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卫星通信系统基本结构与特点

       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
1.卫星通信特点
(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。
2. 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。
3. 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。