卫星通信系统工程设计与应用

本书系统地介绍了卫星通信系统的基础理论、设备组成、工程设计、现有的和研发中的各种业务的应用系统。全书分基础、工程设计和应用三个篇章。靠前部分包含基础理论和组成实体两部分。第二部分包含系统工程概论，卫星通信系统总体设计，通信卫星发射、测控、定点和验收，卫星通信系统运营与管理。第三部分包含现有固定通信、移动通信、移动广播电视等各种系统功能和应用案例；还包含发展中的优选个人通信系统、美国转型卫星通信系统、欧洲优选天基综合通信网；很后探讨了中国天基综合信息网的发展思路。

1958年自南京大学毕业至今，一直从事导弹、人造卫星的研制工作和卫星通信广播系统的建设和运营工作。曾任中国空间技术研究院总体设计部通信卫星总体研究室主任、中国通信广播卫星公司总工程师、东方红三号通信卫星工程应用系统总设计师、中国宇航学会理事等职。曾立一等功和获国家科技进步特等奖。已发表论文数十篇，参加过《当代中国的航天事业》、《中国大百科全书-航空航天卷》和《中国邮电百科全书》有关通信卫星内容的编写等工作。

目 录 1 卫星通信概述 1 1.1 卫星通信基本概念 1 1.1.1 卫星通信定义 1 1.1.2 卫星通信组成 2 1.1.3 卫星通信特点 2 1.1.4 卫星通信分类 3 1.2 卫星通信发展历史 4 1.2.1 卫星通信试验阶段 4 1.2.2 卫星通信实用阶段 4 1.3 卫星通信发展现状 8 1.3.1 卫星固定业务 8 1.3.2 卫星移动业务 9 1.3.3 卫星广播业务 10 1.3.4 卫星移动广播业务 12 1.3.5 卫星跟踪与数据中继业务 12 1.4 卫星通信发展趋势 13 1.4.1 各种业务发展趋势 13 1.4.2 卫星通信发展总趋势 14 参考文献 15 2 卫星轨道与星座 16 2.1 卫星轨道 16 2.1.1 人造卫星轨道运动方程 16 2.1.2 轨道根数与各种参数关系求算 19 2.1.3 人造卫星轨道摄动 24 2.1.4 典型卫星轨道 26 2.2 卫星星座 30 2.2.1 卫星星座的基本概念和参数 30 2.2.2 圆极/圆近极轨道星座 30 2.2.3 圆赤道轨道星座和地球静止轨道星座 36 2.2.4 正交圆轨道星座 37 2.2.5 倾斜圆轨道星座 38 2.2.6 椭圆轨道星座 41 2.3 卫星星座组网 41 2.3.1 单层卫星星座组网 41 2.3.2 多层卫星星座组网 44 参考文献 46 3 卫星通信线路频率 47 3.1 卫星通信频率划分 47 3.1.1 无线电频段划分 47 3.1.2 通信业务无线电频率分配 48 3.2 卫星通信频率选择 54 3.2.1 应用条件 55 3.2.2 电波传播和噪声 56 3.2.3 星体及星内设备 61 3.2.4 地面接收设备 62 3.2.5 系统费用 63 3.2.6 卫星广播三种频段优劣性比较 63 参考文献 64 4 卫星通信体制和网络 65 4.1 卫星通信体制 65 4.1.1 卫星通信体制概述 65 4.1.2 信道编码 65 4.1.3 载波调制 69 4.1.4 信道编码与调制方式典型性能 70 4.1.5 多址技术 71 4.1.6 信道分配 72 4.1.7 宽带通信体制 74 4.2 卫星通信网络 75 4.2.1 卫星通信网络概述 75 4.2.2 接入网组网方式 76 4.2.3 单星组网方式 78 4.2.4 星座组网方式 78 参考文献 80 5 卫星通信安全性与可靠性 81 5.1 卫星通信保密技术 81 5.1.1 信息与信道保密技术 81 5.1.2 密码保密技术 83 5.1.3 数据加密模型 83 5.1.4 序列密码和分组密码 84 5.1.5 双密钥密码 85 5.1.6 数字签名 86 5.1.7 保密系统评价准则 86 5.1.8 链路加密和端到端加密 87 5.1.9 卫星通信加密方案示例 88 5.1.10 计算机网络的安全体系结构 89 5.2 卫星通信抗干扰技术 91 5.2.1 卫星通信干扰源 91 5.2.2 上行链路对卫星转发器干扰 92 5.2.3 下行链路对地球站接收干扰 92 5.2.4 干扰方式和干扰信号样式 92 5.2.5 星上透明转发器抗干扰技术 93 5.2.6 星上处理转发器抗干扰技术 95 5.2.7 卫星广播电视系统抗干扰技术 97 5.2.8 卫星广播电视系统上行站抗干扰技术 101 5.3 卫星通信可靠性 103 5.3.1 可靠性基本知识 103 5.3.2 组合系统可靠性 106 5.3.3 线路可用度 109 参考文献 113 6 通信卫星 114 6.1 通信卫星概述 114 6.1.1 定义和分类 114 6.1.2 组成和功能 114 6.1.3 通信卫星技术性能 115 6.2 通信转发器系统 118 6.2.1 转发器分类 118 6.2.2 透明转发器 119 6.2.3 处理转发器 121 6.2.4 转发器技术参数 125 6.3 通信天线系统 132 6.3.1 天线分类 132 6.3.2 单波束天线 133 6.3.3 赋形波束天线 133 6.3.4 多波束天线 134 6.3.5 自适应调零天线 134 6.3.6 天线技术参数 135 6.4 有效载荷和卫星轨道位置技术参数 137 6.5 星载无线电测控系统 140 6.5.1 星载无线电测控系统简介 140 6.5.2 星载无线电测控系统技术参数 142 6.6 通信卫星平台 143 6.6.1 静止轨道卫星平台简介 143 6.6.2 东方红卫星系列平台 145 参考文献 146 7 地球站 148 7.1 任务与分类 148 7.2 卫星通信业务地球站 149 7.2.1 固定业务地球站 149 7.2.2 固定业务VSAT站 153 7.2.3 移动业务关口站 157 7.2.4 移动业务用户站 158 7.2.5 广播业务上行站 161 7.2.6 广播业务接收站 167 7.2.7 军事通信地球站 168 7.3 卫星测控管理地球站 170 7.3.1 航天器测控站 170 7.3.2 商用通信卫星测控管理站 172 7.3.3 军用通信卫星业务测控站 176 7.4 地球站设备技术性能 177 7.4.1 地球站设备组成 177 7.4.2 天馈及伺服分系统 179 7.4.3 射频设备分系统 180 7.4.4 中频基带分系统 182 7.4.5 网络监控管理分系统 183 7.4.6 用户接口 185 参考文献 186 8 卫星通信与测控链路计算 187 8.1 设备和信道参数 187 8.1.1 天线增益 187 8.1.2 接收系统热噪声 188 8.1.3 接收系统优值 188 8.1.4 等效全向辐射功率 188 8.1.5 输出和输入回退 189 8.1.6 天线指向误差损耗 189 8.1.7 载波带宽 190 8.2 地球站与卫星几何参数 191 8.2.1 非静止卫星相对地球站的仰角方位角和距离 191 8.2.2 静止卫星相对地球站的仰角方位角和距离 192 8.2.3 双静止卫星与地球站间夹角 192 8.3 空间传输损耗参数 193 8.3.1 自由空间传输损耗 193 8.3.2 降雨损耗 193 8.3.3 极化失配损耗 203 8.4 卫星通信链路方程 204 8.4.1 无线电通信链路方程 204 8.4.2 卫星通信上下行链路方程 205 8.4.3 卫星通信全链路方程 206 8.4.4 门限值和备余量 211 8.4.5 再生式转发器链路方程 211 8.5 卫星通信链路算例 212 8.5.1 卫星广播地球站节目传输系统链路计算 212 8.5.2 DIRECTV-12卫星Ka频段广播链路计算 215 8.6 卫星测控链路方程 216 8.6.1 卫星测控系统体制 216 8.6.2 卫星测控上下链路方程 217 8.6.3 上/下行信道门限电平 218 8.6.4 上/下行信道功率分配 221 8.7 卫星测控链路算例 223 8.7.1 卫星发射轨道测量船测控链路计算 223 8.7.2 DIRECTV-14卫星测控链路计算 227 参考文献 228 9 卫星通信系统工程 229 9.1 工程系统与系统工程 229 9.1.1 工程系统与系统工程 229 9.1.2 工程系统的基本特性 229 9.1.3 系统工程的基本特点 230 9.1.4 系统工程的管理项目 231 9.2 通信卫星经济效能因子 232 9.2.1 通信卫星经济效能因子基本概念 232 9.2.2 经济效能因子与分系统关系 233 9.2.3 经济效能因子与卫星通信工程关系 238 9.2.4 经济效能因子与通信卫星发展趋向关系 240 9.3 通信卫星综合性能评比法 241 9.3.1 目标函数 241 9.3.2 约束条件 242 9.3.3 方案特征 242 9.3.4 原始数据 242 9.3.5 数学模型 244 9.3.6 计算结果 244 9.3.7 方案决策 245 9.3.8 数据来源说明 245 9.4 通信卫星最优设计 246 9.4.1 最优设计准则 246 9.4.2 最优设计用参数说明 248 9.4.3 最优设计示例 250 参考文献 252 10 卫星通信系统工程设计 254 10.1 卫星通信工程建设组织模式 254 10.1.1 卫星通信工程建设组织模式分类 254 10.1.2 商用卫星通信工程建设组织模式 254 10.1.3 专用卫星通信工程建设组织模式 255 10.1.4 试验卫星通信工程建设组织模式 256 10.2 卫星通信工程总体设计程序 257 10.2.1 卫星通信工程总体设计分类 257 10.2.2 卫星通信工程全系统总体设计程序 257 10.2.3 卫星通信工程空间段总体设计程序 258 10.2.4 卫星通信工程VSAT系统总体设计程序 258 10.3 卫星通信工程总体方案设计 260 10.3.1 卫星通信工程全系统总体方案设计 260 10.3.2 卫星通信工程空间段总体方案设计 260 10.3.3 卫星通信工程VSAT系统总体方案设计 262 10.4 卫星通信工程产品研制程序 264 10.4.1 通信卫星研制程序 264 10.4.2 运载火箭研制程序 265 10.4.3 测控地球站研制程序 265 10.4.4 通信地球站研制程序 266 10.5 卫星通信工程空间段建设实例 267 10.5.1 通信卫星需求分析 267 10.5.2 通信卫星技术要求 267 10.5.3 通信卫星技术方案 271 10.5.4 通信卫星在轨测试验收 273 10.5.5 测控管理站技术要求 277 10.5.6 测控管理站技术方案 280 10.5.7 测控管理站测试验收 285 参考文献 286 11 通信卫星发射和管理 287 11.1 通信卫星发射设施 287 11.1.1 运载火箭 287 11.1.2 发射场 288 11.1.3 测控网 288 11.2 通信卫星发射 290 11.2.1 发射轨道 290 11.2.2 发射程序 291 11.2.3 发射测控 292 11.2.4 在轨测试 292 11.3 通信卫星管理 294 11.4 通信卫星故障对策 295 11.4.1 在轨故障分类 295 11.4.2 在轨故障识别 296 11.4.3 在轨故障处理对策 296 参考文献 297 12 卫星固定通信系统 298 12.1 Intelsat卫星通信系统 298 12.1.1 系统简介 298 12.1.2 卫星通信网络 298 12.1.3 卫星序列 298 12.1.4 地球站类型 304 12.1.5 空间因特网路由技术试验 305 12.2 IPSTAR卫星通信系统 305 12.2.1 系统简介 305 12.2.2 IPSTAR通信体制 307 12.2.3 IPSTAR卫星 308 12.2.4 IPSTAR应用系统 309 12.3 AmerHis卫星通信系统 310 12.3.1 系统简介 310 12.3.2 空间段 311 12.3.3 地面段 312 12.3.4 组播技术 314 12.4 WINDS卫星通信系统 315 12.4.1 系统简介 315 12.4.2 空间段 316 12.4.3 地面段 318 12.5 Spaceway-3卫星通信系统 318 12.5.1 系统简介 318 12.5.2 空间段 319 12.5.3 地面段 321 参考文献 321 13 卫星移动通信系统 323 13.1 Inmarsat通信系统 323 13.1.1 系统简介 323 13.1.2 空间段 323 13.1.3 地面段 325 13.1.4 用户段 326 13.1.5 下一代卫星通信系统 330 13.2 ACeS卫星通信系统 330 13.2.1 系统简介 330 13.2.2 空间段 332 13.2.3 地面段 333 13.2.4 用户段 334 13.3 Thuraya卫星通信系统 336 13.3.1 系统简介 336 13.3.2 空间段 337 13.3.3 地面段 338 13.3.4 用户段 338 13.4 ICO-G1卫星通信系统 339 13.4.1 系统简介 339 13.4.2 空间段 340 13.4.3 地面段 340 13.4.4 用户段 342 13.4.5 关键技术 343 13.5 TerreStar卫星通信系统 345 13.5.1 系统简介 345 13.5.2 空间段 347 13.5.3 地面段 348 13.5.4 用户段 348 13.6 Skyterra-1卫星通信系统 348 13.6.1 系统简介 348 13.6.2 空间段 349 13.6.3 地面段 351 13.6.4 用户段 351 13.7 Iridium卫星通信系统 352 13.7.1 系统简介 352 13.7.2 空间段 354 13.7.3 地面段 358 13.7.4 用户段 360 13.8 Globalstar卫星通信系统 361 13.8.1 系统简介 361 13.8.2 空间段 363 13.8.3 地面段 365 13.8.4 用户段 366 13.9 ORBCOMM卫星通信系统 367 13.9.1 系统简介 367 13.9.2 空间段 369 13.9.3 地面段 370 13.9.4 用户终端 371 13.9.5 应用案例 372 13.10 Gonets卫星通信系统 372 13.10.1 系统简介 372 13.10.2 空间段 373 13.10.3 地面段 375 13.10.4 用户段 375 13.10.5 使用特性 376 参考文献 376 14 卫星广播电视系统 378 14.1 卫星广播电视概述 378 14.1.1 发展历程 378 14.1.2 卫星电视直播业务分类 379 14.1.3 国际电联Ku频段卫星广播业务规划 380 14.2 卫星广播电视传输体制 381 14.2.1 模拟卫星广播和数字卫星广播 381 14.2.2 DVB-S标准 383 14.2.3 DVB-S2标准 384 14.2.4 DVB-RCS标准 385 14.2.5 Digicipher-II标准 386 14.2.6 ABS-S标准 386 14.2.7 SCPC与MCPC 387 14.2.8 SKYPLEX 387 14.3 美国和加拿大卫星广播电视系统 388 14.3.1 系统简介 388 14.3.2 卫星 389 14.3.3 地面段 395 14.3.4 用户接收终端 395 14.3.5 美国、加拿大DBS卫星电视直播业务发展特点 397 14.4 欧洲地区卫星广播电视系统 398 14.4.1 系统简介 398 14.4.2 ASTRA卫星 399 14.4.3 Eutelsat卫星 404 14.4.4 SKYPLEX广播服务 409 14.4.5 用户接收终端 409 14.4.6 欧洲地区卫星电视直播业务发展特点 410 14.5 日本卫星广播电视系统 410 14.5.1 系统简介 410 14.5.2 卫星 410 14.5.3 地面段 411 14.5.4 用户接收终端 412 14.5.5 日本卫星电视直播业务发展特点 412 参考文献 412 15 卫星移动广播电视系统 414 15.1 世广卫星音频广播系统 414 15.1.1 系统简介 414 15.1.2 卫星 415 15.1.3 地面控制网络 417 15.1.4 上行站 418 15.1.5 用户接收机 420 15.2 美国天狼星和XM卫星音频广播系统 421 15.2.1 天狼星卫星音频广播系统 421 15.2.2 XM卫星音频广播系统 422 15.2.3 天狼星、XM卫星音频广播系统性能比较 426 15.3 MBSAT音视频广播系统 427 15.3.1 系统简介 427 15.3.2 卫星 428 15.3.3 地面中继站 430 15.3.4 接收机 430 参考文献 431 16 跟踪与数据中继卫星系统 432 16.1 概述 432 16.1.1 跟踪与数据中继卫星系统功用 432 16.1.2 跟踪与数据中继卫星系统组成 433 16.1.3 跟踪与数据中继卫星系统特点 436 16.1.4 跟踪与数据中继卫星系统覆盖特性 437 16.1.5 跟踪与数据中继卫星系统链路形式 438 16.1.6 跟踪与数据中继卫星系统信号形式 440 16.2 美国的跟踪与数据中继卫星系统（TDRSS） 442 16.2.1 系统概述 442 16.2.2 空间段 444 16.2.3 地面段 451 16.2.4 用户段 452 16.3 欧空局的数据中继卫星系统（EDRSS） 452 16.3.1 系统概述 452 16.3.2 系统体系结构 454 16.3.3 空间段 455 16.3.4 地面段 458 16.3.5 用户段 458 16.3.6 星间链路激光通信试验 459 16.4 日本的数据中继与跟踪卫星系统（DRTSS） 460 16.4.1 系统概述 460 16.4.2 空间段 461 16.4.3 地面段 463 16.4.4 用户段 464 16.5 俄罗斯的卫星数据中继网（SDRN） 465 16.5.1 系统概述 465 16.5.2 空间段 466 16.5.3 地面段 469 16.6 跟踪与数据中继卫星系统国际联网互操作 469 参考文献 471 17 美国军事卫星通信体系 473 17.1 传统卫星通信体系 473 17.2 转型卫星通信体系 473 17.3 窄带卫星通信系统 475 17.3.1 系统简介 475 17.3.2 UFO卫星 476 17.3.3 MUOS卫星 478 17.3.4 UFO和MUOS地球站 480 17.3.5 UFO和MUOS用户终端 480 17.4 防护卫星通信系统 481 17.4.1 系统简介 481 17.4.2 Milstar卫星 482 17.4.3 AEHF卫星 486 17.4.4 MILSTAR和AEHF用户终端 487 17.5 宽带卫星通信系统 488 17.5.1 系统简介 488 17.5.2 DSCS-3卫星 490 17.5.3 DSCS-3用户终端 493 17.5.4 GBS有效载荷 494 17.5.5 GBS应用系统 494 17.5.6 WGS卫星 496 17.5.7 WGS系统宽带业务 499 17.6 转型通信体系 501 17.6.1 转型通信体系由来 501 17.6.2 转型通信体系架构 502 17.6.3 转型通信体系实施 503 17.6.4 转型卫星通信系统架构 504 17.6.5 转型卫星通信系统TSAT星座 504 17.6.6 转型卫星通信系统IP网络 505 17.6.7 转型卫星通信系统用户终端 505 参考文献 506 18 全球个人通信系统 509 18.1 全球个人通信网定义 509 18.2 全球个人通信网主要特点 509 18.3 全球个人通信网基本功能 510 18.4 全球个人通信网架构 511 18.5 智能个人通信网结构 513 18.6 全球个人通信网中卫星通信网 514 18.7 全球个人通信网关键技术 515 参考文献 516 19 天基综合信息网 517 19.1 天基综合信息网概念 517 19.1.1 天基综合信息网定义和特征 517 19.1.2 天基综合信息网组成和应用 517 19.2 天基综合信息网体系架构 518 19.2.1 天基综合信息网空间段 518 19.2.2 天基综合信息网地面段 520 19.3 天基综合信息网空间通信网结构 521 19.3.1 星座组网要求 521 19.3.2 双层星座示例 521 19.3.3 多层星座示例 522 19.4 天基综合信息网用户飞行器 524 19.4.1 空间层用户航天器 524 19.4.2 临近空间层用户飞行器 526 19.5 天基综合信息网协议结构 527 19.5.1 CCSDS协议体系结构 527 19.5.2 天基综合信息网协议配置示例 528 19.6 天基综合信息网关键技术 529 19.7 欧洲的全球天基综合通信网 530 19.7.1 ISICOM目标和任务 530 19.7.2 ISICOM用户定位 531 19.7.3 ISICOM系统架构 531 19.7.4 ISICOM核心基础结构 532 19.8 我国天基综合信息网构想 533 19.8.1 我国天基综合信息网的设计思想 533 19.8.2 空间层通信网 534 19.8.3 静止轨道星座 535 19.8.4 低轨道星座 537 19.8.5 空间层用户航天器 538 19.8.6 临近空间层飞行器 539 19.8.7 空间层时空基准 539 参考文献 539 附录A 英文缩略语 541