《卫星通信导论》讲稿 李兴 电子科技大学信息所 2002年3月 1卫星轨道和星座设计 图片1:星座方案是卫星移动通信系统设计的重要课题,它直接关系到系统网络 组成,链路传播特性,投资和服务方式与范围等几个重要方面 图片2:(介绍学科内容) 图片3: 图片4:卫星测控系统首先要了解和测量卫星轨道.卫星绕地球运行一般是 无动力飞行,其轨道近似为椭圆.由于地球不是理想的均匀圆球,此外卫星在运 动中还要受到其它天体的引力(如月球和太阳)、太阳辐射压力的影响,近地卫星 的运行则还要受到地球大气阻力,因此实际卫星的运动是很复杂的,轨道也不是 个椭圆.通常称轨道对椭圆的偏离现象为“摄动”,上述的这些力称为“摄动 力”.人们应用卫星或飞船进行各项航天活动,必须先行设计特定的轨道,在其 受到摄动力作用而改变时,则需对其进行控制并予以保持.另一方面,如在任务 中需要故变飞行轨道(变轨),亦须充分了解变轨前的轨道参数和新的目标轨道参 数,才能对其进行正确的控制.我们将讨论各种轨道的基本参数、摄动因素、简 单的轨道计算方法以及卫星寿命的估算方法等。 图片5: 图片9:在天体动力学中使用了许多的坐标系,但在研究卫星轨道时只 用到其中的一部分,并且这些坐标系之间是可以相互转换的。 1.日心( Heliocentric)圆坐标系 用来描述绕着太阳运动的行星的轨道,如图所示。坐标系的原点是太阳的中 心,其ⅹY基准平面与地球绕着太阳旋转的椭圆轨道面重合。轴定义为连接原 点和椭圆面与地球赤道面的横断面的连线,其正方向指向春分点方向,所谓春分 点方向是指在春季第一天连接地球和太阳中心的直线的方向。Y轴的正方向指向 X轴正方向的东方S轴的正方向指向原点的北方 图片10
《卫星通信导论》讲稿 李兴 电子科技大学信息所 2002 年 3 月 1 卫星轨道和星座设计 图片 1：星座方案是卫星移动通信系统设计的重要课题，它直接关系到系统网络 组成，链路传播特性，投资和服务方式与范围等几个重要方面。 图片 2：（介绍学科内容） 图片 3： 图片 4： 卫星测控系统首先要了解和测量卫星轨道．卫星绕地球运行一般是 无动力飞行，其轨道近似为椭圆．由于地球不是理想的均匀圆球，此外卫星在运 动中还要受到其它天体的引力(如月球和太阳)、太阳辐射压力的影响，近地卫星 的运行则还要受到地球大气阻力，因此实际卫星的运动是很复杂的，轨道也不是 一个椭圆．通常称轨道对椭圆的偏离现象为“摄动”，上述的这些力称为“摄动 力”．人们应用卫星或飞船进行各项航天活动，必须先行设计特定的轨道，在其 受到摄动力作用而改变时，则需对其进行控制并予以保持．另一方面，如在任务 中需要故变飞行轨道(变轨)，亦须充分了解变轨前的轨道参数和新的目标轨道参 数，才能对其进行正确的控制．我们将讨论各种轨道的基本参数、摄动因素、简 单的轨道计算方法以及卫星寿命的估算方法等。 图片 5： 图片 9：在天体动力学中使用了许多的坐标系，但在研究卫星轨道时只 用到其中的一部分，并且这些坐标系之间是可以相互转换的。 1．日心（Heliocentric）圆坐标系 用来描述绕着太阳运动的行星的轨道，如图所示。坐标系的原点是太阳的中 心，其 XY 基准平面与地球绕着太阳旋转的椭圆轨道面重合。X 轴定义为连接原 点和椭圆面与地球赤道面的横断面的连线，其正方向指向春分点方向，所谓春分 点方向是指在春季第一天连接地球和太阳中心的直线的方向。Y 轴的正方向指向 X 轴正方向的东方 S 轴的正方向指向原点的北方。 图片 10：
图片 太阳日 日常生活中使用的时间都是以太阳作为基准来测量的,一个太阳日是指太阳 连续经过当地子午线的时间间隔,即通常所说的一天。如果地球只是自转,而不 绕着太阳转的话,一个太阳日就应该与地球自转一圈的时间相同。实际上,地球 除了自转外,还要绕着太阳旋转(一年转一圈),因此,在一个太阳日中地球自 转就超过了360°,平均说来在一个太阳日中地球要多自转0.986°,如图所示 此计算方法对日常生活是足够精确了,但在卫星轨道计算中却会出问题,为此 人了恒星日的概念。 图片12 一个恒星日定义为地球绕其轴自转360需的时间,因此,一个恒星日要比一个太阳日短 个太阳日为24小时,而一个恒星日约为23小时56分4.09秒。对于GSO卫星来说 为了与地面上的一点保持相对静止,其轨道周期就必须是一个恒星日。 图片13: 民用时间和世界时 民用时间( Civil time)是指人们日常生活中使用的时间,它是在当地平均 太阳时的基础上增加12小时得到的,因此是一种当地时间。为了在全世界范围 内确定一个时间基准,选择英国格林尼治的民用时间作为世界时( Universal Tme,简记为UT),因此,世界时有时也叫格林尼治标准时间( Greenwich mean Tme,简记为GMT 与世界时对应的是当地时间,比如北京时间,它是在世界时的基础上再加上 8小时,即北京时间8点对应的世界时是0点。 世界时与平均恒星时之间的关系比较复杂,根据所选择的时间基准不同,世 界时与平均恒星时之间换算的关系式有不同的形式。如果以世界时1899年12 月31日12时作为时间基准,则平均恒星时(ST)与世界时(UT)之间的换算 关系如下: ST=UT+6h38mn45836s+8640184542s×JC+0.0929s×JC2 式中JC是所需计算的世界时与1899年12月31日12时之间的儒略世纪数。 如对于世界时1990年1月1日0时,它与1899年12月31日12时之间的儒 略世纪数JC为0.9(计算过程见下页),则对应的格林尼治恒星时STo为: sTo=0+6h38min45836s+8640184542s×09+00929s×0.92 7800092.007S=2166692224h 对此作模24小时运算,得到STo=6692224(小时)。 需指出的是,实际使用中,格林尼治恒星时ST常被折算为度,24h对应360°, 如前面计算得到的66922h就对应于1003830。 图片14: 儒略日期( Julian date,简记为J)或者叫儒略历( Julian calendar)是天文计 算中经常使用的一个时间标准,它是以公元前4713年1月1日12点作为开始计 算的基准,世界时与儒略日期(JD)之间的换算关系如下:
图片 11： 太阳日 日常生活中使用的时间都是以太阳作为基准来测量的，一个太阳日是指太阳 连续经过当地子午线的时间间隔，即通常所说的一天。如果地球只是自转，而不 绕着太阳转的话，一个太阳日就应该与地球自转一圈的时间相同。实际上，地球 除了自转外，还要绕着太阳旋转（一年转一圈），因此，在一个太阳日中地球自 转就超过了 360O，平均说来在一个太阳日中地球要多自转 0．986o，如图所示。 此计算方法对日常生活是足够精确了，但在卫星轨道计算中却会出问题，为此引 人了恒星日的概念。 图片 12： •一个恒星日定义为地球绕其轴自转 360”需的时间，因此，一个恒星日要比一个太阳日短， 一个太阳日为 24 小时，而一个恒星日约为 23 小时 56 分 4．09 秒。对于 GSO 卫星来说， 为了与地面上的一点保持相对静止，其轨道周期就必须是一个恒星日。 图片 13： 民用时间和世界时 民用时间（Civil Time）是指人们日常生活中使用的时间，它是在当地平均 太阳时的基础上增加 12 小时得到的，因此是一种当地时间。为了在全世界范围 内确定一个时间基准，选择英国格林尼治的民用时间作为世界时（Universal Time，简记为 UT），因此，世界时有时也叫格林尼治标准时间（Greenwich Mean Time，简记为 GMT）。 与世界时对应的是当地时间，比如北京时间，它是在世界时的基础上再加上 8 小时，即北京时间 8 点对应的世界时是 0 点。 世界时与平均恒星时之间的关系比较复杂，根据所选择的时间基准不同，世 界时与平均恒星时之间换算的关系式有不同的形式。如果以世界时 1899 年 12 月 31 日 12 时作为时间基准，则平均恒星时（ST）与世界时（UT）之间的换算 关系如下： ST＝UT＋6h38min 45.836s＋8640184.542s× JC＋0.0929s×JC2 式中 JC 是所需计算的世界时与 1899 年 12 月 31 日 12 时之间的儒略世纪数。 如对于世界时 1990 年 1 月 1 日 0 时，它与 1899 年 12 月 31 日 12 时之间的儒 略世纪数 JC 为 0．9（计算过程见下页），则对应的格林尼治恒星时 ST0 为： ST0＝0＋6h38min45.836s＋8640184.542s×0.9＋0.0929s×0.92 ＝7800092.007S＝2166.692224h 对此作模 24 小时运算，得到 ST0＝6.692224（小时）。 需指出的是，实际使用中，格林尼治恒星时ST常被折算为度，24h 对应360o， 如前面计算得到的 6.6922h 就对应于 100.383o。 图片 14： 儒略日期（Julian Date，简记为 JD）或者叫儒略历（Julian calendar）是天文计 算中经常使用的一个时间标准，它是以公元前 4713 年 1 月 1 日 12 点作为开始计 算的基准，世界时与儒略日期（JD）之间的换算关系如下：
JD=367.0 x year-floor((7.0 x(year+floor((month 90)/12.0))4.0)+for(275.0× month)/9.0+day+(天) 1721013.5+((seo0nd/60.0)+ minute)/60.0)+hour)/24 (2-3) 式中,for()表示对括号内的值取整,符号year、 month、day、hour、 minute、 second分别表示需换算的世界时间的年、月、日、时、分、秒。 比如,对于2000年1月1日0时,则year=2000 month=1、day=1、 hour=0、 minute=0、 second=0,这样,可得到JD=365245。同样,可 得到1899年12月31日12时和2000年1月1日12时对应的儒略日 期分别为2415019(天)和2451545(天)。 由于一个儒略年取365.25天,则一个儒略世纪中总共有36525 天。因此,若需计算上一节中需要的某个世界时与选定的时间基准 之间的儒略世纪数,则可用下式计算: JC JD-JDo (世纪 上式中JD为与需计算的世界时对应的儒略日期,JDo为与所选取的 时间基准对应的儒略日期,JDo分别为2415019(1899年12月31 12时)和2451545(2000年1月1日12时)。 2.1.5卫星轨道计算常用的数据 在卫星轨道计算中经常用到以下的数据 地球质量(M)=5974×1024kg 万有引力常数(G)=6,672×10-1lm3/kgs2 地球重力常数(也称开普勒常数)(=GM)=3986×104m3/s2 地球赤道平均半径=6378.14km 地球两极平均半径≈6356km 地球平均半径≈6371km 光速=299792.458km/s 对地静止轨道(GSO)的平均半径=42164.57km 图片16:黄道指太阳在星座中穿行的视轨迹的大圆;也可以说是地球围绕太阳运行的轨道在 天球上的投影。黄道星座沿黄道排列黄道与天赤道有235°的交角黄道与天赤道的两个交点是 春分点和秋分点。 图片20:该公式中,r是地心到轨道上某一点的距离:P为椭圆轨道半焦弦(P=a(1-e2),a为轨 道半长轴)。F为在极坐标系中从近地点开始计算的角度 图片21:μ在上页已经讲过是地球引力常数
图片 16：黄道 指太阳在星座中穿行的视轨迹的大圆;也可以说是地球围绕太阳 运行的轨道在 天球上的投影。黄道星座沿黄道排列,黄道与天赤道有 23.5°的交角;黄道与天赤道的两个交点是 春分点和秋分点。 图片 20：该公式中，r 是地心到轨道上某一点的距离；P 为椭圆轨道半焦弦（P=a(1-e 2 )，a 为轨 道半长轴）。F 为在极坐标系中从近地点开始计算的角度。 图片 21：μ在上页已经讲过是地球引力常数
图片23:近地点 perigee远地点 apogee 图片25:下面将分别介绍同步轨道卫星通信系统(GEO)、中轨卫星通信系统 (MEO)、低轨卫星通信系统(LEO)各自的优劣点。 传统的同步轨道卫星通信系统的技术最为成熟,已经有各种关于同步卫星通 信系统的分析文献。自从同步卫星被用于通信业务以来,用同步卫星来建立全球 卫星通信系统已经成为了建立卫星通信系统的传统模式。但是,同步卫星有一个 不可克服的障碍,就是较长的传播时延和较大的链路损耗,严重影响到它在某些 通信领域的应用,特别是在卫星移动通信方面的应用。首先,同步卫星轨道高, 链路损耗大,对用户终端的有效全向辐射功率(E/RP)和接收机品质因数(GT 值)的要求髙。这种系统星座难于支持手持机直接通过卫星进行通信,或者需要 采用12m以上的星载天线(L波段);为了使手持式移动用户终端能够方便地通 过卫星进行通信,对卫星星载通信有效载荷提出了较高的要求,不利于以小卫星 技术在移动通信中的使用。其次,由于链路距离长,传播延时大,单跳的传播时 延就达到250~270毫秒,加上语音编码器等的处理时间则单跳时延将达到350 毫秒左右,当移动用户通过卫星进行双跳通信时,时延将达到700毫秒,这是用 户所难以忍受的。为了避免这种双跳通信就必须采用星上处理使得卫星具有交换 功能,但这必将增加卫星的复杂度,不但增加系统成本,也有一定的技术风险 轨道高度较低的中、低轨系统,由于链路损耗小,降低了对用户终端E/RP 和GT值的要求,可支持手持机直接通过卫星进行通信。同时,短的传播延时允 许移动台到移动台的两跳通信而不必采用星上交换处理。中轨和低轨系统在时延 和链路损耗等方面具有静止轨道系统无法比拟的优势,有利于低成本、小功率的 便携式用户终端和小卫星的利用。此外,中、低轨卫星系统的星座不能象静止星 座那样与用户保持相对固定的空间关系,系统采用星群互补工作的方式才能为用 户提供连续的服务。这样可使系统能够带病工作,即在中低轨星座中有一颗或几 颗卫星出现故障也不会给系统带来十分显著的影响,加之中、低轨小型卫星发射 容易,卫星只需地面备份,在出现故障时进行补充,提高了系统的抗毁性 低轨系统由于星座轨道低(2000公里以下),信号传播时延短,所以可支持 多跳通信;链路损耗小可降低对卫星和用户终端的要求,可采用微型/小型卫星 和手持机。但是低轨系统也为这些优势付出了较大的代价:由于轨道低,每颗卫 星所能覆盖的范围比较小,要构成全球系统需要数十颗卫星,如 IRIDIUM有66 颗卫星。 GLOBALSTAR有48颗卫星、 Teledisc有288颗卫星。 Inmarsat和 Odyssey 的研究表明,轨道越低系统投资越大。同时,由于低轨卫星的运动速度快,卫星 从地平线升起到再次落到地平线以下的时间较短,所以卫星间或波束间切换频 繁。因此,低轨系统构成方案和控制复杂,技术风险大。 中轨系统可以说是同步系统和低轨系统的折衷,中轨系统兼有这两种方案的 优点,同时又在一定程度上克服了这两种方案的不足之处。中轨星座的高度选为
图片 23：近地点 perigee,远地点 apogee 图片 25：下面将分别介绍同步轨道卫星通信系统（GEO）、中轨卫星通信系统 （MEO）、低轨卫星通信系统（LEO）各自的优劣点。 传统的同步轨道卫星通信系统的技术最为成熟，已经有各种关于同步卫星通 信系统的分析文献。自从同步卫星被用于通信业务以来，用同步卫星来建立全球 卫星通信系统已经成为了建立卫星通信系统的传统模式。但是，同步卫星有一个 不可克服的障碍，就是较长的传播时延和较大的链路损耗，严重影响到它在某些 通信领域的应用，特别是在卫星移动通信方面的应用。首先，同步卫星轨道高， 链路损耗大，对用户终端的有效全向辐射功率（EIRP）和接收机品质因数（G/T 值）的要求高。这种系统星座难于支持手持机直接通过卫星进行通信，或者需要 采用 12m 以上的星载天线（L 波段）；为了使手持式移动用户终端能够方便地通 过卫星进行通信，对卫星星载通信有效载荷提出了较高的要求，不利于以小卫星 技术在移动通信中的使用。其次，由于链路距离长，传播延时大，单跳的传播时 延就达到 250~270 毫秒，加上语音编码器等的处理时间则单跳时延将达到 350 毫秒左右，当移动用户通过卫星进行双跳通信时，时延将达到 700 毫秒，这是用 户所难以忍受的。为了避免这种双跳通信就必须采用星上处理使得卫星具有交换 功能，但这必将增加卫星的复杂度，不但增加系统成本，也有一定的技术风险。 轨道高度较低的中、低轨系统，由于链路损耗小，降低了对用户终端 EIRP 和 G/T 值的要求，可支持手持机直接通过卫星进行通信。同时，短的传播延时允 许移动台到移动台的两跳通信而不必采用星上交换处理。中轨和低轨系统在时延 和链路损耗等方面具有静止轨道系统无法比拟的优势，有利于低成本、小功率的 便携式用户终端和小卫星的利用。此外，中、低轨卫星系统的星座不能象静止星 座那样与用户保持相对固定的空间关系，系统采用星群互补工作的方式才能为用 户提供连续的服务。这样可使系统能够带病工作，即在中低轨星座中有一颗或几 颗卫星出现故障也不会给系统带来十分显著的影响，加之中、低轨小型卫星发射 容易，卫星只需地面备份，在出现故障时进行补充，提高了系统的抗毁性。 低轨系统由于星座轨道低（2000 公里以下），信号传播时延短，所以可支持 多跳通信；链路损耗小可降低对卫星和用户终端的要求，可采用微型/小型卫星 和手持机。但是低轨系统也为这些优势付出了较大的代价：由于轨道低，每颗卫 星所能覆盖的范围比较小，要构成全球系统需要数十颗卫星，如 IRIDIUM 有 66 颗卫星。GLOBALSTAR 有 48 颗卫星、Teledisc 有 288 颗卫星。Inmarsat 和 0dyssey 的研究表明，轨道越低系统投资越大。同时，由于低轨卫星的运动速度快，卫星 从地平线升起到再次落到地平线以下的时间较短，所以卫星间或波束间切换频 繁。因此，低轨系统构成方案和控制复杂，技术风险大。 中轨系统可以说是同步系统和低轨系统的折衷，中轨系统兼有这两种方案的 优点，同时又在一定程度上克服了这两种方案的不足之处。中轨星座的高度选为
10000Km左右,距离地面约为同步轨道的四分之一,链路损耗和传播时延都比较 小,中轨卫星仍可采用简单的小型卫星。如果中轨和低轨系统均采用星际链路, 研究表明当用户进行远距离通信时,中轨系统信息通过卫星星际链路子网的时延 将比低轨系统低。由于其轨道比低轨高许多,每颗卫星所能覆盖的范围比低轨系 统大得多,每颗卫星可以覆盖地球表面的23.5%(10000Km),因而只要几颗卫星 就可以覆盖全球,若有十几颗卫星就可以提供对全球大部分地区的双重覆盖,可 以利用分集接收来提高系统的可靠性,同时系统投资比低轨系统少。因此,从 定意义上说,中轨系统可能是建立全球或区域性卫星移动通信系统较为优越的方 案。当然,如果需要为地面终端提供宽带业务,中轨系统有一定困难的,而利用 低轨星座为髙速的多媒体卫星通信系统服务要优于中轨系统。 2第一章 图片13:在人类已经发射的卫星中,通信卫星只占其中的一部分。目前围绕地球飞行 的卫星中,大多数是有带有各种传感器的观察卫星,如气象卫星、电子侦察卫星、成像侦察 卫星、海洋监视卫星、预警卫星、核爆炸探测卫星、资源卫星、天文观测卫星;其他的是通 信卫星或是广播通信卫星,如亚太卫星、中星5号等。如果从1965年美国发射第一颗商用 同步卫星 INTELSAT-1(晨鸟)算起,卫星通信已经走过了整整35年的历程。目前在轨道 上运行的通信卫星有数百颗。在80年代和90年代初承担了国际通信业务量的70%。利用 卫星进行通信的科学设想最早是在1945年10月由英国空军雷达专家阿瑟C克拉克提出的。 他在《无线电世界》杂志上发表的一篇提为《地球外的中继站》的文章中,提出了在静态轨 道(即倾角为0的同步轨道)上放置三颗卫星来实现全球通信的设想,形成了著名的“卫星 覆盖通信说”。(早期人们的设想也许很容易变成现实,比如最早的自动电话交换机是在1892 由美国堪萨斯城的一个殡仪馆老板史端乔发明的。)但是这一设想直至1957年10月4日苏 联发射世界上第一颗人造地球卫星 SPUTNIK,才使人们看到实现通信卫星的希望。1%62年 7月美国成功地发射了第一颗通信卫星 Telestar,实验了横跨大西洋的电视和电话传输。但 是, Telestar并非在静止轨道上。第一颗静止轨道卫星则是1963年2月美国发射的 SYNCOM 实验卫星,它成功地转播了1964年东京奥运会的实况,使全世界看到了卫星通信的优越性 和实用价值。80年代和90年代上半期是卫星通信的“全盛期”,通信卫星为我们接通越洋 电话、传送电视节目和提供数据通信。1990年的海湾战争,美军利用2颗国防通信卫星和 租用商业卫星线路迅速组建通信网,这些通信卫星承担了几乎所有的通信负荷。90年代初 提出的各种通信卫星系统多至几十个,其中最著名的就是“铱”移动卫星通信系统和“全球 星”系统。这两个系统可以提供覆盖全球的移动电话业务。在波黑执行任务的美军飞行员每 人都配备了一部“铱”受机。这些卫星通信系统除了广播业务以外,基本上都只能提供话音 业务。所以从叨7年以后,廉价的地面通信系统的发展如光纤通信系统、蜂窝移动通信系统 的蓬勃发展,一下子大大压缩了卫星通信的市场,国内国际的骨干网通信负荷的80%以上 改由光纤网络承担。获得技术上巨大成功的“铱”移动卫星通信系统也惨遭倒闭,数十颗卫 星将燃烧在大气中。但是新的曙光出现了:军事通信的巨大需求和民用宽带卫星市场的急剧 扩大
10000Km 左右，距离地面约为同步轨道的四分之一,链路损耗和传播时延都比较 小，中轨卫星仍可采用简单的小型卫星。如果中轨和低轨系统均采用星际链路， 研究表明当用户进行远距离通信时，中轨系统信息通过卫星星际链路子网的时延 将比低轨系统低。由于其轨道比低轨高许多，每颗卫星所能覆盖的范围比低轨系 统大得多，每颗卫星可以覆盖地球表面的 23.5%(10000Km)，因而只要几颗卫星 就可以覆盖全球，若有十几颗卫星就可以提供对全球大部分地区的双重覆盖，可 以利用分集接收来提高系统的可靠性，同时系统投资比低轨系统少。因此，从一 定意义上说，中轨系统可能是建立全球或区域性卫星移动通信系统较为优越的方 案。当然，如果需要为地面终端提供宽带业务，中轨系统有一定困难的，而利用 低轨星座为高速的多媒体卫星通信系统服务要优于中轨系统。 2 第一章 图片 13：在人类已经发射的卫星中，通信卫星只占其中的一部分。目前围绕地球飞行 的卫星中，大多数是有带有各种传感器的观察卫星，如气象卫星、电子侦察卫星、成像侦察 卫星、海洋监视卫星、预警卫星、核爆炸探测卫星、资源卫星、天文观测卫星；其他的是通 信卫星或是广播通信卫星，如亚太卫星、中星 5 号等。如果从 1965 年美国发射第一颗商用 同步卫星 INTELSAT-1（晨鸟）算起，卫星通信已经走过了整整 35 年的历程。目前在轨道 上运行的通信卫星有数百颗。在 80 年代和 90 年代初承担了国际通信业务量的 70%。利用 卫星进行通信的科学设想最早是在 1945 年 10 月由英国空军雷达专家阿瑟 C.克拉克提出的。 他在《无线电世界》杂志上发表的一篇提为《地球外的中继站》的文章中，提出了在静态轨 道（即倾角为 0 的同步轨道）上放置三颗卫星来实现全球通信的设想，形成了著名的“卫星 覆盖通信说”。（早期人们的设想也许很容易变成现实，比如最早的自动电话交换机是在 1892 由美国堪萨斯城的一个殡仪馆老板史端乔发明的。）但是这一设想直至 1957 年 10 月 4 日苏 联发射世界上第一颗人造地球卫星 SPUTNIK，才使人们看到实现通信卫星的希望。1962 年 7 月美国成功地发射了第一颗通信卫星 Telestar，实验了横跨大西洋的电视和电话传输。但 是，Telestar 并非在静止轨道上。第一颗静止轨道卫星则是 1963 年 2 月美国发射的 SYNCOM 实验卫星，它成功地转播了 1964 年东京奥运会的实况，使全世界看到了卫星通信的优越性 和实用价值。80 年代和 90 年代上半期是卫星通信的“全盛期”，通信卫星为我们接通越洋 电话、传送电视节目和提供数据通信。1990 年的海湾战争，美军利用 2 颗国防通信卫星和 租用商业卫星线路迅速组建通信网，这些通信卫星承担了几乎所有的通信负荷。90 年代初 提出的各种通信卫星系统多至几十个，其中最著名的就是“铱”移动卫星通信系统和“全球 星”系统。这两个系统可以提供覆盖全球的移动电话业务。在波黑执行任务的美军飞行员每 人都配备了一部“铱”受机。这些卫星通信系统除了广播业务以外，基本上都只能提供话音 业务。所以从 97 年以后，廉价的地面通信系统的发展如光纤通信系统、蜂窝移动通信系统 的蓬勃发展，一下子大大压缩了卫星通信的市场，国内国际的骨干网通信负荷的 80%以上 改由光纤网络承担。获得技术上巨大成功的“铱”移动卫星通信系统也惨遭倒闭，数十颗卫 星将燃烧在大气中。但是新的曙光出现了：军事通信的巨大需求和民用宽带卫星市场的急剧 扩大
第三章 图片 卫星通信是在空间技术和地面微波中继通信技术的基础上发展起来的,靠大气层外卫星 的中继实现远程通信。其载荷信息的无线电波要穿越大气层,经过很长的距离在地面站和卫 星之间传播,因此它受到多种因素的影响。传播问题会影响到信号质量和系统性能,这也是 造成系统运转中断的一个原因,因此电波传播特性是卫星通信及其它无线通信系统进行系统 设计和线路设计时必须考虑的基本特性 图片2 卫星通信的电波要经过对流层(含云层和雨层)、平流层、电离层和外层空间,跨越距离 大,因此影响电波传播的因素很多。下表列出了有关的传播问题 链路预算在不同的卫星业务方面有不同的计算方法。卫星移动通信系统中,由于移动用 户的特点,使接收电波不可避免地受到山、植被、建筑物的遮挡反射、折射引起的多径衰落, 这是不同于固定业务卫星通信的地方。海面上的船舶、海面上空的飞机还会受到海面反射等 引起的多径衰落影响。固定站通信时,虽然存在多径传播,但信号不会快衰落,只有由温度、 湿度等引起的信号包络相对时间的缓慢变化,当然条件是不能有其它移动物体造成电波的反 射等情况发生。 图片3 图片4: 图片5 图片6:电波在往返大气层时,要受到大气气体、云、雾、雪、降雨等的衰减损耗。这些 损耗附加在自由空间传播损耗上,随天气的变化比较明显 图片7雨衰 降雨衰减是电波在雨中传播时由于雨滴吸收和散射而产生的衰减,在 1~50GHz的频带内,降雨衰减量与降雨强度成正比。当电波的波长远大于雨滴 的直径时,衰减主要由雨滴吸收引起,当电波的波长变小或雨滴的直径增大时, 散射衰减的作用就增大,如图可以查到相应雨衰系数 仰角为θ的传播路径上的降雨衰减量为 LR=YRIR(O) YR是降雨衰减系数,定义为由雨滴引起的单位长度上的衰减,单位dB/km, 见左下图;lR(θ)是降雨地区的等效路径长度,定义为当仰角为θ时传播路径上 产生的总降雨衰减(dB)与对应于地球站所在地降雨强度的降雨衰减系数比(dB/ km),单位为km,右下图给出了以降雨强度为参变量的不同仰角时的降雨地区 的等效路径长度。 中国电波传播研究所于1987年底在全国选取了65个点进行降雨率的统计 研究,编制了“中国降雨率统计”。丨993年《电波科学学报》有文献硏究了我
第三章 图片 1： 卫星通信是在空间技术和地面微波中继通信技术的基础上发展起来的，靠大气层外卫星 的中继实现远程通信。其载荷信息的无线电波要穿越大气层，经过很长的距离在地面站和卫 星之间传播，因此它受到多种因素的影响。传播问题会影响到信号质量和系统性能，这也是 造成系统运转中断的一个原因，因此电波传播特性是卫星通信及其它无线通信系统进行系统 设计和线路设计时必须考虑的基本特性。 图片 2： 卫星通信的电波要经过对流层(含云层和雨层)、平流层、电离层和外层空间，跨越距离 大，因此影响电波传播的因素很多。下表列出了有关的传播问题。 链路预算在不同的卫星业务方面有不同的计算方法。卫星移动通信系统中，由于移动用 户的特点，使接收电波不可避免地受到山、植被、建筑物的遮挡反射、折射引起的多径衰落， 这是不同于固定业务卫星通信的地方。海面上的船舶、海面上空的飞机还会受到海面反射等 引起的多径衰落影响。固定站通信时，虽然存在多径传播，但信号不会快衰落，只有由温度、 湿度等引起的信号包络相对时间的缓慢变化，当然条件是不能有其它移动物体造成电波的反 射等情况发生。 图片 3： 图片 4： 图片 5： 图片 6： 电波在往返大气层时，要受到大气气体、云、雾、雪、降雨等的衰减损耗。这些 损耗附加在自由空间传播损耗上，随天气的变化比较明显。 图片 7 雨衰 降雨衰减是电波在雨中传播时由于雨滴吸收和散射而产生的衰减，在 1~50GHz 的频带内，降雨衰减量与降雨强度成正比。当电波的波长远大于雨滴 的直径时，衰减主要由雨滴吸收引起，当电波的波长变小或雨滴的直径增大时， 散射衰减的作用就增大，如图可以查到相应雨衰系数。 仰角为θ的传播路径上的降雨衰减量为： LR=γR·lR(θ) γR 是降雨衰减系数，定义为由雨滴引起的单位长度上的衰减，单位 dB／km， 见左下图；lR(θ)是降雨地区的等效路径长度，定义为当仰角为θ时传播路径上 产生的总降雨衰减(dB)与对应于地球站所在地降雨强度的降雨衰减系数比(dB／ km)，单位为 km，右下图给出了以降雨强度为参变量的不同仰角时的降雨地区 的等效路径长度。 中国电波传播研究所于 1987 年底在全国选取了 65 个点进行降雨率的统计 研究，编制了“中国降雨率统计”。l 993 年《电波科学学报》有文献研究了我
国各地及邻近地区的雨衰测量数据。提出了由地面雨衰减测量数据换算斜路径雨 衰减的方法、同时给出了0.01%时间的雨强的中国等值线图,提出了由10mn 积分雨强(常规气象数据)换算1m5n积分雨强(无线电气象数据)、由雨强的年度 统计换算最坏月统计的转换方法 图片8大气折射的影响 大气折射率随着高度增加,并随大气密度减小而减小,电波射线因传播路径 上的折射率随髙度变化而产生弯曲,波束上翘一个角度增量。而且这一偏移角还 因传播途中大气折射率的变化而随时变化 大气折射率的变动对穿越大气的电波起到一个凹透镜的作用,使电波产生微 小的散焦衰减,衰减量与频率无关。在仰角大于5度时,散焦衰减小于0.2dB。 此外,因大气湍流引起的大气指数的变化,使电波向各个方向上散射,导致波前 到达大口面天线时振幅和相位不均匀分布,引起散射衰落,这类损耗较小。 实际上大气折射还产生了大气闪烁现象 大气折射率的不规则变化,引起信号电波强度的变化,叫大气闪烁。这种闪 烁的衰落周期为数十秒。2-10GHz的大气闪烁是由于大气折射率的不规则性使 电波聚焦与散焦,与频率无关。30米天线,5度仰角,信号强度的起伏幅度o.6dB。 系统低仰角工作时应考虑大气折射和大气闪烁引起的信号强度的起伏 图片9电离层闪烁和多径 电离层中不均匀体的发生和发展,造成了穿越其中的电波的散射,使得电磁 能量在时空中重新分市,造成电波信号的幅度、相位、到达角、极化状态等发生 短期不规则变化。 观测数据表明,电离层闪烁发生的频率和强度与时间、地区太阳活动有关, 衰落强度还与工作频率有关。当频率髙于1GHz时影响一般大大减轻,卫星移动 通信系统的工作频率一般较低,电离层闪烁效应必须考虑,但即使是工作在C 波段的系统,在地磁低纬度地区也会发现电离层闪烁的影响。赤道区或低纬度区 指地磁赤道及其南北20°以内区域,20~50为中纬度区,地磁50以上为高纬度 区。在特定的条件下,更高的频段也能记录到电离层闪烁。例如,日本冲绳记录 到12GHz卫星信号PP值最大3dB的电离层闪烁事件,日本山川记录到2GHz 卫星信号P一P值为2.5dB的闪烁事件。我国处于世界上两个电离层赤道异常 驼峰区域之一,峰顶对着韶关一带。长江一线以南地区属于低纬度区,南海在地 磁赤道附近;长江一线以北地区属于中纬度区,但其中很大一部分地区属于闪烁 增强带,衰落明显大于一般中纬度区。 图片10: 有3类分析模型被用来描述卫星移动信诅的特性.即经验模型、概率分 布模型、几何分析模型。经验模型不能揭示传播过程伪物理本质,但可以描述出 对重要参数的敏感度;概率分市模型建立了对传播过程的理解,对实际情况作7 简化假设;几何分析模型用几何分析的方法。 能预测单个或多个散射源的作用,解释衰落机制,但需将结果扩展到实际的 复杂情况。 本节基于概率模型,描述卫星移动通信系统信道电波传播特性
国各地及邻近地区的雨衰测量数据。提出了由地面雨衰减测量数据换算斜路径雨 衰减的方法、同时给出了 0．01％时间的雨强的中国等值线图，提出了由 10min 积分雨强(常规气象数据)换算 1m5n 积分雨强(无线电气象数据)、由雨强的年度 统计换算最坏月统计的转换方法。 图片 8 大气折射的影响 大气折射率随着高度增加，并随大气密度减小而减小，电波射线因传播路径 上的折射率随高度变化而产生弯曲，波束上翘一个角度增量。而且这一偏移角还 因传播途中大气折射率的变化而随时变化。 大气折射率的变动对穿越大气的电波起到一个凹透镜的作用，使电波产生微 小的散焦衰减，衰减量与频率无关。在仰角大于 5 度时，散焦衰减小于 0．2dB。 此外，因大气湍流引起的大气指数的变化，使电波向各个方向上散射，导致波前 到达大口面天线时振幅和相位不均匀分布，引起散射衰落，这类损耗较小。 实际上大气折射还产生了大气闪烁现象。 大气折射率的不规则变化，引起信号电波强度的变化，叫大气闪烁。这种闪 烁的衰落周期为数十秒。2—10GHz 的大气闪烁是由于大气折射率的不规则性使 电波聚焦与散焦，与频率无关。30 米天线，5 度仰角，信号强度的起伏幅度 o．6dB。 系统低仰角工作时应考虑大气折射和大气闪烁引起的信号强度的起伏。 图片 9 电离层闪烁和多径 电离层中不均匀体的发生和发展，造成了穿越其中的电波的散射，使得电磁 能量在时空中重新分市，造成电波信号的幅度、相位、到达角、极化状态等发生 短期不规则变化。 观测数据表明，电离层闪烁发生的频率和强度与时间、地区太阳活动有关， 衰落强度还与工作频率有关。当频率高于 1GHz 时影响一般大大减轻，卫星移动 通信系统的工作频率一般较低，电离层闪烁效应必须考虑，但即使是工作在 C 波段的系统，在地磁低纬度地区也会发现电离层闪烁的影响。赤道区或低纬度区 指地磁赤道及其南北 20o 以内区域，20o~50o 为中纬度区，地磁 50o 以上为高纬度 区。在特定的条件下，更高的频段也能记录到电离层闪烁。例如，日本冲绳记录 到 12GHz 卫星信号 P-P 值最大 3dB 的电离层闪烁事件，日本山川记录到 20GHz 卫星信号 P－P 值为 2．5dB 的闪烁事件。我国处于世界上两个电离层赤道异常 驼峰区域之—，峰顶对着韶关一带。长江一线以南地区属于低纬度区，南海在地 磁赤道附近；长江一线以北地区属于中纬度区，但其中很大一部分地区属于闪烁 增强带，衰落明显大于一般中纬度区。 图片 10： 有 3 类分析模型被用来描述卫星移动信诅的特性．即经验模型、概率分 布模型、几何分析模型。经验模型不能揭示传播过程伪物理本质，但可以描述出 对重要参数的敏感度；概率分市模型建立了对传播过程的理解，对实际情况作 7 简化假设；几何分析模型用几何分析的方法。 能预测单个或多个散射源的作用，解释衰落机制，但需将结果扩展到实际的 复杂情况。 本节基于概率模型，描述卫星移动通信系统信道电波传播特性
卫星移动信道传播特性的概率分布模型用到了几种无线电波传播描述中 常用的概率密度函数: Rayleigh, Rician和 lognormal,并且基于某些物理原因在 分析过程中将其进行适当组合。 Rayleigh, Rician用于描述多径效应, lognormal 用于描述阴影返蔽作用。 图12 Rayleigh密度是 Rician分布的特殊情况,即当没有直视分量(Z=0)时,接收 信号全部由多径信号组成,其信号包络r的概率密度函数为: 图13: lognormal模型 卫星与地面站之间的直视信号被路边的树木或其它障碍物吸收或散射掉时, 阴影效应出现。此时的电压变量是由于阴影而成为 lognormal的。随机变量Z的 概率密度函数为 u/J和众。分别是1nZ的均值和方差。 当Z是用瓦特表示的功率时,则功率Z的对数正态密度函数是 f7(Z)」L12-.ex。m量坐之二尘1 图17 对于任何通信系统来说,噪声是限制其容量和性能的一个基本因素。由于卫 星通信系统的接收信号功率非常小,因此,对噪声的影响就更加敏感。对于一条 卫星通信链路来说,有几个源可能引入噪声。自然和人为噪声是由天线接收到的 热噪声是由接收机的第一级引人的;系统内部噪声是由系统内部器件的非线性产 生的;互调噪声是由于转发器的非线性造成的。本节将介绍主要的噪声类型 通信系统中使用的所有有源器件都会产生热噪声。为理解热噪声对系统性能 的影响,这里以电路中的一个电阻为例来说明。从电阻外部看,其内部电子自由 运动产生的能量就像是其两端施加了一个随机起伏的电压,此电压的均方值 e2(m)为: e(0=4kTB,R (2) 其中:k为波尔兹曼常数(=1.38054×10-23”焦耳/K),计算中常取为-228.6dBW /K·Hz;T为以K为单位的电阻的绝对温度;R为电阻值;Bn为测量带宽。 因此,电阻就像是一个噪声产生器。当负载与其匹配时,它能产生的最大功 率从为: P=e(0)/(4R)=kTB 这样,任何有源电子器件(如放大器)的噪声特征都可用上式所示的一个等效电 阻来定量表示其噪声功率。通常,一个有源器件产生的噪声都用噪声系数和等效 噪声温度来表示。 图18 卫星通信中,遇到的大部分电路是线性或近似线性的,因此,可以用一个线性网 络来描述。由于所有器件都会或多或少地产生噪声,这些内部噪声可能是热的也
卫星移动信道传播特性的概率分布模型用到了几种无线电波传播描述中 常用的概率密度函数：Rayleigh，Rician 和 1ognormal，并且基于某些物理原因在 分析过程中将其进行适当组合。Rayleigh，Rician 用于描述多径效应，1ognormal 用于描述阴影返蔽作用。 图 12： Rayleigh 密度是 Rician 分布的特殊情况，即当没有直视分量(Z＝0)时，接收 信号全部由多径信号组成，其信号包络 r 的概率密度函数为： 图 13：lognormal 模型 卫星与地面站之间的直视信号被路边的树木或其它障碍物吸收或散射掉时， 阴影效应出现。此时的电压变量是由于阴影而成为 lognormal 的。随机变量 Z 的 概率密度函数为； μ／J 和众。分别是 1nZ 的均值和方差。 当 Z 是用瓦特表示的功率时，则功率 Z 的对数正态密度函数是： f7(Z)—』』L12—．ex。r—量坐之二尘 1 图 17： 对于任何通信系统来说，噪声是限制其容量和性能的一个基本因素。由于卫 星通信系统的接收信号功率非常小，因此，对噪声的影响就更加敏感。对于一条 卫星通信链路来说，有几个源可能引入噪声。自然和人为噪声是由天线接收到的； 热噪声是由接收机的第一级引人的；系统内部噪声是由系统内部器件的非线性产 生的；互调噪声是由于转发器的非线性造成的。本节将介绍主要的噪声类型。 通信系统中使用的所有有源器件都会产生热噪声。为理解热噪声对系统性能 的影响，这里以电路中的一个电阻为例来说明。从电阻外部看，其内部电子自由 运动产生的能量就像是其两端施加了一个随机起伏的电压，此电压的均方值 ( ) 2 e t n 为： ( ) 4 ( ) 2 2 en t = kTBnR V 其中：k 为波尔兹曼常数（＝1.38054×10－23”焦耳／K），计算中常取为-228．6dBW ／K·Hz；T 为以 K 为单位的电阻的绝对温度；R 为电阻值；Bn 为测量带宽。 因此，电阻就像是一个噪声产生器。当负载与其匹配时，它能产生的最大功 率从为： n n n P = e (t)/(4R) = kTB 2 这样，任何有源电子器件（如放大器）的噪声特征都可用上式所示的一个等效电 阻来定量表示其噪声功率。通常，一个有源器件产生的噪声都用噪声系数和等效 噪声温度来表示。 图 18 卫星通信中，遇到的大部分电路是线性或近似线性的，因此，可以用一个线性网 络来描述。由于所有器件都会或多或少地产生噪声，这些内部噪声可能是热的也
可能不是,而为了分析、设计线路的方便,希望能把它们统统等效成热噪声来处 理,因而引人等效噪声温度的概念。 一个实际有源器件的等效噪声温度T定义为:若在该有源器件(本身产生 噪声)输人端连接一个无噪声电阻时的输岀噪声功率为ΔN(相当于环境温度下 该器件新増的噪声功率),则如果把该有源器件看成是理想(无噪声)有源器件 为在其输出端产生相同噪声功率而需要其输人端连接一个噪声温度为Tε的电 阻 图19 宇宙噪声源自外层空间,是由恒星和星际物质的热气体辐射的。平均宇宙噪 声功率随着频率的增加而下降,当频率髙于lGHz时,宇宙噪声功率可以忽略。 在天空中的某些部分,其噪声功率非常低(有时称为“冷空”);而在其他地方则 相对较高(称为“热空”)。天空中也存在一些离散的高强度的点噪声源(即通常 所说的“射电星”)。 图20: 卫星通信的一个显著特点是电波传扔的路径非常长,电磁波在转播过程 中将受到极大的衰减。譬如静止卫星与地球站之间约有40,000公里的路径,当 工作频率为6GHz时,仅自由空间传播损耗就达200分贝之多。因而卫星或地球 纳接收到的信号非常微弱。地球站接收到来自卫星的信号强度一般只有几个微微 瓦.所以卫星通信中噪声的影响是一个非常突出的问题。决定一条卫星通信线路 传输质量的最主要指标是,接收系统治入端的载波功率与噪声功率之比值,简称 信噪比。因为,对于模拟制卫星通信系统来说,载噪比决定了系统输岀端的信号 功率与噪声功率之比(信噪比):对于数字制卫星通信系统来说,载噪比决定了系 统输出端信号的误比特率。大家知道,信噪比与误比特率分别是这两类通信系统 的关锭性能指标。进行卫星通信线路的设计或分析,就必定要计算载噪比。这涉 及到发射端的发射功率与天线增益、传输过程中的各种损耗、传输过程中所引入 的各种噪声与干扰以及接收系统的天线增益、噪声性能等因素;这些因素中很多 又与工作频率有关。 这一节我们讨论卫星通信线路计算的基本公式。首先An0 图片21 卫星通信中,常常用有效全向辐射功率EIRP(或eirp)来代表地球站或通信 卫星发射系统的发射能力。它指的是天线所发射的功率P与该天线增益Gr的乘 EJRP=PTGT (W) 它表明了定向天线在最大辐射方向实际所辐射的功率.它比全向辐射时在这 个方向上所辐射的功率大Gr倍,名称上。“有效”也就是这个含义 图片22 为保证接收信号的质量,接收系统必须具有足够的裁噪比.当工作频率、信 号形式、卫星和地球站位置确定后,信号的传输损耗L以及接收系统的噪声等 效带宽Bn也就基本确定,这样,载噪比就决定于发瑞的ⅠRP]及收端的[G/∏ 我们把接收天线增益与接收系统总的等效噪声温度之比G/T的分贝值,称为接
可能不是，而为了分析、设计线路的方便，希望能把它们统统等效成热噪声来处 理，因而引人等效噪声温度的概念。 一个实际有源器件的等效噪声温度 Te 定义为：若在该有源器件（本身产生 噪声）输人端连接一个无噪声电阻时的输出噪声功率为ΔN（相当于环境温度下 该器件新增的噪声功率），则如果把该有源器件看成是理想（无噪声）有源器件， 为在其输出端产生相同噪声功率而需要其输人端连接一个噪声温度为 Te 的电 阻。 图 19 宇宙噪声源自外层空间，是由恒星和星际物质的热气体辐射的。平均宇宙噪 声功率随着频率的增加而下降，当频率高于 1GHz 时，宇宙噪声功率可以忽略。 在天空中的某些部分，其噪声功率非常低（有时称为“冷空”）；而在其他地方则 相对较高（称为“热空”）。天空中也存在一些离散的高强度的点噪声源（即通常 所说的“射电星”）。 图 20： 卫星通信的一个显著特点是电波传扔的路径非常长，电磁波在转播过程 中将受到极大的衰减。譬如静止卫星与地球站之间约有 40,000 公里的路径，当 工作频率为 6GHz 时，仅自由空间传播损耗就达 200 分贝之多。因而卫星或地球 纳接收到的信号非常微弱。地球站接收到来自卫星的信号强度一般只有几个微微 瓦．所以卫星通信中噪声的影响是一个非常突出的问题。决定一条卫星通信线路 传输质量的最主要指标是，接收系统治入端的载波功率与噪声功率之比值，简称 信噪比。因为，对于模拟制卫星通信系统来说，载噪比决定了系统输出端的信号 功率与噪声功率之比(信噪比)；对于数字制卫星通信系统来说，载噪比决定了系 统输出端信号的误比特率。大家知道，信噪比与误比特率分别是这两类通信系统 的关锭性能指标。进行卫星通信线路的设计或分析，就必定要计算载噪比。这涉 及到发射端的发射功率与天线增益、传输过程中的各种损耗、传输过程中所引入 的各种噪声与干扰以及接收系统的天线增益、噪声性能等因素；这些因素中很多 又与工作频率有关。 这一节我们讨论卫星通信线路计算的基本公式。首先ληθ 图片 21 卫星通信中，常常用有效全向辐射功率 EIRP(或 e.i.r.p)来代表地球站或通信 卫星发射系统的发射能力。它指的是天线所发射的功率 PT 与该天线增益 GT 的乘 积，即 EJRP＝PTGT (W) 它表明了定向天线在最大辐射方向实际所辐射的功率．它比全向辐射时在这 个方向上所辐射的功率大 GT 倍，名称上。“有效”也就是这个含义。 图片 22 为保证接收信号的质量，接收系统必须具有足够的裁噪比．当工作频率、信 号形式、卫星和地球站位置确定后，信号的传输损耗 L 以及接收系统的噪声等 效带宽 Bn 也就基本确定，这样，载噪比就决定于发瑞的[EIRP]及收端的[G／T]。 我们把接收天线增益与接收系统总的等效噪声温度之比 G／T 的分贝值，称为接
收系统性能因数或品质因数
收系统性能因数或品质因数．