卫星通信基础

卫星通信基础 / Satcom ABC

来源 http://www.satcomengr.com/Satcom/satcom.htm

 

静止卫星 / GSO satellite

•静止卫星工作在位于赤道平面的圆轨道上，卫星的运行周期为24小时。由于静止的运转方向和角速度与地球的自转方向和角速度相同，卫星的空间位置与地面任意地点的相对空间关系固定不变。

GSO satellites are locating and operating at geostationary orbit. Geostationary orbit is a circular one, with its revolution period of 24 hours. A GSO satellite appears stationary above the earth, because of its running direction and orbital velocity is as same as the earth’s rotational direction and speed respectively. Therefore, an earth station could point to the satellite at fixed elevation and azimuth angles.

由静止卫星的轨道位置示意图可见，地球的平均半径约为6378公里，静止卫星的轨道高度约为35786公里，轨道半径约为42,164公里。从静止卫星看地球，地球的角直径约为17.4度。

As the sketch map of geostationary orbit shown, the earth’s mean radius is about 6378 km, while the altitude and orbit radius of a GSO satellite is approximately equal to 35786 km and 42164 km respectively. Looking from a GSO satellite, the earth’s diameter is about 17.4º in angle.

 

在采用EquiRectengular投影方式的静止卫星的覆盖范围示意图中，三条绿线分别对应东经105.5度卫星的0度、15度、及30度仰角服务区。图中的0度仰角服务区表明，静止卫星只能覆盖到南北纬大约80度处，南北两极附近的高纬度地区并不在静止卫星的服务区内。由15度仰角服务区的经度覆盖范围大致有140度可知，只需轨位间隔约为120度的三颗静止卫星，就可以覆盖南北纬70度以下的绝大部分地球表面。

Adopting EquiRectengular projection method, the sketch map of the coverage of a GSO satellite located in 105.5ºE longitude presents three green lines denoting service areas of elevation 0º, 15º and 30º respectively. The service area of 0º elevation indicates that a GSO satellite could only cover the area between 80ºN and 80ºS latitude, while higher latitude areas near north pole and south pole would be out of the service. On the other hand, the service area of 15º elevation could cover the area about 140 degrees in longitude, it shows that only three GSO satellites with 120ºorbital space one another could cover most of the earth surface where latitude not higher than 70º.

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卫星通信的历史与现况 / Satcom, the past and the present

英国的空军军官Arthur C Clarke于1945年著文提出利用静止卫星提供全球微波通信的设想。

In 1945, Arthur C. Clarke, a British air force officer, conceived the idea to effect global microwave communication by GSO satellites.

卫星通信大致经历了如下发展阶段：1950年代中期，利用气球卫星等进行无源反射式通信试验；1960年前后，利用低轨卫星作存储转发式通信试验；1960年代初，利用中、高轨卫星进行越洋通信试验；1964年，利用静止通信卫星对东京奥运会作了实况转播；1965年，国际通信卫星组织发射Intelsat-I；同年，苏联也开始提供卫星通信业务。

The satcom development steps are as follows: The earliest space communication was experienced in mid 1950s, when some balloon-satellites were used as passive reflectors. Around 1960, store and then transit tests were held on low earth orbit (LEO) satellites. In early 1960s, people could communicate across the ocean by mid or high earth orbit (MEO or HEO) satellites. In 1964, GSO satellite was used for live broadcast for Tokyo Olympic Game. Intelsat-1 was launched in 1965 as the first commercial communication satellite, and Soviet Union began its satcom service as well in the same year.

目前，已有第9代Intelsat卫星在轨提供服务。卫星通信成为经济上最为成功的空间技术。仅在东亚和东南亚就有中国、日本、韩国、印度尼西亚、泰国、马来西亚、新加坡、菲律宾等国拥有在轨的静止通信卫星。我国现有5家通信卫星公司，拥有10颗在轨通信卫星，总通信容量约为370个（36MHz）标准转发器。

Nowadays, the 9^th generation Intelsat satellites are providing service in orbit, and satcom has become most successful space technology in economy. Only in east and south-east Asia regions, there are 8 countries including China, Japan, Korea, Indonesia, Thailand, Malaysia, Singapore and Philippines which possess communication satellites. And China has now 5 satcom companies with 10 communication satellites in orbit, and the total communication capacity is approximately 370 standard transponders (36MHz bandwidth per transponder).

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卫星通信的特点 / Properties of satcom

4卫星通信是以人造通信卫星为中继站的微波中继通信 ，其特点主要为：

 

覆盖范围大——通信成本与通信距离无关，适用于广播方式，便于网络快速扩容及站点应急部署，不容易查找干扰源；

通信距离长——传输延时长，传播损耗大

工作频率较高——带宽和通信容量较大，部分频段存在降雨衰耗

建网和使用成本高——地球站设备和天线、以及网管系统的一次性投入，专业建站 人员的施工费用，卫星转发器（带宽资源与功率资源）的租金

Satcom is one kind of microwave communication by utilizing communication satellite as a relay station and it has the following properties.

• Wide coverage: cost independent of distance, well suitable for broadcasting, easier network expansion and quicker remote installation, but difficult in finding interfering resources

• Long distance: long time delay and high loss in propagation

• High frequency: wider bandwidth and larger capacity, but higher rain attenuation in some frequency bands

• High cost: more expensive in installation and operation which including earth station equipments and antennas, the network management system, installation expense, and the rent for transponder resource

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卫星通信的分类 / Classifications for satcom

按照业务划分：

固定卫星业务（FSS, Fixed Satellite Service）

广播卫星业务（BSS, Broadcasting Satellite Service）

移动卫星业务（MSS, Mobile Satellite Service）

According to services types:

• FSS, Fixed Satellite Service, satcom service for fixed earth stations

• BSS, Broadcasting Satellite Service, broadcasting service for audio, video and data

• MSS, Mobile Satellite Service, communication service for mobile users

按照工作频段划分：

L频段，1-2GHz，移动通信、声音广播

S频段，2-3GHz，移动通信、图像广播

C频段，4-6GHz，固定通信、声音广播

X频段，7-8GHz，固定通信（通常用于政府和军方业务）

Ku频段，10-14GHz，固定通信、电视直播

Ka频段，17-31GHz，固定通信、移动通信

According to operational frequency bands:

• L-band, 1-2GHz, for mobile communication and audio broadcastingr

• S-band, 2-3GHz, for mobile communication and video broadcasting

• C-band, 4-6GHz, for fixed communication and audio broadcasting

• X-band, 7-8GHz, for fixed communication (especially for government and military service)

• Ku-band, 10-14GHz, for fixed communication and broadcasting

• Ka-band, 17-31GHz, for fixed and mobile communication

按照轨道高度划分：

低轨（LEO），轨道高度低于5000公里

中轨（MEO），轨道高度在5000到20000公里之间

高轨（HEO），轨道高度高于20000公里

According to orbital altitude:

• LEO, Low Earth Orbit, lower than 5000 km

• MEO, Medium Earth Orbit, between 5000 and 20000 km

• HEO, High Earth Orbit, higher than 20000 km

按照轨道类型划分：

形状——圆轨道与椭圆轨道

倾角——赤道轨道、倾斜轨道、极轨道

对地静止轨道（GEO）——在赤道平面上的圆轨道，轨道高度约为36000公里

According to orbital types:

• Type: circle orbit and ellipse orbit

• Inclined angle: equator orbit, inclined orbit and polar orbit

按照转发器类型划分：

透明信道——又称弯管式（bend pipe），不对收自地面的信号作解调处理，经过变频后直接转发回地面

星上处理——对收自地面的信号作解调和交换处理、以及变频和波束选择后，再转发回地面

存储转发——暂时存储收自地面的信号，在特定的时间和地点回传给地面，通常用于低轨小卫星

According to transponder types:

• Transparent channel or bend pipe: frequency conversion and carrier transmission, without demodulate and other process

• On-broad processing: including carrier demodulation and switching, even beam exchange

• Store and transit: normally for LEO mini-satellite, the received signals will be stored temporarily, and then transmitted back to the earth at desired time and location

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常用工作频段

从地面发送上卫星的载波工作频段称为上行频段，从卫星向地面发送的载波工作频段称为下行频段。上行频段的工作频率通常高于下行频段。

 

固定卫星业务的常用工作频段：

C频段——上行5850-6425MHz，下行3725-4200MHz，上下行频率之差通常为2225MHz

C扩展频段——上行6425-6725MHz，下行3400-3700MHz，上下行频率之差通常为3025MHz

Ku频段——在中国所在的ITU 3区，上行14.0-14.5GHz，下行12.25-12.75GHz，上下行频率差通常为1750或1748MHz

 

ITU 3区的广播卫星业务常用工作频段：

Ka频段上行，17.3-17.8GHz

Ku频段上行，14.5-14.8GHz（仅分配给部分国家）

Ku频段下行，11.7-12.2GHz

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常用极化方式

电磁波辐射的电场矢量方向可按旋转或线性方式变化，对应的两种电磁波分别被称为圆极化波和线极化波。圆极化包含相互正交的左旋和右旋两种极化方式，线极化包含相互正交的水平和垂直两种极化方式。

 

在相同的频段同时使用水平和垂直（或者左旋和右旋）这两种相互正交的极化方式，被称为交叉极化频谱复用。采用交叉极化频谱复用方式的通信卫星可以双倍利用频谱资源。

 

地区性和国内通信卫星多采用双线极化复用方式。国际卫星组织的C频段转发器多采用双圆极化复用方式。

 

国际电联分配的电视直播频段采用双圆极化复用方式。由于圆极化电波在穿越雨区时，更容易产生去极化效应，降低交叉极化隔离度。国际电联规定，广播卫星在经过协调后，也可以改用双线极化复用方式。

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频率极化计划与通信转发器

由通信卫星的频率极化计划图可见，通信卫星的整个工作频段通常被分为多个子频段。每个子频段都由一套滤波、变频和放大电路构成独立的传输通道，相关的电路设备被称为通信转发器。

C频段转发器的带宽通常为36MHz或72MHz，Ku频段转发器的带宽通常为54MHz或36MHz

透明信道方式的通信转发器只对信号作滤波、变频和放大处理：（接收天线定向接收上行信号，低噪声放大器对上行信号进行预放大，）输入带通滤波器选择上行信号中的相关频率分量，混频器对信号作上行/下行频率转换，信道放大器用于调整转发器的增益，功率放大器对输出信号作功率放大，输出带通滤波器限制带外噪声对相邻转发器的影响，（发送天线定向发送下行信号。）   

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分贝的概念

卫星通信所用的放大倍数和传输损耗等的数值都很大，不便于用真数表示和比较。如果用以10为底的对数，即贝尔（Bel）表示时，又因单位过大而不很方便。常用单位为分贝（dB，decibel），即贝尔的1/10。采用对数后，还可以将乘除运算简化为加减运算。

以分贝形式表示的计算单位有：

增益或损耗单位dB 

    功率关系，G_dB = 10 log₁₀ (P₁ / P₂)

    电压关系，G_dB = 20 log₁₀ (V₁ / V₂)

    电流关系，G_dB = 20 log₁₀ (I₁ / I₂)

功率单位dBW或dBm

    1W = 0dBW  

    1mW = 0dBm

    0dBW = 30dBm

带宽单位dBHz

    1Hz = 0dBHz  

    1kHz = 30dBHz

    1MHz = 60dBHz

天线增益单位dBi

温度单位dBk，等等

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传输损耗

自由空间传输损耗的计算公式：

    Lf = (4pd/l)²

    [Lf] = 10 lg (4pd/l)² = 20 lg (4pd/l)

4上式中的l为信号的波长，即光速与信号频率的比值

    l = c / f = 3 * 10⁸ / f  (m)

 

传输损耗与距离的平方成正比，传输损耗与信号频率的平方成正比。

 

当传输距离为3万6千公里时，

    4GHz信号的自由空间传输损耗约为195.6dB

    6GHz信号的自由空间传输损耗约为199.1dB

    12GHz信号的自由空间传输损耗约为205.2dB

    14GHz信号的自由空间传输损耗约为206.5dB

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面反射天线

卫星通信采用定向天线聚集信号能量，克服超长距离传输带来的极大损耗。卫星通信地球站常用抛物面反射天线。通信广播卫星多采用抛物面结构的波束赋型天线。

与全向天线相比，定向天线对信号能量的放大倍数为天线增益。天线增益与信号频率的平方成正比。抛物面反射天线的增益与天线口径的平方成正比。

 

天线增益随辐射球面的角坐标而变化的分布图为天线方向图。抛物面天线的方向图通常由一个主瓣和多个旁瓣构成。主瓣为圆柱状，旁瓣通常为环柱状。从主瓣、第一旁瓣、近旁瓣、远旁瓣、直到后瓣的天线增益，在总体上随偏轴角的增加而呈递减趋势。为了直观表示，本应由三维极坐标表示的天线方向图也可被分解为两个直角坐标图。直角坐标方向图的X轴为天线的方位角或者俯仰角，Y轴为对应于不同角度的天线增益值。赋型天线的方向图可用等值线图表示。

 

抛物面天线的主瓣波束宽度与信号频率、以及天线口径成反比。天线主瓣的半功率波束宽度（波束中心与天线增益从峰值下降3dB的偏轴方向的夹角）的估算公式为

    HPBW = (35 to 36) l/D

　

为使增益分布能符合不同服务区的要求，卫星天线多采用赋型波束设计。赋型天线通常分为单反射面复合馈源、以及单馈源赋型反射面等两种设计方式。

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转发器的主要参数

卫星转发器的三个主要参数为G/T、SFD与EIRP。G/T和SFD反映卫星接收系统在其服务区内的性能，它们与卫星接收天线的增益分布线性相关。EIRP反映转发器的下行功率，它与卫星发送天线的增益分布线性相关。

卫星天线增益随天线指向与工作频率而变。因此，转发器参数随服务区内的不同地点而变，同一地点的不同转发器参数也有差异。特定地点的转发器参数可从城市参数列表或等值线分布图中查到 。

G/T为接收系统的品质因数（figure of merit）。它是接收天线增益G与接收系统噪声温度T之比值，单位为dB/k。G/T的计算公式为

    G/T = G_R – T_S

式中的G_R为卫星天线的接收增益，T_S为卫星接收系统的噪声温度。

饱和通量密度SFD为，当转发器被推到饱和工作点时，上行载波在接收天线口面所达到的通量密度。它反映卫星转发器对上行功率的需求量，单位为dBW/m²。SFD与G/T的关系为

    SFD = constant + attn – G/T

式中的constant为反映转发器增益的计算常数，其数值多在-100与-90之间，constant越小，转发器的增益就越高；attn为转发器的增益调整量，它可由地面遥控改变，用于调整SFD的灵敏度。用户在作链路计算时，应向卫星公司了解相关转发器attn的当前设置值，并且据此对从图表查到的SFD数据作修正。

 

有效全向辐射功率EIRP为卫星转发器在指定方向上的辐射功率。它为天线增益与功放输出功率之对数和，单位为dBW。EIRP的计算公式为

    EIRP = P – Loss + G_T 

式中的P为放大器的输出功率，Loss为功放输出端与天线馈源之间的馈线损耗，G_T为卫星天线的发送增益。

由对比同一颗通信卫星的C频段EIRP分布图和Ku频段EIRP分布图可知，C频段转发器的服务区大，通常覆盖几乎所有的可见陆地，适用于远距离的国际或洲际业务；Ku频段转发器的服务区小，通常只覆盖一个大国或数个小国，只适用于国内业务。C频段转发器的EIRP通常为36到42dBW，G/T通常为-5到+1dB/k，地面天线的口径一般不小于1.8米；Ku频段转发器的EIRP通常为44到56dBW，G/T通常为-2到+8dB/k，地面天线口径有可能小于1米。另一方面，C频段因为电波传播通常不受气候条件的影响，适用于可靠性较高的业务；Ku频段转发器则因电波传播可能遭受降雨衰耗的影响，只适用于建网条件较差、天线尺寸和成本受限的业务。

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I/O关系曲线与功率回退

卫星转发器通常采用行波管功率放大器。行波管放大器是一种非线性放大器，放大器输入功率与输出功率的关系可由I/O关系曲线表示。图中的纵坐标和横坐标分别为放大器的输出功率和输入功率。曲线的顶点对应于放大器的饱和输出功率。曲线从左至右可被大致分为三个区。左侧为线性区，输出功率和输入功率呈线性关系，最高点为放大器的线性工作点。线性工作点和饱和点之间为非线性区，输出功率的增幅低于输入功率的增幅。饱和点的右侧为过饱和区，输出功率将随输入功率的增大而下降。

饱和输出功率与曲线上某个点的输出功率之差值为该功率点的输出回退值（OBO，Output Back-off），饱和输入功率与某个实际输入功率的差值为该功率点的输入回退值（IBO，Input Back-off）。I/O关系曲线以饱和功率，即曲线的顶点所对应的最大功率为参考点。饱和功率点的输出回退值和输入回退值均为0。

转发器在多载波工作时，将产生互调分量，降低工作性能。为了避免互调干扰，所有载波的总功率应该不超过转发器的线性功率，以使转发器工作在线性条件下。转发器线性工作点的OBO和IBO分别为转发器的线性OBO和线性IBO。

放大器的线性工作点越接近于饱和点，多载波条件下的最大输出功率就越高。采用行波管放大器的转发器线性OBO通常为4.5dB。部分加装线性器的转发器，可以提高多载波条件下的转发器总输出功率，其线性OBO通常为3dB。

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