图解通信原理与案例分析-36: 卫星通信系统的网络架构与分类

一、卫星系统网络架构

卫星系统网络架构通常由空间段（卫星星座）、地面段（地面站与控制中心）和用户段（用户终端）三部分组成，各部分通过信道连接形成完整的通信或服务网络。以下为具体架构分析：

1、空间段（卫星星座）

• 组成：由多颗卫星组成，根据轨道高度可分为地球静止轨道卫星（GEO）、中地球轨道卫星（MEO）和低地球轨道卫星（LEO）。
• 功能：负责信号的接收、放大、处理和转发。卫星之间可能存在星际链路，用于实现卫星之间的通信和数据传输。
• 特点：不同轨道高度的卫星具有不同的覆盖范围、信号传输延迟和容量等特性。例如，GEO卫星始终保持在固定位置，覆盖范围广，但信号传输延迟较大；LEO卫星信号传输延迟低，但覆盖范围较小，需要多颗卫星组成星座。

2、地面段

• 组成：包括地面站、控制中心和传输链路等。

• 功能：

  • 地面站：负责与卫星进行通信，包括发送和接收信号。地面站通常配备有天线、发射机、接收机、调制解调器等设备。
  • 控制中心：负责卫星的运行管理和控制，包括轨道调整、故障检测、数据处理等。控制中心还负责管理和调度地面站与卫星之间的通信链路。
  • 传输链路：包括上行链路和下行链路，用于实现地面站与卫星之间的信号传输。

• 特点：地面段是卫星系统与地面网络或其他用户之间的接口，其性能和可靠性直接影响整个卫星系统的服务质量。

3、用户段

• 组成：包括各种用户终端设备，如卫星电话、卫星电视接收器、卫星数据通信模块等。
• 功能：用户通过用户终端设备接入卫星系统，实现语音通信、数据传输、电视接收等功能。
• 特点：用户终端设备需要具备与卫星系统兼容的接口和协议，以确保能够正常接入和使用卫星系统提供的服务。

二、卫星系统分类

卫星系统是指由多颗人造卫星及其相关地面控制设施组成的网络，用于实现通信、导航、遥感、气象观测等多种功能。以下是一些主要的卫星系统：

1、通信卫星系统

1. 国际通信卫星组织（Intelsat）
   • 简介：全球最大的商业卫星通信运营商，提供语音、数据、视频传输服务。
   • 应用：跨国企业通信、电视广播、互联网接入等。
2. 铱星（Iridium）
   • 简介：低轨道卫星通信系统，由66颗卫星组成，覆盖全球。
   • 应用：海上、航空、偏远地区通信，应急救援等。
3. 星链（Starlink）
   • 简介：SpaceX推出的低轨道卫星互联网项目，计划发射数万颗卫星。
   • 应用：全球高速互联网接入，解决偏远地区网络覆盖问题。
4. OneWeb
   • 简介：低轨道卫星互联网星座，提供全球宽带服务。
   • 应用：农村、海洋、航空互联网接入。

2、导航卫星系统

1. 全球定位系统（GPS，美国）
   • 简介：由美国国防部开发，全球覆盖的卫星导航系统。
   • 应用：导航、定位、授时、测绘等。
2. 全球导航卫星系统（GLONASS，俄罗斯）
   • 简介：俄罗斯的全球卫星导航系统，与GPS类似。
   • 应用：军事、民用导航、地质勘探等。
3. 北斗卫星导航系统（BDS，中国）
   • 简介：中国自主研发的全球卫星导航系统，提供高精度定位服务。
   • 应用：交通运输、农业、气象、灾害预警等。
4. 伽利略卫星导航系统（Galileo，欧盟）
   • 简介：欧盟的全球卫星导航系统，提供高精度定位服务。
   • 应用：民用航空、海事、农业、智能交通等。

3、遥感卫星系统

1. 陆地卫星（Landsat，美国）
   • 简介：由NASA和USGS合作运营，提供地球表面遥感数据。
   • 应用：资源调查、环境监测、灾害评估等。
2. 哨兵卫星（Sentinel，欧盟）
   • 简介：欧盟“哥白尼”地球观测计划的一部分，提供多光谱遥感数据。
   • 应用：环境监测、气候变化研究、农业管理等。
3. 高分系列卫星（中国）
   • 简介：中国高分辨率对地观测系统，提供高精度遥感数据。
   • 应用：国土资源调查、城市规划、灾害监测等。
4. 资源卫星（CBERS，中巴合作）
   • 简介：中国与巴西合作研制的地球资源卫星。
   • 应用：农业、林业、水利、地质等领域的资源调查。

4、气象卫星系统

1. 风云系列卫星（中国）
   • 简介：中国自主研发的气象卫星，包括极轨和静止轨道卫星。
   • 应用：天气预报、气候监测、灾害预警等。
2. GOES系列卫星（美国）
   • 简介：美国国家海洋和大气管理局（NOAA）运营的静止轨道气象卫星。
   • 应用：实时天气监测、飓风跟踪、空间天气预报等。
3. Meteosat系列卫星（欧洲）
   • 简介：欧洲气象卫星组织（EUMETSAT）运营的静止轨道气象卫星。
   • 应用：欧洲及非洲地区的天气监测和预报。
4. Himawari系列卫星（日本）
   • 简介：日本气象厅运营的静止轨道气象卫星。
   • 应用：东亚及西太平洋地区的天气监测和预报。

5、科学探测卫星系统

1. 哈勃空间望远镜（Hubble，美国）
   • 简介：NASA和ESA合作的空间望远镜，用于天文观测。
   • 应用：星系演化、恒星形成、行星系统研究等。
2. 詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST，美国）
   • 简介：NASA、ESA和CSA合作的空间望远镜，用于红外天文观测。
   • 应用：早期宇宙研究、系外行星探测等。
3. 嫦娥系列卫星（中国）
   • 简介：中国探月工程卫星，包括绕月探测器、着陆器和月球车。
   • 应用：月球地质研究、资源探测、未来月球基地建设准备等。
4. 火星探测卫星
   • 示例：NASA的“好奇号”“毅力号”、ESA的“ExoMars”、中国的“天问一号”等。
   • 应用：火星地质、气候、生命迹象探测等。

6、军事卫星系统

1. 侦察卫星
   • 简介：用于军事侦察，包括光学、雷达、电子侦察等类型。
   • 应用：情报收集、目标监视、军事行动支持等。
2. 预警卫星
   • 简介：用于监测导弹发射、核爆炸等军事活动。
   • 应用：战略预警、防空反导等。
3. 通信卫星
   • 简介：用于军事通信，保障指挥控制系统的畅通。
   • 应用：战术通信、战略通信、数据传输等。

7、其他专用卫星系统

1. 空间科学卫星
   • 示例：NASA的“帕克太阳探测器”、ESA的“太阳轨道器”等。
   • 应用：太阳物理研究、空间天气预报等。
2. 技术试验卫星
   • 简介：用于新技术验证和测试的卫星。
   • 应用：卫星平台技术、载荷技术、通信技术等验证。
3. 教育卫星
   • 示例：一些国家发射的用于教育目的的卫星。
   • 应用：学校教育、科普宣传、学生实践等。

三、卫星通信系统的关键技术

卫星通信系统的关键技术主要包括信号设计技术、信号处理技术、复用和多址技术，以及抗干扰技术等，以下为你展开介绍：

1、信号设计技术

• 编码技术：包含信源编码和信道编码。信源编码用于去除信号中的冗余，提高传输效率；信道编码则用于防止码元在传输过程中出错，并进行检错和纠错。
• 调制解调技术：调制是在发送端将传输的信号变换成适合信道传输的高频信号；解调则是在接收端将已调信号还原成原始信号。常见的调制技术有幅度调制（AM）、频率调制（FM）、相位调制（PM），以及数字调制技术，如幅度移键（ASK）、频率移键（FSK）、相位移键（PSK）、正交幅度调制（QAM）等。

2、信号处理技术

• 格形编码调制（TCM）：将信道编码与调制融合在一起，几乎不付出频带效率和功率效率降低的代价即可获取较高的编码增益，但由于译码相对复杂，其与外码的关联过程不太容易实现。
• 正交频分复用（OFDM）技术：作为一种多载波调制方式，抗多径衰落能力强，在地面蜂窝网第四代（4G）、第五代（5G）移动通信中成为不可或缺的技术，在卫星与地面基站相结合的移动数字电视广播系统中也已成功应用，并形成了国际标准和我国国家标准。

3、复用和多址技术

• 复用技术：将众多不同信息源来的信号在发信端进行合并后，再在信道上传输，到达收信端后又将它们分开，恢复为原多路信号的技术。通过合并多个信号源的信息，在单一信道上传输，从而提高信道利用率。
• 多址技术：允许多个地球站通过同一颗卫星进行通信，实现多址连接。常见的方式有频分多址（FDMA），为不同用户分配不同频率；时分多址（TDMA），为不同用户分配不同的时间片；码分多址（CDMA），为不同用户分配不同的码；空分多址（SDMA），利用点波束天线技术复用空间资源（通常结合FDMA/TDMA）。

4、抗干扰技术

• 扩频技术：
  • 直接序列扩频（DS）：用较大速率的伪随机码序列直接在信号的发端将信号的频谱扩展，扩频可以使单位频带内的功率谱密度变低，实现将信号淹没在噪声里，敌方不易在噪声中识别信号的存在。在信号收端，用相同的伪随机码去进行解扩频，便可恢复信号，又能将干扰能量抑制掉，从而有效地提高信号的噪声比，达到门限值。
  • 跳频（FH）：将信号在多个载波频率间按预设跳频图案随机跳变，由于载波频率一直在切换，故又工作在突发传输状态，具有很强的抗干扰能力。
  • 直接/跳频混合扩频技术：在直接序列扩频的基础上增加了信道频率变换的功能，整合了直接序列扩频和跳频两种扩频方式的优点，能更有效地对抗干扰。
• 天线抗干扰技术：
  • 智能调零天线：通过改变天线的方向图，智能调整卫星信号的起始位置，使之面向敌方干扰信号方向并降低旁瓣波束来达到抗干扰的目的。
  • 多波束天线：可以按照实际应用场景中的频谱特性，自动将波束切换至我方卫星信号的频率需求范围，提高卫星通信的抗干扰能力。
• 卫星载荷抗干扰技术：
  • 星上透明转发器抗干扰处理：通常采用SmartAGC技术，通过智能包络置换来实现对地方信号的抗干扰能力，可以大幅提高卫星通信系统的三抗能力，自动检查链路是否受到敌方干扰，智能作出包络处理决定。
  • 星上处理转发器：具有明显的抗干扰优势，可以对上行干扰加以识别处理，使其影响减到最小或加以消除。其基本功能包括上行信号解跳频、解扩频、信息译码和信息分接；下行信号的信息编码、信息复接、信号调制、信号扩频和信号跳频等。