卫星通信与卫星网络

本书对卫星通信和空间通信系统进行了较为全面的论述。全书分为三篇：卫星通信技术篇、卫星网络技术篇、深空探测与深空通信技术篇。除了一些传统的卫星通信理论与通信技术外，书中还增加了卫星网络与系统、空间信息网络协议、深空探测与通信等方面的内容，对未来空间科学的发展进行了介绍。本书内容深入浅出，可作为相关专业的本科生和大专生教材或参考书，也可作为相关从业人员的参考书。
【前言】
自1899年古列尔莫·马可尼的无线电通信试验获得成功，以及1945年Arthur C. Clarke提出“地球外中继”思想，卫星通信至今已经经过了多次技术的更新换代。空间探测与卫星通信领域涉及的多项技术不但有力地支持了通信技术的发展，也极大地促进了陆地移动通信、电信业务、互联网业务等的长足发展，并在卫星电视广播、远程教学和医疗、全球军事通信、紧急救援系统、远洋运输等方面得到了具体的应用和拓展。近年来，我国空间通信及卫星技术不断发展，如我国的天链一号卫星和二号卫星、天通一号卫星、北斗二代卫星系统、实践十三号Ka频段大容量卫星和多个型号的高分卫星相继成功发射和运行，天宫二号与神舟十一号成功交会对接，嫦娥计划有条不紊地进行，未来的火星探测任务顺利实施，这些都一步一步夯实了我国空间科学技术大国和强国的地位。未来的通信卫星不但可以成为空间中继器、路由器、转发器进行组网，还能成为空间站的组成部件，完成复杂的空间任务。未来的侦察卫星、遥感卫星和资源卫星将提供地球及其周围空间更加翔实的图像和数据信息。未来的大型卫星可能以模块化的方式在轨道上组合，而不是依赖大推力的火箭单次发射，卫星寿命将更长，并可更换和增加模块。未来的小卫星、微小卫星的发射成本将更加低廉，功能也更加丰富多样，成为类似于无人机的低成本多应用平台。未来的空间旅游将成为可能，普通人接受一些基本的训练就可以像开车一样在太空遨游。未来的深空探测将到达更远的地方，探寻人类与宇宙的起源，探索更多未知的宇宙空间。本书分为三篇，共二十章，*篇（第1～12章）主要介绍卫星通信理论与技术，第二篇（第13～17章）主要介绍卫星组网技术，第三篇（第18～20章）主要关注未来的空间探测与行星际互联。第1章介绍了卫星通信的背景、历史、特点和通信频段；第2章介绍了轨道理论、卫星轨道、卫星发射和运载工具；第3章介绍了卫星的电源子系统，姿态和轨道控制子系统，遥测、跟踪、遥控和监测子系统，通信子系统，热量、温度控制子系统；第4章介绍了星-地链路的预算方法，包括无线电波的基本传输理论、通信系统噪声、卫星转发器等；第5章介绍了大气中的各种效应及其对卫星链路的影响，如雨和冰的影响、大气吸收、云和雾引起的衰减、对流层和电离层闪烁、法拉第旋转等，并给出了一些常用的减小大气效应影响的对策；第6章介绍了卫星链路中采用的差错控制编码理论；第7章介绍了卫星多址技术；第8章介绍了GEO轨道卫星系统，如国际海事卫星系统、瑟拉亚卫星系统、亚洲蜂窝卫星系统、北美移动卫星系统以及TerreStar系统；第9章介绍了国外跟踪与数据中继卫星系统的发展，以及我国的跟踪与数据中继卫星系统；第10章介绍了DBS卫星系统；第11章介绍了VSAT卫星系统；第12章介绍了卫星通信新技术，包括新型星上通信载荷技术、新型物理层技术、先进天线技术和更高频段的卫星通信技术；第13章介绍了卫星星座设计方法，区域性和全球覆盖星座设计，单层、多层卫星星座设计；第14章介绍了典型LEO、MEO轨道卫星系统，如Iridium系统和Odyssey系统等；第15章介绍了卫星定位的原理、实用中的卫星导航系统（如GPS和北斗系统等）；第16章介绍了空间信息网络协议，如基于CCSDS的协议体系、基于TCP/IP的协议体系和基于容延迟/中断网络的协议体系等；第17章介绍了STK仿真软件；第18章介绍了深空探测与深空测控、通信网涉及的先进技术；第19章开展了星际网络体系结构、关键技术、传输模式与星际互联的讨论；第20章阐述了DTN的设计思想、特性、路由策略和信息传输方式等。本书在对卫星通信基本概念和基础理论介绍的基础上，围绕卫星通信网络技术的发展，从卫星星座设计基础、典型LEO和MEO卫星系统、现有的卫星导航与定位系统等方面展开论述，结合卫星通信仿真软件STK，讨论卫星星座构型和布局，并在论述空间信息网络协议的基础上，对深空探测与深空测控、通信网和星际互联等未来人类的空间探测构想和体系开展分析，讨论了星际互联网络和空间DTN网络等方面的关键技术内容。本书得到了国家自然科学基金（60672089、60772075、61071128、61661018）的支持，也得到了海南省重点研发计划高新技术项目（ZDYF2016010）、海南省自然科学基金项目（20166210、20166215）、海南省教育厅高等学校科学研究重点项目 （Hnky2016ZD-5）和海南大学科研启动基金项目（kyqd1536）的支持。本书由海南大学李晖、王萍和陈敏共同编著。李晖编写第1、3、10~13章和附录，并完成全书的统稿工作；王萍编写第2、4~9章；陈敏编写第14~20章。研究生石尧、*翔和杨亚飞对本书的内容进行了校正。由于作者水平有限，书中难免有欠妥之处，敬请读者不吝赐教。
作 者2017年8月