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图2.3 卫星通信的应用
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2.1.2 静止卫星通信的特点
1．静止卫星通信
目前，绝大多数通信卫星是地球同步卫星（静止卫星）。静止 卫星的条件为：
（1）卫星的运行轨道在赤道平面内； （2）卫星运行的轨道形状为圆形轨道； （3）卫星距地面的高度约为35786.6km； （4）卫星运行的方向与地球自转的方向相同，即自西向东； （5）卫星绕地球运行一周的时间恰好是24h，和地球的自转周 期等。
② 通过对各种轨道高度的有源通信卫星的试验，证明 了高轨道特别是同步定点轨道对于远距离、大容量、高质量 的通信最有利。所以，试验及试用逐步集中到同步定点卫星 方面。
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（3）20世纪60年代中期，卫星通信进入实用阶段
1965 年 成 立 了 国 际 通 信 卫 星 组 织 INTELSAT ， 相 继 发 射 了 IS-Ⅰ、IS-Ⅱ、IS-Ⅲ通信卫星。一些国家建立了一批地球站，初 步构成了国际卫星通信网络，开拓了国际卫星通信业务。限于当 时的技术条件，地球站设备十分庞大，采用30m口径的大型天线、 几千瓦速调管发射机、致冷参量放大器接收机，建设一座地球站 耗资巨大。
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2020/11/13
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第2章 卫星通信
2.1 卫星通信概述 2.2 通信卫星
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2.1 卫星通信概述 2.1.1 卫星通信的概念
1．卫星通信的定义 卫星通信是指
利用人造地球卫星 作为中继站转发无 线电信号，在两个 或多个地球站之间 进行的通信，如图 2.1所示。
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3．卫星通信系统的分类
卫星通信系统按不同的角度分，可以分成以下几类：
（1）按卫星运动方式分
（2）按通信覆盖区域分
国际卫星通信系统 国内卫星通信系统 区域卫星通信系统
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（3）按用户分
（气象、军事等）
（4）按通信业务分
固定地球站卫星通信系统 移动地球站卫星通信系统 广播业务卫星通信系统 科学实验卫星通信系统
（4）20世纪70年代初期，卫星通信进入国内通信阶段
1972年加拿大首次发射了国内通信卫星“ANIK”，率先开展 了国内卫星通信业务，取得了明显的规模经济效益。地球站开始 采用21m、18m、10m等较小口径的天线，用几百瓦级行波管发 射机、常温参量放大器接收机，使地球站向小型化迈进一大步， 成本也大为下降。
2．地球卫星的轨道 地球卫星的轨道有圆形和椭圆形两种形状，地心处
在圆形轨道的圆心位置或椭圆轨道的一个焦点上。如果
设卫星的轨道平面与地球的赤道平面之间的夹角为i， 则当i =0°时，地球卫星的轨道叫做赤道轨道，如图
2.2所示。
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图2.2 卫星轨道
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（5）按多址方式分
频分多址卫星通信系统 时分多址卫星通信系统 空分多址卫星通信系统 码分多址卫星通信系统 混合多址卫星通信系统
（6）按基带信号分
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4．卫星通信的发展与应用
利用人造地球卫星进行通信的设想是20世纪40年代中期提 出的，历经了20年的探索、试验后，终于在20世纪60年代中期 投入实用，并在应用与发展上取得了举世瞩目的伟大成就。今 天，卫星通信已成为人们普遍使用的重要通信手段，并且它以 信道稳定可靠、通信覆盖面积大、有多址通信能力、建设方便、 组网灵活、见效快等优势，深受广大用户青睐。
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① 太阳、月亮的引力。对于低高度的卫星，由于地球的引力 占绝对优势，所以太阳、月亮以及其他行星的作用可以忽略不计。 但对高高度的卫星，太阳、月亮的引力就较大了。例如，对静止卫 星来说，太阳的引力约为地球引力的1/37，月亮的引力约为地球
引 力的1/6 800。这些引力不断使卫星在轨道上的位置发生微小摆 动，累计起来约使卫星轨道的倾角平均发生0.85°/年的变化。
（1）从传输损耗、噪声方面考虑
当频率f小于10GHz时，大气层对电磁波的吸收小，但当 频率f大于10GHz后，大气层对电磁波的吸收将猛增。另外， 当频率f小于1GHz时，存在的外部噪声较大，但当频率f大于
1GHz时，存在的外部噪声却很小。因此，综合以上分析，卫 星通信的最佳工作频段应在1GHz～10GHz之间。
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展望未来，卫星通信的发展方兴未艾，20世纪90 年代，VSAT卫星通信更加普及；移动卫星通信发展迅 速，随着21世纪信息时代的到来，人们对信息传输的 可靠性、有效性及灵活性的要求越来越高，卫星通信 将以它独特的优势具备广阔的发展前景。
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卫星通信的应用如图2.3所示。
② 其他原因。如地球引力不均匀，地球大气层的阻力和太阳 的辐射压力等也会引起卫星摄动。
对于静止卫星通信系统来说，必须采取卫星位置稳定技术，以 便克服摄动的影响，从而使静止卫星的经度、纬度稳定在允许的误 差范围内。
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（2）星蚀
在每年的春分和秋分前后各23天中，当静止卫星和地心的 连线在地球表面的交点（称为星下点）进入当地的午夜时间前后， 太阳、地球和卫星处在一条直线上。此时卫星进入了地球的阴影 区，即地球挡住了照射到卫星上的太阳光，发生了卫星的日蚀， 这就是星蚀，如图2.4所示。在发生星蚀期间，卫星的主电池— —太阳能电池因没有太阳光而无法工作，卫星只能依靠星载蓄电 池来供给能源。星载蓄电池虽然能满足卫星运动的需要，但毕竟 受卫星质量的限制，不能为全部转发器提供足够的电能。因此， 要尽量把星蚀发生的时间调整到卫星服务区通信业务量最低的时 间内。
（1）宇宙站与地球站之间的通信； （2）宇宙站之间的通信； （3）通过宇宙站的转发或反射而进行的地球站之间 的通信。
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卫星通信属于宇宙无线电通信中的第三种方式。这 里，宇宙无线电通信是指以宇宙飞行体或通信转发体为 对象的无线电通信。宇宙站是指设在地球的大气层以外 的宇宙飞行体或其他行星、月球等天体上的通信站。地 球站是指设在地球表面的通信站，包括陆地上、水面上、 大气低层中移动的或固定的地球站。
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图2.1 卫星通信示意图
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图2.1表示在一颗通信卫星天线的波束所覆盖的地 球表面区域内的各种地球站，都可以通过卫星中继转 发信号来进行通信。因此可以说，卫星通信是地面微 波中继通信的发展，是微波中继通信的一种特殊方式。
1979年世界无线电行政会议（WARC）规定宇宙 无线电通信有三种基本形式：
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（2）静止卫星通信有以下缺点：
① 由于卫星的高度为35 786.6km，信号的传 输损耗、传输时延和回波干扰都较大。在静止卫星 通信系统中，从地球站发射的信号经过卫星转发到 另一地球站时，单程传播时间约为0.27s。进行双向 通信时，一问一答往返传播延迟约为0.54s，通话时 给人一种不自然的感觉。此外，如果不采取特殊措 施，由于混合线圈不平衡等因素还会产生“回波干 扰”，即发话者在0.54s以后会听到反射回来的自己 讲话的回声，成为一种干扰。
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② 由于卫星相对于地球表面是静止的，因此地球 站不需要复杂的跟踪系统就能使自己的天线对准卫 星。
③ 多谱勒频移可以忽略。 ④ 通信中不会因更换卫星而使通信中断。 ⑤ 因大气层的厚度一般认为是16km，因此，绝 大部分的通信信道位于自由空间，信道特性稳定。
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（ 5 ） 20 世 纪 80 年 代 ， VSAT （ Very Small Aperture Terminal）卫星通信系统问世，卫星通信进 入了一个突破性的发展阶段。
VSAT是集通信、电子、计算机技术于一体的、固 态化、智能化的小型无人值守地球站。一般C频段 VSAT站的天线口径约3m，Ku频段为1.8m、1.2m或 更小。可以把这种小站建在用户的楼顶上或就近地方直 接为用户服务。VSAT技术的发展，为大量专业卫星通 信网的发展创造了条件，开创了卫星通信应用发展的新 局面。
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2．卫星通信的工作频段
从选择卫星通信工作频段时应考虑的因素来看，卫星通信 的频率范围应选在微波波段。因为微波波段的频谱很宽，并且 可以利用现有的微波通信设备。至于在微波波段中具体采用哪 个频段，就要综合考虑传输损耗、噪声、与其他通信业务之间 的干扰等与频率有关的问题。
（1）20世纪40年代提出构想及探索
1945年10月，英国科学家阿瑟·克拉克发表文章，提出利 用同步卫星进行全球无线电通信的科学设想。最初利用月球反 射进行探索试验，证明可以进行通信。但由于回波信号太弱、 时延长、提供通信时间短、带宽窄、失真大等缺点，因此没有 发展前途。
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② 地球的两极存在“盲区”，高纬度地区通信效果不好。 ③ 卫星发射和控制技术比较复杂。 ④ 由于静止卫星轨道只有一条，因此，轨道上所能容纳 的静止卫星数量有限。
3．影响静止卫星通信的因素
（1）摄动 在地球卫星轨道上运行的卫星主要受到地球的引
力，还要受到其他一些较次要因素的影响，使卫星实际 的运行轨道逐渐偏离开普勒定律规定的理想轨道，这就 是所谓的摄动。卫星产生摄动的主要原因有：
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图2.4 静止卫星发生星蚀和日凌中断的原理
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2.1.3 卫星通信的工作频段
1．卫星通信工作频段的选择