8-卫星通信系统.ppt
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1、2024/5/25 周六1现 代 通 信 网 络张 冬 梅()北京邮电大学计算机科学与技术学院2024/5/25 周六2卫星通信系统与网络(课件仅供北邮学生授课使用,禁止传播)课件仅供北邮学生授课使用,禁止传播2024/5/25 周六3主要内容n卫星通信概述n卫星的轨道与频带n卫星通信技术n卫星通信网络n典型卫星通信系统课件仅供北邮学生授课使用,禁止传播2024/5/25 周六4卫星通信的概念n卫星通信是利用卫星作为中继站,转发微波信号,实现两个或多个地球站间的通信 课件仅供北邮学生授课使用,禁止传播2024/5/25 周六5卫星通信的发展背景与地位n发展背景n1965年4月,第一颗商用卫星升
2、空,开始了卫星通信卫星通信实用化实用化的新时代;n上世纪70-80年代,卫星通信系统达到了鼎盛时期鼎盛时期;n 随着光纤通信和地面蜂窝移动通信系统的崛起。卫星卫星通信受到了严重挑战通信受到了严重挑战n目前地位n空间与频谱是国家强盛的重要资源国家强盛的重要资源;n是其他通信手段的扩展与补充扩展与补充;n军事通信的主角军事通信的主角(在综合天基信息网络中,卫星通信是实施作战指挥与控制信息传递的主通道)课件仅供北邮学生授课使用,禁止传播2024/5/25 周六6卫星通信相关术语n地球站(Earth Station)地球上负责接收来自卫星的信号的系统,主要由天线、低噪声放大器、下变频器和接收机等组成。
3、天线尺寸一般2.4m-27m。n上行链路(Down Link)地球站到卫星的传输链路n下行链路(Up Link)卫星到地球站的传输链路n转发器(Transponder)卫星的电子器件,负责将上行链路信号转换为下行链路信号,由接收机、发射机和天线组成。课件仅供北邮学生授课使用,禁止传播2024/5/25 周六7卫星通信相关术语n远地点(Apogee)卫星椭圆轨道上距离地球最远处的点n近地点(Perigee)卫星椭圆轨道上距离地球最近处的点n仰角(Elevation)地球站天线瞄准卫星的仰角课件仅供北邮学生授课使用,禁止传播2024/5/25 周六8卫星通信相关术语n点波束(Spot Beam)点
4、波束截面为圆形或椭圆形,覆盖地球表面的一定区域n卫星覆盖区(Footprint)卫星波束覆盖区域footprint课件仅供北邮学生授课使用,禁止传播2024/5/25 周六9通信卫星分类n按覆盖范围分类n全球、区域、国家n按业务类型分类n固定业务卫星(Fixed service satellite,FSS)n移动业务卫星(Mobile service satellite,MSS)n宽带业务卫星(Broadcast service satellite,BSS)n气象业务卫星n无线电导航业务卫星、无线电定位业务卫星n按使用方式分n商用、军用、业余爱好者、实验课件仅供北邮学生授课使用,禁止传播202
5、4/5/25 周六10卫星通信的发展历史(1945年以前-理论阶段)n1609-1619 Kepler的关于行星运动的观点n1926 美国人R.H.Goddard第一次发射液体助推火箭n1927 第一次横穿大西洋的无线通信实验n1942 德国第一次成功发射V-2火箭 n1945,英国科学家Arthur Clarke发表论文“地球外的中继”,提出利用地球同步卫星实现全球通信(GEO)2024/5/25 周六11V2 Rocket课件仅供北邮学生授课使用,禁止传播2024/5/25 周六12卫星通信的发展历史(1950-1965 实验阶段)n1957 前苏联发射第一颗人造卫星(Sputnik LE
6、O)n1958 第一颗美国广播试验卫星发射(SCORE),进行磁带录音信号的传输,利用卫星实现了语音通信(LEO)n1960 第一颗无源通信卫星发射(Large balloons Echo I and II)n1962 第一颗非政府的主动通信卫星发射(Telstar I,MEO),实现了横跨大西洋的电话、电视、传真和数据的传输,奠定了商用卫星通信的技术基础n1963 第一次发射卫星进入地球同步轨道Syncom In1964 国际电信卫星组织建立(INTELSAT)n1965 第一颗商用通信卫星发射进入地球同步轨道(INTELSAT 1)课件仅供北邮学生授课使用,禁止传播2024/5/25 周六
7、13卫星通信的发展历史(1950-1965 实验阶段)n1957 前苏联发射第一颗人造卫星(Sputnik LEO)n1958 第一颗美国广播试验卫星发射(SCORE),进行磁带录音信号的传输,利用卫星实现了语音通信(LEO)n1960 第一颗无源通信卫星发射(Large balloons Echo I and II)n1962 第一颗非政府的主动通信卫星发射(Telestar I,MEO),实现了横跨大西洋的电话、电视、传真和数据的传输,奠定了商用卫星通信的技术基础n1963 第一次发射卫星进入地球同步轨道Syncom In1964 国际电信卫星组织建立(INTELSAT)n1965 第一颗
8、商用通信卫星发射进入地球同步轨道(INTELSAT 1)至此,经过通信卫星的试验,使卫星通信的至此,经过通信卫星的试验,使卫星通信的实用价值得到了广泛的承认实用价值得到了广泛的承认2024/5/25 周六14Sputnik-I2024/5/25 周六15Explorer-I2024/5/25 周六16ECHO I2024/5/25 周六17Telstar I2024/5/25 周六18Intelsat IHubble Space Telescope哈勃哈勃 太空望遠鏡太空望遠鏡LinkNOAA Polar Orbiting Weather Satellite 氣象衛星氣象衛星(風雲系列風雲系列
9、)Global Positioning System(GPS)全球全球 定位定位 系統系統ESA Galileo Satellite&Orbit System伽利略伽利略 全球衛星全球衛星 導航系統導航系統课件仅供北邮学生授课使用,禁止传播2024/5/25 周六23卫星通信的发展历史(1970-1990 同步卫星应用)n1972 前苏联发射第一颗人造卫星(Sputnik LEO)n1975 第一颗美国广播试验卫星发射(SCORE),进行磁带录音信号的传输,利用卫星实现了语音通信(LEO)n1977 第一颗无源通信卫星发射(Large balloons Echo I and II)n1979
10、国际移动卫星组织建立(Inmarsat)课件仅供北邮学生授课使用,禁止传播2024/5/25 周六24我国的卫星通信发展n1970 我国成功发射了第一颗卫星;n1984 我国成功发射第一颗试验用“同步通信卫星”STW-1(即东方红二号);n1986 我国用长征3号火箭成功发射第二颗“实验通信卫星”STW-2;n1988 我国用长征3号火箭发射成功第一颗“实用通信卫星”;n1988.12 发射了“东二甲2”卫星,说明我国的卫星通信技术已经迈入国际领先领域n2007.10 发射了“嫦娥号”卫星n2010.10 发射了“嫦娥二号”卫星课件仅供北邮学生授课使用,禁止传播2024/5/25 周六25我国
11、第一颗卫星n1970年4月24日发射的第一颗人造地球卫星。n卫星的主要任务是向太空播放“东方红”乐曲,同时进行卫星技术试验,探测电离层和大气密度。n星上采用银锌蓄电池作电源,电池寿命有限,卫星运行20天后,电池耗尽,“东方红”乐曲停止播放,卫星结束了它的工作寿命。卫星重量:173公斤 卫星外形:直径1米的球形72面体 近地点:439公里 远地点:2384公里 用途:广播“东方红”乐曲课件仅供北邮学生授课使用,禁止传播2024/5/25 周六26东方红三号东方红三号n东方红三号卫星外形:2.2 X 2.2 X 1.72米双翼六面体,双翼展开后总长度18.096米。卫星重量:1202公斤(静止轨道
12、 寿命初期)转发器数:24个C波段转发器姿态控制:三轴稳定定点位置:125 E设计寿命:8年1997年5月12日成功发射,交付给中国通信广播卫星运营公司,命名为“中星六号The Chinese GPS system(Beidou)北斗北斗 導航導航 定位定位 衛星衛星 ChangE 1 嫦娥嫦娥 1 號衞星號衞星Mass 重量重量 83 kg.Orbit 軌道軌道Elliptic橢圓橢圓形形 Inclination仰角仰角65.1oEccentricity偏心率偏心率 0.05201Apogee遠地點遠地點939 kmPerigee近地點近地點215 kmPeriod 周期周期96 min.1
13、2 sec.Duration壽命壽命92 daysAntenna天線天線setsLink课件仅供北邮学生授课使用,禁止传播2024/5/25 周六29卫星通信的优、缺点n卫星的优点n通信距离远,通信成本和距离关系小n广播方式通信,可以进行多址连接n对地球拓扑不敏感n通信频带宽、容量大课件仅供北邮学生授课使用,禁止传播2024/5/25 周六30n卫星的缺点n初装成本高nGEO系统传输时延较大n环境干扰问题n卫星姿态控制问题n需要许可证课件仅供北邮学生授课使用,禁止传播2024/5/25 周六31卫星的应用n典型应用领域n国际电信业务:越洋电话、传真、数据业务国内电信业务:国内电话、传真、数据等
14、业务n广播电视/多媒体直播:以数字或模拟方式进行电视节目广播、转播和直播n专网业务:用VSAT为行业、企业等提供语音、数据和图像业务n卫星移动业务:低轨卫星系统提供的移动通信等业务课件仅供北邮学生授课使用,禁止传播2024/5/25 周六32卫星的应用n基本应用环境n陆地设备无法到达的远程通信n点对多点通信n典型系统n铱星系统(Iridium)n国际海事卫星系统(Inmarsat)n全球星系统(Globalstar)等课件仅供北邮学生授课使用,禁止传播2024/5/25 周六33主要内容n卫星通信概述n卫星的轨道与频带n卫星通信系统概述n典型卫星通信系统n卫星互联网技术课件仅供北邮学生授课使用
15、,禁止传播2024/5/25 周六34卫星的轨道n按轨道形状划分n圆轨道n椭圆轨道n按环绕平面划分n赤道轨道n极地轨道n倾斜轨道inclination d dd dsatellite orbitperigeeplane of satellite orbitequatorial plane课件仅供北邮学生授课使用,禁止传播2024/5/25 周六35n按卫星运行高度n同步轨道(GEO)n中地轨道(MEO)n低地轨道(LEO)earthkm35768100001000LEO(Globalstar,Irdium)HEO范艾伦辐射带MEO(ICO)GEO(Inmarsat)课件仅供北邮学生授课使用,禁
16、止传播2024/5/25 周六36n范艾伦辐射带n环绕地球的高能粒子辐射带n分为内外两层:n20世纪初,挪威空间物理学家斯托默从理论上证明在地球周围存在带点粒子捕获区n1958年美国物理学家 范艾伦利用卫星上的 盖革计数器探测并证 实了辐射带的存在课件仅供北邮学生授课使用,禁止传播2024/5/25 周六37地球同步卫星(GEO)n是使用最普遍的卫星n工作方式n地面之上35 863km的圆形轨道n在赤道所在平面上旋转(inclination 0)n与地球一样的角速度旋转,并保持在赤道上空的同一个点上课件仅供北邮学生授课使用,禁止传播2024/5/25 周六38地球同步卫星(GEO)n优点n相对
17、地球位置固定,无多普勒效应n地面站跟踪卫星简单n三颗卫星基本覆盖全球n存在的问题n信号衰减大n高纬度地区服务质量差(纬度60%以上信号覆盖不好)n传输延迟大(275ms)n频率重用困难n应用n多用于无线和电视信号传输n不适合要求全球覆盖的移动电话通信n典型系统nInmarsat课件仅供北邮学生授课使用,禁止传播2024/5/25 周六39LEOn轨道高度500-1500kmn小脚印,更好的频率重用n传输延迟小(5-10ms)n能够实现全球无线信号覆盖,但需要的卫星数量多n通常包括多个卫星轨道平面,每个平面上有多颗卫星n卫星之间可能存在星际链路星际链路n较频繁的卫星之间的切换卫星之间的切换n卫星
18、相对于地球站移动,系统复杂nIridiumn1998年开始建设n66颗卫星nGlobalstarn1999年开始建设n48颗卫星n用户数量有限课件仅供北邮学生授课使用,禁止传播2024/5/25 周六40MEOn轨道高度5000-12000kmn与LEO比较n移动速度慢n卫星数量少n系统较简单n切换较少n传输延迟高(70-80ms)n更大的发射频率nICOnInmarsatn2000年开始建设课件仅供北邮学生授课使用,禁止传播2024/5/25 周六41不同轨道系统的性能比较2024/5/25 周六42卫星的频带n大气对电磁波的吸收损耗大气对电磁波的吸收损耗n无线电窗口:无线电窗口:0.3-1
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