卫星通信系统工程设计与应用

卫星通信系统工程设计与应用
出版时间： 2015年版
内容简介
　　《卫星通信系统工程设计与应用》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。第一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；还包含发展中的全球个人通信系统、美国转型卫星通信系统、欧洲全球天基综合通信网；最后探讨了中国天基综合信息网的发展思路。
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 线电频段划分 47
3．1．2 通信业务线电频率分配 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 星载线电测控系统 140
6．5．1 星载线电测控系统简介 140
6．5．2 星载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 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