現代衛星通信陳鵬E-mail:pengchen@

TimothyPratt,CharlesBostian,JeremyAllnutt,SatelliteCommunications(SecondEdition)電子工業出版社，2003TimothyPratt,CharlesBostian,JeremyAllnutt,甘良才等譯，衛星通信（第二版）SatelliteCommunication，電子工業出版社，2005王麗娜、王兵、周賢偉，黃旗明等，衛星通信系統，國防工業出版社，2006儲鐘圻，數字衛星通信，機械工業出版社，2006教材及參考書：衛星通信技術——綜合性課程數學物理：軌道、仰角、方位角計算自動控制：衛星姿態，火箭制導遙控遙測：衛星跟蹤技術數字通信：調制編解碼通信系統：衛星鏈路計算，信道模型天線技術：拋物面天線、相控陣天線、多波束天線、天線饋電網絡射頻微波技術：轉發器、LNB、上行PA第一章衛星通信簡介20世紀無線通信的快速發展推動人類遠距離通信的需求，早期利用HF（短波）通信HF電報通信HF依靠電離層散射可以傳輸幾千公里的距離人造衛星的歷史緣由:1：頻率資源少（3-30MHz）2：通信不穩定，易受太陽黑子活動干擾，晝夜變化較大3：天線設備龐大：HF通信的問題：ArthurC.Clarke,“Extra-terrestrialRelays”WirelessWorld,pp.305-308,1945首次提出地球同步靜止軌道衛星通信35860Km35860Km最早關于衛星通信的設想:SputnikI：由蘇聯與1957年發射成功SputnikI重量83kg軌道時間：98分鐘橢圓軌道參與了對高層大氣層密度的測量世界上第一個人造衛星:1958年12月18日，首顆通信衛星——美國陸軍彈道導彈局ScoreI1964年8月19日，首顆地球靜止軌道衛星——美國國家航空宇航局(USA-NASA)Syncom31965年的4月6日，第一顆實用型商業通信衛星——國際衛星通信組織（INTERSAT）EarlyBird，地球靜止軌道衛星（實現了ArthurC.Clarke的設想）衛星通信歷史上幾個首次：太空競賽：1926年美國人羅伯特·戈達德設計了第一枚應用液體燃料的火箭。標志著戰爭進入航空與火箭時代（Catapultrocketry），同時還預示著太空競賽的到來。盡管太空競賽打著“科學”和“和平利用太空”的幌子，但卻不可避免的要和各國的軍事目的聯系起來太空競賽歷史背景：火箭——中國人早在11世紀就將其用作武器俄國科學家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯——多級液體燃料火箭的設想德國人的貢獻——A-4火箭、V2火箭（沃納·馮·布勞恩）二戰后蘇聯、英國和美國人才爭奪戰馮·布勞恩在內的很多德國專家轉移到美國英國拿到數枚成品與半成品蘇聯將剩下的工廠內的生產線以及附近與生產和研發火箭有關的德國家庭全數運往國內太空競賽的冷戰根源：間諜衛星——偵查其他國家火箭能將人類送入地球軌道或月球表面——也能發射原子彈到敵國太空技術具有雙重屬性：為和平目的服務用于軍事目的通訊衛星重大事件：1962年，Telstar：第一顆跨洋通訊實驗通訊衛星1972年，Anik1：第一顆國內通訊衛星（加拿大）1974年，WESTAR：美國第一顆國內通訊衛星1976年，MARISAT：第一顆移動通訊衛星將生命送入太空：太空動物：小狗萊伊卡(Laika)——SputnikII，蘇聯，1957海龜——探測器5號（繞月），蘇聯，1968太空人尤里·加加林——東方1號，蘇聯，1961年4月12日阿倫·謝潑德——自由7號，美國，23日之后！瓦倫京娜·捷列什科娃（第一位女太空人）——東方6號，蘇聯，1963阿波羅計劃——人類登月：1969年7月21日，阿波羅11首次實現成功太空競賽其他成就（1）：探索其他行星1960年蘇聯首先發送了金星和火星的行星探測器1962年美國的水手2號成功探測了金星并發回金星表面的溫度和大氣密度數據1971年蘇聯的金星7號成為第一個降落在金星的人造物體1974年美國發射的水手10號，唯一一個到達過水星的太空船1965年美國發射的水手4號成為首個抵達火星軌道的探測器1971年蘇聯發射的火星3號是第一個在火星表面著陸的太空船1976年美國的海盜1號在火星著陸并首次傳輸了火星圖片1973年美國的先驅者10號成功飛過木星1979年先驅者11號首次飛越土星旅行者2號（1977年）實現了唯一的一次飛越天王星和海王星！太空競賽其他成就（2）：發射和對接1962年8月12日蘇聯的東方3號和東方4號實現了首次太空回匯合美國的雙子座8號于1968年3月16日首次完成了太空對接1967年4月26日美國的ScoutB進行了首次海上發射1971年6月7日第一個空間站蘇聯的禮炮1號開始運作1970年4月24日，我國第一顆人造衛星“東方紅一號”發射升空主要參數衛星質量：173公斤衛星外形：直徑1米的球形72面體近地點：439公里遠地點：2384公里用途：廣播“東方紅”樂曲我國衛星發展歷史（1）：1984年4月8日中國第一顆地球靜止軌道同步衛星東方紅二號主體：圓柱形，高為3.6米，直徑為2.1米重量：441公斤。衛星上裝有4個C波段轉發器，等效全向輻射功率為36dBW。衛星采用自旋穩定，其軌道保持精度為：南北±1°，東西±0.5°。我國衛星發展歷史（2）：1997年5月12日東方紅3號升空質量：946kg地球靜止軌道，精度：東西南北均為±0.1°天線指向誤差：俯仰和滾動均為±0.15°，偏航為±0.5°衛星壽命：8年24路C頻段轉發器，6路為中功率轉發器；18路低功率轉發器。中功率通道EIRP≥37dBW低功率通道EIRP≥33.5dBW。我國衛星發展歷史（3）：ScoreI：星上電池壽命有限（35天）Telstar：太陽能+星上電池，轉發器C波段（上行6389MHz，下行4169MHz，50MHz帶寬），MEO軌道，可實現20min跨洋通信LEO/MEO軌道衛星通信系統的問題：覆蓋全球需要衛星多——發射次數多，失敗率較高衛星與衛星之間需要建立鏈路GEO覆蓋廣（1顆衛星覆蓋1/3地球表面居住區域）HEO（高橢圓軌道）適用于俄羅斯等極地附近國家通訊衛星的發展、軌道的選擇:C波段（下行4GHz，上行6GHz）天線——直徑數米的拋物面，地面站以及星上天線尺寸較大，頻段資源少（100~300MHz）Ku波段（下行12GHz，上行14GHz）天線——0.5-1米拋物面天線，尺寸小，頻段資源多（500MHz-1GHz）衛星通信頻率的提高：人造衛星的應用與服務：不同應用之衛星分類就應用方面來說，衛星約可分成下列幾類：偵察衛星(SurveillanceSatellites)預警衛星(EarlyWarningSatellites)氣象衛星(WeatherSatellite)天文衛星(AstronomicalSatellite)導航衛星(NavigationalSatellite)探測衛星(RemoteSensorSatellite)殺手衛星(KillerSatellite)通信衛星(CommunicationSatellite)

通訊衛星是長距離通訊的一個極佳中繼站，它能克服橫跨海洋和大陸的無線電通訊傳播時所遭遇的困難。大部分的通訊衛星都在地球同步軌道上運行（即同步衛星），看起來就像在地球上空的特定點上靜止不動一樣。

通訊衛星：衛星作為通信、直播廣播鏈路的中繼站：

美國、俄羅斯、歐洲、中國均有此類衛星。美國的全球定位系統(GPS)共有24顆導航衛星，飛行器可利用四顆衛星發出的信號來計算自己的位置、高度和速度。地表上空電離層的電子密度及中性大氣中水汽含量的改變，均會影響GPS的訊號。

導航衛星：衛星在無線通信領域的定位：在無線通信領域中，衛星通信將提供全球、廣域之通連服務：衛星通信主要功能運用：國際電信鏈路(InternationalTelecommunication,如INTELSAT)電視節目傳送(TVProgramDistribution)企業專用網絡(VSATs)軍事通信運用(MilitaryCommunications)移動通信服務(Mobilesatelliteservices,如INMARSAT)

直接影視廣播(DirectVideoBroadcast,DVB)直接音頻廣播(DirectAudioBroadcast,DAB)緊急救助通信(EmergencyCommunication)全球移動電話(如銥計劃(Iridium))因特網干線(InternetBackboneServices)衛星通信特點：衛星通信系統具有以下特征與重要作用：獨特三度空間無縫隙覆蓋能力獨特靈活性與普及服務能力大區域的可機動性或可行動性通連廣域網狀網絡構連能力廣域Internet交互連接能力特有的廣域廣播與多點同時通連能力對國際/區域/本地距離連接的不敏感性對緊急救災及故障搶救的快速靈活通信衛星軌道劃分：按軌道高度劃分：低軌道(LEO):300to1,500km中軌道(MEO):8,000to12,000km同步軌道(GEO):approx.36,000km按軌道形狀劃分：圓形軌道(Circular)橢圓軌道(Elliptical)

低軌道(1000公里以內)衛星約二至三小時繞行地球一周，出現在可視范圍內時間短，因此需要較多衛星以接力方式，才能提供全球全天候的服務。通常間碟衛星就是屬于這一種位于高度較低的軌道，由于軌道限制較少，因此近年大為流行。適合于通訊，因此如銥計劃(Iridium)等都是用低軌道衛星來做。銥計劃即采6個軌道面，各軌道含11顆衛星；Globalstar也是6個軌道面，各軌道面含8顆衛星。

低軌衛星(LEO)：在同步軌道與低軌道之間，以導航GPS衛星而言，采6個軌道面，各軌道面含4顆。中軌衛星(MEO)：

距離地球表面約36000公里的高度。繞地球旋轉速度與地球自轉速度一樣，因此在地球上觀看該衛星時，好像靜止不動的停留在太空中。做為通訊使用，因為Delay嚴重，會造成訊息傳送時間較長。同步軌道中之衛星，因與地球自轉同步，因此只需三顆(一顆可覆蓋42％地表)即可構成全球通信。

同步衛星(GEO)：

軌道資源有限(360o)，ITU于1985年國際衛星會議，原規劃3o一顆，已改成2o一顆，經申請同意，才可布放。資源衛星、通訊衛星、軍事衛星、導航衛星…都喜好長駐。東經125o至西經125o的范圍是太平洋上空，其同步靜止衛星較稀少。不同軌道衛星比較：型態低軌衛星LEO中軌衛星MEO同步衛星GEO高度300-1500km8000-12000km36000km可用時間15min2-4hrs24hrs優點低成本傳輸延遲低信號衰減低中度成本傳輸延遲低地表覆蓋率42.2%無多普勒效應傳輸延遲來回時間15ms100ms250ms缺點生命周期短衛星體系復雜有多普勒效應衛星體系復雜有多普勒效應傳輸延遲大衛星成本較高軌道為置有限NameFullNameAttitude(Km)Amountneededtocovertheearth同步衛星(GEO)GeostationaryOrbit約35860公里3中軌衛星(MEO)MediumEarthOrbit1000~25000公里10低軌衛星(LEO)LowEarthOrbit500~1000公里48三種軌道的分界卻沒有很明確的標準，只能大致上用大氣圈的中氣層頂上，離地1000公里處作為低軌與中軌的分界；用25000公里的高度作為中軌與高軌的分界。軌道的劃分：衛星軌道繞行參數：10203040x106m2420161284衛星周期[h]速度[x1000km/h]同步軌道位置35,786km與地心的距離11000km/h衛星波束可覆蓋范圍：HF:2500-6500公里GEO:16,960公里位置高度最大可傳輸距離衛星波束覆蓋類別：全球覆蓋：衛星天線照射地球表面最大面積，約為17.4度。區域覆蓋：典型區域覆蓋天線的波束寬度為5度。點波束覆蓋：天線的波束寬度為2度。全球覆蓋區域覆蓋點波束覆蓋衛星通信使用頻段：衛星通信使用微波頻段(300MHz~300GHz)，其原因為：獲得較大頻寬、提供大通信容量。衛星處于外層空間(即電離層之外)，電磁波必須能穿透電離層。頻段越高、波束越窄、遭受干擾越小。頻段越高、帶寬越大、傳輸速率越高。衛星通信使用頻率：為避免上、下鏈路于傳輸空間相互干擾，需將上、下鏈路的頻帶錯開。因為衛星負載重量與壽命限制，上行鏈路使用較高頻率。目前衛星通信常用的頻帶：頻帶下行頻率（GHz）上行頻率（GHz）備注C4（3.7-4.2）6（5.925-6.425）地面微波干擾Ku