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| 內容簡介： |
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《卫星通信技术及应用》从基本概念和原理入手，在介绍卫星通信发展脉络的基础上，由浅入深，讲解卫星互联网关键理论和技术。*先，介绍卫星通信的概念、特点、系统组成、工作频段、卫星轨道和对星参数、卫星通信发展等，使读者建立起卫星通信的基本认识；其次，介绍通信链路、调制解调、信道编解码、多址接入、信道分配等基本原理，使读者掌握卫星通信中的关键核心技术；再次，介绍卫星通信网络和典型卫星通信系统，使读者掌握卫星通信的网络结构和系统应用；昀后，介绍卫星互联网的发展、网络互联协议和天基边缘计算，使读者明白卫星通信的发展方向和技术研究热点。
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目录第1章 卫星通信概述 11.1 卫星通信的概念及特点 11.1.1 卫星通信的概念 11.1.2 卫星通信的特点 21.2 卫星通信系统的组成 41.2.1 空间段 51.2.2 地面段 71.2.3 控制段 81.3 卫星通信工作频段 91.4 卫星轨道和对星参数 101.4.1 开普勒定律 101.4.2 卫星轨道 121.4.3 常用轨道参数 181.4.4 对星主要参数 181.5 卫星通信的发展 211.5.1 卫星通信发展历程 211.5.2 我国卫星通信的发展 31本章小结 33思考题 33第2章 卫星通信链路分析 352.1 链路分析模型和基础参数 352.1.1 链路分析模型 352.1.2 基础参数 372.2 链路损耗 382.2.1 自由空间传播损耗 382.2.2 大气衰耗 392.2.3 设备损耗 402.2.4 其他损耗 412.3 链路计算和设计 422.3.1 链路计算的参数 422.3.2 链路计算 442.3.3 链路设计 46本章小结 47思考题 47第3章 调制解调与信道编解码 483.1 调制解调技术 483.1.1 QPSK 483.1.2 OQPSK 493.1.3 MPSK 513.1.4 MSK和GMSK 523.2 信道编解码技术 533.2.1 信道编解码发展历史 533.2.2 BCH码 553.2.3 卷积码 573.2.4 RS码 603.2.5 卷积+RS串行级联码 633.2.6 Turbo码 643.2.7 LDPC码 65本章小结 69思考题 69第4章 多址接入和信道分配 704.1 多址接入 704.1.1 频分多址 704.1.2 时分多址 764.1.3 码分多址 814.1.4 空分多址 834.2 信道分配 844.2.1 预分配 854.2.2 按需分配 864.2.3 随机分配 89本章小结 96思考题 96第5章 卫星通信网络 975.1 网络组成 975.2 网络结构 985.2.1 星状网 985.2.2 网状网 1005.2.3 混合网 1015.3 网络接入方式 1025.3.1 区域卫星接入 1025.3.2 外交互卫星接入 1035.3.3 VSAT卫星接入 1045.3.4 移动通信卫星接入 104本章小结 105思考题 106第6章 典型卫星通信系统 1076.1 卫星广播电视系统 1076.1.1 DTH卫星系统 1076.1.2 DIRECTV卫星系统 1086.1.3 我国卫星广播电视系统 1106.2 卫星固定通信系统 1116.2.1 Intelsat卫星通信系统 1116.2.2 Eutelsat卫星通信系统 1136.3 卫星移动通信系统 1136.3.1 Iridium系统 1136.3.2 Globalstar系统 1146.3.3 Thuraya系统 1146.3.4 INMARSAT系统 1156.3.5 ACeS系统 1156.3.6 “天通一号”系统 1156.4 数据中继卫星通信系统 1186.4.1 美国TDRSS 1186.4.2 俄罗斯Luch系统 1196.4.3 欧洲EDRS 1196.4.4 “天链”中继卫星通信系统 1206.5 军事卫星通信系统 1216.5.1 美军卫星通信系统 1216.5.2 俄军卫星通信系统 126本章小结 127思考题 127第7章 卫星互联网 1287.1 卫星互联网的发展 1287.1.1 高通量通信卫星 1287.1.2 中低轨星座 1347.1.3 手机直连卫星 1407.1.4 热点方向 1427.2 网络互联协议 1427.2.1 专用协议 1427.2.2 星地融合协议 1457.2.3 地面网协议 1467.3 天基边缘计算 1477.3.1 系统架构 1477.3.2 关键技术 148本章小结 150思考题 150思考题参考答案 151缩略语 152参考文献 155
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第1章卫星通信概述 卫星通信是利用人造地球卫星实现地球站之间的通信，在通信领域具有*特的地位和作用。本章从卫星通信的基本概念展开，主要讨论卫星通信的特点、系统组成、工作频率、卫星运行轨道和地球站对星的主要参数，阐述卫星通信的发展历程，旨在阐明卫星通信的特点，说明卫星通信系统的基本构成、电磁波传播特性、卫星轨道基本运行规律，解释地球站与卫星通信过程中天线对准的主要参数，归纳卫星通信的发展。 1.1卫星通信的概念及特点 1945年10月，英国阿瑟？C.克拉克（ArthurC.Clarke）在Wireless World科学杂志上发表著名论文“Extra-Terrestrial Relays：Can Rocket Stations Give World-wide Radio Coverage?”，*次提出利用卫星实现远距离通信的设想。经历近一个世纪的探索与发展，卫星通信取得了巨大的成功并得到广泛应用。特别是在特殊地区或者执行特殊任务时，卫星通信更是成为必然的通信选择。当前，卫星互联网的研究建设更是将卫星通信推上了更高、更快的发展阶段，已经将由*初的3颗地球静止轨道（geostationary earth orbit，GEO）卫星实现全球通信的设想演变成多种轨道高度、众多通信卫星构成的天地一体通信网络。 1.1.1卫星通信的概念 如图1-1所示，卫星通信是指将人造地球卫星作为中继站转发或反射无线电信号，实现地球表面（包括地面、海洋和大气中）2个或多个无线电通信设备之间的通信。 1.1.2卫星通信的特点 1.优势 卫星通信是现代通信技术的重要成果，它是在地面微波通信和空间技术的基础上发展起来的。与电缆通信、微波中继通信、光纤通信、移动通信等通信方式相比，卫星通信具有下列优势。 1）卫星通信覆盖区域大，通信距离远 因为卫星距离地面很远，一颗GEO卫星覆盖的区域便可超过地球表面的1/3。如图1-2所示，利用3颗适当分布的GEO卫星即可实现除两极以外的全球通信。*早Clarke提出的设想，就是由3颗GEO卫星构成的卫星通信系统。对于交通和经济不发达的地区，尤其是沙漠、海洋等环境恶劣的地方，卫星通信是极其有效的通信手段。 2）卫星通信具有多址连接功能 卫星所覆盖区域内的所有地球站都能利用同一卫星进行相互间的通信，即多址连接。 3）卫星通信频段宽，容量大 卫星通信采用微波频段，可供使用的频带很宽，从甚高频（veryhigh frequency，VHF）频段到Ka频段再到极高频（extremely high frequency，EHF）频段，每个频段都能提供很大的通信带宽。一颗卫星可设置多个转发器，转发器可工作在不同的频段，为地面提供大容量的信息通信服务。另外，一个卫星通信系统一般会采用一种或多种复用技术，以此提高对频带资源的利用率。 4）卫星通信组网灵活 地球站的建立受地理条件的限制较小，地球站可建在边远地区、岛屿、汽车、飞机和舰艇上，没有地面基础设施的约束，并且卫星通信受自然灾害（如地震、雪灾、洪水等）的影响小，能够在恶劣环境下快速架设，迅速建立卫星通信，在快速、灵活构建响应世界重大事件的全球视频网络业务方面，具有无可争辩的优势。 5）卫星通信质量好，可靠性高 卫星通信的电波主要在自由空间传播，噪声小，受环境和自然因素影响较小，通信质量相对较好。就可靠性而言，卫星通信的正常运转率达99%以上。 6）通信的成本与距离无关 地面微波中继系统或电缆载波系统的建设投资和维护费用都随距离的增加而增加，而卫星通信的地球站至卫星转发器之间并不需要线路投资，其成本与距离无关。 上述优势使得卫星通信不仅在民用领域得到广泛应用，也在军事领域发挥着重要作用。在2003年的伊拉克战争中，美国动用的各类相关卫星达150多颗，其中通信卫星就有100多颗，整个战场通信任务的90%以上都是通过卫星通信手段完成的。 2.不足 虽然卫星通信具有很多其他通信手段不具有的优势，但也有很多不足之处，主要表现在以下几方面。 1）时延大 在GEO卫星通信系统中，地球站到GEO卫星的距离可达40000km。这样，信息从一个地球站传输到卫星，再传输到另一个地球站，需要约0.27s。因此，当地球站一方讲话后，必须要等待半秒多的时间才能听到另一方的应答。即便是通过低地球轨道（low earth orbit，LEO）卫星或中地球轨道（medium earth orbit，MEO）卫星进行通信，也有十几毫秒到几十毫秒的信息传播时延。 2）存在通信盲区 由于地球两极附近区域“看不见”GEO卫星，因此无法通过GEO卫星实现对地球两极的通信。另外，高纬度地区的地球站在与卫星通信时，为了能够指向卫星，需要将天线的仰角降得很低。这样，信号通过大气层的路径较长，也容易受到地面建筑物、树木、山岭遮挡的影响，对通信质量造成一定的影响。要解决两极和高纬度地区GEO通信难的问题，则需要其他轨道类型的卫星通信系统。 3）存在日凌中断和星蚀现象 如图1-3所示，每年春分和秋分前后，在GEO卫星星下点进入当地中午前后的一段时间里，卫星处于太阳与地球之间。地球站天线在对准卫星的同时也会对准太阳。这时，强大的太阳噪声使得通信无法进行。这种现象通常称为日凌中断。这种中断每年发生两次，每次延续约一周，每天出现中断的*长时间与地球站天线口径、工作频率有关。对于GEO卫星通信系统来说，日凌中断一般是难以避免的。值得注意的是，月亮也会引起类似的问题，但其噪声比太阳弱得多，不会造成通信中断。 图1-3也示意了星蚀现象，即每年在春分和秋分前后各20多天中，当地时间午夜前后，卫星、地球和太阳同处在一条直线上，卫星进入地球阴影区，地球挡住了阳光，造成了卫星位置的日食。星蚀期间，卫星所需的能源一般靠星上蓄电池供给。由于卫星的体积和重量都是有限的，星上蓄电池虽然能维持卫星的正常运转，但难以为通信提供充足的电能，因此，为了在星蚀期间尽量降低能源消耗，应尽量降低卫星通信的业务量。解决的办法是可以通过适度地调整卫星位置，使星蚀发生的时间处于卫星通信业务量*低的时段。 4）存在雨衰现象 电磁波在大气中传播时，大气中的雨滴会吸收和散射电磁波，造成电磁波能量的衰减，这种现象称为降雨衰减，简称雨衰。在卫星通信中，雨衰对信号的影响比较明显。因此，卫星通信系统在设计建设时，都会考虑雨衰的影响，并采取相应的措施和方法以降低雨衰对通信的影响。 除了上述问题，卫星通信还有其他不足，如卫星的体积、重量和能量受限等。要实现长时间、稳定的卫星通信，就需要在技术上不断改进和提升。 1.2卫星通信系统的组成 相对于短波/超短波无线通信系统，卫星通信系统要复杂得多。要实现卫星通信，必须要发射人造地球卫星，需要保证卫星正常运行的地面测控设备，还要有发射与接收信号的各种通信地球站。 如图1-4所示，一个卫星通信系统是由空间段、地面段和控制段组成的。其中，空间段又称为空间分系统，主要是通信卫星；地面段主要是卫星地球站；控制段包括跟踪、遥测、指令和监管（tracking，telemetry，control，and monitoring，TTC&M）分系统，有时也可将其分为跟踪、遥测、指令分系统和监管分系统。 （1）空间段——空间分系统。空间分系统一般是指通信卫星，主要由天线分系统，通信分系统，跟踪、遥测、指令和监管分系统，电源分系统等组成。 （2）地面段——卫星地球站。它是可以与卫星通信的无线电收、发信台（站）。从功能和作用上来看，分为用户终端、地面网关和信息服务中心等。 （3）控制段——跟踪、遥测、指令和监管分系统。其中，跟踪、遥测及指令分系统的任务是对卫星进行跟踪测量，控制其准确进入轨道的指定位置；待卫星正常运行后，要定期对卫星进行轨道修正和位置保持。监管分系统的任务是对定点的卫星在业务开通前后进行通信性能的监测和控制，例如，对卫星转发器功率、卫星天线增益以及地球站发射的功率、射频频率和带宽等基本通信参数进行监控，保证正常通信。 1.2.1空间段 如图1-5所示，装载在通信卫星上的设备根据功能可划分为有效载荷和公共平台。有效载荷是指卫星上用于提供业务的设备，包括卫星天线和转发器。公共平台不仅包括承载有效载荷的舱体，还包括提供服务有效载荷所需的物理结构、热控系统、电源分系统、姿态与轨道控制系统。 1.有效载荷 1）卫星天线 卫星天线承担了接收上行链路（由地球站到卫星的传输链路）信号和发射下行链路（由卫星到地球站的传输链路）信号的任务，需要具备高增益、宽频带、低噪声温度等特性。在卫星设计和制造时，还需要考虑天线的重量、温度和极化方式。 卫星天线有两类：遥测指令天线和通信天线。 严格意义上讲，遥测指令天线属于公共平台中姿态与轨道控制系统中的一部分，是保证卫星轨道和姿态正确的关键。遥测指令天线通常使用全方向性天线，它们全方位地发射和接收信号，以便卫星处于任何位置、任何姿态都能接收到遥控指令，同时向地面发射遥测数据和信标。 C频段和Ku频段的通信天线大多采用单反射面的抛物面天线，它用来接收和发送通信信号。这种天线属于定向天线，即将辐射出来的信号聚集在某一个方向上，形成波束。按照覆盖地球表面范围的不同，通信天线可以分为全球波束、区域波束、点波束和赋形波束天线。 （1）全球波束。全球波束是指天线辐射出来的波束刚好覆盖卫星对地球的整个视区，只要地球站能够“看到”卫星，卫星就可以为此地球站提供通信服务。全球波束天线一般由喇叭天线加上一个金属反射平面构成，波束的中心对准星下点。对于GEO卫星来说，天线的星下点位于赤道上，其经度与卫星的经度相同，其半功率角（波束最大夹角的一半）约为17°，波束可以覆盖地球表面约42%的区域。 （2）区域波束。早期卫星通信主要采用全球波束，随着各国卫星数量不断增加，GEO卫星间的位置间隔达到了1°，甚至小于1°。减少或消除相邻卫星的干扰，实际上是对卫星通信天线的波束覆盖形状提出了严格的要求。卫星天线的主瓣辐射范围与所要求的服务区应尽可能一致，并控制服务区以外的副瓣电平。这种缩小覆盖范围、服务指定区域的波束，称为区域波束。 （3）点波束。点波束天线与全球波束天线不同，它的半功率角很小，一般为几度，主要用于覆盖地球表面一个很小范围的特定区域。点波束天线一般采用偏馈天线的形式，反射面为旋转抛物面的一部分。为了保证足够小的半功率角，反射面口径比较大。 （4）赋形波束。赋形波束天线则是根据通信需要，调整覆盖地球表面的有效通信范围，因此赋形波束通常呈现不规则的形状。赋形波束天线一般是由几个馈源和一个反射面组成的，每个馈源发出的电磁波经反射面反射之后基本上相当于一个点波束天线。而不同馈源的辐射方向有所不同，同时每个馈源的辐射功率及馈电相位也不一定相等，因此赋形波束天线可以看作一个天线阵。根据天线综合的方法，可以将天线的覆盖区域设计成为所需的形状。通常，赋形波束天线的反射面的*率半径都比较大，也就是说反射面比较平，这样有利于在不同的位置放置馈源。 上述几种波束各有优缺点，适合的应用范畴也不尽相同。全球波束可以为更多的用户提供通信服务，但由于面积大，信号功率很低，需要更大的天线和发射功率，所以全球波束天线适合于广播业务。区域波束覆盖的区域比全球波束小，信号功率可以小些，天线尺寸和发射功率也可以相对小些，一般也适用于广播业务和区域通信。点波束能够将辐射能量集中在很小的服务区域之内，覆盖面积一般为10万～30万km2，仅为该区域的用户提供通信服务，但由于辐射面积小，信号功率会
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