卫星通信系统(认识它的结构、特点、组成、分类)

更新时间:2024-02-24
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       卫星通信是现代通信技术、航空航天技术、计算机技术结合的重要成果。卫星通信在国际通信、国内通信、国防、移动通信以及广播电视等领域,得到了广泛应用。卫星通信之所以成为强有力的现代通信手段之一,是因为它具有频带宽、容量大、适于多种业务、覆盖能力强、性能稳定、不受地理条件限制、成本与通信距离无关等特点。
卫星通信系统是利用人造卫星搭建的通信网络,通过卫星将信息传输到地球上的接收站点,实现广域覆盖的通信服务。它是一种全球性的通信技术,可以在广大陆地、海洋和空中等地区提供远距离通信能力。
卫星通信
卫星通信系统由多颗通信卫星、地面站和用户终端组成。通信卫星作为中继器,接收地面发射的信号并将其转发到目标地区的接收站点。地面站负责与卫星进行通信,并将信号转发到用户终端。用户终端可以是手机、电视、船只、飞机等各种设备,通过接收卫星发送的信号进行通信。

卫星通信特点

卫星通信系统是由空间部分(通信卫星)和地面部分(通信地面站)两大部分构成的。 在这一系统中,通信卫星实际上就是一个悬挂在空中的通信中继站。它居高临下,视野开 阔,只要在它的覆盖照射区以内,不论距离远近都可以通信,通过它转发和反射电报、电 视、广播和数据等无线信号。

(1) 通信距离远,通信成本与距离无关

       由于卫星在离地面几百、几千、几万千米的高度,因此在卫星能覆盖到的范围内,通信成本与距离无关。以地球静止卫星来看,卫星离地36000km,一颗卫星几乎覆盖地球的1/3,利用它可以实现最大通信距离约为18000km,地球站的建设成本与距离无关。如果釆用地球静止卫星,只要三颗就可以基本实现全球的覆盖。

(2) 以广播方式工作,便于实现多址联接。

       卫星通信系统类似于一个多发射台的广播系统,每个有发射机的地球站都可以发射信号,在整个卫星覆盖区内都可以收到所有广播信号。因此只要同时具有收发信机,就可以在几个地球站之间建立通信联接,提供了灵活的组网方式。

(3) 通信容量大,传送的业务种类多。

       由于卫星采用的射频频率在微波波段,可供使用的频带宽,加上太阳能技术和卫星转发器功率越来越大,随着新体制、新技术的不断发展,卫星通信容量越来越大,传输的业务类型越来越多。

(4) 需要釆用先进的空间电子技术。

       由于卫星与地面站的距离远,电磁波在空间中的损耗很大,因此需要釆用高增益的天线、大功率发射机、低噪声接收设备和高灵敏度调制解调器等,并且空间的电子环境复杂多变,系统必须要承受高低温差大、宇宙辐射强等不利条件,因此卫星的设备的材料必须是特制的,能适应空间环境的。由于卫星造价高,系统还必须采用高可靠性设计。

(5) 需要解决信号传播时延带来的影响

      由于卫星与地面站距离远,信号传输的时延很明显。对一些业务(如话音)来说,必须采取措施解决时延带来的影响。

  (6)  需要解决卫星的姿态控制问题

       由于空间的环境复杂多变,卫星轨道可能有漂移,姿态可能有偏转,由于卫星离地远,因此轻微漂移和姿态偏转可能造成地面接收的信号变化很大,因此卫星的精确姿态控制也是必须解决的问题。
        此外.还必须解决星蚀、地面微波系统与卫星系统的干扰等问题,这些都是保证卫星通信系统正常运转的必要条件。
通信卫星工作的基本原理
通信卫星工作的基本原理如图3-1所示。从地面站A发出无线电信号,这个微弱的信号 被卫星甲的通信天线接收后,首先在通信转发器中进行放大、变频和功率放大,最后再由卫 星甲的通信天线把放大后的无线电波重新发向地面站B,从而实现地面站A和B之间的远 距离通信。当地面站B要和地面站C之间进行通信时,与地面站A和B之间通信类似,地 面站B发出无线电信号,这个信号被卫星甲接收后,再发送给卫星乙,卫星乙收到信号后, 再发送给地面站C,从而实现地面站B和C之间的远距离通信。如此,就可实现两个或多个地面站的远距离通信。举一个简单的例子:如北京市某用户要通过卫星与大洋彼岸的另一用 户打电话,先要通过长途电话局,由它把用户电话线路与卫星通信系统中的北京地面站连 通,地面站把电话信号发射到卫星,卫星接到这个信号后通过功率放大器,将信号放大再转 发到大西洋彼岸的地面站,地面站把电话信号取出来,送到受话人所在的城市长途电话局转 接用户。

卫星通信优点

覆盖面广,通信距离远,不受地理条件限制;通信频带宽,传输 容量大;组网灵活、易于实现多址通信、具有优良的广播特性;性能稳定可靠,传输质 量高等优点。缺点有:通信时延较长;通信链路易受外部条件影响;存在日凌中断和星 蚀现象等。
  • 广域覆盖:卫星通信可以实现全球范围的通信覆盖,无论是陆地、海洋还是空中都可以进行通信。
  • 高带宽:卫星通信系统可以提供较高的通信带宽,支持大容量的数据传输和高质量的语音、视频通话。
  • 灵活性:卫星通信可以满足不同场景和需求的通信需求,包括远程地区、海洋工作、航空航天等特殊环境下的通信需求。
  • 快速部署:相比于铺设光缆等传统通信方式,卫星通信系统部署相对快速,可以迅速建立起通信网络。

卫星通信频率

       卫星通信频率一般工作在微波频段,其主要原因是卫星通信是电磁波穿越大气层的通信,大气中的水分子、氧分子、离子对电磁波的衰减随频率而变化,如图50所示。
图50 大气对电磁波的吸收损耗
       可以看到,在微波频段0.3-10GHz范围内大气损耗最小,比较适合于电波穿出大气层的传播,并且大体上可以把电波看作是自由空间传播,因此称此频率段为“无线电窗口”,目前在卫星通信中应用最多。在30GHz附近有一个损耗谷,损耗相对较小,常称此频段为“半透明无线电窗口,
       目前,大部分国际通信卫星尤其是商业卫星使用4/6GHz频段,上行为5.925〜6.425GHz,下行为3.7〜4.2GHz,转发器带宽为500MHz,国内区域性通信卫星也多数应用该频段。
       许多国家的政府和军事卫星使用7/8GHz,上行为7.9-8.4GHz,下行为7.25~7.75GHz,这样与民用卫星通信系统在频率上分开,避免相互干扰。 
       由于4/6GHz通信卫星的拥挤,以及与地面微波网的干扰问题,目前已开发使用11/14GHz频段,其中上行釆用14-14.5GHz,下行釆用11.7〜12.2GHz,或10.95-11.2GHz,以及11.45~11.7GHz,并用于民用卫星和广播卫星业务。
       20/30GHz频段也已经开始使用,上行为27.5-31GHz,下行为17.7〜21.2GHz。

卫星通信系统组成

      这里以地球同步卫星通信系统为例,说明卫星通信系统的基本构成。如图51示意了通过卫星进行电话通信的系统框图。
 
卫星通信系统基本组成
图51   卫星通信系统基本组成
卫星通信系统部分包括如下几个部分:

(1) 控制与管理系统

      它是保证卫星通信系统正常运行的重要组成部分。它的任务是对卫星进行跟踪测量,控制其准确进入轨道上的指定位置,卫星正常运行后,需定期对卫星进行轨道修正和位置保持。在卫星业务开通前、后进行通信性能的监测和控制,例如对卫星转发器功率、卫星天线增益以及地球站发射功率、射频频率和带宽等基本通信参数进行监控,以保证正常通信。

(2) 星上系统

       通信卫星内的主体是通信装置,其保障部分则有星体上的遥测指令、控制系统和能源装置等。通信卫星的主要作用是无线电中继,星上通信装置包括转发器和天线。一个通信卫星可以包括一个或多个转发器,每个转发器能同时接收和转发多个地球站的信号。

(3) 地球站

       地球站是卫星通信的地面部分,用户通过它们接入卫星线路,进行通信。地球站一般包括天线、馈线设备、发射设备、接收设备、信道终端设备、天线跟踪饲服设备、电源设备。

卫星通信系统的分类

卫星通信系统的分类方法有很多种,比较常见的有按照卫星的运动状态(制式)、卫星 的通信覆盖区范围、卫星的结构、通信的多址方式、采用的基带信号体制、通信使用的频 段、用户性质、用途、卫星的转发能力进行分类,具体如下:
按卫星运动状态(制式)分为同步卫星通信系统、运动卫星通信系统,如图3-2所示。
图3-2按卫星运动状态(制式)分类 
按卫星通信覆盖区范围分为全球、国际、国内和区域卫星通信系统,如图3-3所示。
图3-3按卫星通信覆盖区范围分类
按卫星的结构分为有源和无源卫星通信系统,如图3-4所示。

图3-4按卫星结构分类

按多址方式分为频分多址、时分多址、码分多址、空分多址和混合多址卫星通信系统, 如图3-5所示。
按多址方式分类
图3-5按多址方式分类

按基带信号体制分为模拟和数字卫星通信系统,如图3-6所示。
按基带信号体制分类
图3-6按基带信号体制分类

按卫星通信使用的频段分为特高频(UHF)、超高频(SHF)、极高频(EHF)和激光 卫星通信系统,如图3-7所示。
按用户性质分为公用(商用)、专用和军用卫星通信系统,如图3・8所示。
按用途分为固定业务、移动业务、广播业务、科学试验、导航、气象、军事、数学等卫 星通信系统,如图3・9所示。
按转发能力分为无星上处理能力、有星上处理能力卫星通信系统,如图3・10所示。 
按卫星通信使用的频段分类
图3-7按卫星通信使用的频段分类
按用户性质分类
图3・8按用户性质分类
按用途分类
图3-9按用途分类
按转发能力分类
图3-10按转发能力分类
        另外,按照卫星运行轨道的高度、形状、倾角等的不同,可以把卫星通信的运行轨道分 为不同类型。按照轨道高度可划分为低轨、中轨、同步静止轨道和高轨。按照轨道形状可划 分为圆轨道和椭圆轨道。按照轨道倾角可划分为赤道轨道、倾斜轨道、极轨道。
卫星通信系统在国防、电信、广播、航天等各个领域都有广泛应用。它不仅连接了全球各地,还在紧急救援、自然灾害监测、农业资源管理、远程医疗等方面发挥着重要作用。随着技术的不断发展,卫星通信系统的覆盖范围和通信能力正在不断提升,为人们的日常生活和工作带来了更多便利和可能性。

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