1.2 卫星通信地球站

卫星通信地球站（以下简称卫通站）从功能上讲就是微波无线电收、发信台（站），用户通过卫通站接入卫星线路，进行通信。卫通站设备的配置与它承担的通信任务有关，而不同任务的卫通站，其类型也不同。但不论哪种类型的卫通站，在配置通信设备时，都必须遵循下列基本原则和要求，即满足通信需求、确保综合可靠、操作维护方便以及经济合理。

（1）满足通信需要

卫通站要进入卫星通信系统工作，首先，其各项性能指标必须符合卫星通信系统的规范，最主要的性能指标有：卫通站的品质因数（G/T）、天线方向图和轴比、等效全向辐射功率（EIRP）及其稳定度、载频频率稳准度、射频带外辐射等。其次，要根椐通信方式和所需容量来配置设备，如要与多少个卫通站建立电路、业务量有多少、准备发射几个载波、多址方式、地址分配方式、业务类型、与地面通信网连接方式等。此外，除保证近期业务需求外，还应考虑到将来业务发展时，扩容工作应尽可能简单方便。

（2）确保系统可靠性

卫通站的可靠性通常用通信系统的可用度来表达。可用度就是能合格地承担业务的时间百分比，其表达式为：

由上式可知，可用度的高低取决于业务中断时间的长短。而中断时间决定于各部分设备的可用度，即设备出故障的概率及持续时间。

一般的系统设计，要求整个卫星通信系统的可用度应在99.80％以上。在卫星通信系统中，每条电路都包括空间段（上、下行）及两端的卫通站，其中空间段要分享该指标的一半，所以，每个卫通站的可用度必须达到99.95％以上，才能保证系统可用度达到99.80％以上。

设计考虑卫通站的可用度时，通常将卫通站设备分成五大部分：天线设备、射频设备、地面通信设备、载波终端设备和电源设备。要根据各部分设备的特点，将总的可用度指标进行适当分配。设卫通站总的可用度为A，各部分设备的可用度分别为A1、A2、A3、A4、A5，如图1-4所示。总可用度为A=A1×A2×A3×A4×A5。天线设备包括天线、馈源和跟踪系统，通常这些都没有备份，这是因为现代通信卫星的轨道漂移量已很小。同时，跟踪驱动系统一般都配置双发动机，当其中一个发动机出现故障时，也能保持自动跟踪，因而其可靠性很高。故分配给天线设备的可用度A1≥99.99％。射频设备包括高功放，低噪声放大器，其中，可靠性相对较差的是高功率放大器（HPA），这是因为HPA一般使用电真空管，且又在高电压、大电流的条件下工作，因此故障率相对较高，故HPA大都采用1:1备份或N:1备份方式工作，当在用设备出现故障时能自动转换。对这部分设备的可用度可取A2≥99.98％。

地面通信设备数量及方式较多，但大多数是固态结构，且在低电压、小电流状态下工作，其本身的故障率都很低，而且上行设备配有1:1或N:1备份方式工作，能自动倒换。下行设备配有N:1备份。当在用设备出故障时，也能自动转换或及时进行替换。这部分设备的可用度为A3≥99.995％。

地面终端设备现已全部固态化或集成化，且都在低电压、小电流下工作，除通道部分外，公用部分（如TDMA、IDR的MODEM等）都是由1:1或N:1备份，并由能自动倒换的设备组成，它们的可靠性都相当高。这部分可用度取A4≥99.995％。

电源设备是一个薄弱环节，不但故障率较高，而且影响其他系统，还受外界高压供电系统的影响，一般卫通站都配有不中断电源系统（UPS），且有自备柴油发电机组以提高供电的可靠性。这部分系统可用度分配为A5≥99.98％。

这样，可求得卫通站总的可用度A为

A=A1×A2×A3×A4×A5=99.94％

多年的实践证明，绝大多数卫通站的可用度都能达到99.94％。

（3）操作维护方便

一个卫通站至少要使用几十年，设计卫通站时，必须考虑便于操作和维护，必须有足够的备用设备，以便设备发生故障时，能先将故障设备替换下来检修，不影响通信，也不必抢时间修理。主、备用设备的控制、转换要尽可能简单、可靠。

（4）经济合理

卫通站的经济性与可靠性、操作维护方便等要求是相互制约的。对国内通信网或地区通信网来说，若允许稍微降低系统可用度指标（如由99.8％降为99.5％），即可节约许多备用系统和备用设备，因而有很大的经济效益。

1.2.1 卫通站的分类

由于卫通站的工作频段、通信体制、业务类型、系统总体性能、安装情况、服务对象等方面的不同，卫通站可按不同的方法分类。

1. 按安装情况分类

（1）固定站

从地理位置上讲，设备及天线均长期固定不会搬迁的站型，一般为大型卫通站。

（2）可搬移站

在短时间内能拆卸转移，工作时站址固定，不工作时可随时迁移的可搬移站又可分为便携式可搬移站、车载式可搬移站等。

（3）移动站

工作时站址可变的移动站又可分为航海、航空、陆上3类，即船载、机载和车载移动站。

2. 按传输信号形式分类

（1）模拟站

模拟站传输模似信号，如模拟电话通信、模拟电视图像信号等。

（2）数字站

数字站主要传输数字信号，如数字电话、数据信号等。

3. 按用途分类

（1）卫星广播业务站

卫星广播业务站用于语音广播、电视信号的发送和接收等。

（2）民用通信站

民用通信站包括公用站和专用站，主要用于电话、电报、数据、图文报表、情报等的传送。

（3）气象卫星通信站

气象卫星通信站用于国家或区域的气象预报和大气的演变趋势等，提供气象服务。

（4）军用通信站

军用通信站包括战略通信站、战术通信站等。

（5）卫星监控站

卫星监控站又称跟踪、遥测、指令站，用于卫星的发射、入轨、轨道参数的监控、修正和管理等。

4. 国际通信卫星组织（Intelsat）卫通站分类

Intelsat拥有世界上最早、最大和最多的商用卫通站。Intelsat成立常设组织后的50多来年，卫星通信技术迅速发展，业务类别由单一的模拟制国际电话、电视发展到多种数字制的时分多址（TDMA）、中速数据（IDR）、数据网、稀路由、按需分配等多种公众业务，以及以不同形式租用转发器来组建专用网业务和国内业务，再加上正在开发的卫星移动业务，呈现了一派百花齐放的局面。在技术上，已由模拟向数字过渡，各种调制、复用、多址技术与业务的组合种类很多；频谱也由C频段发展到K频段，频率复用由1次到2次、3次，最多可达6次以上，大大提高了频谱效率，凡此种种，都要求对卫通站制定标准，以适应不同的业务需求。为此Intelsat陆续制定了相应的适合于各频段、不同业务需求的各种标准卫通站技术规范，到目前为止，Intelsat已制定了A、B、C、D、E、F、G、Z 8种标准卫通站的技术规范。

（1）分类标准

卫星通信的特点是，在一个卫星波束覆盖区内，任一卫通站发射的信号经卫星转发后，卫星波束覆盖区内的所有卫通站均可接收到。因此每个卫通站必须严格遵照相应规定来发射信号，才能保证整个卫星系统协调工作。例如，载波频率不稳定或偏移过大就会干扰相邻信号；发射电平过高，会导致转发器互调产物增加，破坏正常工作状态，而发射电平过低，又会影响电路质量；天线旁瓣过高，会干扰相邻卫星的工作等。因此，为了确保本卫星系统及其他卫星系统的正常运转、高质量地传输各类业务范围信号、最有效地利用卫星频带和功率资源，对进入该组织卫星网的各种卫通站，在技术性能和业务范围方面都制定了一整套技术标准，称为国际通信卫星组织地球站标准（IESS），以及开通入网规范，称为卫星系统操作指南（SSOG，Satellite Systems Operation Guides）。由于其技术上的合理和权威性，现已为大多数国家建立和运行卫星系统时所采纳并作为分类标准，它们成为实际上的国际性规范。

在这些标准中，把技术性能指标按其是否影响其他系统和扰乱其他站工作，或仅影响本电路的某些性能和质量而划分为关键性和非关键性（建议）的两类。符合这些标准的称为标准卫通站；这些标准中的某些项目不作要求的站则称为非标准卫通站。

关键性的性能要求，也称必备特性（或称为强制性规定），是为了确保系统正常运转，所有入网的卫通站都必须符合这些规定，否则将不准进网。对于其他的性能要求，均为建议特性，这些特性是为了能高效利用卫星、保持卫通站灵活运转并考虑系统未来发展所期望的。不同频段的卫通站，结构也略有差异；不同G/T值的卫通站，对卫星功率要求也不同；不同用途的卫通站，对其性能要求也不一样。

（2）Intelsat卫通站分类

按它们G/T值的大小、频段和用途等划分为A、B、C、D、E、F、G、Z 8类标准卫通站；其中D、E、F 3类又细分为D-1、D-2、E-1、E-2、E-3、F-1、F-2、F-3 8种，如表1-1所示。

5. 国内卫星通信地球站分类

（1）卫通站分类

按照系统内卫通站的品质因数（G/T）值及它在网络中的地位分为4个标准等级。

一类站G/T≥31.7+20lg f/4（dB/K）

二类站G/T≥28.5+20lg f/4（dB/K）

三类站G/T≥23.0+20lg f/4（dB/K）

四类站G/T≥18.5+20lg f/4（dB/K）

（2）卫通站业务能力

一类站：作为中心站时，应具备如下性能：承担全本系统的运行、操作和监测；与各类站进行FDMA、TDMA、IDR、SCPC等各种制式的电话和非话业务的通信，具有较大的通信容量；并作为通信使用管理中心监控站，负责对全网监控管理；在租星系统中，负责与国际通信卫星组织（Intelsat）公务联络，配合Intelsat对新建卫通站进行入网验证测试和开通测试。

二类站：与各类站进行FDMA、TDMA、IDR、SCPC等各种制式的电话和非话业务的通信，具有中等的通信容量；与各类站进行通信（电话、电报、数据和传真）；发送电视信号（国内卫星系统），接收电视信号并提供转播。

三、四类站：与各类卫通站进行IBS、VSAT等业务通信，能接收电视信号。

1.2.2 卫通站设备组成

卫通站是卫星通信系统的重要组成部分，它主要实现用户业务的接入、调制解调及无线信号的发射和接收等功能。各种不同类型的卫通站，其设备组成也不一样。下面以一个标准卫通站为例，说明卫通站各组成部分的功能和要求。

典型的卫通站主要由天线及伺服跟踪分系统、发射分系统、接收分系统、调制解调分系统、业务接入分系统、管理控制分系统及供电配电分系统组成，如图1-5所示。

1. 天线及伺服跟踪分系统

天线及伺服跟踪分系统主要实现无线信号的发射与接收功能。为了实现正常的通信，工作过程中应使天线主波束始终对准卫星。对于口径较小的固定站天线（如4.5m口径以下的Ku频段天线），由于波束宽度较宽，一般不需要跟踪装置，但建议定期进行校准；对于口径较大的固定站天线，由于天线波束较窄，通常需要采用跟踪装置使天线持续对准卫星；对于装载在运动平台上的卫通站（如车载站、船载站等）或使用非地球同步轨道卫星进行通信的卫通站，由于卫星和卫通站之间存在相对运动，所以必须使用跟踪装置保证天线对卫星的实时跟踪。

2. 发射分系统

发射分系统由上变频器和功率放大器组成，主要功能是将调制器输出的中频信号调制到卫星通信使用的射频频段，并将信号进行功率放大，放大后的信号通过天线辐射到卫星。对于工作于较低频段（如UHF频段、L频段和S频段）的卫通站，为提高卫通站的集成度和可靠性，可以将调制器和上变频器进行一体化设计，即调制器直接输出射频信号；对于工作于较高频段的卫通站（如C频段、Ku频段和Ka频段），也可以将上变频器和功率放大器进行一体化设计（目前已有系列化的产品），以提高卫通站的集成度。

3. 接收分系统

接收分系统主要由低噪声放大器和下变频器组成，主要功能是将天线接收的微弱射频信号进行低噪声放大，然后再变换到中频，变频后的信号送后端解调器进行解调。对于工作于较低频段（如UHF频段、L频段和S频段）的卫通站，为提高卫通站的集成度和可靠性，可以将解调器和下变频器进行一体化设计，即低噪声放大后的信号直接送解调器解调；对于工作于较高频段的卫通站（如C段频、Ku频段和Ka频段），也可以将低噪声放大器和下变频器进行一体化设计，以提高卫通站的集成度。目前许多厂家已将低噪声放大器和下变频器集成设计，称为低噪声变频模块（LNB）。

4. 调制解调分系统

调制解调分系统由若干个调制解调器组成，调制器将数字化后的用户业务数据进行信道纠错编码和数字载波调制，变换为满足卫星信道传输要求的中频信号；解调器完成输入中频信号的解调和译码，输出数字化的用户业务数据。目前一般将调制器和解调器进行一体化设计，支持多通道调制解调的设备也很常见。为了降低成本、提高设备的集成度，许多卫星通信设备厂商在同一个设备中集成了调制解调、业务接入及管理控制的功能，一般称这类设备为信道终端设备（或卫星通信终端）。

5. 业务接入分系统

业务接入分系统主要实现话音、图像等模拟业务的数字化（一般称为信源编解码）、接口协议处理、多业务复分接、业务调度与接入控制等功能。实际设计时需要根据使用需求进行功能的选配，并确定设备的具体形态。

6. 供、配电分系统

供、配电分系统为卫通站各设备提供所需的电能，供、配电分系统不但要满足设备对能耗的要求，还要进行专门的安全性设计，既要保证工作过程中设备的安全，又要保证使用操作过程中的人身安全。

7. 管理控制分系统

管理控制分系统实现对卫通站各设备的参数配置（如发射功率、工作频率、调制/编码方式等）和工作状态的监视（如工作频率、接收信号电平、接收信噪比、设备告警信息、卫通站入退网信息等）。在组网应用的情况下，还需要通过网管信道和中心站网管中心进行管理控制信息的交互（如信道分配信息等）。