什么是衛星通信

什么是衛星通信

衛星通信，就是利用通信衛星作為中繼站來轉發無線電波，實現兩個或多個地球站之間的通信。衛星通信是現代通信技術與航天技術相結合并由計算機實現其控制的先進通信方式

衛星通信具有覆蓋面積（區域）大，通信傳輸距離遠，通信頻帶寬、容量大，通信線路穩定、質量好，建設成網快、機動靈活，可以廣播方式工作、便于實現多址聯接，通信成本與通信距離無關等諸多優點。

通信衛星是指接收和轉發中繼信號，用來作為通信中介的人造地球衛星。按通信方式來分則可分為有源和無源兩種。由于無源通信衛星只是反射電波，需要大功率的發射機，大尺寸的接收天線和高靈敏的放大接收設備，對發送和接收設備的技術要求較高，費用昂貴，因而難以實用；有源通信衛星則在衛星上裝備了電源和接收、放大、發送設備，使地面接收設備簡化，易于實現。目前運行的均為有源衛星。通信衛星多采用低軌、大橢圓或地球同步軌道。目前，通信衛星絕大部分采用地球同步軌道，在地球赤道上空約36000km外圍繞地球的圓形軌道運行，繞地球轉一圈的時間是24小時，剛好與地球自轉同步，這樣相對于地球上的某一區域就像是靜止不動的一樣，又叫同步衛星，也叫靜止衛星，其運行軌道叫同步或靜止軌道。我們常常提到的VSAT衛星和我國相繼發射的幾顆通信衛星都屬于同步軌道衛星。近年來為大多數讀者耳熟能詳的幾個全球移動衛星通信系統，國際移動通信衛星（ICO）、銥（Iridium）和全球星（Globalstar）系統都屬于中軌道（MEO，5000km～15000km）、 低軌道（LEO，500km～1500km）衛星通信系統。通信衛星按工作區域可分為國際通信衛星、國內通信衛星和區域通信衛星。按應用領域則又可分為廣播電視衛星、跟蹤衛星、數據中繼轉發衛星、國防通信衛星、航空衛星、航海衛星、戰術通信衛星、艦隊通信衛星和軍用數據轉發衛星。

頻率的劃分：

作為無線電通信的一種，頻率的劃分非常重要。衛星通信工作頻段的選擇和劃分，直接影響衛星通信系統的通信容量、質量、可靠性、設備復雜程度和成本，也影響到與其它通信系統的協調。具體來說，要求頻帶足夠寬，電波傳播損耗盡可能小，外部噪聲盡可能小，與其它微波通信設備間的干擾盡可能小等。

目前，大部分國際通信衛星均采用上行6GHz／下行4GHz頻段，稱為C頻段，其中常規的500MHz帶寬，上行5925～6425MHz，下行3700～4200MHz；575MHz帶寬，上行5850～6425MHz ，下行3625～4200MHz。擴展的800MHz帶寬，上行5850～6650MHz，下行3400～4200MHz。隨著衛星通信業務量的增加，又開發使用了14／11、14／12GHz頻段，稱為Ku頻段。全球通用為上行14～14.25MHz，14.25～14.5MHz，下行10.95～11.2GHz，11.45～11.7GHz 。第Ⅰ區使用，上行14.00～14.50GHz，下行12.50～12.75GHz。第Ⅱ區使用，上行14.00～14.50GHz，下行11.7～11.95GHz，11.95～12.20GHz。第Ⅲ區使用，上行14.00～14.50GHz，下行12.20～12.50GHz，12.50～12.75GHz （Ⅰ區包括歐洲、非洲、前蘇聯的亞洲部分、蒙古、伊朗西部邊界以西的亞洲國家；Ⅱ區包括南、北美洲和格陵蘭、夏威夷；Ⅲ區包括亞洲的其它部分（含中國、澳大利亞、新西蘭）。另外還有30／20GHz，稱為Ka頻段，上行29.5～30GHz，下行19.7～20.2GHz。同步衛星移動業務使用1.6／1.5GHz頻段，稱為L頻段：上行1626.50～1660.50MHz，下行1524～1529MHz。

天象對衛星通信的影響

通信衛星、地球、月亮和太陽夜以繼日不停地在各自軌道上運行。當它們之間處于特定的相對位置時，會構成對衛星通信的影響，這就是通常所說的“天象影響”。地星食，當地球處在太陽和衛星之間，并成一條線的時候，由于地球陰影的原因，衛星的太陽能電池不能正常供電。日凌是影響衛星通信的另一種天象，其起因和地星食類似。也是在每年春分、秋分前后，太陽越過地球赤道平面，在衛星星下點，當地時間下午時分，衛星處于地球與太陽之間的連線上。這時，指向衛星的地球站的天線也就正好對準了太陽，強大的太陽噪聲導致通信中斷，即地球站收不到衛星信號了。這種現象就是日凌中斷現象。日凌中斷持續時間約6天，每次幾分鐘，約占全年通信時間的0.02％。

通信體制：

衛星通信體制主要包括調制方式和多址方式。調制方式有FM、PSK（移項鍵控調制）等調制方法。而多址技術則用以解決用戶入網時互不干擾地共用通信資源的問題。在一般衛星通信中采用的是FDMA、TDMA、CDMA等多址技術。

同步衛星

1945年，英國物理學家克拉克普在《無線電世界》雜志上發表題為《地球以外的中繼》的文章，預言人類能夠利用在赤道上空同步軌道上運行的衛星實現遠距離的通信。今天，這已成為現實。在一顆通信衛星天線的波束所覆蓋的地域內，各個地球站之間都可以通過衛星中繼轉發信號，實現通信。例如，當某地的地球站要和另一地區的地球站通信時，該站將無線電信號發射給衛星，衛星將收到的信號進行放大、頻率變換等處理后再轉發給另一地球站，于是就建立起該站和另一地球站之間的通信聯系。一顆距地球表面36000km（距地心42000km）遠的同步通信衛星，其天線波束覆蓋地域（即對地面的視區）超過地球表面的42.4％，只需要把3顆相隔120°的同步衛星送上天，就可以實現除南北極之外的全球通信。

同步衛星通信有如下優點：通信距離遠，經衛星“一跳”可及，最遠的通信距離可達13000km。通信不受地理條件的限制（如山河海洋的阻隔），也不受自然災害（如洪澇災害、地震災害等）和人為事件的影響。通信質量高。這首先是因為通常經過衛星一跳就可以把信息傳送到對方，不像微波接力通信引入噪聲；其次，無線電波主要在外層空間傳播，所受大氣折射和地面反射影響較小，有較好的傳播特性。通信容量大，6萬多人可同時打電話。適用于廣播型和用戶型業務。利用衛星通信可以在大范圍內點對多點地傳輸電視、廣播節目，這是難以用其它通信手段代替的。利用衛星通信，還可實現直達用戶辦公樓的交互數據傳輸，即也適用于用戶型業務，通信靈活、機動。衛星通信可以在兩點間提供中小容量的話音、數據通道，可以實現多址傳輸，還可以提供海上、空中移動通信服務。

同步衛星通信的缺點是：傳輸時延大。衛星通信中，信號經同步通信衛星一跳至對方地球站所實現的單向傳輸距離約80000km，要花費大約270ms的時間。高緯度地區難以實現衛星通信，在地球兩極附近，存在衛星通信的“盲區”。地球的同步軌道只有一條，兩顆衛星之間又必須有一定的間隔，因此軌道上可容納的同步通信衛星數量受到限制。

衛星通信系統由空間段和地面段兩部分組成。通信衛星和測控站合稱為空間段。典型地面段即地球站。

地球站是衛星通信系統的重要組成部分，它一般由天線、饋線設備、發射設備、接收設備、信道終端設備、電源設備、自動跟蹤設備以及臨近設備等組成。

拋物面天線的拋物面反射器把無線電波集中成窄窄的一束，有很強的方向性，減小無線電波在空間傳播時的損失，保證通信衛星上的轉發器和地球站設備接收正常的信號。憑借地球站中的自動跟蹤設備，天線始終瞄準天空中的衛星。

地球站由高功率放大器、低噪聲放大器、合路器、分配器、上變頻器、下變頻器、調制器、解調器以及基帶設備等組成。以電話通信為例，電話信號先從長途電話局經地面傳輸系統傳送到地球站。地球站中的基帶設備等對信號進行處理，使之成為符合衛星傳輸的基帶信號。然后此基帶信號送入調制器調制成為70MHz或140MHz的中頻信號。中頻信號再經上變頻器變頻，變換為載頻為6MHz的上行載波信號。此信號最后送至高功率放大器放大到所需的發射功率，由天線發往衛星。以上介紹的是信號在地球站發射設備中的處理過程。接收過程則正好相反。

甚小天線地球站（VSAT），略有不同。它天線直徑小，一般只有0.3～2.4m。用戶可憑借它直接利用衛星進行通信，而無需通過地面通信網的匯接。VSAT把高功率放大器、低噪聲放大器和上、下變頻器組合成為一個組件，叫做低噪組合器（LNB）或低噪聲變頻器（LNC），它可裝在室外，用電纜與室內單元連通，從而簡化了結構。

通信衛星由以下幾種主要設備組成：天線系統是衛星收發無線電信號的出入口。根據通信需要，天線有全球波束天線、區域波束天線、國內波束天線和點波束天線等多種?？臻g轉發器系統是衛星的主體，用于放大、變頻進而轉發天線收到的無線電信號。一顆通信衛星上有幾個到幾十個轉發器，每個轉發器能同時接收和轉發多個地球站的信號。位置控制和姿態控制系統用于保持和控制衛星在軌道上的正確位置和姿態。遙測指令系統用于將衛星工作情況及時通知地面測控站，并接收地面測控站發出的指令信號，使星上設備按指令動作。電源系統用于提供星上設備工作所需的電能，包括太陽能電池陣、蓄電池組等。以上這些設備，都安裝在用耐高溫、輕金屬材料做成的外殼內。

測控是跟蹤、遙測、指令和監測（TTC ＆ M）的簡稱。測控站的任務是準確可靠地跟蹤、測量衛星，對衛星進行軌道修正、位置保持以及姿態保持等控制。一個測控站可以測控多顆衛星，但一顆衛星在同一時間只能由一個特定的測控站測控。

中、低軌道非同步衛星

中、低軌衛星系統能提供局部、區域和全球通信且有與之對應的網絡結構。中、低軌衛星移動通信系統主要由三部分組成，即衛星、用戶終端和關口站。這三部分通過相應的鏈路接續起來，構成各種衛星移動通信網絡。這些鏈路有用戶鏈路，饋送鏈路、星間鏈路。關口站用於衛星移動通信網與公共電話網和地面移動網之間的接口，它完成協議轉換、流量控制、尋址、路由選擇、分組的打包和拆包等功能。它也是衛星網到網管及衛星控制系統的接續點。有的關口站本身就有網絡管理功能。

關口站通常使用高增益天線，而且要用幾副天線接收幾顆衛星信號。－個網使用的關口站數目很不相同，具有星上處理能力和星間鏈路的衛星移動通信網使用關口站較少。個人衛星通信的一個重要要求就是達到終端手持化，這當中手持終端的價格和重量因素涉及到個人衛星通信能否普遍使用的兩個因素。

采用非同步中、低軌道衛星的優點：傳播時延短，路徑損耗低，能更有效地頻率再用衛星研制周期短，能多星發射，衛星互為備份抗摧毀能力強，多星組網可實現真正意義的全球覆蓋。

面向21世紀的現代MEO／LEO衛星通信具有下述一些基本特征：

（1）具有全球／區域覆蓋能力，以適應未來個人化業務連接需要。

（2）利用極地軌道或網狀覆蓋傾斜軌道，一方面可彌補同步軌道資源的不足，另一方面又可支撐更優良的裝備實施與業務性能的需要。

（3）通信業務向多樣化、綜合化方向發展，以期與未來多媒體高速信息傳輸相溝通。

（4）由于可能與全球個人業務相連接，用戶終端可使用類似或兼容于陸地蜂窩移動系統的蓄電池供電的小型手持機。

（5）系統設計及網絡結構可提供進入或組合于現有公用通信網及陸地移動通信網的能力。

（6）網絡設計、系統構成、星間協調、星星處理等充分利用現代通信智能化、數字化及多媒體化的最新技術，以技術優勢換取市場競爭和價格／性能比上的優勢。

（7）除軌道資源擴充外，對頻率資源亦進行積極擴充，包括利用或混合利用Ku、Ka甚至EHF等高頻段，以及光頻段開發，以滿足高吞吐量寬帶業務傳輸及饋線鏈路和星際鏈路的構成需要。

寬帶衛星通信：

最初，在人們的印象中地面寬帶光纖網絡的建設將導致衛星通信的逐步沒落。然而由于衛星通信的特性，使它在新一代的寬帶浪潮中扮演著同樣重要的角色。特別是在中美海底光纜斷裂期間，更引起人們的關注。

1990年起至今，衛星通信領域進入一個重要的發展新時期，LEO、MEO和混合式軌道衛星通信系統開始廣泛應用于全球電信網，以滿足寬帶和移動用戶的各種需求。而在利用衛星實現寬帶互聯網應用上，歐美已有十幾個多媒體衛星系統設計方案相繼問世。已出臺的多媒體衛星系統主要有低軌大數量衛星群、同步軌道大功率衛星和中軌衛星群3種方案。它們針對不同的區域和用戶，采用不同的軌道，各有特點。同步軌道衛星（GEO）的多點廣播特性和低軌道衛星（LEO）的實時性和靈活性結合起來，可以很好地滿足高速交互式業務和廣播業務的需求。1同步軌道通信衛星星座系統：如勞拉空間公司的網絡之星（Cyberstar），意大利阿萊尼亞宇航公司的歐洲太空之路（Euro Skyway），洛馬公司的宇宙鏈路（Astro1ink）。同步軌道衛星星座三顆衛星就可基本實現全球覆蓋，但因軌道較高，路徑損耗較大，信號有較大的時延，對話音和圖像傳輸質量有一定的影響。2低軌道衛星星座系統：典型的是比爾。蓋茨和麥考倡議和投資的Te1edesic系統和阿爾卡特Skybridge。低軌道通信衛星的信號時延只有100ms左右，與目前陸地光纖系統大體相當，從而大大提高了話音和圖像的傳輸質量，可在任何兩個用戶之間提供近似實時的交互式業務。但低軌道衛星星座要覆蓋全球需要的衛星數目多，如Te1edesic設計衛星數目為288顆，Skybridge的設計衛星數目為64顆。相應地，系統的控制和網絡的管理比較復雜，從而增加了成本，系統投資規模大。3同步軌道衛星和非靜止軌道衛星的混合星座系統：， 休斯公司決， 定發展的太空之路， ， （Spaceway），由8顆同步軌道衛星和20顆中軌道衛星組成。另外，勞拉空間公司的CyberStar準備和阿爾卡特的Skybridge聯合起來?；旌辖Y構是為了利用同步軌道衛星和非靜止軌道衛星各自的優點和能力。同步軌道衛星適合于廣播分配業務和多播應用；而非靜止軌道衛星因高度低、時延小允許快速交互式響應，且因傳輸損耗小可使用小的低功率終端和小的天線。另外，未來衛星通信將會更多的使用Ka這一頻段，而這一頻段出現的雨衰現象已經可以得到較好的克服。

目前，在傳統衛星通信業務繼續應用的同時，非對稱Internet接入業務 、交互式衛星遠程教學、遠程醫療、雙向衛星會議電視、電子商務以及尋呼衛星覆蓋等業務已在和正在應用實現過程中。

VSAT：

對于國內的許多用戶來說，VSAT可以說讓人耳熟能詳，特別是基于它的Direc PC等技術，已經有多家公司可以在國內提供寬帶衛星數據接入服務。

VSAT是Very Small Aperture Terminal的簡稱，即甚小口徑的終端，實際表示意義是指一類具有甚小口徑天線的、非常廉價的智能化小型或微型地球站，可以方便地安裝在用戶處。

按VSAT的性質、用途、網絡結構和某些特征來對其進行分類。按VSAT支持的主要業務類型不同，可分為以下三類：以話音業務為主的VSAT系統，如TES。以數據業務為主的VSAT系統，如PES。以綜合業務為主的VSAT系統，如TSAT、NEXTAR。從VSAT網采用的網絡結構來看，也可分為三類：星形結構的VSAT系統，如PES。網形結構的VSAT系統，如TES。

除了個別寬帶業務外，VSAT衛星通信網幾乎可支持所有現有業務，包括話音、數據、傳真、LAN互連、會議電話、可視電話、低速圖像、可視電話會議、采用幀中繼接口的動態圖像和電視、數字音樂等。VSAT網可對各種業務分別采用廣播（點到多點）、收集（多點到點）、點到點雙向交互、點到多點雙向交互等多種傳遞方式。

VSAT通信網由VSAT小站、主站和衛星轉發器組成。數據VSAT衛星通信網通常采用星狀結構，采用星狀結構的典型VSAT衛星通信網示意圖如圖1所示。

圖1

主站也叫中心站或中央站，是VSAT網的心臟，與普通地球站一樣，使用大型天線，天線直徑一般約為3.5m～8m（Ku波段）或7m～13m（C波段）。在以數據業務為主的VSAT衛星通信網（下面簡稱數據VSAT網）中，主站既是業務中心也是控制中心。主站通常與主計算機放在一起或通過其它（地面或衛星）線路與主計算機連接，作為業務中心（網絡的中心結點）；同時在主站內還有一個網絡控制中心（NCC）負責對全網進行監測、管理、控制和維護。

由于主站涉及整個VSAT網的運行，其故障會影響全網正常工作，故其設備皆有備份。為了便于重新組合，主站一般采用模塊化結構，設備之間采用高速局域網的方式互連。

VSAT小站由小口徑天線、室外單元（ODU）和室內單元（IDU）組成。衛星轉發器一般采用工作于C或Ku波段的同步衛星透明轉發器。在數據VSAT衛星通信網中，小站和主站通過衛星轉發器構成星狀網，主站是VSAT網的中心結點。星狀網充分體現了VSAT系統的特點，即小站要盡可能小。其主站的有效全向輻射功率（EIRP）高，接收品質因數（G/T）大，故所有小站均可同主站互通。而小站之間不能直接通信，必須經主站轉發。

數據VSAT網通常是分組交換網，數據業務采用分組傳輸方式，其工作過程是這樣的：任何進入VSAT網的數據在發送之前先進行格式化，即把較長的數據報文分解成若干固定長度的信息段，加上地址和控制信息后構成一個分組，傳輸和交換時以一個分組作為整體來進行，到達接收點后，再把各分組按原來的順序裝配起來，恢復成原來的報文。

以星狀網的主站為參考點，數據VSAT網使用的衛星信道可以分為外向（Outbound）信道和內向（Inbound）信道。在數據VSAT網中，業務信道和控制信道是一致的，即業務子網和控制子網具有相同的星狀結構。主站通過衛星轉發器向小站發數據的過程叫外向傳輸。用于外向傳輸的信道（外向信道）一般采用時分復用方式（TDM）。從主站向各小站發送的數據，由主計算機進行分組化，組成TDM幀，通過衛星以廣播方式發向網中所有小站。每個TDM幀中都有進行同步所需的同步碼，幀中每個分組都包含有一個接收小站的地址。小站根據每個分組中攜帶的地址進行接收。

小站通過衛星轉發器向主站發數據的過程叫內向傳輸。用于內向傳輸的信道（內向信道）一般采用隨機爭用方式（ALOHA一類），也有采用SCPC和TDMA的。由小站向主站發送的數據，由小站進行格式化，組成信道幀（其中包括起始標記、地址字段、控制字段、數據字段、CRC和終止標記），通過衛星按照采用的信道共享協議發向主站。

Direc PC是一種VSAT系統，由美國的休斯公司提出，采用外交互方式。它利用現有的通信衛星，工作在Ku（11/14GMHz）頻段，同時利用了Internet信息傳輸的不對稱性，將用戶的上、下行數據分離，相對較少的上行數據可通過現有的電話Modem、ISDN和DDN專線等方式傳輸，而大量的下行數據則通過72M的寬帶衛星轉發器直接發送到用戶端，在用戶端只需裝上一個75厘米的Ku天線，并連到已經插入計算機內的一塊衛星接收卡上，再裝上相應的軟件，即可上網瀏覽。所以衛星寬帶接入具有信道利用率高、速度快（400k的瀏覽和下載速度）、不受地域限制、安裝簡便、價格低等優勢。（如圖2）

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圖2

衛星寬帶接入技術不僅可以提供穩定、快速的接入服務，同一套設備還可以接收運營商提供的各種信息，如股票行情、金融信息等。利用它可以實現諸如遠程教育等多種應用，如圖3中星在線的遠程教育方案。

圖3

在國內以色列的吉來特公司的VSAT系統也在作為寬帶衛星接入系統被采用，比如東方衛星網絡公司提供的衛星教育和上網服務。與Direct PC不同的是，它采用內交互式星狀衛星網絡可以提供雙向的衛星傳輸，在用戶終端處采用接收卡和發射卡。通信頻段使用Ku波段，支持TCP/IP協議，主站出境信息速率2 Mbps～ 40 Mbps。