第1章 绪论

1.1 卫星通信简介

1.1.1 卫星通信基本概念

卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发或反射无线电波，在两个或多个地球站之间进行通信。它是宇宙通信形式之一。

通常，以宇宙飞行体或通信转发体为对象的无线电通信称为宇宙通信。它包括3种形式：①地球站与宇宙站之间的通信；②宇宙站之间的通信；③通过宇宙站的转发或反射进行地球站之间的通信。通常人们把第3种形式称为卫星通信。这里的地球站是指设置在地球上（包括地面、水面和低层大气中）的无线电通信站。把用于实现通信目的的人造卫星称为通信卫星。图1-1所示为一种比较简单的卫星通信系统。它使用3颗卫星，卫星通信的波束覆盖了全部通信站所在的地域，各站通信天线均指向卫星，各站通过卫星转发来进行通信。当卫星的运行轨道属于低轨道，并且只能利用一颗卫星进行通信时，那么相距较远的两个地球站便不能同时“看”到卫星了。这时，如果要进行远距离实时通信，必须利用多颗低轨道卫星，这种系统就是通常所说的低轨道移动卫星通信系统；否则，只能采用延迟转发方式，这种系统则称为延迟转发式卫星通信系统。当卫星运行轨道较高时，相距较远的两个地球站便可同时“看”到卫星，并且可将一个地球站发出的信号，经卫星处理后，立即转发给另一地球站。因此，这种系统称为立即转发式卫星通信系统。

当卫星的运行轨道在赤道平面内，其高度大约为35 786km时，它的运行方向与地球自转的方向相同，围绕地球一周的公转周期大约为24h，和地球自转的周期相等（也称同步）时，从地球上看去，卫星如同静止一样，所以称其为静止卫星。利用静止卫星作中继站组成的通信系统称为静止卫星通信系统或同步卫星通信系统。若以120°的等间隔在静止轨道上配置3颗卫星，则在地球表面除了两极地区未受到卫星天线波束的覆盖外，其他区域均在覆盖范围之内，而且其中一部分区域还是两个静止卫星天线波束覆盖的重叠地区。因此，借助于重叠地区内地球站的中继，便可以实现在不同卫星覆盖区的地球站的通信。这样，只要用3颗等间隔配置的静止卫星就可以实现全球通信。这一特点显然是任何其他通信手段所不具备的。目前，由国际通信卫星组织（Intelsat）负责建立的世界卫星通信系统就是利用静止卫星实现全球通信。该全球通信网担负着80％的国际通信业务和全部国际电视转播业务。

1.1.2 卫星通信系统的分类

卫星通信系统，可从以下几个方面进行分类。

（1）按卫星相对地面运行轨道分类

• 地球同步静止轨道卫星通信系统（GEO）；

• 非同步轨道卫星通信系统（包括中高轨道：MEO；低高轨道：LEO）。

（2）按通信覆盖区的范围分类

• 国际卫星通信系统；

• 国内卫星通信系统；

• 区域卫星通信系统。

（3）按卫星制式分类

• 随机卫星通信系统（是指卫星高度为数千至一万千米的不同随机轨道卫星）；

• 相位卫星通信系统（轨道上有若干卫星等间隔地运行）；

• 静止卫星通信系统。

（4）按用户性质分类

• 公用（商用）卫星通信系统；

• 专用卫星通信系统；

• 军用卫星通信系统。

（5）按业务种类分类

• 固定业务卫星通信系统；

• 移动业务卫星通信系统；

• 广播业务卫星分发系统；

• 科学试验卫星系统。

（6）按多址方式分类

• 频分多址卫星通信系统；

• 时分多址卫星通信系统；

• 空分多址卫星通信系统；

• 码分多址卫星通信系统；

• 混合多址卫星通信系统。

（7）按基带信号体制分类

• 数字制卫星通信系统；

• 模拟制卫星通信系统。

（8）按使用频段分类

• 特高频（UHF）卫星通信系统；

• 超高频（SHF）卫星通信系统；

• 极高频（EHF）卫星通信系统；

• 激光卫星通信系统。

也有按UHF、L、C、X、Ku、Ka频段区分卫星通信系统。

（9）按卫星转发器处理能力分类

• 透明转发器卫星通信系统；

• 处理、交换、抗干扰转发器卫星通信系统。

（10）按卫星重量大小分类

大小卫星没有确切的定义，通常按卫星重量区分。

• 重量大于1000kg的卫星称为大卫星，它组成的通信系统为大卫星通信系统；

• 重量小于500kg的卫星称为小卫星，它组成的通信系统为小卫星通信系统。

1.1.3 卫星通信工作频段

卫星通信中工作频段的选择是一个十分重要的问题，它将影响系统的传输容量、地球站及卫星转发器的发射功率、天线尺寸和设备的复杂程度。影响无线电波传输的自然因素很多，例如地球表面的特性，大气层内对流层电学特性的不均匀性，大气中的雾、云、雨、雪等。目前，考虑到各种传输因素的影响以及业内有关规范，卫星工作频段选择在下列频段。

• UHF频段，400/200MHz；

• L频段，1.6/1.5GHz；

• C频段，6.0/4.0GHz；

• X频段，8.0/7.0GHz；

• Ku频段，14.0/12.0GHz（或14.0/11.0GHz）；

• Ka频段，30.0/20.0GHz。

卫星通信在现有技术的基础上，大多选择在1～10GHz范围内为最佳，而最理想的频率在C频段（6/4GHz）附近。该频带带宽较宽，便于利用成熟的微波中继通信技术，而且由于工作频率较高，天线尺寸也较小。目前固定业务使用的频段多为C频段。

C频段常用的500MHz带宽内，又可以被分成很多个卫星转发器带宽。例如，可将C频段的500MHz带宽划分成12个转发器带宽，每个转发器的额定带宽为36MHz，中心频率的间隔为40MHz。另外，也有转发器带宽为54MHz或72MHz的。现代卫星通信采用频率复用技术，以增加500MHz带宽内的转发器数目。频率复用可以通过正交极化的方式来实现。通过正交极化来实现频率复用时，转发器工作在不同的极化状态。如相邻频率一个工作在水平极化，一个工作在垂直极化状态。两种极化状态隔离度可以在30dB以上。由于将正交极化转发器的中心频率交错排列，射频载波只有一个边带能量重叠。采用正交极化技术，卫星在有效的500MHz带宽内转发器数目可扩大一倍。我国东方红三号卫星有24个转发器，应用正交极化技术。正交极化的另一种形式是左旋圆极化与右旋圆极化，同样能起到频率复用的作用。

按照WARC-92（1992年世界无线电通信行政大会）和国际电信联盟（ITU）规定，C频段卫星通信频带带宽由500MHz扩展到575MHz，所以相应的卫星通信上行频率为5850～6425MHz，下行频率为3625～4200MHz。

14.0/12.0GHz的Ku频段上行频率为12.75～14.8GHz，下行频率为10.7～12.3GHz和12.5～12.7GHz。虽然降雨等对Ku频段信号的传输影响比C频段大得多，但其相同尺寸天线的增益也大。30/20GHz的Ka频段也已经开始使用，上行频率为27.5～31GHz，下行频率为17.7～21.2GHz。该频段可用带宽为3.5GHz，是C频段时500MHz带宽的7倍，因此有很大吸引力。但该频段受云、雨、雪等天气因素的影响相当严重。

1.1.4 卫星通信的特点

卫星通信与其他通信方式相比，有以下特点。

（1）卫星通信的覆盖面积大、通信距离远

一颗静止卫星可覆盖地球表面积的42.4％，3颗等间隔（120°）的静止卫星就可建立除地球两极以外的全球通信，如图1-2所示。卫星通信目前仍是边远山区和远距离越洋通信的主要手段，也是地面光缆通信的主要备用手段。

（2）组网灵活，便于多址联接

在卫星所覆盖的通信区域内，所有地面站都可利用卫星作为中继站进行相互间的通信，即多址联接。同时，各种站可不受地理条件的限制，不管是固定站还是移动站，不同的业务种类都可组网在同一个卫星通信网内，十分灵活方便。

（3）通信容量大

卫星通信可使用在L、C、Ku、Ka工作频段，在C、Ku可用频段带宽为500MHz （目前可扩展为575MHz）；在Ka频段，目前我国卫星只提供1.6GHz的可用带宽。采用频率复用、极化复用等措施能有效提高卫星的通信容量。除光缆通信外，卫星通信是唯一能提供大容量的无线通信系统。

（4）通信质量好

卫星通信的电磁波主要在接近真空的外层空间传输，而且通常只经过卫星一次转接，噪声影响小、通信质量好、稳定性高。

（5）经济效益、社会效益好

卫星通信不受地理和环境条件的限制，具有建设速度快、投资少、经济效益高等优点。与微波中继通信和线缆通信相比，在地球站和卫星转发器之间无须线路投资，因而，卫星通信的成本与通信的距离无关。卫星通信是一种大范围或全球性的通信手段，社会效益显著。

（6）机动性好

卫星通信不仅可以作为大型地球站间的干线通信，还可以提供车载、机载、船载、地面机动终端以及个人终端形式进行通信。

卫星通信虽然具有以上的特点，但在技术上带来了一些新的问题。

（1）卫星通信时延较长

同步卫星通信时延较长，经卫星转发器一跳（一上一下）的时间为0.27s。在传输语音时，须加回音抵消器、信令变换器等；传输IP数据时，须修改协议。

（2）需要加抗干扰及抗摧毁措施

通信卫星暴露在空间轨道上，易被敌人窃收和干扰。军用或专用的通信卫星必须加密、加抗干扰及抗摧毁措施。

（3）卫星通信还要解决星蚀和日凌（每年发生两次，每回延续约6天）、与地面微波系统之间相互干扰等问题，这些对卫星通信系统的正常运转，都是不容忽视的问题，如图1-3所示。