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卫星通信系统及技术发展

时间:2017-07-03  来源:高端装备发展研究中心   发布:高端装备网 
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  卫星通信简单地说就是地球上(包括地面和低层大气中)的无线电通信站间利用卫星作为中继而进行的通信。

 

  通信卫星起中继作用,把一个地球站送来的信号经变频和放大传送给另一端的地球站;地球站是卫星系统与地面系统的接口,地面用户通过地球站出入卫星通信系统,形成连接电路;为了保证系统的正常运行,卫星通信系统还必须要有测控系统和监测管理系统配合,测控系统对通信卫星的轨道位置进行测量和控制,以保持预定的轨道,监测管理系统对所有通过卫星有效载荷的通信业务进行监测管理,以保持整个系统安全、稳定地运行。

 

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  与微波中继通信及其他通信方式相比,卫星通信主要具有以下特点:

 

  (1)通信覆盖区域大,通信距离远:地球同步轨道(GEO)卫星距地面高度35860km,只需一个卫星中继转发,就能实现1万多公里的远距离通信;每一颗卫星可覆盖全球表面的42.4%,用3颗GEO卫星就可以覆盖除两极纬度76°以上地区以外的全球表面及临地空间。

 

  (2)可将其广播性与各种多址连接技术相结合构成庞大的通信网:在一颗卫星所覆盖的区域内,不必依赖显式的交换,只需利用卫星中继传输和多址/复用技术就能构成拥有许多地面用户的大型通信网。

 

  (3)机动灵活:卫星通信的建立不受地理条件的限制,随地可建;通信终端可由飞机、汽车、舰船搭载,甚至个人随身携带;建站迅速,组网灵活。

 

  (4)通信频带宽、通信容量大:通信信道处于微波频率范围,频率资源丰富不断发展。

 

  (5)信道质量好、传输性能稳定:卫星通信链路一般都是自由空间传播的视距通信,传输损耗很稳定而可准确预算,多径效应一般都可忽略不计,除非是采用很低增益天线的移动通信或个人通信终端。

 

  (6)通信设备的成本不随通信距离增加而增加,因而特别适于远距离以及人类活动稀少地区的通信。

 

  早期GEO卫星转发器主要是C和Ku频段,各有500 MHz带宽,其上行分别位于6GHz,14GHz附近,下行分别位于4GHz,12GHz附近;每个转发器的带宽有33 MHz,36 MHz,54 MHz等;Ku后来扩展到800 MHz。

 

  最近十几年Ka频段2GHz带宽得到了广泛应用,上行、下行分别位于20GHz,30GHz附近。此外还有UHF,L和S频段各有1530MHz的带宽可用于卫星移动通信,分别位于0.4 GHz、1.6 GHz、2 GHz左右。

 

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常用字母代码和业务频段对应表

  注:对于空间无线电通信,K和Ka频段一般只用字母代码Ka表示;相应代码及频段范围非正式标准,仅作简化称呼参考之用。

  资料来源:中华人民共和国无线电频率划分规定

 

  以上各频段的可用频带不一定连成一片。采用天线正交极化、多波束卫星天线、低轨道卫星群等技术,可使上述频率重复使用许多次,可用频率资源扩大许多倍。此外采用空间激光通信技术扩展信道资源,特别是星际激光通信链路,其容量可与光纤通信相比拟,而抗干扰抗截获能力更强。

 

  目前,国内外卫星通信系统热门技术主要包括空间激光通信技术、Ka频段卫星通信技术、多波束卫星天线技术、卫星通信抗干扰技术等。

 

  空间激光通信技术

 

  空间激光通信也称为无线光通信,它是指利用激光束作为载波在空间直接进行语音、数据、图像等信息传输的一种技术。空间通信技术的基本原理实质上就是,信息电信号通过调制加载在激光上,通信的两端通过初定位和调整,再经过光束的捕获、瞄准、跟踪建立起光通信链路,然后再通过光在真空或大气信道中传输信息。空间激光通信系统按照功能主要分为以下几个部分:光源系统、发射和接收系统、信标系统、捕获、瞄准和跟踪系统四大块。

 

  空间激光通信系统所涵盖的平台有深空探测器、GEO卫星、LEO卫星空间站、临近空间平台、航空平台、地面平台、水面平台等,不同平台间可构成不同的空间激光通信链路。其突出特点是是搭载在运动平台上,以激光器作为光源,并以小束散角发射,实现高速率、远距离信息传输。例如,星际激光通信系统、星地激光通信系统、空空激光通信系统等。

 

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  空间激光通信是在外层空间进行的通信,由于具有损耗小、成本低、容量大、光定向性好等优点,在超大容量长距离数字通信系统中,尤其适用于星际链路间长距离、干线通信。在ESA和NASA未来的深空探测计划中,激光通信将成为深空探测活动的主要通信方式。

 

  Ka频段卫星通信技术

 

  Ka频段的特点是频点高和可用带宽宽,可提供更大的通信容量,以及用户终端可使用更小尺寸的天线等,具体来说有:

 

  (1)高速宽带通信。Ka频段可用带宽3.5GHz,而C和Ku频段都低于1GHz,因此数据吞吐量大,可有效降低通信成本,为用户提供更多更快的服务;

 

  (2)卫星天线口径小。Ka频段卫星的点波束有较高的EIRP值,在相同尺寸天线接收时能获得比C和Ku频段更高的天线增益,因此天线尺寸减小;

 

  (3)终端设备小巧。除天线外,接收设备射频设备也可以小型化,使得设备体积小重量轻,适合携带使用,并且设备架设占地很小,安装开通方便快捷;

 

  (4)抗干扰性能优越。一方面可用带宽宽,干扰容限大;另一方面自然和人为干扰在Ka频段功率都较小,因此Ka卫星通信抗干扰性能较高。

 

  鉴于Ka频段卫星通信的诸多优点,国际上许多国家争相发展此项技术研究。

 

  Ka频段卫星主要应用于高速卫星通信、宽带数字传输、HDTV(高清电视)、SNG(卫星新闻采集)、VSAT业务、DTH(直接到户)业务及个人卫星通信等新业务,在应急通信、农村宽带、远程医疗、远程教育等方面有较好的发展前景。

 

  现投入商业运营主要有以下Ka频段卫星:

 

  加拿大Telesat(通信卫星)公司的Anik-F2卫星,主要用于美国和加拿大边远地区和农村的宽带通信业务;

 

  泰国Shin公司的IPSTAR卫星,主要用于亚太地区的广播和宽带通信业务;

 

  美国Hughes(休斯)公司的DirecTV系列卫星,主要用于北美的广播电视直播到户业务;Hughes公司的Spaceway-3卫星,主要用于北美、阿拉斯加、夏威夷和部分拉美地区的IP数据和宽带多媒体应用业务;

 

  英国Avanti(艾万蒂)公司的Hylas-1/2卫星,主要用于欧洲、中东和非洲的宽带互联网通信业务;

 

  SES公司的Astra-3B卫星,主要用于欧洲和中东的广播电视直播到户业务和双向宽带通信业务。

 

  多波束卫星天线技术

 

  多波束天线是指一种利用同一口径而同时产生多个不同指向波束的天线。自1975年发射的国际通信卫星首次采用多波束天线以来,卫星多波束大线技术发展迅速。目前在轨运行ACeS的Garuda卫星采用了具有140余个点波束的多波束天线,Thuraya卫星的多波束天线能够产生200多个点波束,美国NASA的先进通信技术卫星(ACTS)则配置了新型的具有波束扫描功能的快速跳变多波束天线。

 

  卫星配置多波束天线具有以下优点:

 

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  此外,多波束天线还可以实现波束“凝视”,使天线波束的扫描角在一定时间内保持不变,或者实现波束重构(reconfiguration ),以适应对地覆盖区域的变化,从而使系统具有很大的灵活性。

 

  随着太空飞船、科学探测站、地球观测站、通信卫星、广播电视卫星等太空技术的发展,多波束天线技术将面临着新的挑战不难预料,在未来卫星通信系统中,多波束天线,无论作为卫星有效载荷,还是作为地球站共用设备,必将成为一种特色产品,发挥出相当重要的作用。

 

  下一代卫星通信主要考虑大覆盖范围、不对称性的宽带等业务。另一方面,随着现在通信业务的多样性,现有的频段资源难于满足各式各样的通信业务发展,不难预测未来的业务发展必定向着上行通信和下行通信相互分离的方向发展,因此Ka频段的开发研究对于未来的通信尤为重要,有限的共享资源动态的在用户之间进行合理高效的分配成为解决未来通信业务不对称性的有效途径,而多波束天线对卫星通信的系统容量、频率利用率等性能的提高有着巨大的潜能优势。

 

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  卫星通信抗干扰技术

 

  在卫星通信中,卫星会受到很多不同的干扰,根据划分标准不同,也可以划分中很多不同的种类。

 

  按其来源划分,主要有以下几种。

 

  各个卫星通信系统之间的相互干扰

 

  地面系统与卫星通信系统之间的电磁干扰

 

  来自自然界的自然干扰

 

  一般通过两方面来做到提高通信系统抗干扰能力,即提高系统干扰容限和降低接收机输入干信比。

 

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  卫星通信抗干扰技术都有其规律性。直接序列扩频、跳频和自适应天线调零技术都具有很好的抗干扰能力,但也有各自弱点,需要根据实际情况加以改善和处理。

 

  卫星通信抗干扰技术的研究是一项长期而艰巨的任务,在进行卫星通信技术研究的过程中,需要特别关注:在加强新的卫星通信抗干扰技术研究的基础上,积极探索出更多的新的科学的通信体制,设计出一套预测能力强,并且具有最低限度保障的卫星通信系统。这种卫星通信系统不仅需要具备信号处理技术,而且能够在卫星上综合使用各种不同的抗干扰技术抵抗各种类型的干扰,同时,需要在组网能力和业务支持种类方面具备很高的灵活性。

 

  高端装备发展研究中心报告推介:《国内外卫星通信系统技术应用及发展趋势调研报告》、《国内外Ka波段卫星通信系统技术发展及应用前景调研报告》等,如需订购或委托定制相关课题报告请联系我们;010-52882700/57325805

 

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