衛星通信系統工程設計與應用

1 衛星通信概述 1
1.1 衛星通信基本概念 1
1.1.1 衛星通信定義 1
1.1.2 衛星通信組成 2
1.1.3 衛星通信特點 2
1.1.4 衛星通信分類 3
1.2 衛星通信發展歷史 4
1.2.1 衛星通信試驗階段 4
1.2.2 衛星通信實用階段 4
1.3 衛星通信發展現狀 8
1.3.1 衛星固定業務 8
1.3.2 衛星移動業務 9
1.3.3 衛星廣播業務 10
1.3.4 衛星移動廣播業務 12
1.3.5 衛星跟蹤與數據中繼業務 12
1.4 衛星通信發展趨勢 13
1.4.1 各種業務發展趨勢 13
1.4.2 衛星通信發展總趨勢 14
參考文獻 15

2 衛星軌道與星座 16
2.1 衛星軌道 16
2.1.1 人造衛星軌道運動方程 16
2.1.2 軌道根數與各種參數關系求算 19
2.1.3 人造衛星軌道攝動 24
2.1.4 典型衛星軌道 26
2.2 衛星星座 30
2.2.1 衛星星座的基本概念和參數 30
2.2.2 圓極/圓近極軌道星座 30
2.2.3 圓赤道軌道星座和地球靜止軌道星座 36
2.2.4 正交圓軌道星座 37
2.2.5 傾斜圓軌道星座 38
2.2.6 橢圓軌道星座 41
2.3 衛星星座組網 41
2.3.1 單層衛星星座組網 41
2.3.2 多層衛星星座組網 44
參考文獻 46

3 衛星通信線路頻率 47
3.1 衛星通信頻率划分 47
3.1.1 無線電頻段划分 47
3.1.2 通信業務無線電頻率分配 48
3.2 衛星通信頻率選擇 54
3.2.1 應用條件 55
3.2.2 電波傳播和噪聲 56
3.2.3 星體及星內設備 61
3.2.4 地面接收設備 62
3.2.5 系統費用 63
3.2.6 衛星廣播三種頻段優劣性比較 63
參考文獻 64

4 衛星通信體制和網絡 65
4.1 衛星通信體制 65
4.1.1 衛星通信體制概述 65
4.1.2 信道編碼 65
4.1.3 載波調制 69
4.1.4 信道編碼與調制方式典型性能 70
4.1.5 多址技術 71
4.1.6 信道分配 72
4.1.7 寬帶通信體制 74
4.2 衛星通信網絡 75
4.2.1 衛星通信網絡概述 75
4.2.2 接入網組網方式 76
4.2.3 單星組網方式 78
4.2.4 星座組網方式 78
參考文獻 80

5 衛星通信安全性與可靠性 81
5.1 衛星通信保密技術 81
5.1.1 信息與信道保密技術 81
5.1.2 密碼保密技術 83
5.1.3 數據加密模型 83
5.1.4 序列密碼和分組密碼 84
5.1.5 雙密鑰密碼 85
5.1.6 數字簽名 86
5.1.7 保密系統評價准則 86
5.1.8 鏈路加密和端到端加密 87
5.1.9 衛星通信加密方案示例 88
5.1.10 計算機網絡的安全體系結構 89
5.2 衛星通信抗干擾技術 91
5.2.1 衛星通信干擾源 91
5.2.2 上行鏈路對衛星轉發器干擾 92
5.2.3 下行鏈路對地球站接收干擾 92
5.2.4 干擾方式和干擾信號樣式 92
5.2.5 星上透明轉發器抗干擾技術 93
5.2.6 星上處理轉發器抗干擾技術 95
5.2.7 衛星廣播電視系統抗干擾技術 97
5.2.8 衛星廣播電視系統上行站抗干擾技術 101
5.3 衛星通信可靠性 103
5.3.1 可靠性基本知識 103
5.3.2 組合系統可靠性 106
5.3.3 線路可用度 109
參考文獻 113

6 通信衛星 114
6.1 通信衛星概述 114
6.1.1 定義和分類 114
6.1.2 組成和功能 114
6.1.3 通信衛星技術性能 115
6.2 通信轉發器系統 118
6.2.1 轉發器分類 118
6.2.2 透明轉發器 119
6.2.3 處理轉發器 121
6.2.4 轉發器技術參數 125
6.3 通信天線系統 132
6.3.1 天線分類 132
6.3.2 單波束天線 133
6.3.3 賦形波束天線 133
6.3.4 多波束天線 134
6.3.5 自適應調零天線 134
6.3.6 天線技術參數 135
6.4 有效載荷和衛星軌道位置技術參數 137
6.5 星載無線電測控系統 140
6.5.1 星載無線電測控系統簡介 140
6.5.2 星載無線電測控系統技術參數 142
6.6 通信衛星平台 143
6.6.1 靜止軌道衛星平台簡介 143
6.6.2 東方紅衛星系列平台 145
參考文獻 146

7 地球站 148
7.1 任務與分類 148
7.2 衛星通信業務地球站 149
7.2.1 固定業務地球站 149
7.2.2 固定業務VSAT站 153
7.2.3 移動業務關口站 157
7.2.4 移動業務用戶站 158
7.2.5 廣播業務上行站 161
7.2.6 廣播業務接收站 167
7.2.7 軍事通信地球站 168
7.3 衛星測控管理地球站 170
7.3.1 航天器測控站 170
7.3.2 商用通信衛星測控管理站 172
7.3.3 軍用通信衛星業務測控站 176
7.4 地球站設備技術性能 177
7.4.1 地球站設備組成 177
7.4.2 天饋及伺服分系統 179
7.4.3 射頻設備分系統 180
7.4.4 中頻基帶分系統 182
7.4.5 網絡監控管理分系統 183
7.4.6 用戶接口 185
參考文獻 186

8 衛星通信與測控鏈路計算 187
8.1 設備和信道參數 187
8.1.1 天線增益 187
8.1.2 接收系統熱噪聲 188
8.1.3 接收系統優值 188
8.1.4 等效全向輻射功率 188
8.1.5 輸出和輸入回退 189
8.1.6 天線指向誤差損耗 189
8.1.7 載波帶寬 190
8.2 地球站與衛星幾何參數 191
8.2.1 非靜止衛星相對地球站的仰角方位角和距離 191
8.2.2 靜止衛星相對地球站的仰角方位角和距離 192
8.2.3 雙靜止衛星與地球站間夾角 192
8.3 空間傳輸損耗參數 193
8.3.1 自由空間傳輸損耗 193
8.3.2 降雨損耗 193
8.3.3 極化失配損耗 203
8.4 衛星通信鏈路方程 204
8.4.1 無線電通信鏈路方程 204
8.4.2 衛星通信上下行鏈路方程 205
8.4.3 衛星通信全鏈路方程 206
8.4.4 門限值和備余量 211
8.4.5 再生式轉發器鏈路方程 211
8.5 衛星通信鏈路算例 212
8.5.1 衛星廣播地球站節目傳輸系統鏈路計算 212
8.5.2 DIRECTV-12衛星Ka頻段廣播鏈路計算 215
8.6 衛星測控鏈路方程 216
8.6.1 衛星測控系統體制 216
8.6.2 衛星測控上下鏈路方程 217
8.6.3 上/下行信道門限電平 218
8.6.4 上/下行信道功率分配 221
8.7 衛星測控鏈路算例 223
8.7.1 衛星發射軌道測量船測控鏈路計算 223
8.7.2 DIRECTV-14衛星測控鏈路計算 227
參考文獻 228

9 衛星通信系統工程 229
9.1 工程系統與系統工程 229
9.1.1 工程系統與系統工程 229
9.1.2 工程系統的基本特性 229
9.1.3 系統工程的基本特點 230
9.1.4 系統工程的管理項目 231
9.2 通信衛星經濟效能因子 232
9.2.1 通信衛星經濟效能因子基本概念 232
9.2.2 經濟效能因子與分系統關系 233
9.2.3 經濟效能因子與衛星通信工程關系 238
9.2.4 經濟效能因子與通信衛星發展趨向關系 240
9.3 通信衛星綜合性能評比法 241
9.3.1 目標函數 241
9.3.2 約束條件 242
9.3.3 方案特征 242
9.3.4 原始數據 242
9.3.5 數學模型 244
9.3.6 計算結果 244
9.3.7 方案決策 245
9.3.8 數據來源說明 245
9.4 通信衛星最優設計 246
9.4.1 最優設計准則 246
9.4.2 最優設計用參數說明 248
9.4.3 最優設計示例 250
參考文獻 252

10 衛星通信系統工程設計 254
10.1 衛星通信工程建設組織模式 254
10.1.1 衛星通信工程建設組織模式分類 254
10.1.2 商用衛星通信工程建設組織模式 254
10.1.3 專用衛星通信工程建設組織模式 255
10.1.4 試驗衛星通信工程建設組織模式 256
10.2 衛星通信工程總體設計程序 257
10.2.1 衛星通信工程總體設計分類 257
10.2.2 衛星通信工程全系統總體設計程序 257
10.2.3 衛星通信工程空間段總體設計程序 258
10.2.4 衛星通信工程VSAT系統總體設計程序 258
10.3 衛星通信工程總體方案設計 260
10.3.1 衛星通信工程全系統總體方案設計 260
10.3.2 衛星通信工程空間段總體方案設計 260
10.3.3 衛星通信工程VSAT系統總體方案設計 262
10.4 衛星通信工程產品研制程序 264
10.4.1 通信衛星研制程序 264
10.4.2 運載火箭研制程序 265
10.4.3 測控地球站研制程序 265
10.4.4 通信地球站研制程序 266
10.5 衛星通信工程空間段建設實例 267
10.5.1 通信衛星需求分析 267
10.5.2 通信衛星技術要求 267
10.5.3 通信衛星技術方案 271
10.5.4 通信衛星在軌測試驗收 273
10.5.5 測控管理站技術要求 277
10.5.6 測控管理站技術方案 280
10.5.7 測控管理站測試驗收 285
參考文獻 286

11 通信衛星發射和管理 287
11.1 通信衛星發射設施 287
11.1.1 運載火箭 287
11.1.2 發射場 288
11.1.3 測控網 288
11.2 通信衛星發射 290
11.2.1 發射軌道 290
11.2.2 發射程序 291
11.2.3 發射測控 292
11.2.4 在軌測試 292
11.3 通信衛星管理 294
11.4 通信衛星故障對策 295
11.4.1 在軌故障分類 295
11.4.2 在軌故障識別 296
11.4.3 在軌故障處理對策 296
參考文獻 297

12 衛星固定通信系統 298
12.1 Intelsat衛星通信系統 298
12.1.1 系統簡介 298
12.1.2 衛星通信網絡 298
12.1.3 衛星序列 298
12.1.4 地球站類型 304
12.1.5 空間因特網路由技術試驗 305
12.2 IPSTAR衛星通信系統 305
12.2.1 系統簡介 305
12.2.2 IPSTAR通信體制 307
12.2.3 IPSTAR衛星 308
12.2.4 IPSTAR應用系統 309
12.3 AmerHis衛星通信系統 310
12.3.1 系統簡介 310
12.3.2 空間段 311
12.3.3 地面段 312
12.3.4 組播技術 314
12.4 WINDS衛星通信系統 315
12.4.1 系統簡介 315
12.4.2 空間段 316
12.4.3 地面段 318
12.5 Spaceway-3衛星通信系統 318
12.5.1 系統簡介 318
12.5.2 空間段 319
12.5.3 地面段 321
參考文獻 321

13 衛星移動通信系統 323
13.1 Inmarsat通信系統 323
13.1.1 系統簡介 323
13.1.2 空間段 323
13.1.3 地面段 325
13.1.4 用戶段 326
13.1.5 下一代衛星通信系統 330
13.2 ACeS衛星通信系統 330
13.2.1 系統簡介 330
13.2.2 空間段 332
13.2.3 地面段 333
13.2.4 用戶段 334
13.3 Thuraya衛星通信系統 336
13.3.1 系統簡介 336
13.3.2 空間段 337
13.3.3 地面段 338
13.3.4 用戶段 338
13.4 ICO-G1衛星通信系統 339
13.4.1 系統簡介 339
13.4.2 空間段 340
13.4.3 地面段 340
13.4.4 用戶段 342
13.4.5 關鍵技術 343
13.5 TerreStar衛星通信系統 345
13.5.1 系統簡介 345
13.5.2 空間段 347
13.5.3 地面段 348
13.5.4 用戶段 348
13.6 Skyterra-1衛星通信系統 348
13.6.1 系統簡介 348
13.6.2 空間段 349
13.6.3 地面段 351
13.6.4 用戶段 351
13.7 Iridium衛星通信系統 352
13.7.1 系統簡介 352
13.7.2 空間段 354
13.7.3 地面段 358
13.7.4 用戶段 360
13.8 Globalstar衛星通信系統 361
13.8.1 系統簡介 361
13.8.2 空間段 363
13.8.3 地面段 365
13.8.4 用戶段 366
13.9 ORBCOMM衛星通信系統 367
13.9.1 系統簡介 367
13.9.2 空間段 369
13.9.3 地面段 370
13.9.4 用戶終端 371
13.9.5 應用案例 372
13.10 Gonets衛星通信系統 372
13.10.1 系統簡介 372
13.10.2 空間段 373
13.10.3 地面段 375
13.10.4 用戶段 375
13.10.5 使用特性 376
參考文獻 376

14 衛星廣播電視系統 378
14.1 衛星廣播電視概述 378
14.1.1 發展歷程 378
14.1.2 衛星電視直播業務分類 379
14.1.3 國際電聯Ku頻段衛星廣播業務規划 380
14.2 衛星廣播電視傳輸體制 381
14.2.1 模擬衛星廣播和數字衛星廣播 381
14.2.2 DVB-S標准 383
14.2.3 DVB-S2標准 384
14.2.4 DVB-RCS標准 385
14.2.5 Digicipher-II標准 386
14.2.6 ABS-S標准 386
14.2.7 SCPC與MCPC 387
14.2.8 SKYPLEX 387
14.3 美國和加拿大衛星廣播電視系統 388
14.3.1 系統簡介 388
14.3.2 衛星 389
14.3.3 地面段 395
14.3.4 用戶接收終端 395
14.3.5 美國、加拿大DBS衛星電視直播業務發展特點 397
14.4 歐洲地區衛星廣播電視系統 398
14.4.1 系統簡介 398
14.4.2 ASTRA衛星 399
14.4.3 Eutelsat衛星 404
14.4.4 SKYPLEX廣播服務 409
14.4.5 用戶接收終端 409
14.4.6 歐洲地區衛星電視直播業務發展特點 410
14.5 日本衛星廣播電視系統 410
14.5.1 系統簡介 410
14.5.2 衛星 410
14.5.3 地面段 411
14.5.4 用戶接收終端 412
14.5.5 日本衛星電視直播業務發展特點 412
參考文獻 412

15 衛星移動廣播電視系統 414
15.1 世廣衛星音頻廣播系統 414
15.1.1 系統簡介 414
15.1.2 衛星 415
15.1.3 地面控制網絡 417
15.1.4 上行站 418
15.1.5 用戶接收機 420
15.2 美國天狼星和XM衛星音頻廣播系統 421
15.2.1 天狼星衛星音頻廣播系統 421
15.2.2 XM衛星音頻廣播系統 422
15.2.3 天狼星、XM衛星音頻廣播系統性能比較 426
15.3 MBSAT音視頻廣播系統 427
15.3.1 系統簡介 427
15.3.2 衛星 428
15.3.3 地面中繼站 430
15.3.4 接收機 430
參考文獻 431

16 跟蹤與數據中繼衛星系統 432
16.1 概述 432
16.1.1 跟蹤與數據中繼衛星系統功用 432
16.1.2 跟蹤與數據中繼衛星系統組成 433
16.1.3 跟蹤與數據中繼衛星系統特點 436
16.1.4 跟蹤與數據中繼衛星系統覆蓋特性 437
16.1.5 跟蹤與數據中繼衛星系統鏈路形式 438
16.1.6 跟蹤與數據中繼衛星系統信號形式 440
16.2 美國的跟蹤與數據中繼衛星系統（TDRSS） 442
16.2.1 系統概述 442
16.2.2 空間段 444
16.2.3 地面段 451
16.2.4 用戶段 452
16.3 歐空局的數據中繼衛星系統（EDRSS） 452
16.3.1 系統概述 452
16.3.2 系統體系結構 454
16.3.3 空間段 455
16.3.4 地面段 458
16.3.5 用戶段 458
16.3.6 星間鏈路激光通信試驗 459
16.4 日本的數據中繼與跟蹤衛星系統（DRTSS） 460
16.4.1 系統概述 460
16.4.2 空間段 461
16.4.3 地面段 463
16.4.4 用戶段 464
16.5 俄羅斯的衛星數據中繼網（SDRN） 465
16.5.1 系統概述 465
16.5.2 空間段 466
16.5.3 地面段 469
16.6 跟蹤與數據中繼衛星系統國際聯網互操作 469
參考文獻 471

17 美國軍事衛星通信體系 473
17.1 傳統衛星通信體系 473
17.2 轉型衛星通信體系 473
17.3 窄帶衛星通信系統 475
17.3.1 系統簡介 475
17.3.2 UFO衛星 476
17.3.3 MUOS衛星 478
17.3.4 UFO和MUOS地球站 480
17.3.5 UFO和MUOS用戶終端 480
17.4 防護衛星通信系統 481
17.4.1 系統簡介 481
17.4.2 Milstar衛星 482
17.4.3 AEHF衛星 486
17.4.4 MILSTAR和AEHF用戶終端 487
17.5 寬帶衛星通信系統 488
17.5.1 系統簡介 488
17.5.2 DSCS-3衛星 490
17.5.3 DSCS-3用戶終端 493
17.5.4 GBS有效載荷 494
17.5.5 GBS應用系統 494
17.5.6 WGS衛星 496
17.5.7 WGS系統寬帶業務 499
17.6 轉型通信體系 501
17.6.1 轉型通信體系由來 501
17.6.2 轉型通信體系架構 502
17.6.3 轉型通信體系實施 503
17.6.4 轉型衛星通信系統架構 504
17.6.5 轉型衛星通信系統TSAT星座 504
17.6.6 轉型衛星通信系統IP網絡 505
17.6.7 轉型衛星通信系統用戶終端 505
參考文獻 506

18 全球個人通信系統 509
18.1 全球個人通信網定義 509
18.2 全球個人通信網主要特點 509
18.3 全球個人通信網基本功能 510
18.4 全球個人通信網架構 511
18.5 智能個人通信網結構 513
18.6 全球個人通信網中衛星通信網 514
18.7 全球個人通信網關鍵技術 515
參考文獻 516

19 天基綜合信息網 517
19.1 天基綜合信息網概念 517
19.1.1 天基綜合信息網定義和特征 517
19.1.2 天基綜合信息網組成和應用 517
19.2 天基綜合信息網體系架構 518
19.2.1 天基綜合信息網空間段 518
19.2.2 天基綜合信息網地面段 520
19.3 天基綜合信息網空間通信網結構 521
19.3.1 星座組網要求 521
19.3.2 雙層星座示例 521
19.3.3 多層星座示例 522
19.4 天基綜合信息網用戶飛行器 524
19.4.1 空間層用戶航天器 524
19.4.2 臨近空間層用戶飛行器 526
19.5 天基綜合信息網協議結構 527
19.5.1 CCSDS協議體系結構 527
19.5.2 天基綜合信息網協議配置示例 528
19.6 天基綜合信息網關鍵技術 529
19.7 歐洲的全球天基綜合通信網 530
19.7.1 ISICOM目標和任務 530
19.7.2 ISICOM用戶定位 531
19.7.3 ISICOM系統架構 531
19.7.4 ISICOM核心基礎結構 532
19.8 我國天基綜合信息網構想 533
19.8.1 我國天基綜合信息網的設計思想 533
19.8.2 空間層通信網 534
19.8.3 靜止軌道星座 535
19.8.4 低軌道星座 537
19.8.5 空間層用戶航天器 538
19.8.6 臨近空間層飛行器 539
19.8.7 空間層時空基准 539
參考文獻 539

附錄A 英文縮略語 541