1.3.3 不同轨道的卫星

作者: (美)William C. Y. Lee 出处:清华大学出版社 　2008-07-25 17:40　   砖    好    评论  条 　进入论坛

阅读提示：《无线与峰窝通信》全面介绍了蜂窝移动通信和宽带无线接入方面的知识，内容涉及蜂窝移动通信的基本概念、工作原理以及它的现状与发展趋势。第1章讲述的是移动无线电的发展趋势，本节说的是不同轨道的卫星。

1.3.3  不同轨道的卫星

由于卫星的高度，卫星系统能建立全球覆盖。采用卫星建立公众通信最早发生在1962年，也就是在AT&T公司贝尔实验室成功地实施了Echo和Telstar实验后。Comsat通信有限公司成立，它的早期工作是基于(美国)国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)的应用技术卫星规划(Application Technology Satellite Program，ATS)。卫星系统可提供无线移动通信，卫星在地球上实际的覆盖区域面积取决于地球上方的卫星轨道。

(1) 对地静止地球轨道(Geostationary Earth Orbit，GEO)卫星处在地球上方36 000km的轨道上，沿轨道的运行速度和地球自转速度相同。因此，从地球上看，GEO卫星停留在某一点上。GEO具有将近13 000km的视场(Field-Of-View，FOV)直径，它可覆盖一个国家的大部分地区。GEO是区域性卫星，它可具有多波束并能通过小波束进行频率复用。GEO的优点是能和节点保持连接，但其缺点是信号的往返路径延迟大约为250ms。当用户打电话或使用实时视频时，可能会感觉到这种延迟。

(2) 中等地球轨道(Medium Earth Orbit)卫星处在地球上方大约10 000km的轨道上，而其FOV直径大约为7000km。为了使卫星覆盖区涵盖全世界的重要区域，要使用一组MEO卫星，MEO卫星每12小时绕世界一圈，如全球定位系统(Global Positioning System，GPS)卫星。GPS系统中共有24颗GPS卫星，其中，18颗处于活跃状态，6颗用于备用。GPS覆盖了整个世界，在任何时间，在地球上的一点总能“看见”处于地球上方的3颗GPS卫星，从而能对该点定位。共有两类码：P码供美国军用，而C码供全世界商用。自从2003年以来，已将GPS导航系统安装在很多汽车中和蜂窝电话中。它的定位精确度在3m以内。然而，只能在建筑物外面使用GPS。如果借助于其他技术，也能在建筑物内使用GPS。

Odyssey系统是一个MEO卫星系统25，它只有16颗卫星并覆盖了整个世界。这个系统的造价应该不是很昂贵，卫星使用寿命可达10年或更长。

国际海事卫星组织(Inmarsat)的中圆轨道(Intermedia Circular Orbit，ICO)26也是一个MEO系统。它有8颗卫星，只提供数据传输业务。

(3) 低地球轨道(Low Earth Orbit，LEO)卫星是一种低高度卫星，处于地球上方大约800公里的轨道上。它的FOV直径为800km左右，每个LEO卫星的FOV区域绕地球一圈需要2小时左右。使用LEO卫星部署蜂窝通信系统的概念不同于陆地蜂窝系统。“小区”是移动的，而地面移动台(终端)只能“看见”卫星几分钟。在LEO系统中，覆盖区域的短时变化引起在频率上切换。切换可引起系统容量中的低效，并可降低连接稳定性。从LEO卫星到地球，往返传输产生的延迟时间只有5ms，而与此对照，从GEO往返传输产生的延迟时间为250ms。

LEO有许多优点：

(a) 可取得5ms的延迟时间。

(b) 由于视线条件，可取得较小的路径损耗，这样，地球上的天线可更小更轻。

(c) 比陆地系统提供更宽的覆盖。由于使用点波束，LEO也像陆地系统一样提供频率复用。

(d) 需要的基站(也就是卫星)较少。

(e) 能覆盖陆地、海洋和空中。

然而，LEO也存在几个缺点：

(a) 卫星信号太弱以至于不能穿透建筑物的墙壁，有线和无线LAN可帮助将卫星的覆盖扩展到户内。

(b) 由于LEO工作在10GHz频率以上，所以信号上的雨衰效应是另一个大的隐患。

LEO卫星系统包括摩托罗拉公司的铱(Iridium)系统27、Loral公司和Qualcomm公司的全球星(GlobalStar)系统28以及Teledesic公司的Teledesic系统。

● Iridium27：它是一个提供话音和数据业务的全球卫星系统，使用2400bps速率的调制解调器。它使用一个77颗LEO卫星的星座结构，为了降低建设成本，它的卫星数量减少为66颗。在1997年开始发射后，它在1998年进入了商业服务，轨道高度为778km。它使用星上交换，信号可在太空中从一个卫星传送到另一个，到达对它的目的地合适的卫星后传回地球。由于使用Iridium系统比使用蜂窝系统更昂贵，因此它不能和它们竞争。它将成为世界范围内的备份系统，比如海洋和高山，很难在这些地方部署蜂窝系统。通过微波链路将Iridium卫星互连，并通过关口站和公众电话交换网(Public Switched Telephone Network，PSTN)接口。由于空中网络是在卫星上交换，因此只需要较少的地面关口站。

● GlobalStar28也是一个LEO系统。它是一个简单而低廉的系统，在648km的高度上有48颗卫星。所有的卫星都是转发器(置换器)。某个卫星从地面终端接收的信号必须向下发送回地面关口站。因此，需要较多的地面关口站。此外，轨道中的LEO卫星的平均使用寿命只有5年左右。

● 可将Teledesic公司的Teledesic卫星用于建设一个卫星PSTN网络。起初，设计了960颗卫星，后来，由于高额的投资成本，将卫星数量减少为240颗。由于一直没有部署该系统，因此，它现在还不存在。

● LEO卫星系统(如Iridium、GlobalStar和Teledesics)并没有一个健全的商业策略，以便如最初计划的那样与蜂窝系统竞争或增强蜂窝系统，尽管它们一直在努力争取生存。因为蜂窝业务收费年复一年地显著下降，所以LEO系统业务收费和蜂窝系统相比要高得多。这样，没有一个LEO卫星系统真正投入了商用。

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