卫星通信教案.docx
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卫星通信教案
大连科技学院
教案
2014～2015学年第2学期
教学单位电气工程系
课程名称卫星通信
课程编号0020308026
学时48学分3
适用专业通信工程年级2012级
授课教师徐宪莹职称助教
大连科技学院教务处制
课程教学实施计划
授课教师
辅导教师（助教）
实验（实践）教学指导教师
学时计划
总学时
理论学时
多媒体教学学时
习题课
上机学时
实验学时
48
48
48
包含在理论课中
使用教材
名称
出版社
出版时间
获奖情况
卫星通信导论（第3版）
电子工业出版社
2011.07.01
“十一五”国家级规划教材
参
考
书
目
卫星通信
西安电子科技大学出版社
2008．12.01
卫星通信系统工程
国防工业出版社
2012.03.01
卫星通信系统
国防工业出版社
2012.12.09
教
学
基
本
要
求
1．了解基本概念：
卫星通信系统的组成、频率分配、卫星通信的特点、应用类型、发展历史及趋势。
2．掌握基本计算：
开普勒三大定理及计算、卫星轨道远地点及近地点速度计算、半长轴与高度间计算；重点掌握卫星覆盖特性计算：
地心角、半视角、仰角、星地距离、覆盖区半径及面积；掌握自由空间传播损耗、级联网络的等效噪声温度、接受系统的等效噪声温度计算。
3.掌握多址技术：
频分多址、时分多址、码分多址、ALOHA协议。
4.了解星载和地球站设备：
高功率放大器和低噪声放大器、星载转发器、通信地球站设备、MSS移动终端和信关站。
5.了解VSAT通信网：
重点掌握其网络结构，以及VSAT数据网和电话网的区别。
6.了解并掌握几类卫星通信系统：
卫星移动通信系统、卫星宽带通信系统、卫星数字电视广播系统、卫星定位于导航系统；了解它们各自的特点、系统结构、相关技术及应用，掌握几大系统间的区别；重点学习定位于导航原理。
教
学
改
革
与
创
新
布置几个热门话题，学生也可自己选定感兴趣的话题，4-5人一组，学生自主查阅相关资料，整理出论文文档并制作PPT进行讲解，锻炼学生查阅资料、整理资料、分析问题、讲解的能力，为学生工作面试、读研深造做准备。
考核方式
考试成绩+平时成绩
成绩计算方法
考试成绩60%+平时成绩40%
章节名称
学时分配
教学方法与手段
进度计划
（周次）
第一章卫星通信系统概述
4
理论讲授
8-18-2
第二章卫星轨道
4
理论讲授与习题指导
9-39-4
第三章链路传播工程
4
理论讲授与习题指导
10-510-6
习题课
2
理论讲授与习题指导
11-7
第四章多址技术
4
理论讲授
11-812-9
第五章星载和地球站设备
4
理论讲授
12-1013-11
第六章VSAT通信网
4
理论讲授
13-1214-13
第七章卫星移动通信系统
6
理论讲授
14-1415-1515-16
第八章卫星宽带通信系统
4
理论讲授
16-1716-18
第九章卫星数字电视广播系统
4
理论讲授
17-1917-20
第十章卫星定位与导航系统
6
理论讲授
18-2118-22
大作业
2
学生自主
19-23
总复习
2
理论讲授与习题指导
19-24
课堂单元教案
第1次课
教学过程设计：
复习分钟；授新课75分钟
讨论分钟；其它15分钟
授课类型（请打√）：
理论课讨论课□实验课□习题课□其它□
教学方式（请打√）：
讲授讨论□示教□指导□其它□
教学手段（请打√）：
多媒体模型□实物□挂图□音像□其它□
教学目的：
了解为什么学习《卫星通信》这门课程，卫星通信在生活有什么重要用途，了解卫星通信
系统相关的基本概念、系统组成等。
重点、难点及措施：
卫星通信系统的概念、组成、特点、应用及业务。
列举生活中的例子。
思考题、课后作业：
教学基本内容：
（可另附页）
1、介绍通信的概念及分类，引出卫星通信的概念及所属的通信类别
通信：
在两个或多个位置实现信息的传输、接收和处理。
有线通信：
光纤、电缆、明线
无线通信：
短波/超短波通信、微波中继通信、地面移动通信、卫星通信
卫星通信是个人通信网的组成部分，是地面通信网的补充。
卫星通信是指利用卫星作为中继站转发或反射无线电波，实现两个或多个地球站（或手持终端）之间、或者地球站与航天器之间通信的一种通信方式。
2、通信卫星绕地球运动，有其自有的运行轨道，接下来介绍卫星轨道
卫星围绕地球做无动力飞行，运行规律服从开普勒定律，轨道特性：
（1）卫星具有椭圆形轨道，地球的地心是椭圆的一个焦点；
（2）卫星在轨道上以速度V运动的过程中，单位时间内地心O与卫星S的连线所扫过的面积相等；能够推导出，卫星靠近地球时运动速度较快，而离开地球较远时运动速度较慢；
3、卫星通信系统的组成
（1）空间段
主要是卫星本身，星体包括两大子系统：
星载设备和卫星母体。
（2）地面段
典型的地面段即地球站，包括地面卫星控制中心（SCC,Satellitecontrolcenter）及其跟踪、遥测和指令站（TT&C,Tracking,telemetryandcommandstation）。
（3）用户段：
各种用户终端
4、卫星通信的特点
（1）服务范围宽：
一颗GEO卫星覆盖全球表面的42%，中低轨星座系统可实现全球覆盖。
（2）可用频段宽：
从150MHz～30GHz（Ka波段），目前已开始开发Q、V波段（40～50GHz）。
（3）网络路由简捷：
旁路复杂的地面“网络云”，跨国公司专网。
（4）网络建设速度快、成本低：
除建站外，无需地面施工，运行维护费用低。
（5）系统均匀服务，易引入新业务：
统一的业务提供商，利于系统为各地区提供均匀的服务。
5、卫星通信的业务类型，举一些卫星通信在生活中的例子（可放视频资料）
（1）卫星视频广播业务
（2）电话等交互式业务
（3）数据通信和因特网业务
（4）移动通信业务
课堂单元教案
第2次课
教学过程设计：
复习5分钟；授新课75分钟
讨论10分钟；其它分钟
授课类型（请打√）：
理论课讨论课□实验课□习题课□其它□
教学方式（请打√）：
讲授讨论□示教□指导□其它□
教学手段（请打√）：
多媒体模型□实物□挂图□音像□其它□
教学目的：
了解卫星通信的发展历程及趋势、频率分配等。
重点、难点及措施：
我国卫星通信方面的发展及突出贡献，举例说明。
思考题、课后作业：
教学基本内容：
（可另附页）
1、频率分配
卫星通信的频率窗口：
大气对不同频率电波传播的吸收损耗差异很大，形成星－地传输
的频率窗口。
吸收损耗在22和60GHz有峰值。
卫星通信频段：
目前常用频段有L，S，C，X，Ku，Ka。
L频段：
1～2GHZ，一般记为1.6/1.5G（上行/下行），用于MSS，GEO卫星测控。
S频段：
2～4GHz，用于MSS，GEO卫星测控。
C频段：
4～7GHz，用于FSS和MSS的馈电链路。
Ku频段：
12～18GHz，用于FSS，BSS。
Ka频段：
20～40GHz,用于FSS，MSS。
此外，VHF、UHF用于低轨小卫星通信。
VHF频段：
0.1~0.3GHz，用于移动、导航业务
UHF频段：
0.3~1.0GHz，用于移动、导航业务
更高频段
Q频段：
36.0~46.0GHz，V频段：
46.0~56.0GHz
2、卫星通信在中国的特殊地位
中国幅员辽阔、人口众多、地区发展不平衡、中国有60％左右的地区是地面网盲区，如海洋、高山、沙漠和草原等，通信的困难甚至成为人们生存的障碍。
由于卫星通信相对于地面通信网的综合造价成本高，终端贵，因此，卫星通信的市场定
位应该是地面通信网的延伸和补充，主要服务于地面通信网不能覆盖的区域及有特殊通信
需求的人群。
卫星覆盖区域广，可以较经济地为地面蜂窝网覆盖范围以外的用户---“唯星用户”提
供移动通信业务
解决边远地区通信服务、企业专网、洲际通信、国防通信，与地面通信网结合解决广域无缝覆盖。
2、世界卫星通信的发展历史
1945年ClarkeA.C.提出三颗同步卫星覆盖全球
1957年前苏联发射世界上第一颗卫星Sputnik
1963年美国发射世界上第一颗同步轨道卫星SYNCOM
1964年INTERSAT成立
1965年第一颗商用同步卫星“晨鸟”进入轨道
1975年第一次通过卫星成功实现直接广播试验
1979年INMARSAT成立
1982年国际海事卫星通信进入运行
1984年第一个DTH系统在日本进入运行
1987年INMARSAT成功进行地面移动卫星通信试验
1989～1990年INMARSAT将全球移动卫星通信业务扩展到地面和空间移动通信领域
1995年WRC对非静止轨道卫星系统分配新频谱；商用LEO卫星系统ORBCOM第一次传送低速数据试验成功
1998年通过LEO星座引入手机通信业务
1999~2000年引入卫星直接广播语音业务
2000~2005年引入宽带个人通信，Ka频段发展迅速
3、中国卫星通信的发展
中国第一颗试验卫星“东方红一号”于1970年4月24日发射成功，重37Kg，运转周期
110分钟，绕地球一周，以旋极化的全球波束向全球广播“东方红乐曲”。
1984年8月8日成功发射第一颗同步轨道试验通信卫星“东方红二-1”，定位在125°E，
重433Kg，携带2个8W的C频段转发器，以全球波束辐射，中心波束为23.4dBW。
1986年2月1日“东方红二号-2“成功定位在103°E，携带2个C频转发器，以区域椭圆
波束辐射传送，重433Kg，中心波束为34.5dBW。
携带2个8W的C频段转发器，以全球波束辐射，中心波束为23.4dBW。
1988年3月7日“东方红二号甲-1“简称“东二甲-1“，对外称“中卫一号“定位在87.5°E，
波束中心指向101.7°E，34.11°N，中心波束为36dBW。
4个C频段转发器，二个8W，二个10W，以区域椭圆波束辐射传送。
卫星重441Kg，寿命7年。
1990年2月4日“东方红二号甲3“简称“东二甲3“，对外称“中卫三号“定位在98°E，
波束中心指向103.23°E，33.84°N，中心波束36dBW。
4个C频段转发器以区域椭圆波束辐射传送。
卫星重441Kg。
1993年7月“中星五号”卫星启用，定位115.5o，播出8个省级节目。
1996年7月3日『亚太一A』在西昌发射中心成功发射，本卫星和『亚太一号』相同为C
频段双极星，定位于东经134°E，台湾地区信号覆盖强度为37dBm，接收容易。
1991年12月28日“东方红三号”发射但卫星定位失败。
1997年5月11日新的“东方红三号”又称为“中卫6号”发射成功，它是新型大功率的卫
星，携带24个C频段转发器，定位125°E。
1998年5月30日新的“中卫一号”发射成功。
它是第一颗携带Ku频段的新型大功率的卫
星，携带18个C频段转发器，定位在87.5°E。
1998年7月18日“鑫诺一号”发射成功。
携带14个Ku频段转发器和24个C频段转发器
和一对C-Ku频段互联转发器，定位在110.5°E。
2003年10月21日11时16分，太原卫星发射中心用“长征”四号乙运载火箭成功地将
中国与巴西联合研制的第二颗“资源一号”卫星和中国科学院研制的“创新一号”小卫星送入太空。
火箭发射13分钟后，“资源一号”卫星进入太阳同步轨道。
火箭继续飞行约40秒后，“创新一号”卫星与火箭分离，进入预定轨道。
2003年10月15日，神州五号在酒泉卫星发射中心成功发射。
2005年10月12日，神州五号在酒泉卫星发射中心成功发射。
2008年9月25日成功发射
2006年10月29日“鑫诺二号”卫星在西昌发射成功，但是在定点过程中出现技术故障，
致使太阳帆板二次展开和通信天线展开未能完成，无法提供通信广播传输服务。
2000年10月31日、12月21日、2003年5月25日、2007年2月3日先后成功发射四颗
北斗导航试验卫星
2007年4月14日中国成功发射了第一颗北斗导航卫星
2007年6月1日“鑫诺三号”卫星在西昌发射成功，轨道位置：
E125o，覆盖中国及周边国
家和地区。
2008年4月25日中国首颗数据中继卫星“天链一号01星”在西昌发射成功，其任务是
为卫星、飞船等航天器提高数据中继和测控服务
2009年4月15日第2颗北斗导航卫星在西昌卫星发射中心成功发射
2010年1月17日第3颗北斗导航卫星在西昌卫星发射中心成功发射
4、卫星通信的发展趋势
同步卫星向大容量、多波束、智能化方向发展
低轨卫星与地面蜂窝通信相结合，实现全球个人通信
小卫星通信地面站的广泛应用
数字视频广播（DVB）和数字音频广播步入家庭和个人用户
多媒体通信和Internet接入
微小卫星、纳卫星和皮卫星的快速发展
课堂单元教案
第3次课
教学过程设计：
复习5分钟；授新课80分钟
讨论分钟；其它5分钟
授课类型（请打√）：
理论课讨论课□实验课□习题课□其它□
教学方式（请打√）：
讲授讨论□示教□指导□其它□
教学手段（请打√）：
多媒体模型□实物□挂图□音像□其它□
教学目的：
了解卫星轨道特性、轨道分类、及地心坐标系与卫星轨道参数。
重点、难点及措施：
地心坐标系与卫星轨道参数，图形展示
思考题、课后作业：
教学基本内容：
（可另附页）
1、假设地球是质量均匀分布的圆球体，忽略太阳、月球和其它行星的引力作用，卫星运动服从开普勒三大定律。
开普勒第一定律：
卫星以地心为一个焦点做椭圆运动。
其轨道平面的极坐标为：
开普勒第二定律：
卫星与地心的连线在相同时间内扫过的面积相等。
V为卫星在轨道上的瞬时速度。
其中a为椭圆轨道的半长轴，r为卫星到地心的距离。
u为开普勒常数，u值为398601.58*109m3/s2
开普勒第三定律：
卫星运转周期的平方与轨道半长轴的3次方成正比。
u为开普勒常数，u值为398601.58109m3/s2。
2、地心坐标系与卫星轨道参数
天球：
人们为了便于研究天体，假想以空间任意点为中心，以无限长为半径所作的球。
天赤道：
延伸地球赤道面而同天球相交的大圆称为“天赤道”。
天极：
向南北两个方向无限延长地球自转轴所在的直线，与天球形成两个交点，分别叫作北天极与南天极。
黄道：
从地球上看，太阳于一年之内在恒星之间所走的视路径，即地球的公转轨道平面和天球相交的大圆。
黄道和天赤道成23度26分的角，相交于春分点和秋分点。
升节点（或升交点）：
卫星从地球的南半球向北半球飞行的时候经过地球赤道平面的点。
春分点和秋分点：
从地球上看，太阳沿黄道逆时针运动，黄道和天赤道在天球上存在相距180°的两个交点，其中太阳沿黄道从天赤道以南向北通过天赤道的那一点，称为春分点，与春分点相隔180°的另一点，称为秋分点，太阳分别在每年的春分（3月21日前后）和秋分（9月23日前后）通过春分点和秋分点。
简单地说，春分点为太阳沿黄道从天赤道以南向北通过天赤道的那一点。
3、卫星轨道的分类
（1）按卫星轨道的倾角分
赤道轨道、顺行轨道、极轨道、逆行轨道
（2）按卫星轨道的偏心率分
圆轨道、椭圆轨道、抛物线轨道、双曲线轨道
（3）轨道的高度分
低轨道、中轨道、高轨道、地球静止轨道
（4）按卫星轨道的重复特性分
回归轨道、准回归轨道、非回归轨道
课堂单元教案
第4次课
教学过程设计：
复习5分钟；授新课80分钟
讨论分钟；其它5分钟
授课类型（请打√）：
理论课讨论课□实验课□习题课□其它□
教学方式（请打√）：
讲授讨论□示教□指导□其它□
教学手段（请打√）：
多媒体模型□实物□挂图□音像□其它□
教学目的：
掌握卫星覆盖特性计算
重点、难点及措施：
卫星覆盖特性计算，包括地心角、半视角、仰角、覆盖区面积、卫星连续服务时间等。
例题讲解，课堂连续加深理解。
思考题、课后作业：
习题2.22.4
教学基本内容：
（可另附页）
1、卫星轨道摄动
原因：
地球形状不规则、大气阻力、太阳和月球引力。
（1）地球非球形引起的摄动，表现为：
卫星的轨道面绕地轴缓慢转动
近地点位置变化
（2）大气阻力的影响
卫星轨道的远地点降低，长轴缩短，即运行周期缩短
偏心率减小，轨道愈变愈圆
2、卫星的定位
卫星在外层空间沿着轨道运行，而地球在不断地自转。
卫星在沿着椭圆轨道绕地球运行时，其后一圈运行的星下点轨迹一般不重复前一圈运行的星下点轨迹。
沿椭圆轨道运行的卫星在某一圈运行的星下点轨迹由以下方程决定（定义该圈运行通过升节点的时刻作为度量零点）。
3、卫星覆盖特性计算
（1）星下覆盖区对应的地球中心角γ（覆盖地心角）为：
（2）仰角e为：
（3）终端到卫星的距离，表示为：
（4）卫星的覆盖区域面积为：
4、例题
教材26页例题2
5、轨道特性对通信系统性能的影响
多普勒频移、日蚀、日凌中断
课堂单元教案
第5次课
教学过程设计：
复习5分钟；授新课80分钟
讨论分钟；其它5分钟
授课类型（请打√）：
理论课讨论课□实验课□习题课□其它□
教学方式（请打√）：
讲授讨论□示教□指导□其它□
教学手段（请打√）：
多媒体模型□实物□挂图□音像□其它□
教学目的：
掌握星地链路传播特性及其计算。
重点、难点及措施：
自由空间传播损耗计算。
例题讲解。
思考题、课后作业：
习题3.1
教学基本内容：
（可另附页）
1、卫星通信系统的主要技术参数
等效全向辐射功率（EIRP）
定义：
地球站或卫星的天线发射功率P与该天线增益G的乘积。
表明了定向天线在最大辐射方向实际所辐射的功率。
EIRP=P·G，或EIRP（dBW）=P（dBW）+G（dB）
噪声温度（Te）
定义：
将噪声系数折合为电阻元件在相当于某温度下的热噪声，温度以绝对温度K计。
噪声温度（Te）与噪声系数（NF）的关系为：
NF=10lg（1+Te/290）dB
品质因素（G/Te）
定义：
天线增益与噪声温度的比值。
G/Te=G（dB）-10lgTe（dB/K）
2、天线增益的计算公式
卫星移动通信系统中的天线增益可以按下式进行计算：
3、星-地链路传播特性
自由空间电波传播是无线电波最基本、最简单的传播方式。
自由空间是一个理想化的概念，为人们研究电波传播提供了一个简化的计算环境。
电波从点源全向天线发出后在自由空间传播，能量将扩散到一个球面上。
如用定向天线，电波将向某一方向会聚，在此方向上获得增益，那么到达接收点的信号功率为：
4、例题讲解
若静止卫星定位于E90o，求位于E110o，N40o的地球站对卫星的仰角、信号传播距离。
若射频频率为6GHz，计算链路的自由空间传播损耗。
解：
课堂单元教案
第6次课
教学过程设计：
复习5分钟；授新课80分钟
讨论分钟；其它5分钟
授课类型（请打√）：
理论课讨论课□实验课□习题课□其它□
教学方式（请打√）：
讲授讨论□示教□指导□其它□
教学手段（请打√）：
多媒体模型□实物□挂图□音像□其它□
教学目的：
掌握等效噪声温度与噪声系数计算公式、有耗无源网络等效噪声温度、级联网络的等效噪声温度计算、以及接收系统的等效噪声温度
重点、难点及措施：
级联网络的等效噪声温度、以及接收系统的等效噪声温度的计算，以及他们二者的区别。
例题讲解，分析比较。
思考题、课后作业：
习题3.4
教学基本内容：
（可另附页）
1、链路附加损耗
（1）大气吸收损耗
在大气各种气体中，水蒸汽、氧气对电波的吸收衰减起主要作用，水蒸汽的第一吸收峰在22GHz，氧气在60GHz（35－80GHz间）。
对非常低的水蒸汽密度，衰减可假定与水蒸汽密度成正比。
由于在22GHz和60GHz处有较大的损耗峰存在，这些频率不宜用于星-地链路，但可用于星间链路。
总体上，大气吸收损耗随频率的增加而增大。
在0.3-l0GHz的频段，大气损耗小，适合于电波传播，这一频段是当前应用最多的频段。
30GHz附近也有一个低损耗区。
（2）雨衰和云雾的影响
在雨天或有雾的气象条件下，雨滴和雾对于较高频率（10GHz以上）的电波会产生散射和吸收作用，从而引入较大的附加损耗，称为雨衰。
仰角为θ的传播路径上的降雨衰减量为：
LR=γR·lR（θ）
γR是降雨衰减系数，定义为由雨滴引起的单位长度上的衰减，单位dB／km；lR（θ）是降雨地区的等效路径长度，定义为当仰角为θ时传播路径上产生的总降雨衰减（dB）与对应于地球站所在地降雨强度的降雨衰减系数比（dB／km），单位为km。
（3）大气折射的影响
大气折射率随着高度的增加、大气密度的减小而减小，电波射线因折射率随高度变化而产生弯曲，波束上翘一个角度增量。
大气折射率的变动对穿越大气的电波起到一个凹透镜的作用，使电波产生微小的散焦衰减，衰减量与频率无关。
在仰角大于5度时，散焦衰减小于0.2dB。
此外，因大气湍流引起的大气指数的变化，使电波向各个方向上散射，导致电波到达大口面天线时振幅和相位不均匀分布，引起散射衰落，这类损耗较小。
（4）电离层闪烁和多径
电离层内存在电子密度的随机不均匀性而引起闪烁，可使信号产生折射。
电离层中不均匀体的发生和发展，造成了穿越其中的电波的散射，使得电磁能量在时空中重新分布，造成电波信号的幅度、相位、到达角、极化状态等发生短期不规则变化。
对闪烁深度大的地区，用编码、交织、重发等技术，来克服衰落，减少电离层闪烁的影响；其它地区可用适当增加储备余量的方法克服电离层闪烁的影响。
2、卫星移动通信链路特性
接收信号的强度r1（t）服从对数高斯条件下的Rician分布，相位服从[0,2]的均匀分布
3、噪声与干扰
（1）系统热噪声
热噪声：
只要传导媒质不处于绝对温度的零度，其中的带电粒子就存在随机运动，产生对信号形成干扰的噪声，称为热噪声。
噪声功率谱密度:
n0=KT
网络输出噪声功率N0：
升级会员 