Question

卫星通信技术基本原理

Answer 1

一、卫星通信的基本工作原理

卫星通信简单地说就是利用卫星在空间做信号反射的作用将一个地面站的信号传输到另一个地面站，就如同镜面反射的道理类似。

镜面反射原理如图3-3所示。

面状覆盖：由于反射面远在太空，所以其覆盖面是地球表面广阔的区域（图3-4）。

卫星通信和地面有线通信不同的就是卫星传输的每一路无线信号都是单独占用一段空间无线频率的，例如做双向2M 通信的A、B 两点卫星站将占用4M的空间带宽，其中2MHz频率用于从A 点往B 点发射信号、另2MHz频率用于从B点往A点发送信息，一般情况下这两个频率是不可重复的。

图3-3 镜面反射原理

图3-4 面状覆盖

二、同步卫星通信特点

通信卫星是围绕地球运行，其运行轨迹是圆形或椭圆形的，而卫星运行轨道的平面是一定通过地球球心的。卫星运行轨道面与地球赤道平面的夹角“i”就叫做卫星轨道倾角。

i=0°时为赤道轨道、i=90°时为极地轨道，其他倾斜角时为倾斜轨道。

卫星通信中最长用到的是静止轨道卫星也就是同步轨道卫星，它采用的就是赤道轨道，其特点如下（图3-5）：

1）同步轨道卫星在地球赤道的上方36000km;

2）地球赤道的周长约为40000km;

3）星与星间最安全的距离为2.5°。

用同步卫星做通信时，信号往返一次地面到卫星需要传输7万多千米，而电磁波的传输速度为30×104km/s，因此卫星通信信号的传输是一定会有时延的（图3-6）。卫星通信传输的信号做一次地面到卫星的往返就叫做信号一跳，信号一跳的传输时延：0.25s/跳。

图3-5 同步轨道卫星

图3-6 卫星通讯的信号时延

可以根据卫星信号的传输方式来确定卫星通信的方式：

1）双跳方式：信息从源地址经卫星中继后先到达一个中转卫星站（一般为网管主站）；再次经卫星中继后才到达目的地址卫星通信系统。

2）单跳方式：信息从源地址经卫星中继后直接到达目的地址的卫星通信系统，用户站通过主站进行呼叫建立。

用户间的通信是独立完成的。

卫星通信的频段特点如下（图3-7）：

图3-7 卫星通信的频段及频率范围

1）L波段：L波段资源十分匮乏，只有少数的应用系统能用到，如海事卫星、GPS、北斗卫星等，用户上传的数据速率有限，可用于数据量极小的短信、遥测和文本传送等。

2）C波段：C波段频率较低，受雨雾天气的影响较小，信号覆盖均匀，对于国内内陆以外区域应用较为理想；它的不足之处是天线系统体积庞大，受地面微波通信等设备的干扰可能性大，国家对C波段卫星站点建设仍有较严格的技术要求。

3）Ku波段：Ku波段频率稍高，它的天线设备体积比C波段的要小很多，它的信号覆盖有很强的针对性，在我国沿海海域，近海应用还可以，但到了远洋海域要实现通信就比较困难了，相对C波段来说，Ku波段抵抗雨雾衰耗能力要弱，一般来说，在遇到大雨以上的天气时有通信中断的可能。

4）Ka波段：目前只有由泰国某集团控制的IPStar卫星通信系统使用这个频段，而且只用于从卫星控制中心到卫星的部分，用户部分还是使用Ku频段。

目前在国内使用最多的是Ku波段卫星，对Ku波段卫星通信影响最大的就是气候原因，如下雨天（图3-8）。

图3-8 气候对卫星通信的影响

三、卫星通信的多址技术概念介绍

卫星通信时从多个不同的地面站发往卫星的射频信号需要在卫星转发器上进行射频信道复用。为了共用一颗卫星同时进行多边通信，要求各地面站发射的信号在转发器上互不干扰。为此，就需要事先规定和划分好传输信息所必需的频率、时间、波形和空间等，并合理地分配给进行通信的各个地面站。这种以不同的划分方式应用在通过卫星建立多个站点间通信的技术就叫做多址技术。

目前可应用的多址技术有：频分多址（FDMA/SCPC）；时分多址（TDMA）；码分多址（CDMA）；空分多址（SDMA）。

1）频分多址（FDMA/SCPC）：是按频率划分空间资源的方式，就是各个地面站分配不同的工作频率，使其工作时互不干涉。常见的成熟系统代表如 Comtech的Vipersat系统。

2）时分多址（TDMA）：是一种给每个地面站规定工作时隙的空间资源分配方式，各个地面站工作在同一频率上，只是不同的站在规定好的不同时间分别使用频率而互不干涉。常见的成熟系统代表如Linkstar、iDirect系统。

3）码分多址（CDMA）：是一种给各个地面站分配一个专属的地址码的扩频通信多址方式。工作时所有地面站可以不受发射时间和频率的限制（可以相互重叠），只是接收端会根据匹配的地址码收取信息。

4）空分多址（SDMA）：是一种按地域划分空间波束覆盖的技术，就是由卫星发出的是多个窄波束，分别指向不同的空间区域，这样就可以不同区域里使用同样的频率进行工作，也不受时间限制，但在同一波束里工作的地面站还是必须采用FDMA/TDMA/CDMA中的一种方式来划分使用的资源，以使工作互不干涉。常见的成熟系统代表如iPstar系统。

四、如何查看和利用卫星覆盖图——典型的卫星覆盖图案例介绍

卫星EIRP覆盖和G/T覆盖示意图是我们进行设备配置及链路计算时经常要用到的，从卫星信号覆盖图上可以查到卫星公司提供的相应卫星在各地接收及发射信号的相对能力强弱情况。通过EIRP信号覆盖示意图（图3-9），可以考察卫星转发下来的信号在各地覆盖强弱关系，图中等值线标值越高代表信号强度越大，相应地在该地可配置的天线口径就可以相对减小；通过G/T信号覆盖示意图（图3.10），可以考察卫星针对各地上行信号的接收灵敏度，同样图中等值线标值越高的地方表示在需要同等发射能力的情况下可以配置相对较小的功放。

具体精确的天线及功放配置需要通过卫星公司做专业的链路计算得到，但相对关系可以通过覆盖图得到。例如，在EIRP值为52、D/T 值为5的地区（参考地区：北京）配置了一面2.4m天线、16W 功放；如果需要按同样的发射接收能力在EIRP值为49、D/T值为2的地区（参考地区：呼和浩特）配置天线和功放，需要相应改为3.7m 天线和32W功放。

图3-9 卫星EIRP覆盖示意图（dBW）

图3-10 卫星G/T覆盖示意图（dB/K）