卫星通信第2章 卫星轨道、星座和系统概念

计算机网络原理卫星通信系统卫星通信是航天技术和电子技术相结合而产生的一种重要通信方式。

它是在19世纪60年代迅速发展起来的。

通常卫星通信是以空间轨道中运行的人造卫星作为中继站，地球站作为终端站，来实现两个或者多个地球站之间的长距离大容量的区域性通信及至全球通信。

1．卫星通信通常，我们把用作通信的卫星叫通信卫星，这种卫星在地球赤道上空约36000公里的轨道上从西向东转动，方向和速度恰好与地球自转同步，在地面上看来是静止不动的，所以又称同步静止卫星。

它为军事、政府、私人和商业用户等消费者提供通信服务，图12-8所示就为一个典型的卫星微波系统。

号，卫星使用的频率实质上与微波系统相同。

卫星中继器称为发射机应答器，一个卫星可以有许多发射机应答器。

一个卫星系统包括一个或多个卫星空间飞行器、地面控制站，以及为传输、接收和处理通过该卫星系统的陆地通信量而提供的地面站用户网络。

进出卫星的传输被分为总线或有效负载。

总线包括支持有效负载操作的控制机制。

有效负载是实际的用户信息。

虽然卫星系统的类型很多，但是最流行的系统是用于通信、监视、天气和导航的系统。

通信系统由政府、军队和商业通信公司广泛应用于在全世界各地的用户之间传输语音、数据和视频信息。

天气和监视卫星主要由政府和军事机构使用，而导航卫星则几乎是每个人都会用到的，这包括政府、军队、市民和商业公司。

卫星通信系统按照卫星高度一般分为低轨道（LEO）、MEO（中轨道）或地球同步轨道（GEO）卫星。

大多数LEO卫星的工作频率范围是1.0GHz至2.5GHz。

如Motolora公司的基于卫星的移动电话系统Iridium就是一个LEO系统，它使用67个卫星星座在地球表面上大约480英里的轨道上运行。

MEO卫星在1.2GHz至1.67GHz的频段内工作。

如美国国防部的基于卫星的全球定位系统NAVSTAR就是一个MEO系统，其星座包括在地球表面上大约9500英里的轨道上运行的21个工作卫星和6个或更多的备用卫星。

低轨星座概念
低轨星座是指绕地球运行高度较低的一类人造卫星星座，其轨道高度一般在1000公里以下。

不同于传统的地球同步轨道卫星，低轨星座具有一些特殊的特点和优势。

首先，低轨星座在地球上空运行的高度较低，其轨道周期相对较短。

这使得低轨星座在卫星通信等领域具有明显的优势。

由于距离较近，低轨星座可以实现更低的信号传输延迟，大大提升通信速度。

这对于实时数据传输、远程通信等应用场景非常重要。

其次，低轨星座的星座系统通常由多颗卫星组成，形成一个互相协同工作的整体。

这些卫星之间通过相互配合、交叉覆盖的方式来实现全球范围内的覆盖。

相比于传统的地球同步轨道卫星，低轨星座能够更好地解决信号覆盖不均、信号遮挡等问题，提供更加稳定和可靠的通信服务。

另外，低轨星座还具有较高的机动性。

由于卫星距离地球较近，能够更加灵活地调整自身的轨道和位置，便于进行精确的定位和导航。

这对于卫星导航、定位服务等应用来说，十分重要。

例如，低轨星座卫星可用于提供全球定位系统（GPS）服务，为用户提供高精度的定位和导航。

需要注意的是，低轨星座由于其轨道高度较低，卫星之间的通信链路相对较短，因此在构建和维护星座系统时需要考虑卫星之间的协同和频谱资源的管理。

此外，由于低轨星座的卫星数量较多，对于卫星的设计、发射、运行和控制等方面存在一定的挑战。

总结起来，低轨星座是一种高度低、具有较短周期、互相协同的人造卫星星座系统。

它能够提供高速、稳定、全球覆盖的通信、导航和定位服务，具有广阔的应用前景。

随着技术的不断发展和创新，低轨星座将在未来的通信领域中发挥更加重要的作用。

第一章卫星通信系统概述l1945年，英国的科幻小学作家阿瑟·C·克拉克在世界上首次提出了使用卫星进行远距离无线电能信和无线电广播的设想，这位作家在《无线电杂志》上发表了一篇文章，提出用火箭发射一颗人造卫星，绕地球转动，然后，地面上发送信号给卫星，通过卫星再传回地面。

l1957年10月4日，原苏联成功发射了人类历史上第一颗人造地球卫星。

l在人类已经发射的卫星中，通信卫星只占其中的一部分。

目前围绕地球飞行的卫星中，大多数是有带有各种传感器的观察卫星，如气象卫星、电子侦察卫星、成像侦察卫星、海洋监视卫星、预警卫星、核爆炸探测卫星、资源卫星、天文观测卫星；其他的是通信卫星或是广播通信卫星，如亚太卫星、中星5号等。

目前在轨道上运行的通信卫星有数百颗。

在80年代和90年代初承担了国际通信业务量的70%。

l1962年7月美国成功地发射了第一颗通信卫星Telestar，实验了横跨大西洋的电视和电话传输。

但是，Telestar并非在静止轨道上。

第一颗静止轨道卫星则是1963年2月美国发射的SYNCOM实验卫星，它成功地转播了1964年东京奥运会的实况，使全世界看到了卫星通信的优越性和实用价值。

l90年代初提出的各种通信卫星系统多至几十个，其中最著名的就是“铱”移动卫星通信系统和“全球星”系统。

这两个系统可以提供覆盖全球的移动电话业务。

在波黑执行任务的美军飞行员每人都配备了一部“铱”手机。

这些卫星通信系统除了广播业务以外，基本上都只能提供话音业务。

所以从97年以后，廉价的地面通信系统的发展如光纤通信系统、蜂窝移动通信系统的蓬勃发展，一下子大大压缩了卫星通信的市场，国内国际的骨干网通信负荷的80%以上改由光纤网络承担。

获得技术上巨大成功的“铱”移动卫星通信系统也惨遭倒闭。

但是新的曙光出现了：军事通信的巨大需求和民用宽带卫星市场的急剧扩大。

l纳卫星(NanoSat)的概念最早是由美国航空航天公司(Aerospace)于1993年在一份研究报告中首次提出的,它带来了小卫星设计思想上的根本变革.纳卫星和皮卫星(PicoSat)是以微机电系统(MEMS)技术和由数个MEMS组成的专用集成微型仪器(ASIM)为基础的一种全新概念的卫星,它基于微电子技术、微机电技术、微光电技术等微纳米技术而发展的，纳卫星体现了航天器微小化的发展趋势。

低轨星座概念低轨星座（LEO）是指位于地球低轨道上的一组卫星系统。

低轨星座是为了提供全球范围内的通信、导航、遥感和科学研究等服务而设计的。

本文将介绍低轨星座的概念、原理、应用和前景等方面的内容。

一、概念低轨星座是由一组卫星组成的系统，这些卫星以近地点高度约为150至1200公里的低轨道运行。

相比于传统的地球同步卫星（如高轨静止轨道卫星），低轨星座的主要优势是延迟较低，因为卫星距离地面接收器更近。

二、原理低轨星座的运行原理是将一组卫星均匀分布在地球上空的低轨道上，以确保至少有一颗卫星能够覆盖任意一地点。

这些卫星通常以轨道倾角为60至90度的倾斜轨道运行，以实现全球范围内的覆盖，并通过相互之间的无线通信实现信息传递。

三、应用低轨星座具有广泛的应用领域，包括通信、导航、遥感和科学研究等。

具体应用如下：1.通信：低轨星座可实现全球范围内的通信覆盖，为偏离传统通信基础设施的地区提供高质量的通信服务。

此外，低轨星座还可用于构建无线宽带网络，为地面用户提供高速互联网接入。

2.导航：低轨星座的卫星具备较高的定位精度和导航能力，可以为航空航天、海洋、陆地和车辆等提供精确的导航服务。

低轨星座导航系统还可应用于紧急救援、海上航行安全和军事作战等领域。

3.遥感：低轨星座可搭载各种遥感传感器，通过获取高分辨率的地球观测数据来支持地质勘探、环境监测、气象预报和农业管理等应用。

这些数据对科学研究、资源开发和环境保护等具有重要意义。

4.科学研究：低轨星座还承载了很多科学研究任务，如地球物理参数测量、空间天文观测和实验室外科学探索等。

这些研究有助于深入了解地球和宇宙的本质，推动科学技术的发展。

四、前景低轨星座技术的发展前景广阔。

随着科技的不断进步，卫星小型化和通信技术的提升，低轨星座将具备更高的容量和更快的数据传输速度。

低轨星座系统的成本也逐渐降低，为更多的商业机构和个人提供了应用低轨星座的可能性。

然而，低轨星座系统面临着一些挑战和限制。

铱星通信系统详解1.铱星系统简介：卫星星座: 铱系统诞生于1998年，拥有一个几何结构独一无二的低轨地球（LEO）卫星网，并据此提供全球通信，覆盖范围包括一般地球同步卫星鞭长莫及的最边远极地地区。

低轨卫星允许卫星移动电话或固定装置配备一个极小的外接天线便可通话，音质明亮清晰，没有较高轨卫星通信中常见的滞后和回音。

铱星的卫星星座包含66颗工作卫星，组成六个轨道平面，它们分布在近地极轨道上距地球485英里（780公里）的上空，以16，832英里（27，070公里）时速，每100分钟围绕地球转一圈。

卫星之间的间隔约2，800英里。

星上采用先进的数据处理和交换技术，并通过星际链路在卫星间实现数据处理和交换、多波束天线。

铱系统最显著的特点就是星际链路和极地轨道。

星际链路从理论上保证了可以由一个关口站实现卫星通信接续的全部过程。

通信网络: 卫星星座布局确保地球上任何位置在任何时间至少被一颗卫星覆盖，每颗卫星与其他四颗卫星形成交叉链接—其中两颗在相同轨道平面上，另两颗在相邻平面上。

卫星不必覆盖地面关口站，而是通过星际链路将通话信号传送到铱星关口站，关口站再将通话信号发送到地面电话和数据通信网络中。

（如果通话是在铱星系统内两个电话之间进行，则不必通过关口站，而直接在卫星之间传送。

）低轨卫星系统的低时延给铱系统提供良好的通信质量。

地面设施: 铱星商用关口站设在美国亚利桑那州，主要在卫星和地面通信网络之间提供中继连接。

此关口站还承担管理铱星系统内部网络节点和链路的功能。

铱星在美国弗吉尼亚州设有卫星网络运行中心，提供卫星网络的运行控制和支持服务，并在亚利桑那州设有备用支持中心，公司还在全球四个战略位置上部署了遥测跟踪控制站。

铱星系统在L频段（1616～1626.5MHz）上传送卫星语音和数据信号，而星际链路、地面上行和下行链路则使用Ka频段的频率。

通信用户: 铱星的主要服务对象是那些没有陆地通信线路或手机信号覆盖的地区，以及信号太弱或超载的地区，为身处这些地区的用户提供可靠的通信服务，其商业服务市场包括航海、航空、急救、石油及天然气开采、林业、矿业、新闻采访等领域。