第 6 章 移动卫星通信系统

1. 第6章 移动卫星通信系统 zy29209@163.com

2. 6.1 移动卫星系统的分类及特点 • 6.2 移动卫星通信的电波传播 • 6.3 静止轨道(GEO)移动卫星通信系统 • 6.4 低轨道(LEO)移动卫星通信系统 • 6.5 中轨道(MEO)移动卫星通信系统

3. 6.1 移动卫星通信系统的分类及特点 • 第一代移动卫星通信系统：模拟信号技术 • 1976年，由3颗静止卫星构成的MARISAT系统成为第1个提供海事移动通信服务的卫星系统（舰载地球站40W发射功率，天线直径1.2米） • 1982年，Inmarsat-A成为第1个海事移动卫星电话系统

4. 第二代移动卫星通信系统：数字传输技术 • 1988年，Inmarsat-C成为第1个陆地移动卫星数据通信系统 • 1993年，Inmarsat-M和澳大利亚的Mobilesat成为第1个数字陆地移动卫星电话系统，支持公文包大小的终端 • 1996年，Inmarsat-3可支持便携式的膝上型电话终端

5. 第三代移动卫星通信系统：手持终端 • 1998年，铱（Iridium）系统成为首个支持手持终端的全球低轨移动卫星通信系统 • 2003年以后，集成了卫星通信子系统的全球移动通信系统（UMTS/IMT-2000）

6. 6.1.1 移动卫星通信系统的组成 • 空间段——卫星转发器 • 地面段 • 地面主站，也称网关站或信关站。负责公用电话交换网、蜂窝通信网和移动卫星通信网的转接 • 网络控制中心 • 卫星控制中心 • 用户段——移动终端，手持终端

7. 6.1.2 移动卫星通信系统网络结构

8. ETSI建议的卫星个人通信网络结构——四种

9. 结构（a）中，空间段采用透明转发器，系统依赖于地面网络来连接信关站，卫星没有建立星际链路的能力，移动用户间的呼叫传输延时至少等于非静止轨道卫星两跳的传输延时加上信关站间的地面网络传输延时。结构（a）中，空间段采用透明转发器，系统依赖于地面网络来连接信关站，卫星没有建立星际链路的能力，移动用户间的呼叫传输延时至少等于非静止轨道卫星两跳的传输延时加上信关站间的地面网络传输延时。 • 全球星系统采用该结构方案为移动用户提供服务。

11. 结构（b）同样没有采用星际链路，使用静止轨道卫星提供信关站之间的连接。静止卫星的使用减少了系统对地面网络的依赖，但会带来数据的长距离传输。该结构中，移动用户间的呼叫传输延时至少等于非静止轨道卫星两跳的传输延时加上静止轨道卫星一跳的传输延时。

13. 结构（c）使用了星际链路来实现相同轨道结构的卫星进行互连。系统仍然需要信关站来完成一些网络功能，但对其的依赖性已经下降。移动用户间的呼叫传输延时是变化的，依赖于在卫星和星际链路构成的空中骨干网络路由选择。结构（c）使用了星际链路来实现相同轨道结构的卫星进行互连。系统仍然需要信关站来完成一些网络功能，但对其的依赖性已经下降。移动用户间的呼叫传输延时是变化的，依赖于在卫星和星际链路构成的空中骨干网络路由选择。 • 铱系统采用该结构方案为移动用户提供服务。

15. 结构（d）中使用了双层卫星网络构建的混合星座结构。非静止轨道卫星使用星际链路进行互连，使用轨间链路（IOL：Inter-Orbit Links）与静止轨道数据中继卫星互连。移动用户间的呼叫传输延时等于两个非静止轨道卫星半跳的延时加上非静止轨道卫星到静止轨道卫星的一跳的延时。在该结构中，为保证非静止轨道卫星的全球性互连，需要至少3颗静止轨道中继卫星。

16. 6.1.3 移动卫星通信系统的分类 • 按用途分 • 海事移动卫星系统(MMSS) • 航空移动卫星系统(AMSS) • 陆地移动卫星系统(LMSS)

17. 海事移动卫星系统系统(MMSS) • MMSS旨在帮助海上救援工作，提高船舶使用效率和管理水平，改善海上通信业务和提高无线定位能力。 • 其在海事上的应用包括：直拨电话、传真、电子邮件和数据连接等。

18. 航空移动卫星系统系统(AMSS) • AMSS的主要用途是在飞机与地面之间为机组和乘客提供话音和数据通信。 • 其在航空上的应用包括：驾驶舱语音、数据、自动位置与状态报告和乘客直播电话等。

19. 陆地移动卫星系统系统(LMSS) • LMSS的主要用途是针对陆地上的移动用户而言，主要用户是陆地上行驶的车辆。此外，向目前地面蜂窝移动通信所不能覆盖的地区提供服务，特别对幅员辽阔、山区和沙漠占很大比例的国家，以其通信面积广等独特的优势得到国际上的高度重视。 • 其在陆地上的应用包括：微型卫星电话、传真、数据和传输上的双向通信，位置报告、电子邮件和车队管理等。

20. 按卫星运行轨道来分 • 同步轨道(GEO) • 高椭圆轨道(HEO) • 中轨道(MEO) • 低轨道(LEO)

21. 同步轨道(GEO) • 高度：约36000km • 典型实例： • Inmarsat (国际移动卫星通信系统) • MSAT (北美移动卫星通信系统) • Mobilesat (澳大利亚移动卫星通信系统) • ACeS (亚洲蜂窝系统)

22. 优点： • 开发早，技术成熟 • 多普勒频移小 • 发展星上多点波束技术，可简化地面设备 • 适用于低纬度地区 • 仅用几颗卫星即可实现廉价的区域性移动卫星通信。

23. 缺点： • 高纬度地区通信效果差，不能实现全球覆盖，仅能构成区域覆盖的移动卫星通信系统。 • 地面设备大，成本高，机动性差，手持终端不易实现。 • 需用星上处理技术和大功率发射管及大口径天线 • 传播时延大，降低时延需要星上交换技术。

24. 高椭圆轨道(HEO) • 高度：约40000km(远地点) • 周期：12h~24h • 利用远地点附近开展业务，有8h~12h可看到卫星，连续业务至少需要2~3颗卫星。 • 典型实例： • Molniyal (闪电卫星) • Archimedes (阿基米德系统 )

25. 优点： • 可覆盖高纬度地区 • 地球站可工作在大仰角上，减小大气影响 • 可用简单的高增益非跟踪天线 • 发射成本较低 • 在业务时间内不会发生掩蔽现象 • 缺点： • 连续通信业务需要2~3颗卫星 • 当从一颗星向另一颗星切换时，需要电路中断保护措施

26. 需要多普勒频移补偿功能 • 地球站必须从一颗星跟踪到另一颗星，需要两副天线和一套跟踪设备 • 卫星天线必须有波束定位控制系统 • 当近地点过低时，需要防辐射措施，因为卫星会经过范·艾伦带 • 全球覆盖一般需星间链路 • 地面设备较大，成本高

27. 中轨道(MEO) • 高度：约2000km或3000km~20000km • 周期：5h~6h(对约10000km而言) • 连续业务需要15~16颗卫星 • 典型实例： • Odyssey (奥迪赛系统) • I-CO(全球卫星通信系统)

28. 低轨道(LEO) • 高度：500~2000或3000km(多在1500km以下) • 周期：约1h45min(在1000km高度) • 有大约12min可以看到卫星(在1000km高度)，连续业务需要20~30颗卫星 • 典型实例： • Iridium(铱系统) • Globalstar(全球星系统) • Orbcomm(轨道通信系统)

29. 优点： • 可覆盖全球 • 传播时延短，服务质量好 • 频率资源可多次再用 • 抗毁性能好 • 传播损耗小，终端对卫星的仰角比较大，要求有效全向辐射功率小，卫星和地面终端设备简单，适合个人移动卫星通信，手持终端易于实现。 • 研制费用低、研制较容易

30. 缺点： • 连续通信业务需要多颗卫星 • 复杂的网络设计，投资浩大 • 一般需要星上处理和星间通信等技术 • 较大的多普勒频移，需要频率补偿功能 • 当从一颗星向另一颗星切换时，需要电路中断保护措施 • 地球站必须从一颗星跟踪到另一颗星，需要两副天线和一套跟踪设备

31. 6.1.4 移动卫星通信系统的特点 • 移动卫星通信系统具有的技术特点 • 系统庞大、构造复杂、技术要求高、用户(站址)数量多。 • 移动终端设备的体积、重量、功耗均受限，天线尺寸外形受限于安装的载体(如飞机、汽车、船舶等)，手持终端的要求更加苛刻。

32. 卫星天线波束应能适应地面覆盖区域的变化并保持指向，用户移动终端的天线波束应能随用户的移动而保持对卫星的指向，或者是全方向性天线波束。卫星天线波束应能适应地面覆盖区域的变化并保持指向，用户移动终端的天线波束应能随用户的移动而保持对卫星的指向，或者是全方向性天线波束。 • 移动卫星通信系统中的用户链路，其工作频段受到一定的限制，一般在200MHz~10GHz。 • 因为移动终端的有效全向辐射功率EIRP有限，对空间段的卫星转发器及星上天线需专门设计，并采用多点波束技术和大功率技术以满足系统的要求。

33. 由于移动体的运动，当移动终端与卫星转发器间的链路受到阻挡时，会产生“阴影”效应，造成通信的阻断。对此，移动卫星通行系统应使用户移动终端能够多星共视。由于移动体的运动，当移动终端与卫星转发器间的链路受到阻挡时，会产生“阴影”效应，造成通信的阻断。对此，移动卫星通行系统应使用户移动终端能够多星共视。 • 多颗卫星构成的卫星星座系统，需要建立星间通信链路和星上处理、星上交换。或者，需要建立具有交换和处理能力的信关关口地球站。 • 要求较大的卫星轨道弧段。

34. 6.1.5 移动卫星通信系统的工作频段 • 从技术观点来看，往返于移动体的最佳工作频率范围为800MHz~3GHz，因此，移动卫星通信中，卫星和移动终端之间的通信，通常采用L波段(1.6/1.5GHz)、S波段(2.5~2.6GHz)。卫星和地球站之间的连接则可采用C、Ku等波段。

35. 移动卫星通信系统的基本组成

36. 6.1.6 移动卫星通信系统的关键技术 1、卫星 • 轨道选定和发射控制技术 • 卫星大型多波束天线及控制、转发技术 • 星上交换和处理技术 • 大型卫星平台技术 • 星上大功率输出技术 • 卫星星间通信技术

37. 2、地面网络 • 信道切换技术 • 系统内外频率兼容和干扰控制技术 • 防窃听加密技术 • 高效纠错编译码算法和调制解调技术，多址技术 • 小型高效移动终端天线技术，包括手持机天线和机载天线 • 网管和网控技术 • 网络接续技术

38. 6.1.7 移动卫星通信系统的发展趋势 • 重点发展低轨移动卫星通信系统 • 发展综合移动卫星通信系统，扩充功能 • 与地面网络连接成为个人通信网 • 制定统一的国际标准和建议 • 开展国际间合作开发以及合作经营 • 卫星技术、移动终端技术的进一步发展 • 频率资源利用的进一步研究

39. 6.2 移动卫星通信的电波传播 6.2.1 多径衰落 • 移动卫星通信中，电波在移动环境中传播时，会遇到各种物体，经反射、散射、绕射等到达接收天线，成为各个路径达到的合成波，叫多径传播。 • 各传播路径分量的幅度和相位各不相同，因此，合成信号起伏很大，称为多径衰落。 • 对于卫星通信，由于有一个较强的直射波存在，因此陆地、海洋和航空移动卫星多径传播都服从莱斯(Rice)分布。

40. 对付多径衰落的技术 1、系统设计时的措施 • 应留有必要的多径衰落储备余量，具体做法 • 先按符合莱斯分布的基本情况考虑，通常取K=10dB时对应的多径衰落深度作为基础。K为莱斯因子，为直射波功率和散射信号平均功率之比。 • 考虑树林、建筑物等的遮蔽效应，平静海面的镜面反射效应，以及飞机机翼、机尾，船舶舱面上其它装置所附加的反射效应等因素，对衰落储备余量再作适当修正。

41. 考虑工作频率、天线类型、天线增益、仰角、极化、波束畸变，以及天线对低仰角干扰有无鉴别抑制能力等因素，对衰落储备余量作适当修正。考虑工作频率、天线类型、天线增益、仰角、极化、波束畸变，以及天线对低仰角干扰有无鉴别抑制能力等因素，对衰落储备余量作适当修正。 • 从目前国际上的各种移动卫星通信系统来分析，多径衰落储备余量一般在3~5dB。对于无遮蔽情况，典型的取6dB；对于有遮蔽的情况，取10dB或更多一些。以上均指为采取其他抗多径衰落措施时的值。

42. 2、减小多径衰落影响的其他措施 • 对于直射信号受遮蔽的情况，增加发送功率是一种有效办法，对于漫反射形成的多径干扰，增加发射功率并不能解决多大问题。 • 交织编码和卷积码相结合 • 采用差分调制方式 • 极化成形 • 多单元天线以及空间分集 • 重复发送与多数判决 • 采用扩频技术与Rake接收机，但技术复杂

43. 6.2.2 多普勒效应 • 由于通信双方的相对运动，会使接收信号的频率发生变化，此现象称为多普勒效应。由多普勒效应引起的附加频移称为多普勒频移。

44. 多普勒效应的影响 • 多普勒效应使得信号载波频率发生偏移。这样，如果两个信号的发射频率间隔不够大时（小于最大可能的多普勒频移），则接收端会产生相互干扰。 • 会造成载波偏离接收机滤波器中心频率，从而使输出信号幅度下降（窄带滤波器）。 • 会造成信号在一个码元的持续时间内有较大的相位误差，这会给载波同步带来极大困难，对于采用相干解调的数字卫星通信影响较大。

45. 抗多普勒频移的措施 • 地球站—卫星闭环频率控制 • 星上多普勒频移预校正 • 接收机频率的预校正 • 发射机频率的预校正 • 进行系统设计时，工作频率可以适当选低一些 • 普遍采用差分调制，并且不用相干检测 • 解调器具有校正多普勒效应的功能

46. 6.2.3 电离层对电波传播的影响 • 对于卫星通信，电离层的主要影响是闪烁。电离层闪烁会影响电波的幅度、相位、极化和到达方向等，对接收信号产生衰落。 • 在链路功率预算时要留有一定的衰落储备余量来补偿电离层闪烁。 • 解决电离层闪烁的有效措施是时间分集或编码分集，包括重复发送与多数判决等措施。

47. 6.2.4 对流层对电波传播的影响 • 当电波通过对流层时，会受到对流层中氧分子、水蒸气分子和云、雾、雨、雪等的吸收和散射，从而对信号产生损耗。这种损耗于电波频率、波束的仰角、气候以及地理位置等有密切的关系。 • 对流层对移动卫星信道的影响包括：气体吸收、降雨损耗、云雾损耗、大气折射、大气闪烁、波导传播、去极化效应等。 • 各种损耗在链路率预算时要计入链路损耗中。

48. 6.3 静止轨道(GEO)移动卫星通信系统 • 静止轨道移动卫星通信业务目前主要由国际移动卫星组织的INMARSAT提供，提供全球范围内的移动卫星通信，广泛采用星上处理和多点波束天线技术，从而降低地面设备体积、功耗，进而实现手持式通信。 • 对于区域移动卫星通信系统，采用静止轨道系统一般只需要一颗卫星，建设成本较低，因此也有很多应用。

49. 6.3.1 国际移动卫星通信系统(INMARSAT) • 背景 • 国际移动卫星通信组织（原国际海事卫星组织），成立于1979年，总部设在英国伦敦，中国是创始成员国之一。 • Inmarsat是为企业和政府用户提供全球移动卫星通信解决方案的全球领先供应商，它通过由分布在全球86个国家的260个合作伙伴组成的全球性业务网络提供服务。

50. 网络 • 空间段：目前，Inmarsat空间段由10颗静止轨道卫星组成，主要是第三代和第四代卫星，第三代由4颗GEO卫星(外加一颗备用卫星)构成，第四代计划由3颗GEO卫星构成，目前已发射2颗。 • 网络控制中心（NOC）：位于伦敦市中心的Inmarsat总部，负责监测、协调和控制网络内所有卫星的操作和运行。 • 地面站（LES）：由各国Inmarsat签字者建设并经营,分布于全球，既是卫星系统与地面陆地电信网络的接口，又是控制和接入中心。