基本介紹
- 中文名：衛星通信系統
- 外文名：Satellite communication system
- 組成部分：衛星端、地面端、用戶端
- 用途區分：綜合業務通信衛星、電視直播衛星
簡介,分類,特點,發展趨勢,成功案例,
簡介
衛星通信系統由衛星端、地面端、用戶端三部分組成。衛星端在空中起中繼站的作用，即把地面站發上來的電磁波放大後再返送回另一地面站，衛星星體又包括兩大子系統：星載設備和衛星母體。地面站則是衛星系統與地面公眾網的接口，地面用戶也可以通過地面站出入衛星系統形成鏈路，地面站還包括地面衛星控制中心，及其跟蹤、遙測和指令站。用戶端即是各種用戶終端。
在微波頻帶，整個通信衛星的工作頻帶約有500MHz寬度，為了便於放大和發射及減少變調干擾，一般在星上設定若干個轉發器。每個轉發器被分配一定的工作頻帶。目前的衛星通信多採用頻分多址技術，不同的地球站占用不同的頻率，即採用不同的載波。比較適用於點對點大容量的通信。近年來，時分多址技術也在衛星通信中得到了較多的套用，即多個地球站占用同一頻帶，但占用不同的時隙。與頻分多址方式相比，時分多址技術不會產生互調干擾、不需用上下變頻把各地球站信號分開、適合數字通信、可根據業務量的變化按需分配傳輸頻寬，使實際容量大幅度增加。另一種多址技術是碼分多址(CDMA)，即不同的地球站占用同一頻率和同一時間，但利用不同的隨機碼對信息進行編碼來區分不同的地址。CDMA採用了擴展頻譜通信技術，具有抗干擾能力強、有較好的保密通信能力、可靈活調度傳輸資源等優點。它比較適合於容量小、分布廣、有一定保密要求的系統使用。
分類
工作軌道
按照工作軌道區分，衛星通信系統一般分為以下3類：
2.1.1、低軌道衛星通信系統(LEO)：
距地面500—2000Km，傳輸時延和功耗都比較小，但每顆星的覆蓋範圍也比較小，典型系統有Motorola的銥星系統。低軌道衛星通信系統由於衛星軌道低，信號傳播時延短，所以可支持多跳通信；其鏈路損耗小，可以降低對衛星和用戶終端的要求，可以採用微型/小型衛星和手持用戶終端。但是低軌道衛星系統也為這些優勢付出了較大的代價：由於軌道低，每顆衛星所能覆蓋的範圍比較小，要構成全球系統需要數十顆衛星，如銥星系統有66顆衛星、Globalstar有48顆衛星、Teledisc有288顆衛星。同時，由於低軌道衛星的運動速度快，對於單一用戶來說，衛星從地平線升起到再次落到地平線以下的時間較短，所以衛星間或載波間切換頻繁。因此，低軌系統的系統構成和控制複雜、技術風險大、建設成本也相對較高。
2.1.2、中軌道衛星通信系統(MEO)：
距地面2000—20000Km，傳輸時延要大於低軌道衛星，但覆蓋範圍也更大，典型系統是國際海事衛星系統。中軌道衛星通信系統可以說是同步衛星系統和低軌道衛星系統的折衷，中軌道衛星系統兼有這兩種方案的優點，同時又在一定程度上克服了這兩種方案的不足之處。中軌道衛星的鏈路損耗和傳播時延都比較小，仍然可採用簡單的小型衛星。如果中軌道和低軌道衛星系統均採用星際鏈路，當用戶進行遠距離通信時，中軌道系統信息通過衛星星際鏈路子網的時延將比低軌道系統低。而且由於其軌道比低軌道衛星系統高許多，每顆衛星所能覆蓋的範圍比低軌道系統大得多，當軌道高度為l0000Km時，每顆衛星可以覆蓋地球表面的23．5%，因而只要幾顆衛星就可以覆蓋全球。若有十幾顆衛星就可以提供對全球大部分地區的雙重覆蓋，這樣可以利用分集接收來提高系統的可靠性，同時系統投資要低於低軌道系統。因此，從一定意義上說，中軌道系統可能是建立全球或區域性衛星移動通信系統較為優越的方案。當然，如果需要為地面終端提供寬頻業務，中軌道系統將存在一定困難，而利用低軌道衛星系統作為高速的多媒體衛星通信系統的性能要優於中軌道衛星系統。
2.1.3、高軌道衛星通信系統(GEO)：
距地面35800km，即同步靜止軌道。理論上，用三顆高軌道衛星即可以實現全球覆蓋。傳統的同步軌道衛星通信系統的技術最為成熟，自從同步衛星被用於通信業務以來，用同步衛星來建立全球衛星通信系統已經成為了建立衛星通信系統的傳統模式。但是，同步衛星有一個不可克服的障礙，就是較長的傳播時延和較大的鏈路損耗，嚴重影響到它在某些通信領域的套用，特別是在衛星移動通信方面的套用。首先，同步衛星軌道高，鏈路損耗大，對用戶終端接收機性能要求較高。這種系統難於支持手持機直接通過衛星進行通信，或者需要採用l2m以上的星載天線(L波段)，這就對衛星星載通信有效載荷提出了較高的要求，不利於小衛星技術在移動通信中的使用。其次，由於鏈路距離長，傳播延時大，單跳的傳播時延就會達到數百毫秒，加上語音編碼器等的處理時間則單跳時延將進一步增加，當移動用戶通過衛星進行雙跳通信時，時延甚至將達到秒級，這是用戶、特別是話音通信用戶所難以忍受的。為了避免這種雙跳通信就必須採用星上處理使得衛星具有交換功能，但這必將增加衛星的複雜度，不但增加系統成本，也有一定的技術風險。
目前，同步軌道衛星通信系統主要用於VSAT系統、電視信號轉發等，較少用於個人通信。
通信範圍
按照通信範圍區分，衛星通信系統可以分為國際通信衛星、區域性通信衛星、國內通信衛星。
用途區分
按照用途區分，衛星通信系統可以分為綜合業務通信衛星、軍事通信衛星、海事通信衛星、電視直播衛星等。
轉發能力
按照轉發能力區分，衛星通信系統可以分為無星上處理能力衛星、有星上處理能力衛星。
特點
3.1、下行廣播，覆蓋範圍廣：對地面的情況如高山海洋等不敏感，適用於在業務量比較稀少的地區提供大範圍的覆蓋，在覆蓋區內的任意點均可以進行通信，而且成本與距離無關；
3.2、工作頻頻寬：可用頻段從150MHz～30GHz。目前已經開始開發0、v波段(40～50GHz)。ka波段甚至可以支持l55Mb可s的數據業務；
3.3、通信質量好：衛星通信中電磁波主要在大氣層以外傳播，電波傳播非常穩定。雖然在大氣層內的傳播會受到天氣的影響，但仍然是一種可靠性很高的通信系統；
3.4、網路建設速度快、成本低：除建地面站外，無需地面施工。運行維護費用低；
3.5、信號傳輸時延大：高軌道衛星的雙向傳輸時延達到秒級，用於話音業務時會有非常明顯的中斷；
3.6、控制複雜：由於衛星通信系統中所有鏈路均是無線鏈路，而且衛星的位置還可能處於不斷變化中，因此控制系統也較為複雜。控制方式有星間協商和地面集中控制兩種。
發展趨勢
未來衛星通信系統主要有以下的發展趨勢：
4.1、地球同步軌道通信衛星向多波束、大容量、智慧型化發展；
4.2、低軌衛星群與蜂窩通信技術相結合、實現全球個人通信；
4.3、小型衛星通信地面站將得到廣泛套用；
4.4、通過衛星通信系統承載數字視頻直播(DvB)和數字音頻廣播(DAB)；
4.6、微小衛星和納衛星將廣泛套用於數據存儲轉發通信以及星間組網通信。
成功案例
凡是通過移動的衛星和固定的終端、固定的衛星和移動的終端或二者均移動的通信，均稱為衛星移動通信系統。從20世紀80年代開始，西方很多公司開始意識到未來覆蓋全球、面向個人的無縫隙通信，即所謂的個人通信全球化，即5W{Whoever（任何人）\Wherever（任何地點）\Whenever（任何時間）\ Whomever（任何人） \Whatever，（採用任何方式）}的巨大需求，相繼發展以中、低軌道的衛星星座系統為空中轉接平台的衛星移動通信系統，開展衛星行動電話、衛星直播/衛星數字音頻廣播、網際網路接入以及高速、寬頻多媒體接入等業務。至上世紀90年代，已建成並投入套用的主要有：銥星(Iridium)系統、Globalstar系統、ORBCONN系統、信使系統(俄羅斯)等。以下給出其中幾種成功案例。
銥星系統
銥星系統屬於低軌道衛星移動通信系統，由Motorola提出並主導建設，由分布在6個軌道平面上的66顆衛星組成，這些衛星均勻的分布在6個軌道面上，軌道高度為780 km。主要為個人用戶提供全球範圍內的移動通信，採用地面集中控制方式，具有星際鏈路、星上處理和星上交換功能。銥星系統除了提供電話業務外，還提供傳真、全球定位(GPS)、無線電定位以及全球尋呼業務。從技術上來說，這一系統是極為先進的，但從商業上來說，它是極為失敗的，存在著目標用戶不明確、成本高昂等缺點。目前該系統基本上已復活，由新的銥星公司代替舊銥星公司，重新定位，再次引領衛星通信的新時代。
Gb系統
Globalstar系統設計簡單，既沒有星際電路，也沒有星上處理和星上交換功能，僅僅定位為地面蜂窩系統的延伸，從而擴大了地面移動通信系統的覆蓋，因此降低了系統投資，也減少了技術風險。GIobalstar系統由48顆衛星組成，均勻分布在8個軌道面上，軌道高度為1389 km。它有4個主要特點：一是系統設計簡單，可降低衛星成本和通信費用；二是移動用戶可利用多徑和多顆衛星的雙重分集接收，提高接收質量；三是頻譜利用率高；四是地面關口站數量較多。
全球通信
IC0系統採用大衛星，運行於10390 km的中軌道，共有10顆衛星和2顆備份星，布置於2個軌道面，每個軌道面5顆工作星，1顆備份星。提供的數據傳輸速率為140 kbR/s，但有上升到384kbrt/s的能力。主要針對為非城市地區提供高速數據傳輸，如網際網路接入服務和行動電話服務。
E0系統
Ellips0系統是一種混合軌道星座系統。它使用17顆衛星便可實現全球覆蓋，比銥系統和Globalstar系統的衛星數量要少得多。在該系統中，有10顆星部署在兩條橢圓軌道上，其軌道近地點為632 km，遠地點為7604 km，另有7顆星部署在一條8050 km高的赤道軌道上。該系統初步開始為赤道地區提供行動電話業務，2002年開始提供全球行動電話業務。
Om系統
軌道通信系統0rbcomm是只能實現數據業務全球通信的小衛星移動通信系統，該系統具有投資小、周期短、兼備通信和定位能力、衛星質量輕、用戶終端為手機、系統運行自動化水平高和自主功能強等優點。Orbcomm系統由36顆小衛星及地面部分(含地面信關站、網路控制中心和地面終端設施)組成，其中28顆衛星在補軌道平面上：第l軌道平面為2顆衛星，軌道高度為736/749 km；第2至第4軌道平面的每個軌道平面布置8顆衛星，軌道高度為775 km；第5軌道平面有2顆衛星，軌道高度為700km，主要為增強高緯度地區的通信覆蓋；另外8顆衛星為備份。
Tc系統
Teledesic系統是一個著眼於寬頻業務發展的低軌道衛星移動通信系統。由840顆衛星組成，均勻分布在21個軌道平面上。由於每個軌道平面上另有頒備用衛星，備用衛星總數為84顆，所以整個系統的衛星數量達到924顆。經最佳化後，投入實際使用的Teledesic系統已將衛星數量降至288顆。Teledesic系統的每顆衛星可提供l0萬個l6kb/5的話音信道，整個系統峰值負荷時，可提供超出100萬個同步全雙工El速率的連線。因此，該系統不僅可提供高質量的話音通信，同時還能支持電視會議、互動式多媒體通信、以及實時雙向高速數據通信等寬頻通信業務。
