1、衛星通信基礎 / Satcom ABC靜止衛星 /GSO satellite靜止衛星工作在位于赤道平面的圓軌道上，衛星的運行周期為24小時。由于靜止的運轉方向和角速度與地球的自轉方向和角速度相同，衛星的空間位置與地面任意地點的相對空間關系固定不變。GSO satellites are locating and operating at geostationary orbit. Geostationary orbit is a circular one, with its revolution period of 24 hours. A GSO satellite appears station

2、ary above the earth, because of its running direction and orbital velocity is as same as the earths rotational direction and speedrespectively.Therefore, an earth station could point to the satellite at fixed elevation and azimuth angles.由靜止衛星的軌道位置示意圖可見，地球的平均半徑約為6378公里，靜止衛星的軌道高度約為35786公里，軌道半徑約為42,16

3、4公里。從靜止衛星看地球，地球的角直徑約為17.4度。Asthe sketch map of geostationary orbitshown, the earths mean radius is about 6378 km, while the altitude and orbit radius of a GSO satellite is approximately equal to 35786 km and 42164 km respectively. Looking from a GSO satellite, the earths diameter is about 17.4 in an

4、gle.在采用EquiRectengular投影方式的靜止衛星的覆蓋范圍示意圖中，三條綠線分別對應東經105.5度衛星的0度、15度、及30度仰角服務區。圖中的0度仰角服務區表明，靜止衛星只能覆蓋到南北緯大約80度處，南北兩極附近的高緯度地區并不在靜止衛星的服務區內。由15度仰角服務區的經度覆蓋范圍大致有140度可知，只需軌位間隔約為120度的三顆靜止衛星，就可以覆蓋南北緯70度以下的絕大部分地球表面。Adopting EquiRectengular projection method,the sketch map of the coverage of a GSO satellitelocat

5、ed in 105.5E longitude presents three green lines denoting service areas of elevation 0, 15and 30respectively.The service area of 0elevation indicates that a GSO satellite could only cover the area between 80N and 80S latitude, while higher latitude areas near north pole and south pole would be out

6、of the service. On the other hand, the service area of 15elevation could cover the area about 140 degrees in longitude, it shows that only three GSO satellites with 120orbital space one another could cover most of the earth surfacewherelatitude not higher than 70.衛星通信的歷史與現況 /Satcom, the past and the

7、 present英國的空軍軍官Arthur C Clarke于1945年著文提出利用靜止衛星提供全球微波通信的設想。In 1945, Arthur C. Clarke, a British air force officer, conceived the idea to effect global microwave communication by GSO satellites.衛星通信大致經歷了如下發展階段：1950年代中期，利用氣球衛星等進行無源反射式通信試驗；1960年前后，利用低軌衛星作存儲轉發式通信試驗；1960年代初，利用中、高軌衛星進行越洋通信試驗；1964年，利用靜止通信衛星

8、對東京奧運會作了實況轉播；1965年，國際通信衛星組織發射Intelsat-I；同年，蘇聯也開始提供衛星通信業務。The satcom development steps are as follows: The earliest space communication was experienced in mid 1950s, when some balloon-satellites were used as passive reflectors. Around 1960, store and then transit tests were held on low earth orbit (L

9、EO) satellites. In early 1960s, people could communicate across the ocean by mid or high earth orbit (MEO or HEO) satellites. In 1964, GSO satellite was used for live broadcast for Tokyo Olympic Game. Intelsat-1 was launched in 1965 as the first commercial communication satellite, and Soviet Union b

10、egan its satcom service as well in the same year.目前，已有第9代Intelsat衛星在軌提供服務。衛星通信成為經濟上最為成功的空間技術。僅在東亞和東南亞就有中國、日本、韓國、印度尼西亞、泰國、馬來西亞、新加坡、菲律賓等國擁有在軌的靜止通信衛星。我國現有5家通信衛星公司，擁有10顆在軌通信衛星，總通信容量約為370個（36MHz）標準轉發器。Nowadays, the 9thgeneration Intelsat satellites are providing service in orbit, and satcom has become mo

11、st successful space technology in economy. Only in east and south-east Asia regions, there are 8 countries including China, Japan, Korea, Indonesia, Thailand, Malaysia, Singapore and Philippines which possess communication satellites. And China has now 5 satcom companies with 10 communication satell

12、ites in orbit, and the total communication capacity is approximately 370 standard transponders (36MHz bandwidth per transponder).衛星通信的特點 /Properties of satcom4衛星通信是以人造通信衛星為中繼站的微波中繼通信 ，其特點主要為：覆蓋范圍大通信成本與通信距離無關，適用于廣播方式，便于網絡快速擴容及站點應急部署，不容易查找干擾源；通信距離長傳輸延時長，傳播損耗大工作頻率較高帶寬和通信容量較大，部分頻段存在降雨衰耗建網和使用成本高地球站設備和天線、

13、以及網管系統的一次性投入，專業建站 人員的施工費用，衛星轉發器（帶寬資源與功率資源）的租金Satcom is one kind of microwave communication by utilizing communication satellite as a relay station and it has the following properties.o Wide coverage: cost independent of distance, well suitable for broadcasting, easier network expansion and quicker r

14、emote installation, but difficult in finding interfering resourceso Long distance: long time delay and high loss in propagationo High frequency: wider bandwidth and larger capacity, but higher rain attenuation in some frequency bandso High cost: more expensive in installation and operation which inc

15、luding earth station equipments and antennas, the network management system, installation expense, and the rent for transponder resource衛星通信的分類 /Classifications for satcom按照業務劃分：固定衛星業務（FSS, Fixed Satellite Service）廣播衛星業務（BSS, Broadcasting Satellite Service）移動衛星業務（MSS, Mobile Satellite Service）Accord

16、ing to services types:o FSS, Fixed Satellite Service, satcom service for fixed earth stationso BSS, Broadcasting Satellite Service, broadcasting service for audio, video and datao MSS, Mobile Satellite Service, communication service for mobile users按照工作頻段劃分：L頻段，1-2GHz，移動通信、聲音廣播S頻段，2-3GHz，移動通信、圖像廣播C頻

17、段，4-6GHz，固定通信、聲音廣播X頻段，7-8GHz，固定通信（通常用于政府和軍方業務）Ku頻段，10-14GHz，固定通信、電視直播Ka頻段，17-31GHz，固定通信、移動通信衛星通信的分配頻段衛星通信所用的微波頻段的劃分如下表：頻段頻率范圍波長范圍UHF 300 - 1120 MHz 100 - 26.8 cmL 1120 -1700 MHz 26.8 -17.7 cmLS 1700 -2600 MHz 17.7 -11.5 cmS 2600 -3950 MHz 11.5 -7.6 cmC 3950 -5850 MHz 7.6 - 5.1 cmXC 5850 -8200 MHz 5.

18、1 -3.7 cmX 8.2 -12.4 GHz 3.7 -2.4 cmKu 12.4 -18.0 GHz 2.4 -1.7 cmK 18.0 -26.5 GHz 1.7 -1.1 cmKa 26.5 -40.0 GHz 1.1 -0.8 cmAccording to operational frequency bands:o L-band, 1-2GHz, for mobile communication and audio broadcastingro S-band, 2-3GHz, for mobile communication and video broadcastingo C-ba

19、nd, 4-6GHz, for fixed communication and audio broadcastingo X-band, 7-8GHz, for fixed communication (especially for government and military service)o Ku-band, 10-14GHz, for fixed communication and broadcastingo Ka-band, 17-31GHz, for fixed and mobile communication國際電信聯盟通信衛星工作頻段的劃分國際電信聯盟早在六七十年代，曾多次召開

20、世界無線電行政大會，制定了分配空間應用頻率的無線電規則，詳細地劃分了以特高頻（UHF）一直到極高頻（EHF）為各類衛星通信業務可資利用的工作頻段。這些頻段具體劃分如下：P頻段：225-390MHz；頻段：390-1550MHz；S頻段：1.55-3.4GHz；C頻段：3.4-8GHz；X頻段：7.925-12.5GHz；Ku頻段：12.5-16GHz；K頻段：18-26.5GHz；Ka頻段：26.5-36GHz；Q頻段：36-46GHz；V頻段：46-56GHz；通信衛星的工作頻段，主要是根據電波傳播特點和合理利用無線電頻率資源等因素確定的。但由于技術條件的限制，迄今實際應用的頻段還十分有限。

21、目前衛星通信常用的工作頻段有：UHF頻段：400-200MHz；頻段：1.6-1.5GHz；C頻段：6-4GHz；X頻段：8-7GHz；Ku頻段：14-11GHz；Ka頻段：30-20GHz。衛星通信常用工作頻段中，前邊的是衛星地球站向衛星傳輸的上行頻率，后邊的是衛星向地球站傳輸的下行頻率。例如，C頻段6-4GHz，表示上行頻率為6GHz，下行頻率為4GHz。同時，實際工作頻段與劃分的頻率范圍略有出入。整個衛星通信工作頻段中，1-10GHz 頻段，被稱為衛星通信頻率的“窗口”。窗口中最理想的頻段是頻段，它的典型應用實例是國際通信衛星組織發射的第六代國際通信衛星。按照軌道高度劃分：低軌（LEO）

22、，軌道高度低于5000公里中軌（MEO），軌道高度在5000到20000公里之間高軌（HEO），軌道高度高于20000公里According to orbital altitude:o LEO, Low Earth Orbit, lower than 5000 kmo MEO, Medium Earth Orbit, between 5000 and 20000 kmo HEO, High Earth Orbit, higher than 20000 km按照軌道類型劃分：形狀圓軌道與橢圓軌道傾角赤道軌道、傾斜軌道、極軌道對地靜止軌道（GEO）在赤道平面上的圓軌道，軌道高度約為36000公里A

23、ccording to orbital types:o Type: circle orbit and ellipse orbito Inclined angle: equator orbit, inclined orbit and polar orbit按照轉發器類型劃分：透明信道又稱彎管式（bend pipe），不對收自地面的信號作解調處理，經過變頻后直接轉發回地面星上處理對收自地面的信號作解調和交換處理、以及變頻和波束選擇后，再轉發回地面存儲轉發暫時存儲收自地面的信號，在特定的時間和地點回傳給地面，通常用于低軌小衛星According to transponder types:o Tran

24、sparent channel or bend pipe: frequency conversion and carrier transmission, without demodulate and other processo On-broad processing: including carrier demodulation and switching, even beam exchangeo Store and transit: normally for LEO mini-satellite, the received signals will be stored temporaril

25、y, and then transmitted back to the earth at desired time and location常用工作頻段 /從地面發送上衛星的載波工作頻段稱為上行頻段，從衛星向地面發送的載波工作頻段稱為下行頻段。上行頻段的工作頻率通常高于下行頻段。固定衛星業務的常用工作頻段：C頻段上行5850-6425MHz，下行3725-4200MHz，上下行頻率之差通常為2225MHzC擴展頻段上行6425-6725MHz，下行3400-3700MHz，上下行頻率之差通常為3025MHzKu頻段在中國所在的ITU 3區，上行14.0-14.5GHz，下行12.25-12.7

26、5GHz，上下行頻率差通常為1750或1748MHzITU 3區的廣播衛星業務常用工作頻段：Ka頻段上行，17.3-17.8GHzKu頻段上行，14.5-14.8GHz（僅分配給部分國家）Ku頻段下行，11.7-12.2GHz常用極化方式/電磁波輻射的電場矢量方向可按旋轉或線性方式變化，對應的兩種電磁波分別被稱為圓極化波和線極化波。圓極化包含相互正交的左旋和右旋兩種極化方式，線極化包含相互正交的水平和垂直兩種極化方式。在相同的頻段同時使用水平和垂直（或者左旋和右旋）這兩種相互正交的極化方式，被稱為交叉極化頻譜復用。采用交叉極化頻譜復用方式的通信衛星可以雙倍利用頻譜資源。地區性和國內通信衛星多采

27、用雙線極化復用方式。國際衛星組織的C頻段轉發器多采用雙圓極化復用方式。國際電聯分配的電視直播頻段采用雙圓極化復用方式。由于圓極化電波在穿越雨區時，更容易產生去極化效應，降低交叉極化隔離度。國際電聯規定，廣播衛星在經過協調后，也可以改用雙線極化復用方式。頻率極化計劃與通信轉發器/由通信衛星的頻率極化計劃圖可見，通信衛星的整個工作頻段通常被分為多個子頻段。每個子頻段都由一套濾波、變頻和放大電路構成獨立的傳輸通道，相關的電路設備被稱為通信轉發器。C頻段轉發器的帶寬通常為36MHz或72MHz，Ku頻段轉發器的帶寬通常為54MHz或36MHz透明信道方式的通信轉發器只對信號作濾波、變頻和放大處理：（接

28、收天線定向接收上行信號，低噪聲放大器對上行信號進行預放大，）輸入帶通濾波器選擇上行信號中的相關頻率分量，混頻器對信號作上行/下行頻率轉換，信道放大器用于調整轉發器的增益，功率放大器對輸出信號作功率放大，輸出帶通濾波器限制帶外噪聲對相鄰轉發器的影響，（發送天線定向發送下行信號。）分貝的概念/衛星通信所用的放大倍數和傳輸損耗等的數值都很大，不便于用真數表示和比較。如果用以10為底的對數，即貝爾（Bel）表示時，又因單位過大而不很方便。常用單位為分貝（dB，decibel），即貝爾的1/10。采用對數后，還可以將乘除運算簡化為加減運算。以分貝形式表示的計算單位有：增益或損耗單位dB 功率關系，GdB

29、= 10 log10(P1/ P2) 電壓關系，GdB= 20 log10(V1/ V2) 電流關系，GdB= 20 log10(I1/ I2)功率單位dBW或dBm 1W = 0dBW 1mW = 0dBm 0dBW = 30dBm帶寬單位dBHz 1Hz = 0dBHz 1kHz = 30dBHz 1MHz = 60dBHz天線增益單位dBi溫度單位dBk，等等傳輸損耗/自由空間傳輸損耗的計算公式：Lf= (4pd/l)2 Lf = 10 lg (4pd/l)2= 20 lg (4pd/l)4上式中的l為信號的波長，即光速與信號頻率的比值l= c / f = 3 * 108/ f (m)傳

30、輸損耗與距離的平方成正比，傳輸損耗與信號頻率的平方成正比。當傳輸距離為3萬6千公里時， 4GHz信號的自由空間傳輸損耗約為195.6dB 6GHz信號的自由空間傳輸損耗約為199.1dB 12GHz信號的自由空間傳輸損耗約為205.2dB 14GHz信號的自由空間傳輸損耗約為206.5dB面反射天線/衛星通信采用定向天線聚集信號能量，克服超長距離傳輸帶來的極大損耗。衛星通信地球站常用拋物面反射天線。通信廣播衛星多采用拋物面結構的波束賦型天線。與全向天線相比，定向天線對信號能量的放大倍數為天線增益。天線增益與信號頻率的平方成正比。拋物面反射天線的增益與天線口徑的平方成正比。天線增益隨輻射球面的角

31、坐標而變化的分布圖為天線方向圖。拋物面天線的方向圖通常由一個主瓣和多個旁瓣構成。主瓣為圓柱狀，旁瓣通常為環柱狀。從主瓣、第一旁瓣、近旁瓣、遠旁瓣、直到后瓣的天線增益，在總體上隨偏軸角的增加而呈遞減趨勢。為了直觀表示，本應由三維極坐標表示的天線方向圖也可被分解為兩個直角坐標圖。直角坐標方向圖的X軸為天線的方位角或者俯仰角，Y軸為對應于不同角度的天線增益值。賦型天線的方向圖可用等值線圖表示。拋物面天線的主瓣波束寬度與信號頻率、以及天線口徑成反比。天線主瓣的半功率波束寬度（波束中心與天線增益從峰值下降3dB的偏軸方向的夾角）的估算公式為 HPBW = (35 to 36)l/D為使增益分布能符合不同

32、服務區的要求，衛星天線多采用賦型波束設計。賦型天線通常分為單反射面復合饋源、以及單饋源賦型反射面等兩種設計方式。轉發器的主要參數/衛星轉發器的三個主要參數為G/T、SFD與EIRP。G/T和SFD反映衛星接收系統在其服務區內的性能，它們與衛星接收天線的增益分布線性相關。EIRP反映轉發器的下行功率，它與衛星發送天線的增益分布線性相關。衛星天線增益隨天線指向與工作頻率而變。因此，轉發器參數隨服務區內的不同地點而變，同一地點的不同轉發器參數也有差異。特定地點的轉發器參數可從城市參數列表或等值線分布圖中查到 。G/T為接收系統的品質因數（figure of merit）。它是接收天線增益G與接收系統

33、噪聲溫度T之比值，單位為dB/k。G/T的計算公式為 G/T = GR TS式中的GR為衛星天線的接收增益，TS為衛星接收系統的噪聲溫度。飽和通量密度SFD為，當轉發器被推到飽和工作點時，上行載波在接收天線口面所達到的通量密度。它反映衛星轉發器對上行功率的需求量，單位為dBW/m2。SFD與G/T的關系為 SFD = constant + attn G/T式中的constant為反映轉發器增益的計算常數，其數值多在-100與-90之間，constant越小，轉發器的增益就越高；attn為轉發器的增益調整量，它可由地面遙控改變，用于調整SFD的靈敏度。用戶在作鏈路計算時，應向衛星公司了解相關轉發

34、器attn的當前設置值，并且據此對從圖表查到的SFD數據作修正。有效全向輻射功率EIRP為衛星轉發器在指定方向上的輻射功率。它為天線增益與功放輸出功率之對數和，單位為dBW。EIRP的計算公式為 EIRP = P Loss + GT式中的P為放大器的輸出功率，Loss為功放輸出端與天線饋源之間的饋線損耗，GT為衛星天線的發送增益。由對比同一顆通信衛星的C頻段EIRP分布圖和Ku頻段EIRP分布圖可知，C頻段轉發器的服務區大，通常覆蓋幾乎所有的可見陸地，適用于遠距離的國際或洲際業務；Ku頻段轉發器的服務區小，通常只覆蓋一個大國或數個小國，只適用于國內業務。C頻段轉發器的EIRP通常為36到42d

35、BW，G/T通常為-5到+1dB/k，地面天線的口徑一般不小于1.8米；Ku頻段轉發器的EIRP通常為44到56dBW，G/T通常為-2到+8dB/k，地面天線口徑有可能小于1米。另一方面，C頻段因為電波傳播通常不受氣候條件的影響，適用于可靠性較高的業務；Ku頻段轉發器則因電波傳播可能遭受降雨衰耗的影響，只適用于建網條件較差、天線尺寸和成本受限的業務。I/O關系曲線與功率回退/衛星轉發器通常采用行波管功率放大器。行波管放大器是一種非線性放大器，放大器輸入功率與輸出功率的關系可由I/O關系曲線表示。圖中的縱坐標和橫坐標分別為放大器的輸出功率和輸入功率。曲線的頂點對應于放大器的飽和輸出功率。曲線從

36、左至右可被大致分為三個區。左側為線性區，輸出功率和輸入功率呈線性關系，最高點為放大器的線性工作點。線性工作點和飽和點之間為非線性區，輸出功率的增幅低于輸入功率的增幅。飽和點的右側為過飽和區，輸出功率將隨輸入功率的增大而下降。飽和輸出功率與曲線上某個點的輸出功率之差值為該功率點的輸出回退值（OBO，Output Back-off），飽和輸入功率與某個實際輸入功率的差值為該功率點的輸入回退值（IBO，Input Back-off）。I/O關系曲線以飽和功率，即曲線的頂點所對應的最大功率為參考點。飽和功率點的輸出回退值和輸入回退值均為0。轉發器在多載波工作時，將產生互調分量，降低工作性能。為了避免互

37、調干擾，所有載波的總功率應該不超過轉發器的線性功率，以使轉發器工作在線性條件下。轉發器線性工作點的OBO和IBO分別為轉發器的線性OBO和線性IBO。放大器的線性工作點越接近于飽和點，多載波條件下的最大輸出功率就越高。采用行波管放大器的轉發器線性OBO通常為4.5dB。部分加裝線性器的轉發器，可以提高多載波條件下的轉發器總輸出功率，其線性OBO通常為3dB。短波是指頻率為330MHz的無線電波。短波的波長短，沿地球表面傳播的地波繞射能力差，傳播的有效距離短。短波以天波形式傳播時，在電離層中所受到的吸收作用小，有利于電離層的反射。經過一次反射可以得到1004000km的跳躍距離。經過電離層和大地的幾次連續反射，傳播的距離更遠。超短波（ultra-short wave）亦稱甚高頻（VHF）波、米波（波長范圍為1米至10米），頻率從30兆赫至300M赫的無線電波，傳插頻帶寬，短距離傳播依靠電磁的輻射特性，用于電視廣播和無線話筒傳送音頻信號，采用銳方向性的天線可補償傳輸過程的衰減。波段名稱 頻率范圍 波長范圍 L波段 1 - 2 GHz 300.00 - 150.00 mm S波段 2 - 4 GHz 150.00 - 75.00 mm C波段 4 - 8 GHz 75