衛星移動通信系統的分類

衛星移動通信系統的各種分類方式

衛星移動通信系統的分類可按其應用來分, 也可以按他們所採用的技術手段來分。

(1) 按應用分類

可分爲海事衛星移動系統(MMSS) 、 航空衛星移動系統(AMSS) 和陸地衛星移動系統(LMSS) 。 海事衛星移動系統主要用於改善海上救援工作, 提高船舶使用的效率和管理水平, 增強海上通信業務和無線定位能力。 航空衛星移動系統主要用於飛機和地面之間爲機組人員和乘客提高話音和數據通信。 陸地衛星移動系統主要用於爲行駛的車輛提供通信。

(2) 按軌道分類

通信衛星的運行軌道有兩種。 一種是低或中高軌道。 在這種軌道上運行的衛星相對於地面是運動的。 它能夠用於通信的時間短, 衛星天線覆蓋的區域也小, 並且地面天線還必須隨時跟蹤衛星。 另一種軌道是高達三萬六千公里的同步定點軌道, 即在赤道平面內的圓形軌道, 衛星的運行週期與地球自轉一圈的時間相同, 在地面上看這種衛星好似靜止不動, 稱爲同步定點衛星。 它的特點是覆蓋照射面大, 三顆衛星就可以覆蓋地球的幾乎全部面積, 可以進行二十四小時的全天候通信。

(3) 按頻率分類

按照該衛星所使用的頻率範圍將衛星劃分爲 L 波段衛星, Ka 波段衛星等等。

(4) 按服務區域分類

隨着航天技術日新月異的發展, 通信衛星的種類也越來越多。 按服務區域劃分,有全球、 區域和國內通信衛星。 顧名思義, 全球通信衛星是指服務區域遍佈全球的通信衛星, 這常常需要很多衛星組網形成。 而區域衛星僅僅爲某一個區域的通信服務。 而國內衛星範圍則更窄, 僅限於國內使用, 其實各種分類方式都是想將衛星的某一特性更強地體現出來, 以便人們更好的區分各種衛星。

移動通信系統按軌道分類

(1) 衛星不動(同步軌道衛星)

目前已經廣泛應用的 Inmarsat 以及正積極開發中的 AMSC(美國) , CELSAT(美國) , MSS(加拿大) 、 Mobilesat(澳大利亞) 等移動通信系統均屬於這種情況。 這些系統已經實現到車, 船和飛機等移動體上的通信, 實現到手機的通信指日可待。

(2) 衛星動(非同步軌道衛星) , 終端不動

它是通過非同步軌道衛星實現到較大終端(例如移動通信網的基站) 的通信,而以後再連接到手持機的用戶。 Calling(美國) 系統大體上屬於這種情況。 移動用戶通過關口站上的衛星進行通信也基本屬於這種情況。

(3) 衛星動(非同步軌道衛星) , 終端也動。

當前提出來的大量中、 低軌道系統(如銥星系統、 全球星系統、 奧迪賽系統)極化均屬這種情況, 他們的特徵就是做到終端手持化, 實現了衛星通信適應未來個人移動通信的需求。

就衛星在空間運行的軌道形狀來說, 有圓軌道和橢圓軌道。 此外, 衛星軌道與地球赤道可以構成不同的夾角(稱爲傾角) , 傾角等於零的稱爲赤道軌道; 傾角等於 90°的稱爲極軌道; 傾角在 0°~90°之間的稱爲傾斜軌道。 圓軌道又可以按其高度分爲 3 種: 低軌道(LEO) (距地面數百公里至 5000KM, 運行週期爲 2~4 小時) ;中軌道(MEO) (距地面 5000~20000KM, 運行週期 4~12 小時) ; 高(同步) 軌道(GEO) (距地面 35800KM,運行週期 24 小時) , 它又稱爲靜止軌道。 由此, 衛星移動通信系統基本上可以分爲高、 中、 低三種。 銥星系統(Iridium) 和全球星系統(Globalstar)是 LEO 系統發展那最快的範例。 奧迪賽系統(Odyssey)、 InmarsatP-21是 MEO 系統的範例。 Inmarsat 系統、 氚(Tritium) 系統、 亞洲衛星移動通信系統(ASMTS) (該系統是美國休斯公司建議我國發展的) 是 GEO 系統的範例。 其網絡基本上與固定業務衛星系統相同。 這三種系統都要用手持機進行個人通信。 他們除了具有語音通信功能外, 還應具有傳送數據、 傳真、 尋呼、 靜態圖象和定位等功能。 這 3 種不同軌道系統用手持機進行個人通信, 各有優劣, 其性能表如下表所示:
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中、 高、 低軌道衛星的優劣

自本世紀 60 年代以來, 人類已經將數以百計的通信廣播衛星送入高軌道(GEO) , 在實現國際遠距離通信和電視傳輸方面, 這些衛星一直擔當主角。 但是,高軌道(GEO) 衛星也存在一些問題:

(1) 自由空間中, 信號強度反比於傳輸距離的平方。 高軌道(GEO) 衛星距地球過遠, 需要有較大口徑的通信天線。

(2) 信號經過遠距離傳輸會帶來較大的時延。 在電話通話中, 這種時延會使人感到明顯的不適應。 在數據通信中, 時延限制了反應速度, 對於 2001 年臺式超級計算機來說, 半秒種的時延意味着數億字節的信息滯留在緩衝器中。

(3) 軌道資源緊張。 高軌道(GEO) 衛星只有一條, 相鄰衛星的間隔又不可以過小, 因爲地球站天線分辨衛星的能力受限於天線口徑的大小。 在 Ka 頻段(17~30GHz) 爲了能夠分出 2°間隔的衛星, 地面站天線口徑的合理尺寸應不小於 66cm。按這樣計算, 高軌道(GEO) 衛星只能提供 180 顆同軌道位置。 這其中還包括了許多實用價值較差, 處於大洋上空的位置。

中、 低軌道衛星(MEO,LEO) 用於個人全球通信有很多優點。 低軌道衛星(LEO)軌道高度僅是高軌道(GEO) 衛星的二十分之一至八十分之一, 所以其路徑損耗通常比高軌道(GEO) 衛星低很多, 所發射的功率是高軌道(GEO) 衛星的二百分之一至二千分之一, 傳播時延僅爲高軌道(GEO) 衛星的七十五分之一, 這對實現終端手持化和達到話音通信所需要的時延要求是很必要的。 但是由於運轉週期和軌道傾角關係, 中軌道(MEO) 和低軌道衛星(LEO) 通信衛星相對於地球上的觀察者不再是靜止的, 爲了保證在地球上任一點均可以實現 24 小時不間斷的通信, 必須精心配置多條軌道及一大羣具有強大處理能力的通信衛星, 這樣一個龐大而又複雜的空間系統要實現穩定可靠的運轉, 涉及到技術上和經濟上的一系列問題。 當今, 計算機、 微電子技術和小型衛星技術的發展, 使解決建立大型中軌道(MEO) 和低軌道衛星(LEO) 衛星通信系統的難題成爲可能, 從而開闢了“空基”通信的新時代。

衛星移動通信的頻譜劃分

衛星移動通信系統可分爲海事衛星移動系統(MMSS) 、 航空衛星移動系統(AMSS) 和陸地衛星移動系統(LMSS) 。 海事衛星移動系統主要用於改善海上救援工作, 提高船舶使用的效率和管理水平, 增強海上通信業務和無線定位能力。 航空衛星移動系統主要用於飛機和地面之間爲機組人員和乘客提供話音和數據通信。陸地衛星移動系統主要用於爲行駛的車輛提供通信。 分配給衛星移動通信業務的頻率範圍爲 235MHz~71GHz。 工作頻率的下限由適合於移動地球站的小口徑天線所能達到的天線增益所決定的。 例如, 若要求的天線增益爲 3dB, 則對於 1m 有效口徑的天線, 頻率下限爲 200MHz。 工作頻率的上限受到很多因素影響。 在 1GHz 以上, 降雨衰減(雨點會降低信號強度) 和分子吸收一般隨頻率增加而增大。 對於要求高可靠性的系統。 最佳的頻率範圍爲 200GHz~10GHz。 除了傳播因素以外還應考慮技術發展水平、 可靠性要求以及頻率再用等因素。

1992 年世界無線電行政大會(WARC’92) 對包括低軌道衛星在內的衛星移動業務進行了調整和分配。

(1) 1000MHz 以下

包括低軌道衛星在內的非同步衛星全球主用和次用頻段原來的分配如下:

137~137.025MHz(下行, 主用)
137.175~137.825 MHz(下行, 主用)
137.025~137.175 MHz(下行, 次用)
137.825~138 MHz(下行, 次用) 148~149.9 MHz(上行, 主用)
400.15~401 MHz(下行, 主用)

92 年世界無線電行政大會所作的補充是, 分給移動衛星業務的 312~315 MHz和 387~390 MHz(次用) 也可以由低軌道衛星所使用, 但用於非同步衛星時要進行協商; 分給移動衛星業務全球主用的 148~149.9 MHz 和分給陸地移動衛星的149.9~150.05 MHz(全球主用) 用於非同步衛星時也要進行協商。

(2) L 和 S 頻段

在 92 年世界無線電行政大會上, 新分了 1525~1530 MHz 頻段, 作爲全球海運移動衛星業務的主用頻段, 這一頻段也作爲陸地衛星移動系統的全球次用頻段。另外, 還專門爲移動衛星業務分配了 1610~1626.5 MHz (上行)和 2483.5~2520MHz(下行) 新的全球主用頻段。 這個頻段也爲全球定位系統和導航系統使用。 大部分大型的低軌道衛星系統均使用這個頻段。

在 S 頻段爲 MSS(衛星移動系統) 分配的全球主用頻段是: 1980~2010 MHz;2170~2200 MHz; 2500~2520 MHz; 2670~2690 MHz。 但同時要求其中 1970~2010MHz 和 2160~2200 MHz 到 2000 年 1 月 1 日以後纔可以使用, 2500~2520 MHz 和2670~2690 MHz 到 2005 年 1 月 1 日以後纔可以使用。

衛星通信的優勢

衛星通信同現在常用的電纜通信、 微波通信等相比, 有較多的優點, 基本可以概括爲幾個字;

遠: 是指衛星通信的距離遠。 俗話說, “站的高, 看的遠”, 同步通信衛星可以“看”到地球最大跨度達一萬八千餘公里。 在這個覆蓋區內的任意兩點都可以通過衛星進行通信, 而微波通信一般是 50 公里左右設一箇中繼站, 一顆同步通信衛星的覆蓋距離相當於三百多個微波中繼站。

多: 指通信路數多、 容量大。 一顆現代通信衛星, 可攜帶幾個到幾十個轉發器,可提供幾路電視和成千上萬路電話。

好: 指通信質量好、 可靠性高。 衛星通信的傳輸環節少, 不受地理條件和氣象的影響, 可獲得高質量的通信信號。

活: 指運用靈活、 適應性強。 它不僅可以實現陸地上任意兩點間的通信, 而且能實現船與船, 船與岸上、 空中與陸地之間的通信, 它可以結成一個多方向、 多點的立體通信網。

省: 指成本低。 在同樣的容量、 同樣的距離下, 衛星通信和其他的通信設備相比較, 所耗的資金少, 衛星通信系統的造價並不隨通信距離的增加而提高, 隨着設計和工藝的成熟, 成本還在降低。

下面說說對廣播衛星的技術要求:

  1. 廣播衛星必須是對地靜止的, 以便觀衆使用簡單, 無需跟蹤衛星而且定向性強的接收天線, 這不僅要求使用赤道同步衛星, 還要求衛星能精確地保持它在軌道上的位置和姿態。
  2. 廣播衛星必須有足夠的有效輻射功率, 以簡化地面接收設備。 在覆蓋面積較大, 波束爲 2°左右的情況下, 個體接收衛星電視廣播所需的轉發器發射功率是幾百瓦, 集體接收方式所需的是幾十瓦。
  3. 廣播衛星必須有足夠長的使用壽命和可靠度, 以降低停播率, 並避免經常更換衛星所帶來的停播和浪費。 爲此要求衛星使用長壽命、 高可靠度的元件、部件, 並必須設置星上備份部件、 備份轉發器, 及發射備份衛星。 目前的廣播衛星設計壽命爲 5~7 年。
  4. 廣播衛星的重量應保證工作需要, 並在此前提下儘量減輕, 以節約發射費用。爲此, 星上各分系統所用的材料比重要小, 耗電部分應儘可能提高效率, 以減輕整個星體重量。 已發射的以及近期內將要發射的廣播衛星的重量, 大體在 3000~8000 公斤之間。
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