卫星与空间通信

卫星与空间通信自20世纪40年代提出以来，经过半个多世纪的发展逐渐成为空天地一体化网络，是实现万物互联的桥梁，也将成为互联网、物联网、车联网、舰联网、飞联网的重要组成部分。随着大数据、人工智能、自动驾驶等信息化、智能化新技术应用深度和广度日新月异的变化发展，卫星与空间通信已成为通信技术的重要发展方向。因教学和科研工作的实际需要，作者结合近些年的研究成果，撰写了本书。本书介绍了卫星与空间通信的基本原理，轨道与发射，系统与结构，链路设计，多址方式，网络协议，空间通信系统与网络用超长距离传输的放大器，光生太赫兹通信实现高频宽带、分布式天线、高灵敏度的相干探测等新技术
。面向未来着重介绍了太赫兹波在卫星与空间通信中的应用，太赫兹丰富的频谱资源，超宽带的传输能力，高灵敏度的编解码技术，多入多出和多维复用技术可实现太比特每秒的传输。针对卫星与空间通信的高增益、高灵敏度通信需求介绍了基于虚拟
多入多出系统
（multiple input multiple output，
MIMO）的分布式天线，基于小型化阵列或分形天线，极低码率调制，相干检测，可同时为一个或几个探测器提供理想直径的天线技术，可以接收更加微弱的信号，并与太阳系以外的航天器进行高速数据通信，降低航天器上通信系统的质量和能量消耗； 介绍了相干光探测和高灵敏度的光接收机在卫星与空间通信中的应用，该技术比通常直接探测接收机的灵敏度提高了3个数量级，可达到量子噪声极限； 针对卫星与空间通信距离遥远的问题，介绍了高功率线性功率放大器的工作原理，技术难点和自适应预失真算法。

本书系统和全面地介绍了卫星与空间通信系统的基本原理、关键技术以及当前研究的热点问题，力求兼顾理论性、实用性、系统性和方向性，以此作为研究生或高年级本科生“卫星与空间通信”课程的教材或参考。

感谢雷佳佳、董均国、常鑫、马洁、俞正、单飞龙等研究生同学及“卫星与空间通信”本科课程学习的历届同学为本书出版做出的努力！ 由于作者知识水平有限，书中难免有错漏之处，敬请读者不吝斧正。
余建国张琦2019年9月

结合目前无线移动通信，高速信息网路技术，卫星与空间通信的发展，重点介绍卫星与空间通信的国内外现状， 标准及发展趋势，卫星与空间通信的基本理论与技术，包括卫星的发射与轨道，动力学原理，卫星与空间通信系统的组成，实现方案，天线，变频器，放大器，发射与接收子系统，空间子系统，地面空间站，信道模型，传输链路干扰与损耗预算设计，接入方式，路由协议等。读者对象是高年级本科生和研究生。

1997 年 4 月毕业于北京邮电大学，获电磁场与微波技术专业博士学位，在烽火科技集团工作 15 年先后担任工程师，高级工程师， 教授级高工，国家 863 专家。自 2012 年来任北京邮电大学教授。 
近五年来一直担任北京邮电大学《卫星与空间通信》课程的本科教学，由于本人博士毕业后长期在企业工作，实际经验丰富，很受学生欢迎，学生评价：“在北邮没有听过余老师的课算是白来北邮了”。

第1章卫星与空间通信概论

1.1卫星与空间通信的概念

1.2卫星与空间通信的特点

1.3卫星通信发展简史

1.3.1国外卫星通信发展情况

1.3.2国内卫星通信发展情况

1.4通信卫星的分类

1.4.1按卫星轨道平面倾角分类

1.4.2按卫星轨道高度分类

1.4.3其他分类方式

1.5卫星通信组织的发展

1.5.1国际卫星通信组织

1.5.2国际海事卫星通信组织

1.6卫星通信发展趋势

1.7卫星通信在中国的特殊地位

参考文献

第2章卫星的轨道与发射

2.1引言

2.2轨道及运动

2.2.1卫星轨道及同步卫星的优缺点

2.2.2卫星运动三定律

2.2.3卫星的圆轨道运动

2.3同步卫星与地面站间的几何关系

2.4卫星的发射

2.4.1人造卫星发射速度

2.4.2同步卫星发射轨道

2.4.3运载工具

2.4.4轨道对通信的影响

参考文献

第3章卫星与空间通信系统的组成

3.1同步通信卫星的结构及子系统

3.1.1姿态和轨道控制系统

3.1.2全球波束天线

3.2通信卫星及地面站用天线

3.2.1常用参数

3.2.2卫星天线分类

3.2.3天线制作

3.3C频段和Ku频段

3.3.1低噪声下变频器

3.3.2C频段

3.3.3Ku频段

3.3.4高功率放大器类型

参考文献

第4章卫星与空间通信系统链路计算

4.1通信链路的基本概念

4.1.1自由空间传播损耗

4.1.2等效全向辐射功率

4.1.3载噪比

4.1.4阈值载噪比

4.1.5地球站的品质因数

4.1.6卫星转发器的饱和通量密度

4.2传播损耗

4.2.1大气吸收损耗

4.2.2天线指向误差损耗

4.2.3极化误差损耗

4.3噪声干扰

4.3.1天线噪声

4.3.2噪声温度与噪声系数

4.4卫星通信链路计算

4.4.1上行链路载噪比

4.4.2下行链路载噪比

4.4.3卫星通信链路的总载噪比

4.4.4阈值备余量和降雨备余量

参考文献

第5章卫星与空间通信系统的多址方式

5.1频分多址

5.2时分多址

5.3空分多址

5.4码分多址

5.5ALOHA随机多址通信方式

5.6混合多址技术

5.6.1多频时分多址技术

5.6.2多频码多分址技术

5.6.3正交频分多址技术

5.6.4平行载波多址接入技术

参考文献

第6章卫星与空间通信协议及典型系统

6.1卫星与空间通信网络的体系结构

6.1.1卫星通信系统的发展

6.1.2VSAT卫星通信网络

6.1.3TES网状电话网络

6.1.4个人地球站

6.2TCP/IP协议存在的问题及解决办法

6.2.1网络拓扑

6.2.2协议体系

6.2.3在卫星信道中采用TCP/IP协议的意义

6.2.4在卫星信道中采用TCP/IP协议存在的问题

6.2.5提高卫星信道中TCP性能的几种解决方法

6.3卫星与空间通信网络的典型构型

6.3.1卫星通信网络的特征

6.3.2卫星通信网络的关键技术

6.3.3组播协议

参考文献

第7章空间通信系统与网络

7.1空间通信

7.2空间通信的关键技术

7.3空间通信的功率放大技术

7.4空间通信的相干检测技术

7.5空间通信的极化接收技术

7.6空间通信的卡塞格林天线技术

7.7空间通信的天线阵列技术

7.8空间通信的虚拟MIMO技术

7.9空间通信的协作广播技术

7.10空间通信的自组织网络算法

7.11空间通信的网络节点结构

7.12空间通信的软件协议

7.13空间通信的研究现状及发展趋势

参考文献

第8章高功率线性宽带功率放大器

8.1概述

8.2高功率宽带线性放大器的基本原理

8.3高功率空间通信线性化放大器的结构

8.4高功率空间通信放大器的建模方法

8.5空间通信线性化高功率放大器的自适应算法

8.6高功率放大器的自适应数字预失真方法

8.7高功率放大器的数字预失真温度补偿方法

8.8高功率放大器的自适应数字预失真引擎

8.9高功率放大器的自适应预失真系统

8.10空间通信线性化高功率放大器的系统实现

8.11空间通信线性化高功率放大器的应用前景

参考文献

第9章光生太赫兹空间无线通信

9.1概述

9.2光生太赫兹空间无线通信的基本原理

9.3光生太赫兹的转换效率

9.4基于光外差技术的太赫兹波OFDM生成

9.5基于自适应多倍频的太赫兹波OFDM生成方法

9.6基于ASIC和基于FPGA的太赫兹无线通信系统

9.7光生太赫兹无线通信的信道模型

9.8光生太赫兹空间无线通信波束对准技术

9.9低复杂度、低功耗的高速基带数字信号处理方法

9.9.1有效的硬件实现方法

9.9.2太赫兹基带数字信号处理算法的实现

9.9.3低复杂度、低功耗的高速基带数字信号处理算法

9.9.4太赫兹波系统中的线性和非线性

9.9.5OFDM信号的损伤机理及补偿方案的硬件实现

9.9.6太赫兹集成电路设计和有效的硬件实现方法

9.9.7太赫兹高速通信实验系统并优化其传输性能

9.10太赫兹高速通信射频处理技术

9.11太赫兹频段晶体管模型的准确性

9.12光生太赫兹空间无线通信系统结构

9.12.1发送端和接收端数字信号处理算法的高效FPGA/ASIC
实现

9.12.2基于光波高谱效率矢量太赫兹波信号的产生技术

9.12.3基于外差数字相干探测的高频谱效率和高灵敏度太赫兹
信号接收

9.13光生太赫兹空间无线通信的应用前景

参考文献

第10章卫星与空间通信系统未来发展趋势

10.1宽带卫星通信的发展

10.1.1宽带卫星通信系统

10.1.2宽带卫星通信在中国的应用

10.2卫星激光通信系统

10.2.1国外卫星激光通信系统的发展

10.2.2国内卫星激光通信系统的发展

10.2.3卫星激光通信系统的组成

10.3卫星导航定位系统

10.3.1GPS系统

10.3.2“北斗”卫星导航系统

参考文献

本书作者系北京邮电大学教授，多年授课经验，北邮学生评价：在北邮没听过余老师的课算是白来北邮了。本教材系作者总结多年授课讲义基础上编撰完成。