铱星及卫星移动通信,1,主要内容,1.卫星移动通信及其关键技术 2.铱星计划及其衰落 3.宇宙垃圾与空间碎片产生及危害 4.星座构型设计与保持技术、轨道摄动理论,2,1. 卫星移动通信及其关键技术,3,概念纠偏： 卫星移动通信中的“移动”，指的是终端的“移动”，而不是卫星的“移动”。,4,卫星移动通信系统发展过程,5,卫星与地面移动通信系统的比较,6,卫星移动通信主要分为静止轨道和低轨卫星通信两种，本章主要介绍近地轨道卫星移动通信系统,7,你认为卫星移动通信有哪些优点、哪些特点？,8,近地轨道移动通信卫星的优点,由于卫星轨道高度低，链路传播损耗小，有利于系统为手持移动终端用户提供服务。 传输延时小，对话音通信不存在回声问题；实时性较好。 采用极地轨道或大倾角轨道时，可以为高纬度地区提供服务。 可利用多普勒频移进行定位。 星座能够对用户提供多重覆盖。因此可以采用分集接收技术，星座中的个别卫星失效，系统仍可运行。,9,近地轨道移动通信卫星的缺点,由于一颗卫星不能对某一地区进行连续覆盖，必须利用多卫星构成星座。 星座中任一颗对地面的覆盖时间都是有限的(一般小于15分钟)，为保证通信的连续性，需要频繁切换，技术复杂。 通信过程中，用户天线应该对运动中的卫星进行跟踪，或者，用户天线需要是全向天线. 由于卫星绕地球的公转和地球自身的自转而产生的多普勒频移很大，需要进行补偿。 卫星每轨都有太阳阴影区，对星载蓄电池提出了更高的容量要求。,10,卫星移动通信的特点和问题,卫星功率有限与移动台低天线增益之间的矛盾十分突出； 系统在衰落信道中工作，电波传播情况复杂； 众多用户共享有限的卫星资源（频率和功率）； 移动台要求高度的机动性，在卫星不能保持固定覆盖的情况下对网络管理（切换、路由等）提出较高要求,11,卫星移动通信关键技术,抗衰落通信技术 调制解调技术、分集和均衡技术、纠错编码技术、功率控制技术 网络管理与控制 多址、切换、路由、交换技术 天线及射频技术 多波束天线、大口径天线 空间段与地面段相匹配的优化设计技术 星座设计、星上处理转发器技术,12,星际链路,面内星际链路 通常，一颗卫星和同一轨道面内位于其前后的各一颗卫星建立面内星际链路 因为同一轨道面内卫星间的相对运动几乎为零，因此星际链路天线的指向角是固定的，也无需跟踪功能,13,星际链路（ 续）,面间星际链路 由于卫星间存在相对运动，因此星际链路天线的方位角、仰角以及链路长度都是时变的，因此需要采用跟踪天线,14,星际链路（ 续）,层间星际链路 不同高度轨道平面内的卫星间存在相对运动，使得层间星际链路会发生重建 需要采用跟踪天线 接入卫星选择策略对层间星际链路的稳定性有很大的影响,15,卫星移动通信系统网络结构,卫星移动通信系统的基本网络结构,16,ETSI建议的卫星个人通信网络结构,17,ETSI建议的卫星个人通信网络结构 结构（a）中，空间段采用透明转发器，系统依赖于地面网络来连接信关站，卫星没有建立星际链路的能力，移动用户间的呼叫传输延时至少等于非静止轨道卫星两跳的传输延时加上信关站间的地面网络传输延时。全球星系统采用该结构方案为移动用户提供服务。,18,ETSI建议的卫星个人通信网络结构 结构（b）同样没有采用星际链路，使用静止轨道卫星提供信关站之间的连接。静止卫星的使用减少了系统对地面网络的依赖，但会带来数据的长距离传输。该结构中，移动用户间的呼叫传输延时至少等于非静止轨道卫星两跳的传输延时加上静止轨道卫星一跳的传输延时。,19,ETSI建议的卫星个人通信网络结构 结构（c）使用了星际链路来实现相同轨道结构的卫星进行互连。系统仍然需要信关站来完成一些网络功能，但对其的依赖性已经下降。移动用户间的呼叫传输延时是变化的，依赖于在卫星和星际链路构成的空中骨干网络路由选择。铱系统采用该结构方案为移动用户提供服务。,20,ETSI建议的卫星个人通信网络结构 结构（d）中使用了双层卫星网络构建的混合星座结构。非静止轨道卫星使用星际链路进行互连，使用轨间链路（IOL：Inter-Orbit Links）与静止轨道数据中继卫星互连。移动用户间的呼叫传输延时等于两个非静止轨道卫星半跳的延时加上非静止轨道卫星到静止轨道卫星的一跳的延时。在该结构中，为保证非静止轨道卫星的全球性互连，需要至少3颗静止轨道中继卫星。,21,系统空间段 空间段提供网络用户与信关站之间的连接； 空间段由1个或多个卫星星座构成，每个星座又涉及到一系列轨道参数和独立的卫星参数； 空间段轨道参数通常根据指定覆盖区规定的服务质量（QoS）要求，在系统设计的最初阶段便确定； 空间段的设计可采用多种方法，取决于轨道类型和星上有效载荷所采用的技术。,22,系统地面段 通常包括：信关站（也称为固定地球站FES）、网络控制中心（NCC）和卫星控制中心（SCC） 用户信息管理系统（CIMS）是负责维护信关站配置数据，完成系统计费、生成用户账单并记录呼叫详情的数据库系统，与信关站、网络控制中心和卫星控制中心协同工作 可以将网络控制中心、卫星控制中心和用户信息管理系统合在一起称为控制段,23,系统地面段信关站 信关站通过本地交换提供系统卫星网络（空间段）到地面现有核心网络（如公用电话交换网PSTN和公用地面移动网络PLMN）的固定接入点 卫星移动通信系统与地面移动网络（如GSM和CDMA网络）的集成带来了一些附加的问题，必须在信关站中解决,24,系统地面段网络控制中心 又称为网络管理站（NMS），与用户信息管理系统CIMS相连，协同完成卫星资源的管理、网络管理和控制相关的逻辑功能，按照功能又可以划分为网络管理功能组和呼叫控制功能组。 网络管理功能组的主要任务包括：管理呼叫通信流的整体概况；系统资源管理和网络同步；运行和维护（OAM）功能；站内信令链路管理；拥塞控制；提供对用户终端试运行的支持 呼叫控制功能组的主要任务包括 ：公共信道信令功能 ；移动呼叫发起端的信关站选择；定义信关站的配置,25,系统地面段卫星控制中心 负责监视卫星星座的性能，控制卫星的轨道位置。与卫星有效载荷相关的特殊呼叫控制功能也能够由卫星控制中心来完成，按照功能又可以划分为卫星控制功能组和呼叫控制功能组 卫星控制功能组的主要任务包括：产生和分发星历；产生和传送对卫星有效载荷和公用舱的命令；接收和处理遥测信息；传输波束指向命令；产生和传送变轨操作命令；执行距离校正 呼叫控制功能组完成移动用户到移动用户呼叫的实时交换,26,系统用户段 用户段由各种用户终端组成； 主要分为两个主要的类别：移动（Mobile）终端 和便携（Portable）终端,27,卫星移动通信系统可以工作于多个频段 频段的选取主要取决于系统提供的服务类型 卫星移动通信业务频率分配是先后通过87年和92年的世界无线电行政大会（WARC-87、92），95、97和2000年世界无线电大会（WRC-95、97、2000）分配,28,WARC-87分配的MSS频谱,29,WARC-92为全球3个频率区域分配了NGEO卫星移动通信业务和卫星无线定位业务（RDSS）的使用频段，包括VHF、UHF，L和S波段,30,2.铱星计划及其衰落,31,铱星计划,第一个全球覆盖的LEO卫星蜂窝系统，支持话音、数据和定位业务 由于采用了星际链路，系统可以在不依赖于地面通信网的情况下支持地球上任何位置用户之间的通信。 铱系统于上世纪八十年代末由Motorola推出，九十年代初开始开发，耗资37亿美元，于1998年11月开始商业运行 “铱”公司于2000年3月宣告破产。目前，美国国防部出资维持铱系统的运行,32,铱星通过南北极运行在780千米的轨道上，每条轨道上除布星11颗外，还多布1至2颗作为备用。这些卫星可以覆盖全球，用户用手持话机直接接通卫星进行通信，而无需几米直径的抛物面天线就可以进行全球范围内的通话,33,铱星计划革命性的想法从何而来？对于摩托罗拉的工程师巴里伯蒂格来说，它来自于妻子在加勒比海度假时的抱怨，说她无法用手机联系到她的客户。回到家以后，巴里和摩托罗拉在亚利桑那州工作的卫星通信小组的另外两名工程师想到了一种铱星解决方案由77颗近地卫星组成的星群，让用户从世界上任何地方都可以打电话,铱星手机,34,尽管移动通信网络似乎无所不在，但实际上这一网络只覆盖了全球约8%的地区。在其他尚无移动通信网络覆盖的地区，人们只能通过铱星或同类公司开发的卫星电话通信。 用铱星系统的手机打电话与用普通蜂窝制式的手机打电话是一样的。铱星系统的手机事实上是两用的, 铱星系统的手机既可以用来打铱星系统电话, 也可用来打普通蜂窝制式的移动电话。不过打普通蜂窝制式电话的费用要比打铱星电话的费用低, 所以在能够打蜂窝制式电话的地区应尽量选用蜂窝制式。只有在蜂窝制式通信范围以外的地区打电话时, 才需要使用铱星手机通过铱星系统打电话。,35,铱系统空间段 铱系统星座最初的设计由77颗LEO卫星组成，它与铱元素的77个电子围绕原子核运行类似，系统因此得名 实际星座包括66颗卫星，它们分布在6个圆形的、倾角86.4的近极轨道平面上，面间间隔27，轨道高度780km 每个轨道平面上均匀分布11颗卫星，每颗卫星的重量为689kg，卫星设计寿命58年。,36,铱系统空间段 铱”星座中的每颗卫星提供48个点波束，在地面形成48个蜂窝小区，在最小仰角8.2的情况下，每个小区直径为600km，每颗卫星的覆盖区直径约4700km，星座对全球地面形成无缝蜂窝覆盖，如图所示 每颗卫星的一个点波束支持80个信道，单颗卫星可提供3840个信道,37,铱系统空间段部署过程 从1997年5月5日到1999年6月12日的2年期间，共有88颗铱系统卫星发射到轨道中，其中前1年发射了72颗 3种运载火箭被用于发射这88颗卫星，其中11枚美国波音公司的德尔塔2型（DeltaII）火箭发射了55颗，3枚俄罗斯质子（Proton）火箭发射了21颗，7枚中国的长征2型（2C/SD）火箭发射了14颗。,38,铱系统地面段 铱系统的地面段包括信关站、用户终端和遥测、跟踪和控制站（TT&C） 由于铱系统采用了星际链路，因此只需在全球设置少数几个信关站即可。考虑到国家和地区的主权和经济利益，实际上系统按照国家和地域差别在全球设置了共12个信关站，分别位于美国阿利桑那州坦佩、泰国的曼谷、俄罗斯的莫斯科、日本东京、韩国汉城、巴西里约热内卢、意大利罗马、印度孟买、中国北京、台湾地区台北、沙特的吉达，外加一个美军专用关口站在夏威夷。,39,铱系统地面段 用户终端有手持机、车载台和半固定终端3种类型。系统手持机设计为双模终端，手机重量和体积比目前蜂窝电话略大，能够支持地面蜂窝通信网络的多种标准（如GSM、PDC，D-AMPS或CDMA），既适用于铱系统，又适用于本地地面蜂窝网络。,40,铱系统通信链路 用户链路，L频段，1621.351626.5MHz，时分双工模式； 馈送链路，Ka频段，上行29.129.4GHz；下行19.319.6GHz； 星际链路，Ka频段，为23.1823.38GHz。,41,铱星的优势,与静止轨道卫星通信系统相比，铱星主要具有两方面的优势： 一是轨道低，传输速度快，信息损耗小，通信质量大大提高； 二是不需要专门的地面接收站，每部卫星移动手持电话都可以与卫星连接，这就使地球上人迹罕至的不毛之地、通信落后的边远地区、自然灾害现场的通信都变得畅通无阻。,42,铱星移动通信系统计划开始了个人卫星通信的新时代。 1996年开始试验发射，计划1998年投入业务，预计总投资为23亿美元。 主要业务是：移动电话（手机）、寻呼和数据传输。 （从技术角度看，已突破了星间链路等关键技术问题，系统基本结构与规程已初步建成，系统研究发展的各个方面都取得了重要进展，在此期间有全世界几十家公司都参与了铱星计划的实施，应该说铱星计划初期的确立、运筹和实施是非常成功的。）,43,铱星系统的复杂、先进之处： 在于采用了星上处理和星间链路技术，相