卫星通信的基础概念
卫星通信简单地说就是地球上(包括地面和低层大气中)的地球站间利用卫星作为中继而进行的通信。
由地球站和卫星两部分组成。
卫星通信的特点是:
通信范围大：只要在卫星发射的电波所覆盖的范围内，从任何两点之间都可进行通信;
不易受陆地灾害的影响(可靠性高);只要设置地球站电路即可开通(开通电路迅速);
同时可在多处接收，能经济地实现广播、多址通信(多址特点);电路设置非常灵活，可随时分散过于集中的话务量;
同一信道可用于不同方向或不同区间(多址联接)。
缺点：
存在南北极盲区
有延迟
存在雨衰现象
存在日蚀干扰
系统的组成：由卫星端、地面端、用户端三部分组成。
卫星端在空中起中继站的作用，即把地面站发上来的电磁波放大后再返送回另一地面站，卫星星体又包括两大子系统:星载设备和卫星母体。
地面站则是卫星系统与地面公众网的接口，地面用户也可以通过地面站出入卫星系统形成链路，地面站还包括地面，及其跟踪、遥测和指令站。
用户段即是各种用户终端。
卫星通信网络的结构
点对点: 两个卫星站之间互通;小站间信息的传输无需中央站转接;组网方式简单。
星状网:外围各边远站仅与中心站直接发生联系，各边远站之间不能通过卫星直接相互通信(必要时，经中心站转接才能建立联系)。
网状网:网络中的各站，彼此可经卫星直接沟通。
混合网:星状网和网状网的混合形式
卫星通信的应用范围
(1)长途电话、传真
(2)电视广播、娱乐
(3)计算机联网
(4)电视会议、电话会议
(5)交互型远程教育
(6)医疗数据
(7)应急业务、新闻广播
卫星通信使用频率
(1)电波应能穿过电离层，传输损耗和外部附加噪声应尽可能小
(2)有较宽的可用频带，尽可能增大通信容量
(3)较合理的使用无线电频谱，防止各宇宙通信业务之间及与其它地面通信业务之间产生相互干扰
(4)通信采用微波频段(300MHz-300GHz)
多址方式
在微波频带，整个的工作频带约有500MHz宽度，为了便于放大和发射及减少变调干扰，一般在星上设置若干个转发器。每个转发器被分配一定的工作频带。
卫星通信多采用频分多址技术，不同的地球站占用不同的频率，即采用不同的载波。比较适用于点对点大容量的通信。
时分多址技术即是多个地球站占用同一频带，但占用不同的时隙。与频分多址方式相比，时分多址技术不会产生互调干扰、不需用上下变频把各地球站信号分开、适合数字通信、可根据业务量的变化按需分配传输带宽，使实际容量大幅度增加。
另一种多址技术是**(CDMA)**，即不同的地球站占用同一频率和同一时间，但利用不同的随机码对信息进行编码来区分不同的地址。CDMA采用了扩展频谱通信技术，具有抗干扰能力强、有较好的保密通信能力、可灵活调度传输资源等优点。它比较适合于容量小、分布广、有一定保密要求的系统使用。
卫星的运动轨道
卫星运行的轨迹和趋势称为卫星运行轨道;其轨道近似于椭圆或圆形，地心就处在椭圆的一焦点或圆心上。
按照轨道平面与赤道平面的夹角i(轨道倾角)的不同，地球卫星的轨道有以下三种
赤道轨道(i=0°)
极轨道(i=90° )
倾斜轨道(0°<i<90°)
低轨道卫星通信系统(LEO)
低轨道卫星通信系统(LEO)：距地面500-2000Km，传输时延和功耗都比较小，但每颗星的覆盖范围也比较小，典型系统有Motorola的铱星系统。
低轨道卫星通信系统由于卫星轨道低，信号传播时延短，所以可支持多跳通信;其链路损耗小，可以降低对卫星和用户终端的要求，可以采用微型/小型卫星和手持用户终端。
但是也为这些优势付出了较大的代价:由于轨道低，每颗卫星所能覆盖的范围比较小，要构成全球系统需要数十颗卫星：如铱星系统有66颗卫星、Globalstar有48颗卫星Teledisc有288颗卫星。
同时，由于低轨道卫星的运动速度快，对于单一用户来说，卫星从地平线升起到再次落到地平线以下的时间较短，所以卫星间或载波间切换频繁。
因此，低轨系统的系统构成和控制复杂、技术风险大、建设成本也相对较高。
中轨道卫星通信系统(MEO)
距地面2000-20000Km，传输时延要大于低轨道卫星，但覆盖范围也更大，典型系统是国际。
中轨道卫星通信系统可以说是同步卫星系统和低轨道卫星系统的折衷，兼有这两种方案的优点同时又在一定程度上克服了这两种方案的不足之处。
中轨道卫星的链路损耗和传播时延都比较小，仍然可采用简单的小型卫星。
如果中轨道和低轨道卫星系统均采用星际链路，当用户进行远距离通信时，中轨道通过卫星星际链路子网的时延将比低轨道系统低。
而且由于其轨道比低轨道卫星系统高许多，每颗卫星所能覆盖的范围比低轨道系统大得多，当轨道高度为10000Km时，每颗卫星可以覆盖地球表面的23.5%，因而只要几颗卫星就可以覆盖全球
若有十几颗卫星就可以提供对全球大部分地区的双重覆盖，这样可以利用分集接收来提高，同时系统投资要低于低轨道系统。因此，从一定意义上说，中轨道系统可能是建立全球或区域性较为优越的方案。当然，如果需要为地面终端提供宽带业务，中轨道系统将存在一定困难，而利用低轨道卫星系统作为高速的多媒体卫星通信系统的性能要优于中轨道卫星系统。
高轨道卫星通信系统(GEO)
距地面35800km，即同步静止轨道。理论上，用三颗高轨道卫星即可以实现全球覆盖。
传统的卫星通信系统的技术最为成熟，自从同步卫星被用于通信业务以来，用同步卫星来建立全球卫星通信系统已经成为了建立卫星通信系统的传统模式。
但是，同步卫星有一个不可克服的障碍，就是较长的传播时延和较大的链路损耗，严重影响到它在某些通信领域的应用，特别是在方面的应用。
首先，同步卫星轨道高，链路损耗大，对用户终端接收机性能要求较高。这种系统难于支持手持机直接通过卫星进行通信，或者需要采用12m以上的星载天线(L波段)，这就对卫星星载通信有效载荷提出了较高的要求，不利于小卫星技术在移动通信中的使用。
其次，由于链路距离长，传播延时大，单跳的传播时延就会达到数百毫秒，加上语音编码器等的处理时间则单跳时延将进一步增加，当移动用户通过卫星进行双跳通信时，时延甚至将达到秒级，这是用户、特别是话音通信用户所难以忍受的。为了避免这种双跳通信就必须采用星上处理使得卫星具有交换功能，但这必将增加卫星的复杂度，不但增加系统成本，也有一定的技术风险。
目前，同步轨道卫星通信系统主要用于VSAT系统、电视信号转发等，较少用于个人通信。
卫星通信系统信号技术知识地球大气层的结构
对流层:平流层: 电离层
电磁波的分类:地波、天波、视线传播、散射传播
地波：频率<2 MHz;有绕射能力;距离:数百或数千干米
天波：频率:2~30_MHz;特点:被电离层反射。一次反射距离:<4000 km;寂静区：电离层反射波到达地面的区域可能是不连续的，除电磁波可以到达的区域及发射天线附近被地波覆盖的范围，在电磁波不能到达的其它区域。
视线传播：频率>30 MHz。穿透电离层，不能被反射回来，类似光波-视线传播。和天线高度有关
随参(变参)信道特性及其对传输信号的影响变参信道的传输特性:
信号的传输衰减随时间变化;信号的时延随时间变化
多径效应:信号经过几条路径到达接收端，而且每条路径的长度(时延)和衰减都随时间而变，即存在多径传播现象。
多径传播及其影响
多径传播，是指由发射点出发的信号经过多条路径到达接收端。
时域均衡
为了减小码间串扰的影响，通常需要在系统中插入一种可调滤波器来校正或补偿系统特性。这种起补偿作用的滤波器称为均衡器。
频域均衡器：是从校正系统的频率特性出发，利用一个可调滤波器的频率特性去补偿信道或系统的频率特性，使包括可调滤波器在内的基带系统的总特性接近无失真传输条件。低速系统
时域均衡器：直接校正已失真的响应波形，使包括可调滤波器在内的整个系统的冲激响应满足无码间串扰条件。高速系统
差错控制编码技术
在数字通信系统中，干扰会使信号产生变形，致使接收端产生误码，这将严重影响数字通信系统的可靠性。
为了提高数字通信系统的可靠性，除了可采用均衡技术来消除乘性干扰引起的码间串扰外，还可以通过对所传数字信息进行特殊的处理(即信道编码)对误码进行检错和纠错进一步降低误码率，以满足通信的传输要求。
因此，信道编码是提高数字通信系统可靠性的有效措施之一，能提高传输质量1~2个数量级。信道编码的目的就是通过加入冗余码来减小误码进而提高数字通信的可靠性。
差错控制差错控制的目的：使用信道编码的方法检测和纠正错误，从而降低误码率、误比特率
差错控制编码的基本原理：
发送端的信道编码器在信息码元序列中按一定关系加入一些冗余码元(称为监督码元)
接收端的信道译码器利用这种关系发现或纠正可能存在的错码
冗余度的引入提高了传输的可靠性，但降低了传输效率。差错控制编码是以牺牲有效性换取可靠性的
目前常见的差错控制方式主要有:前向纠错(FEC)、检错重发(ARQ)、混合纠错(HEC)、信息反馈(IF)和检错删除(deletion)等。
阐述卫星通信地球站设备组成及要求地球站的组成：
标准地球站的组成，主要由天线分系统、发射机分系统、接收机分系统、通信控制分系统信道终端设备分系统和电源分系统6个分系统组成。
发送的信号应是宽频带、稳定、大功率的信号，能接收由卫星转发器转发来的微弱信号(可通过放大解调处理)。
可以传输多路电话、电报、传真，以及高速数据、电视等多种业务的信号。
性能稳定、可靠，维护、使用方便。
建设成本和维护费用不应太高。
列举地球站的性能指标并说明品质因数(G/T)：G/T是地球站接收天线的增益G与地球站接收系统的等效噪声温度T的比值，它表征了地球站对微弱信号的接收能力，称为地球站的品质因数。
有效辐射功率及其稳定度：为了保证所传送信号的质量，要求地球站的发射机能够发射较大的功率，一般为几百瓦~十几千瓦，而且要求所发射的射频信号功率非常稳定。
射频频率的稳定度
地球站所发射的射频信号的频率必须很精确，如果有较大漂移，不但要影响卫星转发器频带的有效利用，还会在卫星转发器中产生交调噪声。
射频能量的扩散
为减小交调干扰，必须对地球站在负载轻(即通话数少)的时候所发射的射频频谱能量密度加以限制。
干扰波辐射的限制
为防止干扰波对卫星转发器和其他微波通信系统形成干扰，规定地球站因多载波引起的交调干扰及带外总的有效全向幅射功率应小于限定值。
卫星通信使用微波频段300MHz-30GHz，采用高频信号的目的是保证地面上发射的电磁波能够穿透电离层到达卫星。在卫星通信中，不同的卫星，或者同一颗卫星上的转发器所使用的频率范围不同，不同频率范围有不同的代号。如3.95-5.85GHz频率范围的代号是C，该频率范围简称C波段;12.24-18GHz频率范围的代号是Ku,该频率范围简称Ku波段。
项目卫星通信所用的电磁波在12.24-18GHz频率范围，属于微波范围的Ku波段，极化方式为垂直线极化。
阐述数字频带传输系统的概念用基带数字信号控制高频载波,把基带数字信号变换为频带数字信号的过程称为数字调制已调信号通过信道传输到接收端，在接收端通过解调器把频带数字信号还原成基带数字信号这种数字信号的反变换称为数字解调，把包含调制和解调过程的传输系统叫做数字信号的频带传输系统。
简要阐述北斗卫星系统及其特点中国北斗卫星导航系统(英文名称:BeiDou Navigation Satellite System，简称BDS)是中国自行研制的全球卫星导航系统，也是继GPS、GLONASS之后的第三个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统(BDS)和美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO，是联合国卫星导航委员会已认定的供应商。
北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并且具备短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度为分米、厘米级别，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。
北斗系统具有以下特点
北斗系统空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座，与其他卫星导航系统相比高轨卫星
更多，抗遮挡能力强，尤其低纬度地区性能特点更为明显。
北斗系统提供多个频点的导航信号，能够通过多频信号组合使用等方式提高服务精度
是北斗系统创新融合了导航与通信能力，具有实时导航、快速定位、精确授时、位置报告和短报文通信服务五大功能。
GPS只有24颗卫星，为何北斗却要55颗GPS是世界上最早的全球定位系统，由美国开发，其一开始就被定位于军用。造成两者卫星数量差异的重要原因之一就是很多人熟知的轨道占用问题。卫星的运行轨道是有数的，特别是全球定位系统这样需要一组卫星都要维持同一轨道高度的。在GPS卫星部署阶段占据了最佳轨道，这使得GPS系统仅仅只需要21颗工作卫星和3颗备份卫星就能形成一整套定位系统。
北斗的轨道运行高度普遍比GPS高，这就导致卫星的轨道周期长，再加上信号强度问题，这就必须要更多的在轨卫星提供支持，这也是北斗卫星数量超过GPS的原因之一。在轨卫星多则覆盖范围广，随着北斗全面部署的完成，北斗系统全球覆盖率已经达到世界第一，不仅远超4大全球定位系统中覆盖率垫底的“伽利略”，也超过了当前应用最广泛的GPS定位系统。同时卫星的数量越多，接收的信号来源就越多，这也大幅提升了定位精度。有资料显示，北斗系统当前最高的民用信号精度已经达到了GPS军用精度的级别，这也是卫星数量带来的红利
然而即便是当前已经顺利完成组网的北斗系统，其所需要的卫星数量也仅仅是35颗，并非55颗那么夸张。众所周知，卫星定位系统技术含量极高，耗资也巨大，建设周期也极为缓慢。实际上在北斗系统研制初期就发射了数颗验证卫星，即便如此，北斗系统还是经历了“北斗一”“北斗二”阶段，当前所说的北斗系统顺利部署则指的是最新的“北斗三”。所谓的55颗卫星实际上包含了北斗二号导航卫星以及北斗三号的试验卫星，而GPS仅仅只计入了当前的工作卫星和备份卫星。
事实上北斗卫星并不是一套“简单”的卫星定位系统，其还能够通过卫星编辑短信甚至能够长传图片。这一点在依赖定位系统进行搜救时极为有用，甚至在关键时刻能够救命。这意味着-旦被困，如果被困者拥有北斗终端设备，那么可以主动向外界联络，极大降低了搜救难度，同时也能够大幅压缩救援时间，仅从这一点来说其就超越了其他三大全球定位系统。
什么是天线的极化方式当电磁波在空间传播时，其电场强度矢量E的方向具有确定的规律，这种现象称为电磁波的极化。
按照极化方式的不同，电磁波可分为线极化波和圆极化波等各种不同的类型。
所谓线极化波就是其电场强度矢量E沿一定角度方向的波，当E与地面垂直时，称为垂直极化波;当E与地面平行时，称为水平极化波。
考虑到发射天线和接收天线的架设方便，减少重影以及避开其他电波的干扰等因素，一般垂直极化波大多用于中波广播、移动通讯、卫星电视广播等，水平极化波大多用于短波广播、地面电视广播、调频广播和卫星电视广播等。
什么是地球同步卫星?当卫星的轨道是圆形且在赤道平面上，卫星离地面35786.6公里，飞行方向与地球自转方向相同时，从地面上任意一点看，卫星都是静止不动，这种对地静止的卫星称为同步通信卫星。
利用三颗同步卫星，就能够使信号覆盖地球的表面。用于电视节目转发的卫星一般都是同步通信卫星。所以不同国家发射的通信卫星都在赤道的上空，同步通信卫星所处的纬度都为0℃，经度在0-360℃之间。
阐述卫星中常用的调制技术卫星通信中最常用的调制方式是 QPSK、OQPSK 和π/4DQPSK 等，近年来，高速数据传输的需求与转发器资源紧缺推动了 8PSK、16APSK、16QAM 等高阶调制方式的研究与应用。其中 APSK 调制因其星座中所含幅度和相位信息是变量可分离的，可以采用简单的预失真法进行幅度非线性矫 正而不影响相位特性，使之在透明转发这种高阶调 制信号时的功率效率不明显降低。因此，APSK 调制在卫星电视广播中得到应用，在卫星宽带移动 通信中也有很好的应用前景。
格形编码调制(TCM, trellis coding modulation) 在原理上是一种很好的体制;它将信道编码与调制融合在一起，因而几乎不付出频带效率和功率效率降低的代价，就能获得5dB 左右的编码增益。
正交频分复用(OFDM)技术作为一种多载波调制方式，由于其抗多径衰落能力强而在地面蜂窝网 第四代(4G)、第五代(5G)移动通信中成为不可或缺的技术。OFDM 本来是不大适于卫星下行链路这种功率严重受限的场合，因为其峰平功率比(PAPR)高，在功放非线性条件下容易产生多载波互调干扰而使链路特性变差。
阐述卫星通信的纠错码技术在卫星通信中使用最为广泛的信道编码是由卷积码作为内码、RS 码作为外码的串行级联码。这是因为卷积码实现简单、译码门限较 低，而 RS 码的译码复杂度低，在输入信息误码率 较高时能获得较高的编码增益，例如，3/4 卷积码 与 RS 编码级联情况下在达到 BER=10-7 时可获得 5.2 dB 编码增益。
并行级联形式的 Turbo 码和低密度奇偶效验码(LDPC)是目前 2种最先进的信道编码算法，在地面移动通信等场合得到了很好应用。
对于大尺度衰落信道，例如存在降雨衰落情 况下的 Ka 频段信道，采用自适应编码调制(ACM,adaptive coding modulation)可使信道传输效率最大化。
阐述扩频通信技术卫星通信信道开放性的特点带来的隐蔽性差、抗干扰能力弱等缺点，可采用扩频技术克服
因此扩频通信主要用于隐蔽通信和抗干扰军事通信。
扩频主要有直接序列扩频(DSSS，direct sequence spectrum spreading)、跳变频率(FH,frequency hopping)、跳变时间和线性调频等4种基本工作方式
阐述移动卫星通信的损耗和衰落现象无线传播损耗
自由空间的传播损耗
大气损耗(对流层的影响和电离层的影响)
移动卫星通信电波的衰落现象:
多径传播和多径衰落
多普勒频移(由于通信双方相对位置在移动时，由多普勒效应引起的附加频移)
阐述VSAT系统VSAT：(定义)即甚小天线地球站，由于天线口径可以做得很小，所以称之甚小天线地球站。VSAT是一种工作在C频段(4-6GHz)或Ku频段(11-14GHZ)的一种小型高度软件控制的卫星地球站。
用途：可以实现VSAT终端用户之间的数据、话音、传真、广播、图像、电视等通信。
主要特点：适用于各种数据和话音VSAT系统。70MHz中频接口。模块结构，维护扩容方便
VSAT网络的主要优点有：
经济效益好。
组网灵活，在VSAT网络中增加、减少或搬迁VSAT站都十分容易，网中用户不受地理位置及复杂的通信线路限制。
信道误码率低，容易构成端对端的独立专用通信网。
VSAT系统在Internet接入方面的应用主要有以下几种方式：
为大型ISP提供远程Internet连接
扩展Internet到边远地区并在ISP间提供链接
直连到计算机(包括连接到LAN服务器
双跳方式：由于小站EIRP较小，星载转发器增益有限，小站之间的通信必须以=》小站-卫星-主站-卫星-小站的方式(双跳方式)完成。
内向传输和外向传输:
外向:主站-卫星-小站
内向:小站-卫星-主站
阐述卫星通信的编码技术信源编码：去掉信号中的冗余部分，以达到压缩码元速率与带宽，实现信号的有效传输。
信道编码：按一定的规律重新排列码元(交织)或 者加入辅助码 (纠错码)，防止码元在无线信道传输过程中由于突发性错误和随机性错误引起的误差，并进行检错和纠错，保证信号传输的可靠性
阐述卫星通信的多址技术多个地球站通过同一颗卫星建立多址之间的通信技术
频分多址(FDMA):不同的频带分配给不同的地球站
时分多址(TDMA):不同的通信时隙分配给不同的地球站
码分多址(CDMA):不同的地址码分配给不同的地球站
空分多址(SDMA):不同窄波束服务不同的区域，通常需要 与TDMA，FDMA结合使用
阐述卫星信道分配技术预分配方式(PA):卫星信道预先分配给不同的地球站
按需分配(DA):根据不同地球站当前的业务需求分配信道
随机分配(RA):不同地球站随机占用卫星信道
阐述卫星通信技术的应用宽带卫星通信系统
宽带卫星通信是指利用通信卫星作为中继站在地面站之间转发高速率通信业务，是宽带业务需求与现代卫星通信技术相结合的产物，也是当前卫星通信的主要发展方向之一
卫星固定通信系统
固定通信作为卫星通信的传统业务，主要用于电信服务、广播电视、内部专网、数据采集等领域。
卫星移动通信系统
卫星移动通信是指利用卫星实现移动用户与移动用户或固定用户间相互通信的方式
