卫星通信系统

卫星通信系统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。
简介
卫星通信系统由卫星端、地面端、用户端三部分组成。卫星端在空中起中继站的作用,即把地面站发上来的电磁波放大后再返送回另一地面站,卫星星体又包括两大子系统:星载设备和卫星母体。地面站则是卫星系统与地面公众网的接口,地面用户也可以通过地面站出入卫星系统形成链路,地面站还包括地面卫星控制中心,及其跟踪、遥测和指令站。用户端即是各种用户终端。

在微波频带,整个通信卫星的工作频带约有500MHz宽度,为了便于放大和发射及减少变调干扰,一般在星上设置若干个转发器。每个转发器被分配一定的工作频带。目前的卫星通信多采用频分多址技术,不同的地球站占用不同的频率,即采用不同的载波。比较适用于点对点大容量的通信。近年来,时分多址技术也在卫星通信中得到了较多的应用,即多个地球站占用同一频带,但占用不同的时隙。与频分多址方式相比,时分多址技术不会产生互调干扰、不需用上下变频把各地球站信号分开、适合数字通信、可根据业务量的变化按需分配传输带宽,使实际容量大幅度增加。另一种多址技术是码分多址(CDMA),即不同的地球站占用同一频率和同一时间,但利用不同的随机码对信息进行编码来区分不同的地址。CDMA采用了扩展频谱通信技术,具有抗干扰能力强、有较好的保密通信能力、可灵活调度传输资源等优点。它比较适合于容量小、分布广、有一定保密要求的系统使用。
分类
工作轨道

按照工作轨道区分,卫星通信系统一般分为以下3类:

1、低轨道卫星通信系统(LEO):

距地面500—2000Km,传输时延和功耗都比较小,但每颗星的覆盖范围也比较小,典型系统有Motorola的铱星系统。低轨道卫星通信系统由于卫星轨道低,信号传播时延短,所以可支持多跳通信;其链路损耗小,可以降低对卫星和用户终端的要求,可以采用微型/小型卫星和手持用户终端。但是低轨道卫星系统也为这些优势付出了较大的代价:由于轨道低,每颗卫星所能覆盖的范围比较小,要构成全球系统需要数十颗卫星,如铱星系统有66颗卫星、Globalstar有48颗卫星、Teledisc有288颗卫星。同时,由于低轨道卫星的运动速度快,对于单一用户来说,卫星从地平线升起到再次落到地平线以下的时间较短,所以卫星间或载波间切换频繁。因此,低轨系统的系统构成和控制复杂、技术风险大、建设成本也相对较高。

2、中轨道卫星通信系统(MEO):

距地面2000—20000Km,传输时延要大于低轨道卫星,但覆盖范围也更大,典型系统是国际海事卫星系统。中轨道卫星通信系统可以说是同步卫星系统和低轨道卫星系统的折衷,中轨道卫星系统兼有这两种方案的优点,同时又在一定程度上克服了这两种方案的不足之处。中轨道卫星的链路损耗和传播时延都比较小,仍然可采用简单的小型卫星。如果中轨道和低轨道卫星系统均采用星际链路,当用户进行远距离通信时,中轨道系统信息通过卫星星际链路子网的时延将比低轨道系统低。而且由于其轨道比低轨道卫星系统高许多,每颗卫星所能覆盖的范围比低轨道系统大得多,当轨道高度为l0000Km时,每颗卫星可以覆盖地球表面的23.5%,因而只要几颗卫星就可以覆盖全球。若有十几颗卫星就可以提供对全球大部分地区的双重覆盖,这样可以利用分集接收来提高系统的可靠性,同时系统投资要低于低轨道系统。因此,从一定意义上说,中轨道系统可能是建立全球或区域性卫星移动通信系统较为优越的方案。当然,如果需要为地面终端提供宽带业务,中轨道系统将存在一定困难,而利用低轨道卫星系统作为高速的多媒体卫星通信系统的性能要优于中轨道卫星系统。

3、高轨道卫星通信系统(GEO):

距地面35800km,即同步静止轨道。理论上,用三颗高轨道卫星即可以实现全球覆盖。传统的同步轨道卫星通信系统的技术最为成熟,自从同步卫星被用于通信业务以来,用同步卫星来建立全球卫星通信系统已经成为了建立卫星通信系统的传统模式。但是,同步卫星有一个不可克服的障碍,就是较长的传播时延和较大的链路损耗,严重影响到它在某些通信领域的应用,特别是在卫星移动通信方面的应用。首先,同步卫星轨道高,链路损耗大,对用户终端接收机性能要求较高。这种系统难于支持手持机直接通过卫星进行通信,或者需要采用l2m以上的星载天线(L波段),这就对卫星星载通信有效载荷提出了较高的要求,不利于小卫星技术在移动通信中的使用。其次,由于链路距离长,传播延时大,单跳的传播时延就会达到数百毫秒,加上语音编码器等的处理时间则单跳时延将进一步增加,当移动用户通过卫星进行双跳通信时,时延甚至将达到秒级,这是用户、特别是话音通信用户所难以忍受的。为了避免这种双跳通信就必须采用星上处理使得卫星具有交换功能,但这必将增加卫星的复杂度,不但增加系统成本,也有一定的技术风险。
目前,同步轨道卫星通信系统主要用于VSAT系统、电视信号转发等,较少用于个人通信。

通信范围:按照通信范围区分,卫星通信系统可以分为国际通信卫星、区域性通信卫星、国内通信卫星。

用途区分:按照用途区分,卫星通信系统可以分为综合业务通信卫星、军事通信卫星、海事通信卫星、电视直播卫星等。

转发能力:按照转发能力区分,卫星通信系统可以分为无星上处理能力卫星、有星上处理能力卫星。
系统特点
1、下行广播,覆盖范围广:对地面的情况如高山海洋等不敏感,适用于在业务量比较稀少的地区提供大范围的覆盖,在覆盖区内的任意点均可以进行通信,而且成本与距离无关;

2、工作频带宽:可用频段从150MHz～30GHz。目前已经开始开发0、v波段(40～50GHz)。ka波段甚至可以支持l55Mb可s的数据业务;

3、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;

4、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;

5、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;

6、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。
发展趋势
未来卫星通信系统主要有以下的发展趋势:

1、地球同步轨道通信卫星向多波束、大容量、智能化发展;

2、低轨卫星群与蜂窝通信技术相结合、实现全球个人通信;

3、小型卫星通信地面站将得到广泛应用;

4、通过卫星通信系统承载数字视频直播(DvB)和数字音频广播(DAB);

5、卫星通信系统将与IP技术结合,用于提供多媒体通信和因特网接入,即包括用于国际、国内的骨干网络,也包括用于提供用户直接接入;

6、微小卫星和纳卫星将广泛应用于数据存储转发通信以及星间组网通信。
成功案例
凡是通过移动的卫星和固定的终端、固定的卫星和移动的终端或二者均移动的通信,均称为卫星移动通信系统。从20世纪80年代开始,西方很多公司开始意识到未来覆盖全球、面向个人的无缝隙通信,即所谓的个人通信全球化,即5W{Whoever(任何人)\Wherever(任何地点)\Whenever(任何时间)\ Whomever(任何人) \Whatever,(采用任何方式)}的巨大需求,相继发展以中、低轨道的卫星星座系统为空中转接平台的卫星移动通信系统,开展卫星移动电话、卫星直播/卫星数字音频广播、互联网接入以及高速、宽带多媒体接入等业务。至上世纪90年代,已建成并投入应用的主要有:铱星(Iridium)系统、Globalstar系统、ORBCONN系统、信使系统(俄罗斯)等。以下给出其中几种成功案例。

铱星系统

铱星系统属于低轨道卫星移动通信系统,由Motorola提出并主导建设,由分布在6个轨道平面上的66颗卫星组成,这些卫星均匀的分布在6个轨道面上,轨道高度为780 km。主要为个人用户提供全球范围内的移动通信,采用地面集中控制方式,具有星际链路、星上处理和星上交换功能。铱星系统除了提供电话业务外,还提供传真、全球定位(GPS)、无线电定位以及全球寻呼业务。从技术上来说,这一系统是极为先进的,但从商业上来说,它是极为失败的,存在着目标用户不明确、成本高昂等缺点。目前该系统基本上已复活,由新的铱星公司代替旧铱星公司,重新定位,再次引领卫星通信的新时代。

Gb系统

Globalstar系统设计简单,既没有星际电路,也没有星上处理和星上交换功能,仅仅定位为地面蜂窝系统的延伸,从而扩大了地面移动通信系统的覆盖,因此降低了系统投资,也减少了技术风险。GIobalstar系统由48颗卫星组成,均匀分布在8个轨道面上,轨道高度为1389 km。它有4个主要特点:一是系统设计简单,可降低卫星成本和通信费用;二是移动用户可利用多径和多颗卫星的双重分集接收,提高接收质量;三是频谱利用率高;四是地面关口站数量较多。

全球通信

IC0系统采用大卫星,运行于10390 km的中轨道,共有10颗卫星和2颗备份星,布置于2个轨道面,每个轨道面5颗工作星,1颗备份星。提供的数据传输速率为140 kbR/s,但有上升到384kbrt/s的能力。主要针对为非城市地区提供高速数据传输,如互联网接入服务和移动电话服务。

E0系统

Ellips0系统是一种混合轨道星座系统。它使用17颗卫星便可实现全球覆盖,比铱系统和Globalstar系统的卫星数量要少得多。在该系统中,有10颗星部署在两条椭圆轨道上,其轨道近地点为632 km,远地点为7604 km,另有7颗星部署在一条8050 km高的赤道轨道上。该系统初步开始为赤道地区提供移动电话业务,2002年开始提供全球移动电话业务。

Om系统

轨道通信系统0rbcomm是只能实现数据业务全球通信的小卫星移动通信系统,该系统具有投资小、周期短、兼备通信和定位能力、卫星质量轻、用户终端为手机、系统运行自动化水平高和自主功能强等优点。Orbcomm系统由36颗小卫星及地面部分(含地面信关站、网络控制中心和地面终端设施)组成,其中28颗卫星在补轨道平面上:第l轨道平面为2颗卫星,轨道高度为736/749 km;第2至第4轨道平面的每个轨道平面布置8颗卫星,轨道高度为775 km;第5轨道平面有2颗卫星,轨道高度为700km,主要为增强高纬度地区的通信覆盖;另外8颗卫星为备份。

Tc系统

Teledesic系统是一个着眼于宽带业务发展的低轨道卫星移动通信系统。由840颗卫星组成,均匀分布在21个轨道平面上。由于每个轨道平面上另有颁备用卫星,备用卫星总数为84颗,所以整个系统的卫星数量达到924颗。经优化后,投入实际使用的Teledesic系统已将卫星数量降至288颗。Teledesic系统的每颗卫星可提供l0万个l6kb/5的话音信道,整个系统峰值负荷时,可提供超出100万个同步全双工El速率的连接。因此,该系统不仅可提供高质量的话音通信,同时还能支持电视会议、交互式多媒体通信、以及实时双向高速数据通信等宽带通信业务。

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