得到迅速的名称位置（东经）转发器（波段）使用寿命（年）亚洲一号122E'24C12亚洲二号:1.00.5E:24 C+ 9Ku15亚洲三号;105.5E'SC+16Ku15亚洲四号E2&C+20Ku15,亚太一号J138E:24C'10亚太一号A134E24C.10亚太：IIR76.5E28C+16KU15中卫一号.町.5E:18C+20Ku15蒸诺一号1.10.5E24C+14KU15蠡诺一号BS5EfiKu'12中星八号115.5E:36C+16Ku芝15INTERSAT 60 g 70L 702-. 703. 704 =8口& 804国际通信卫星组织（INTERSAT）的同步轨道卫星至今. 已发展了九代*目前在轨的卫星约却颗，视其设计年 代不同分别具有不同的技术参数-发展，新技术、新的新站大瓣现道我国的国际卫星通信线路 由初期的几十条发展到了上万条双向话路，约占我国国际和港澳 线路的1/3。在公用通信网方面，到1998年为止，邮电部已建立 了 37座大中型卫星通信地球站，开通7万条双向电话线路；在专 用卫星通信网方面，近年来人民银行、煤炭、电力、石油、人民 日报、海关、民航、新华社、证券交易公司及以三金工程为代表 的金字号工程等许多部门和专用公司，建立了约 80个低成本 VSAT专用卫星通信网，终端约1万多个。在移动卫星通信网方面，我国已建成和开通了国际海事卫星 北京岸站；开通了约400500个国际海事卫星A型站和几十个M 型站。目前，世界上正掀起全球个人卫星移动通信热潮，我国将 建立静止轨道区域性卫星移动通信系统。在卫星通信技术体制上，我国已研制生产了 SCPC、CDMA、 MCPC等通信体制的设备，并用于各种不同的卫星通信系统中。 目前，公用卫星通信网中大量应用数字化的中速数据率（IDR）和 TDMA通信体制。专用通信网和移动通信网正由原有的单一的SCPC 体制向 SCPC/DAMA, TDM/TDMA, TDM/CDMA 及其混 合体制发展。网络控制、管理、信道按需分配，互通互连正向高 层次发展。卫星通信的公用单元、元器件、终端，如20W固态功 放、低速话音编码器、ASIC的编译码器和数字调制解调器正大量 用于系统中。在卫星通信产业化发展上，由于种种原因，目前尚存在一定 困难，特别是VSAT小型地球站设备，除天线外，国内市场几乎 全被国外产品占据，而且国内产品与国外产品水平的差距正逐渐 加大。在卫星通信空间资源上，目前在轨运行的卫星，除东方红 三号卫星外，都是国外制造的。第四部分：我国卫星通信的发展前景随着我国现代化建设和以多媒体为代表的信息高速公路的发展， 今后10年我国卫星通信将有一个更大的发展，并将以我国自主的大 容量通信卫星为主体，建立起完善、长期稳定运行的卫星通信系统。卫星通信频段将从单一的C频段，发展到UHF，L，C，Ku，Ka 多种频段。若今后卫星通信发展速度每年递增15%17%，到21世 纪，卫星通信公用网开通的线路将是1996年的2.73倍，大、中城 市将建立起大、中型卫星通信地球站约5060座，中、小型地球站 约200300座。卫星通信公用网线路将发展到数十万条。专用卫星 通信网不仅在现有基础上扩大业务种类，而有的专用网还向运营化发 展，预计专用网的VSAT卫星地球站将发展到2.7万座到3万座。它 将广泛用于国家各部委、专业公司和三金工程等，而全球性的中低轨 道卫星移动通信系统，如ICO、全球星和铱星系统等也会有23家 在中国运营。可以预测，到21世纪我国卫星移动通信用户将达到40 55万户(国外有的公司预测为100万户)。我国今后卫星通信技术发展趋势为：1. 开发新频段，提高现有频段的频谱利用率。从现有单一的C频段发展到 Ku 频段(14/11GHz)，Ka 频段(30/20GHz)、UHF、 L、S、X频段卫星通信系统。把现有C频段的500MHz扩展 为800MHz，并进行频谱复用；2. 公用干线通信网在发展现有IDR.DCME基础上，向高速、数字、宽带发展，发展60Mb/s,120Mb/s的时分多址(TDMA)和 1000Mb/s的卫星通信系统，利用SDH和ATM异步转移模式, 建立天基宽带综合业务数字通信网-国家信息高速公路的天基通信网；3. 专用卫星通信网将进一步发展小型化、智能化的VSAT站和VSAT网，它将更广泛采用超大规模的专用集成电路VLSI和 ASIC，以及数字信号处理技术(DSP)，使VSAT网从单一的数 据为主或话音为主，发展为数话兼容的混合网络设备，更进 一步发展为话音、数据、图文、电视兼容的综合业务数字网；4. 移动卫星通信网将积极发展与同步轨道移动卫星通信系统相关的技术，如同步卫星上的12m18m大天线的制造与展开、 折收技术；功率0.2W、天线长7cm的小型多模卫星通信手持 机技术；星上多波束切换技术和信关站技术，在中低轨道移 动卫星系统中的星上交换、星上处理、星间链路技术、越区 切换技术和信关站有关的技术；5. 开展卫星通信网与其它异构网的互通、互联、网络同步与交换技术，完成该网与异构网协议变换，信令呼叫接口技术等；6. 网络管理和控制及网络动态分配处理的自动化技术；7. 卫星通信网的网络安全、保密技术；8. 与我国卫星通信设备产业化发展有关的生产、工艺加工技术等绝 '等O相信在21世纪，卫星通信将获得重大发展，尤其是世界上新技 术，如光开关、光信息处理、智能化星上网控、超导、新的发射工具 和新的轨道技术的实现，将使卫星通信产生革命性的变化，卫星通信 将对我国的国民经济发展，对产业信息化产生巨大的促进作用。第五部分：参考文献：新编电信技术概论吴德本等人民邮电出版社卫星应用产业的发展前景中国有线电视2002年Z1期