Table Of ContentNachrichtentechnik
Herausgegeben von H. Marko
Band 6
E. Herter· H. Rupp
Nachrichteniibertragung
iiber Satelliten
Grundlagen und Systeme,
Erdefunkstellen und Satelliten
Zweite, vollig neubearbeitete und erweiterte Auflage
Mit 98 Abbildungen und 5 Tabellen
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg New York Tokyo 1983
Dipl.-Ing. EBERHARD HERTER
Professor an der Fachhochschule fUr Technik, Esslingen
Wissenschaftlicher Berater der Standard Elektrik Lorenz AG
Dr.-Ing. HEINRICH RUPP
Leiter des Entwicklungsbereichs Funk und Raurnfahrt
Standard Elektrik Lorenz AG, Stuttgart
Dr.-Ing. HANS MARKO
Professor, Lehrstuhl fUr Nachrichtentechnik
Technische Universitiit Miinchen
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Herter, Eberhard:
Nachrichteniibertragung iiber Satelliten:
Grundlagen u. Systeme, Erdefunkstellen u. Satelliten/
E. Herter; H. Rupp.-
2., vallig neubearb. u. erw. AufJage
Berlin, Heidelberg, New York: Springer, 1983
(Nachrichtentechnik; Bd. 6)
ISBN-13: 978-3-540-12074-2 e-ISBN-13: 978-3-642-81959-9
DOl: 10.1007/978-3-642-81959-9
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© Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg 1979 und 1983
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sondere Kennzeichnung Dicht zor Annahme, daB solehe Namen im Sinneder Warenzeichen-"Und Markenschutz-Gesetzgebung
als frei zo betrachten wii.ren und daher von jedermann benutzt werden durften.
2362/3020-543210
Zur Buchreihe .. Nachrichtentechnik"
Die Nachrichten- oder Informationstechnik befmdet sich seit vielen Jahrzehnten
in einer stetigen, oft sogar stiirmisch verlaufenden Entwicklung, deren Ende nicht
abzusehen ist. Durch die Fortschritte der Technologie wurden ebenso wie durch
die Verbesserung der theoretischen Methoden nicht nur die vorhandenen Anwen
dungsgebiete ausgeweitet und· den sich iindemden Erfordemissen angepaBt, sondem
auch neue Anwendungsgebiete erschlossen.
Zu den klassischen Aufgaben der Nachrichteniibertragung und Nachrichtenver
miftlung sind die Nachrichtenverarbeitung und die Datenverarbeitung hinzuge
kommen, die viele Gebiete des beruflichen sowie des privaten Lebens in zuneh
mendem MaBe veriindem. Die Bediirfnisse und Moglichkeiten der Raumfahrt
haben gleichermaBen neue Perspektiven eroffnet wie die verschiedenen Altemati
yen zur Realisierung breitbandiger Kommunikationsnetze. Neben die analoge ist
die digitale Ubertragungstecbnik, neben die klassische Text-, Sprach- und Bild
iibertragung ist die Dateniibertragung getreten. Die Nachrichtenvermittlung im
Raumvielfach wurde durch die elektronische zeitmultiplexe Vermittlungstechnik
erganzt. Satelliten- und Glasfasertechnik haben zu neuen Ubertragungsmedien
gefiihrt. Die Realisierung nachrichtentechnischer Schaltungen und Systeme ist durch
den Einsatz des Elektronenrechners und die digitale Schaltungstechnik erheblich
verbessert und erweitert worden. Die schnelle Entwicklung der Halbleitertechno
logie zu immer hOheren Integrationsgraden erschlieBt neue Anwendungsgebiete
besonders auf dem Gebiet der digitalen Technik.
Die Buchreihe "Nachrichtentechnik" tragt dieser Entwicklung Rechnung und
bietet eine zeitgemaBe Darstellung der wichtigsten Themen der Nachrichtentechnik
an. Die einzelnen Biinde werden von Fachleuten geschrieben, die auf dem jeweiligen
Gebiet kompetent sind. Jedes Buch soli in ein bestimmtes Teilgebiet einfiihren, die
wesentlichen heute bekannten Ergebnisse darstellen und eine Briicke zur weiter
fiihrenden Spezialliteratur bilden. Dadurch soli es sowohl dem Studierenden bei der
Einarbeitung in die jeweilige Thematik als auch dem im Beruf stehenden Ingenieur
oder Physiker als Grundlagen- oder Nachschlagewerkdienen. Die einzelnen Bande
sind in sich abgeschlossen, erganzen einander jedoch innerhalb der Reihe. Damit
ist eine gewisse Uberschneidung unvermeidlich, ja sogar erforderlich.
Die derzeitige Planung der Reihe umfaBt die mathematischen Grundlagen, die
Baugruppen und Systeme sowie die Technik der Signalverarbeitung und Signal
iibertragung. Eine Ergiinzung bildet die MeBtechnik. Das folgende Schema zeigt den
heutigen Stand der Reihe unter EinschluB der demnachst erscheinenden Biinde.
VI Zur Buchreihe "Nachrichtentechnik"
Mathematische Band 1 : Methoden der Systemtheorie (H. Marko)
Grundlagen Band 4: Numerische Berechnung linearer Netzwerke und Systeme
(H. Kremer)
Band 7: Grundlagen digitaler Filter (R. Liicker)
Bl\lld 10: Grundlagen der Theorie statistischer Signale (E. Hiinsler)
Geplant: Anwendungsbeispiele zur Systemtheorie
Geplant: Mehrdimensionale Systemtheorie
Geplant: Kanalcodierung
Baugruppen Band 3: Bau hybrider Mikroschaltungen (E. Liider)
und Systeme Band 8: Nichtlineare Schaltungen (R. Elsner)
Geplant: Transistorverstarker
Signalverarbeitung Band 5: ProzeBrechentechnik (G. Farber)
Geplant: Analoge Bildverarbeitung
Geplant: Digitale Bildverarbeitung
Geplant: Sprachverarbeitung und Sprachiibertragung
Signaliibertragung Band 2: Fernwirktechnik der Raumfahrt (P. Hartl)
Band 6: Nachrichteniibertragung iiber Satelliten (E. Herter,
H. Rupp)
Band II: ~ildkommunikation (H. Schonfelder)
Geplant: Millimeterwellen
Geplant: Lichtwellenleiter
Geplant: Optimierung digitaler Obertragungssysteme
Geplant: Antennen
Geplant: Radartechnik
Ergiinzungen Band 9: Nachrichten-MeBtechnik (E. Schuon, H. Wolf)
Herausgeber und Verlag danken fur aIle Anregungen zur weiteren Ausgestaltung
dieser Reihe. Die freundliche Aufnahme in der Fachwelt hat die Richtigkeit der Idee,
das sich schnell entwickelnde Gebiet der Nachrichtentechnik oder Informations
technik in einer Buchreihe darzustellen, besHitigt.
Munchen, im Friihjahr 1983 H. Marko
Vorwort
Das groBe Interesse an einer aktuellen Darstellung der Nachrichteniibertragung iiber
Satelliten zeigte sich daran, daB die erste Auflage (1979) bereits nach zwei Jahren
vergriffen war. Urn dieses Interesse noch besser befriedigen und neue Entwicklungen
beriicksichtigen zu konnen, wurde die 2. Auflage deshalb vollig neu bearbeitet.
Zwar wurde auch der Umfang erweitert, doch hat die Vielfalt der Nachrichten
satellitensysteme betrachtlich starker zugenommen (einige Stichworte: Regional
satellitensysteme in allen Teilen der Welt, kleine Erdfunkstellen, packet switching,
Fernsehdirektempfang, neue Generation Intelsat VI, usw.). So muB in vielen Detail
fragen auf die Literatur verwiesen werden. Der erhohten Bedeutung des Literatur
verzeichnisses wurde durch eine neuartige Gliederung derart Rechnung getragen,
daB das Verzeichnis eigenstandig genutzt werden kann. Die Einteilung der Literatur
stellen nach Themengruppen erlaubt es, eine solche Gruppe im Text ggf. auch en bloc
anziehen zu konnen, z. B. [63-...J .
Nach einer Einfiihrung in die Grundlagen wird eine Ubersicht iiber Bedeutung,
Aufbau und Netzeinbindung von Satellitensystemen gegeben, urn die Kapitel Viel
fachzugriff, Erdefunkstelle, Satellit und Planung vorzubereiten. Den SchluB bilden
einige Beispiele bestehender Systeme und zukiinftiger Entwicklungen. Die in der
1. Auflage gegebene Liste wichtiger Abkiirzungen wurde auf ein Mehrfaches erwei
tert und in das Sachverzeichnis integriert.
Das Buch wendet sich weiterhin in erster Linie an Ingenieure und Studenten der
Nachrichtentechnik. AuBerdem spricht es aber einen rasch wachsenden Kreis von
Lesern an, die 'auf einem der vielen von der Satellitentechnik tangierten Gebiete
arbeiten und sich einen aktueHen Uberblick iiber Nachrichtensatelliten verschaffen
wollen. Je nach Arbeitsgebiet werden diese letztgenannten Leser evtl. recht unter
schiedliche Vorkenntnisse mitbringen. Sofern dadurch lediglich das Verstandnis in
Detailfragen etwas erschwert wird, ist dies nicht kritisch. Es wurde aber sicher
gestellt, daB auch solche Leser aus dem Buch Nutzen ziehen konnen, die z. B. keine
Vorkenntnisse auf dem Gebiet der Hochstfrequenztechnik haben.
Aus obigen Uberlegungen heraus erhielt das Kapitel 2 nicht nur die Aufgabe, als
Basis fiir die folgenden· Kapitel zu dienen, sondern auch, individueHe Liicken bei
den Vorkenntnissen etwas aufzufiillen.
Aus dem Leserkreis erhielten wir viele Anregungen und Verbesserungsvorschlage,
die wir soweit wie moglich beriicksichtigt haben. Wir danken fiir aIle Ratschlage
und bitten urn Verstandnis, daB wir in Anbetracht des begrenzten Umfangs auf die
Behandlung vor aHem solcher Punkte verzichten muBten, die nicht primar mit der
Nachrichteniibertragung zusammenhangen.
VIII Vorwort
Wir danken dem Herausgeber fUr die Anregung zu diesem Buch, dem Verlag fUr
die immer gute Zusammenarbeit und der Standard Elektrik Lorenz AG fUr die
Forderung dieses Projektes. Besonders danken wir Frau Gisela Herter fUr die sorg
faltige Reinschrift des Manuskripts. SchlieBlich wollen wir schon jetzt allen Dank
sagen, die uns Hinweise zur weiteren Verbesserung geben werden.
Stuttgart, im Friihjahr 1983 E. Herter H. Rupp
Inhalt
1 Eiufdhrung . . . . . . . . . . . . . " . .
2 Die Grundlagen der Nachrichtensatellitentechnik 3
2.1 Satellitenbahnen und BahneinschuB. . . . 3
2.1.1 Grundgesetze der Satellitenbewegung 3
2.1.2 Wichtige Bahnkurven fUr Nachrichtensatelliten 3
2.1.3 EinschuB in die geostationlire Bahn 4
-2.2 Eigenschaften des Funkfeldes . . . . . . . . . . 6
2.2.1 Definition des Funkfeldes . . . . . . . . . 6
2.2.2 Ausbreitung elektromagnetischer Wellen im freien Raum . 6
2.2.3 Freiraum-und FunkfelddiimpfungsmaB 8
2.2.4 Gewinne von Satellitenantennen. . . . 9
2.2.5 Frequenzbereiche und Orbitausnutzung 10
2.3 Grundbegriffe der Antennen. . . . . . . . II
2.3.1 Einflihrung. . . . . . . . . . . . . II
2.3.2 Prinzipien fUr stark biindelnde Mikrowellenantennen. 12
2.3.3 Richtcharakteristik scharf biindelnder Antennen. . . 13
2.3.4 Mehrstrahlenantennen '. ............ . 15
2.3.5 Antennen mit Polarisations-und Frequenzmehrfachausnutzung 16
2.3.6 Hinweise fiir die Weiterarbeit. . . 17
2.4 Bauelemente der HOchstfrequenztechnik. . . . . . . . 17
2.4.1 Wellenleiter ................ . 17
2.4.2 Einige passive Bauelemente. . . . . . . . . . . 18
2.4.3 Hinweise auf aktive und nichtlineare Bauelemente . 19
2.5 Grundlagen der verwendeten Modulationsverfahren. . . 19
2.5.1 EinfUhrung. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.5.2 Obertragung analoger Signale. . . . . . . . . . . . . . . 19
2.5.3 KenngroBen analoger Vielkanalsysteme bei FM-Obertragung . 21
2.5.4 Obertragung digitaler Signale. . . . . . . . . . . . . . . 22
2.6 Grundlagen wichtiger Codierungsverfahren 25
2.6.1 Obersicht . . . . . . . . . . . . 25
2.6.2 Digitalisierung analoger Signale. . 25
2.6.3 Digital Speech Interpolation (OSI) 26
2.6.4 Kanalcodierung. . . . . . 26
2.7 Die Satelliteniibertragungsstrecke. . . . 27
2.7.1 Obersicht . , . . . . . . . . . 27
2.7.2 Berechnung der Satellitenstrecke . 28
2.7.3 Rauschbeitriige der Satellitenverbindung 31
2.7.4 Systemplanungsbeispiel: Digitale Einkanaliibertragung . 31
X Inhalt
2.8 Grundlagen der Vielfachzugriffsverfahren . . . . . . . . 34
2.8.1 Klassische Vielfachzugriffsverfahren. . . . . . . . 34
2.8.2 Weitere Koordinaten fUr VielfachzugrifTsverfahren. . 35
2.8.3 Betriebsarten der KaniUe im VielfachzugrifTssystem. . . . . . . . . .. 36
2.9 Einflu8 der Satellitenstrecke auf die Obertragung. . . 37
2.9.1 Probleme der Femsprechlibertragung . . . . . 37
2.9.2 Eigenschaften des Satelliten-Obertragungskanals 38
3 Nacbrichteusatelliten unci weltweites Netz . . . . 40
3.1 Die Anfiinge der Nachrichtensatellitentechnik 40
3.2 Das INTELSAT-Netz . . . . . . . . . . 40
3.3 Einflu8 der Satelliten auf die Struktur der Femmeldenetze . 41
3.4 Aufgaben fUr Nachrichtensatellitensysteme . . . . . 42
3.5 Obersicht liber einige bestehende und geplante Systeme 43
3.5.1 Globale und regionale Systeme der UdSSR . 43
3.5.2 Regionalsatellitensysteme 44
3.5.3 Seefunksatellitensysteme . 44
3.5.4 Militiirische Systeme. 46
4 Die VieJfachzugriffsverfahreo . 48
4.1 VielfachzugrifTim Frequenzmultiplex (FDMA) 48
4.1.1 Mehrkanaltriiger . . . . . . . . . 48
4.1.2 Einzelkanaltriiger. . . . . . . . . 49
4.2 VielfachzugrifTim Zeitmultiplex (TDMA) . 51
4.2.1 Aufbau eines TDMA-Systems . . . 51
4.2.2 Weiterentwicklung . . . . . . . . 53
4.2.3 Beispiel eines zentral gesteuerten Systems: TDMA fiir TELECOM I 53
4.2.4 Beispiel eines dezentral gesteuerten Systems: TDMA-S3 57
4.3 VielfachzugrifT im Codemultiplex (CDMA) . . . . . . . . . . 60
4.3.1 Einfiihrung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.3.2 Eigenschaften von pn-Foigen. . . . . . . . . . . . . . 60
4.3.3 Obertragung mit pn-modulierten Triigem im SSMA-System 61
4.3.4 Prinzip der Synchronisation im SSMA-System . . . . . . 63
4.3.5 Einige Probleme und Losungswege bei der praktischen Realisierung
von SSMA-Systemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.4 Griinde und Moglichkeiten fUr die Weiterentwicklung der VielfachzugrifTsverfahren 66
4.5 Kombinierte Verfahren . . . . . . . . . . . . 66
4.6 ZugrifTsverfahren mit Paketvermittlung. . . . . . . . . . 67
4.7 TDMA mit Vermittlung im Satelliten (SS-TDMA) ..... 68
4.8 VielfachzugrifT durch Strahiabtastung ("scanning spot beam") 70
5 Die Erdernnkstelle . 71
5.1 Obersicht. . . 71
5.2 Autbau typischer Erdefunkstellen. . 72
5.2.1 GroBe INTELSAT-Erdefunkstelle: Raisting 72
5.2.2 Militiirische Erdefunkstelle mit lO-m-Spiegel 72
5.2.3 Transportable Erdefunkstelle mit 3,3-m-Spiegel 75
5.2.4 KenngroBen von Erdefunkstellen . . . . . . 75
Inhalt XI
5.3 Die Antenne. . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.3.1 Obersicht . . . . . . . . . . . . . . 75
5.3.2 Forderungen an Erdefunkstellenantennen. 77
5.3.3 Richtcharakteristik und Rauschtemperatur . 77
5.3.4 AntennennachfUhrverfahren 81
5.3.5 Reflektoren . . . . . . . . . 82
5.3.6 Antennenerregersysteme .... 84
5.3.7 Hohlleitermultiplexeinrichtungen 87
5.3.8 Antennenkonstruktion und Nachfiihrbarkeit 88
5.4 Der Empfangszug . . . . . . . . . . . . . . 90
5.4.1 Rauscharme Vorverstiirker. . . . . . . . 90
5.4.2 Empfangsfrequenzumsetzung und ZF-Verstiirkung. 94
5.4.3 Demodulatoren. . . . . . . . 94
5.4.4 NachfUhr-und Datenempfiinger. 95
5.5 Der Sendezug . . . . . . . . . . . 96
5.5.1 Modulatoren. . . . . . . . . 96
5.5.2 Sender-ZF und Sendefrequenzumsetzung . 96
5.5.3 Sendeleistungsverstiirker. . . . . . . . 96
5.6 Betrieb von Erdefunkstellen . . • . . . . . . 98
5.6.1 Bemannte und unbemannte Erdefunkstellen. 98
5.6.2 Wichtige Messungen an Erdefunkstellen 100
5.6.3 Stromversorgung von Erdefunkstellen 100
6 Der SateUit. . 10 1
6.1 Obersicht . 101
6.2 Aufbau typischer Nachrichtensatelliten 101
6.2.1 Unterschiede zu einer terrestrischen Richtfunkreiaisstelle 101
6.2.2 Spinstabilisierte und dreiachsenstabilisierte Satelliten . 102
6.2.3 Modularer Aufbau und Buskonzept . 105
6.2.4 Satellitenstruktur . . . . . . . . . 108
6.2.5 Anpassung an die verwendete Rakete 109
6.2.6 Beispiele von Nachrichtensatelliten 109
6.3 Satellitenantennen . . . . . . . . . . . 110
6.3.1 Obersicht . . . . . . . . . . . . 110
6.3.2 Antennen ohne oder mit nur geringer Biindelung 110
6.3.3 Entdrallte Antennen. . . . . . . . . . . . . 112
6.3.4 Antennen fUr dreiachsenstabilisierte Satelliten und entdrallte Plattformen. 112
6.3.5 Strahlformung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.3.6 Antennen mit Polarisations-und Frequenzmehrfachausnutzung 114
6.3.7 Entfaltbare Antennen . . . . . . . . . 1I5
6.3.8 Randbedingungen fiir Satellitenantennen . 116
6.4 Satellitentransponder. . . . . . . . . 116
6.4.1 Anforderungen und Prinzipien . . 1I6
6.4.2 Durchschalteprinzipien . . . . . . . . . . . . . . . . 1I7
6.4.3 Auswirkungen der verwendeten Modulations- lind Zugriffsverfahren
auf die Transponderkonzeption . 118
6.4.4 Empfangs-und Sendeverstiirker. . 119
6.4.5 Eingangs-und Ausgangskanalweichenketten 121
6.4.6 Der Intelsat-V-Transponder . . . . . . . 121
6.5 Fernmessung, Fernsteuerung und Entfemungsmessung 123
6.6 Stromversorgung von Satelliten 125
6.6.1 Obersicht . . . . . . . 125
6.6.2 Soiarzellen. . .'. . . . 125
