通信衛(wèi)星的工作過(guò)程

利用通信衛(wèi)星和廣播衛(wèi)星傳輸廣播電視節(jié)目是衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)的重大發(fā)展。那么，通信衛(wèi)星是怎樣工作的呢？

衛(wèi)星通信系統(tǒng)是由空間部分——通信衛(wèi)星和地面部分——通信地面站兩大部分構(gòu)成的。

在這一系統(tǒng)中，通信衛(wèi)星實(shí)際上就是一個(gè)懸掛在空中的通信中繼站。

它居高臨下，視野開(kāi)闊，只要在它的覆蓋照射區(qū)以內(nèi)，不論距離遠(yuǎn)近都可以通信，通過(guò)它轉(zhuǎn)發(fā)和反射電報(bào)、電視、廣播和數(shù)據(jù)等無(wú)線信號(hào)。

通信衛(wèi)星工作的基本原理如圖所示。從地面站1發(fā)出無(wú)線電信號(hào)，這個(gè)微弱的信號(hào)被衛(wèi)星通信天線接收后，首先在通信轉(zhuǎn)發(fā)器中進(jìn)行放大，變頻和功率放大，最后再由衛(wèi)星的通信天線把放大后的無(wú)線電波重新發(fā)向地面站2，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)地面站或多個(gè)地面站的遠(yuǎn)距離通信。舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子：如北京市某用戶要通過(guò)衛(wèi)星與大洋彼岸的另一用戶打電話，先要通過(guò)長(zhǎng)途電話局，由它把用戶電話線路與衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的北京地面站連通，地面站把電話信號(hào)發(fā)射到衛(wèi)星，衛(wèi)星接到這個(gè)信號(hào)后通過(guò)功率放大器，將信號(hào)放大再轉(zhuǎn)發(fā)到大西洋彼岸的地面站，地面站把電話信號(hào)取出來(lái)，送到受話人所在的城市長(zhǎng)途電話局轉(zhuǎn)接用戶。

電視節(jié)目的轉(zhuǎn)播與電話傳輸相似。但是由于各國(guó)的電視制式標(biāo)準(zhǔn)不一樣，在接收設(shè)備中還要有相應(yīng)的制式轉(zhuǎn)換設(shè)備，將電視信號(hào)轉(zhuǎn)換為本國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。電報(bào)、傳真、廣播、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)也與電話傳輸過(guò)程相似，不同的是需要在地面站中采用相應(yīng)的終端設(shè)備。

隨著航天技術(shù)日新月異的發(fā)展，通信衛(wèi)星的種類也越來(lái)越多。按服務(wù)區(qū)域劃分，有全球、區(qū)域和國(guó)內(nèi)通信衛(wèi)星。按用途分，有一般通信衛(wèi)星、廣播衛(wèi)星、海事衛(wèi)星、跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星以及各種軍用衛(wèi)星。

衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的分類可按其應(yīng)用來(lái)分，也可以按他們所采用的技術(shù)手段來(lái)分。

（一） 按應(yīng)用分類

可分為海事衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)（MMSS）、航空衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)（AMSS）和陸地衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)（LMSS）。海事衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)主要用于改善海上救援工作，提高船舶使用的效率和管理水平，增強(qiáng)海上通信業(yè)務(wù)和無(wú)線定位能力。航空衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)主要用于飛機(jī)和地面之間為機(jī)組人員和乘客提高話音和數(shù)據(jù)通信。陸地衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)主要用于為行駛的車輛提供通信。

（二） 按軌道分類

通信衛(wèi)星的運(yùn)行軌道有兩種。一種是低或中高軌道。在這種軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星相對(duì)于地面是運(yùn)動(dòng)的。它能夠用于通信的時(shí)間短，衛(wèi)星天線覆蓋的區(qū)域也小，并且地面天線還必須隨時(shí)跟蹤衛(wèi)星。另一種軌道是高達(dá)三萬(wàn)六千公里的同步定點(diǎn)軌道，即在赤道平面內(nèi)的圓形軌道，衛(wèi)星的運(yùn)行周期與地球自轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間相同，在地面上看這種衛(wèi)星好似靜止不動(dòng)，稱為同步定點(diǎn)衛(wèi)星。它的特點(diǎn)是覆蓋照射面大，三顆衛(wèi)星就可以覆蓋地球的幾乎全部面積，可以進(jìn)行二十四小時(shí)的全天候通信。

（三） 按頻率分類

按照該衛(wèi)星所使用的頻率范圍將衛(wèi)星劃分為L(zhǎng)波段衛(wèi)星，Ka波段衛(wèi)星等等。

（四） 按服務(wù)區(qū)域分類

隨著航天技術(shù)日新月異的發(fā)展，通信衛(wèi)星的種類也越來(lái)越多。按服務(wù)區(qū)域劃分，有全球、區(qū)域和國(guó)內(nèi)通信衛(wèi)星。顧名思義，全球通信衛(wèi)星是指服務(wù)區(qū)域遍布全球的通信衛(wèi)星，這常常需要很多衛(wèi)星組網(wǎng)形成。而區(qū)域衛(wèi)星僅僅為某一個(gè)區(qū)域的通信服務(wù)。而國(guó)內(nèi)衛(wèi)星范圍則更窄，僅限于國(guó)內(nèi)使用，其實(shí)各種分類方式都是想將衛(wèi)星的某一特性更強(qiáng)地體現(xiàn)出來(lái)，以便人們更好的區(qū)分各種衛(wèi)星。

下面，我們?cè)敿?xì)介紹采用衛(wèi)星軌道進(jìn)行分類：以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的移動(dòng)通信的應(yīng)用和研制情況，大體上可分為3種情況：

（1） 衛(wèi)星不動(dòng)（同步軌道衛(wèi)星）

目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用的Inmarsat以及正積極開(kāi)發(fā)中的AMSC（美國(guó)），CELSAT（美國(guó)），MSS（加拿大）、Mobilesat（澳大利亞）等移動(dòng)通信系統(tǒng)均屬于這種情況。這些系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)到車，船和飛機(jī)等移動(dòng)體上的通信，實(shí)現(xiàn)到手機(jī)的通信指日可待。

（2） 衛(wèi)星動(dòng)（非同步軌道衛(wèi)星），終端不動(dòng)

它是通過(guò)非同步軌道衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)到較大終端（例如移動(dòng)通信網(wǎng)的基站）的通信，而以后再連接到手持機(jī)的用戶。Calling（美國(guó)）系統(tǒng)大體上屬于這種情況。移動(dòng)用戶通過(guò)關(guān)口站上的衛(wèi)星進(jìn)行通信也基本屬于這種情況。

（3） 衛(wèi)星動(dòng)（非同步軌道衛(wèi)星），終端也動(dòng)。

當(dāng)前提出來(lái)的大量中、低軌道系統(tǒng)（如銥星系統(tǒng)、全球星系統(tǒng)、奧迪賽系統(tǒng)）極化均屬這種情況，他們的特征就是做到終端手持化，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星通信適應(yīng)未來(lái)個(gè)人移動(dòng)通信的需求。

就衛(wèi)星在空間運(yùn)行的軌道形狀來(lái)說(shuō)，有圓軌道和橢圓軌道。此外，衛(wèi)星軌道與地球赤道可以構(gòu)成不同的夾角（稱為傾角），傾角等于零的稱為赤道軌道；傾角等于90°的稱為極軌道；傾角在0°～90°之間的稱為傾斜軌道。圓軌道又可以按其高度分為3種：低軌道（LEO）（距地面數(shù)百公里至5000KM，運(yùn)行周期為2～4小時(shí)）；中軌道（MEO）（距地面5000～20000KM，運(yùn)行周期4～12小時(shí)）；高（同步）軌道（GEO）（距地面35800KM,運(yùn)行周期24小時(shí)），它又稱為靜止軌道。由此，衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)基本上可以分為高、中、低三種。銥星系統(tǒng)（Iridium）和全球星系統(tǒng)（Globalstar）是LEO系統(tǒng)發(fā)展那最快的范例。奧迪賽系統(tǒng)（Odyssey）、InmarsatP-21是MEO系統(tǒng)的范例。Inmarsat系統(tǒng)、氚（Tritium）系統(tǒng)、亞洲衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)（ASMTS）（該系統(tǒng)是美國(guó)休斯公司建議我國(guó)發(fā)展的）是GEO系統(tǒng)的范例。其網(wǎng)絡(luò)基本上與固定業(yè)務(wù)衛(wèi)星系統(tǒng)相同。這三種系統(tǒng)都要用手持機(jī)進(jìn)行個(gè)人通信。他們除了具有語(yǔ)音通信功能外，還應(yīng)具有傳送數(shù)據(jù)、傳真、尋呼、靜態(tài)圖象和定位等功能。這3種不同軌道系統(tǒng)用手持機(jī)進(jìn)行個(gè)人通信，各有優(yōu)劣，其性能表如下表所示：

自本世紀(jì)60年代以來(lái)，人類已經(jīng)將數(shù)以百計(jì)的通信廣播衛(wèi)星送入高軌道（GEO），在實(shí)現(xiàn)國(guó)際遠(yuǎn)距離通信和電視傳輸方面，這些衛(wèi)星一直擔(dān)當(dāng)主角。但是，高軌道（GEO）衛(wèi)星也存在一些問(wèn)題：

（1） 自由空間中，信號(hào)強(qiáng)度反比于傳輸距離的平方。高軌道（GEO）衛(wèi)星距地球過(guò)遠(yuǎn)，需要有較大口徑的通信天線。

（2） 信號(hào)經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)距離傳輸會(huì)帶來(lái)較大的時(shí)延。在電話通話中，這種時(shí)延會(huì)使人感到明顯的不適應(yīng)。在數(shù)據(jù)通信中，時(shí)延限制了反應(yīng)速度，對(duì)于2001年臺(tái)式超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，半秒種的時(shí)延意味著數(shù)億字節(jié)的信息滯留在緩沖器中。

（3） 軌道資源緊張。高軌道（GEO）衛(wèi)星只有一條，相鄰衛(wèi)星的間隔又不可以過(guò)小，因?yàn)榈厍蛘咎炀�分辨衛(wèi)星的能力受限于天線口徑的大小。在Ka頻段（17～30GHz）為了能夠分出2°間隔的衛(wèi)星，地面站天線口徑的合理尺寸應(yīng)不小于66cm。按這樣計(jì)算，高軌道（GEO）衛(wèi)星只能提供180顆同軌道位置。這其中還包括了許多實(shí)用價(jià)值較差，處于大洋上空的位置。

中、低軌道衛(wèi)星（MEO,LEO）用于個(gè)人全球通信有很多優(yōu)點(diǎn)。低軌道衛(wèi)星（LEO）軌道高度僅是高軌道（GEO）衛(wèi)星的二十分之一至八十分之一，所以其路徑損耗通常比高軌道（GEO）衛(wèi)星低很多，所發(fā)射的功率是高軌道（GEO）衛(wèi)星的二百分之一至二千分之一，傳播時(shí)延僅為高軌道（GEO）衛(wèi)星的七十五分之一，這對(duì)實(shí)現(xiàn)終端手持化和達(dá)到話音通信所需要的時(shí)延要求是很必要的。但是由于運(yùn)轉(zhuǎn)周期和軌道傾角關(guān)系，中軌道（MEO）和低軌道衛(wèi)星（LEO）通信衛(wèi)星相對(duì)于地球上的觀察者不再是靜止的，為了保證在地球上任一點(diǎn)均可以實(shí)現(xiàn)24小時(shí)不間斷的通信，必須精心配置多條軌道及一大群具有強(qiáng)大處理能力的通信衛(wèi)星，這樣一個(gè)龐大而又復(fù)雜的空間系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的運(yùn)轉(zhuǎn)，涉及到技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的一系列問(wèn)題。當(dāng)今，計(jì)算機(jī)、微電子技術(shù)和小型衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，使解決建立大型中軌道（MEO）和低軌道衛(wèi)星（LEO）衛(wèi)星通信系統(tǒng)的難題成為可能，從而開(kāi)辟了“空基”通信的新時(shí)代。

衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)可分為海事衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)（MMSS）、航空衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)（AMSS）和陸地衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)（LMSS）。海事衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)主要用于改善海上救援工作，提高船舶使用的效率和管理水平，增強(qiáng)海上通信業(yè)務(wù)和無(wú)線定位能力。航空衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)主要用于飛機(jī)和地面之間為機(jī)組人員和乘客提供話音和數(shù)據(jù)通信。陸地衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)主要用于為行駛的車輛提供通信。分配給衛(wèi)星移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的頻率范圍為235MHz～71GHz。工作頻率的下限由適合于移動(dòng)地球站的小口徑天線所能達(dá)到的天線增益所決定的。例如，若要求的天線增益為3dB，則對(duì)于1m有效口徑的天線，頻率下限為200MHz。工作頻率的上限受到很多因素影響。在1GHz以上，降雨衰減（雨點(diǎn)會(huì)降低信號(hào)強(qiáng)度）和分子吸收一般隨頻率增加而增大。對(duì)于要求高可靠性的系統(tǒng)。最佳的頻率范圍為200GHz～10GHz。除了傳播因素以外還應(yīng)考慮技術(shù)發(fā)展水平、可靠性要求以及頻率再用等因素。

1992年世界無(wú)線電行政大會(huì)（WARC'92）對(duì)包括低軌道衛(wèi)星在內(nèi)的衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù)進(jìn)行了調(diào)整和分配。

（1） 1000MHz以下

包括低軌道衛(wèi)星在內(nèi)的非同步衛(wèi)星全球主用和次用頻段原來(lái)的分配如下：

137~137.025MHz（下行，主用）

137.175~137.825 MHz（下行，主用）

137.025~137.175 MHz（下行，次用）

137.825~138 MHz（下行，次用）

148~149.9 MHz（上行，主用）

400.15~401 MHz（下行，主用）

92年世界無(wú)線電行政大會(huì)所作的補(bǔ)充是，分給移動(dòng)衛(wèi)星業(yè)務(wù)的312～315 MHz和387～390 MHz（次用）也可以由低軌道衛(wèi)星所使用，但用于非同步衛(wèi)星時(shí)要進(jìn)行協(xié)商；分給移動(dòng)衛(wèi)星業(yè)務(wù)全球主用的148～149.9 MHz和分給陸地移動(dòng)衛(wèi)星的149.9～150.05 MHz（全球主用）用于非同步衛(wèi)星時(shí)也要進(jìn)行協(xié)商。

（2） L和S頻段

在92年世界無(wú)線電行政大會(huì)上，新分了1525～1530 MHz頻段，作為全球海運(yùn)移動(dòng)衛(wèi)星業(yè)務(wù)的主用頻段，這一頻段也作為陸地衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)的全球次用頻段。

另外，還專門為移動(dòng)衛(wèi)星業(yè)務(wù)分配了1610～1626.5 MHz（上行）和2483.5～2520 MHz（下行）新的全球主用頻段。這個(gè)頻段也為全球定位系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)使用。大部分大型的低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)均使用這個(gè)頻段。

在S頻段為MSS（衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)）分配的全球主用頻段是：1980～2010 MHz；2170~2200 MHz; 2500~2520 MHz; 2670~2690 MHz。但同時(shí)要求其中1970～2010 MHz和2160～2200 MHz到2000年1月1日以后才可以使用，2500～2520 MHz和2670～2690 MHz到2005年1月1日以后才可以使用。

衛(wèi)星通信同現(xiàn)在常用的電纜通信、微波通信等相比，有較多的優(yōu)點(diǎn)，基本可以概括為幾個(gè)字；

遠(yuǎn)：是指衛(wèi)星通信的距離遠(yuǎn)。俗話說(shuō)，“站的高，看的遠(yuǎn)”，同步通信衛(wèi)星可以“看”到地球最大跨度達(dá)一萬(wàn)八千余公里。在這個(gè)覆蓋區(qū)內(nèi)的任意兩點(diǎn)都可以通過(guò)衛(wèi)星進(jìn)行通信，而微波通信一般是50公里左右設(shè)一個(gè)中繼站，一顆同步通信衛(wèi)星的覆蓋距離相當(dāng)于三百多個(gè)微波中繼站。

多：指通信路數(shù)多、容量大。一顆現(xiàn)代通信衛(wèi)星，可攜帶幾個(gè)到幾十個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器，可提供幾路電視和成千上萬(wàn)路電話。

好：指通信質(zhì)量好、可靠性高。衛(wèi)星通信的傳輸環(huán)節(jié)少，不受地理?xiàng)l件和氣象的影響，可獲得高質(zhì)量的通信信號(hào)。

活：指運(yùn)用靈活、適應(yīng)性強(qiáng)。它不僅可以實(shí)現(xiàn)陸地上任意兩點(diǎn)間的通信，而且能實(shí)現(xiàn)船與船，船與岸上、空中與陸地之間的通信，它可以結(jié)成一個(gè)多方向、多點(diǎn)的立體通信網(wǎng)。

�。褐赋杀镜�。在同樣的容量、同樣的距離下，衛(wèi)星通信和其他的通信設(shè)備相比較，所耗的資金少，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的造價(jià)并不隨通信距離的增加而提高，隨著設(shè)計(jì)和工藝的成熟，成本還在降低。

下面說(shuō)說(shuō)對(duì)廣播衛(wèi)星的技術(shù)要求：

廣播衛(wèi)星必須是對(duì)地靜止的，以便觀眾使用簡(jiǎn)單，無(wú)需跟蹤衛(wèi)星而且定向性強(qiáng)的接收天線，這不僅要求使用赤道同步衛(wèi)星，還要求衛(wèi)星能精確地保持它在軌道上的位置和姿態(tài)。

廣播衛(wèi)星必須有足夠的有效輻射功率，以簡(jiǎn)化地面接收設(shè)備。在覆蓋面積較大，波束為2°左右的情況下，個(gè)體接收衛(wèi)星電視廣播所需的轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)射功率是幾百瓦，集體接收方式所需的是幾十瓦。

廣播衛(wèi)星必須有足夠長(zhǎng)的使用壽命和可靠度，以降低停播率，并避免經(jīng)常更換衛(wèi)星所帶來(lái)的停播和浪費(fèi)。為此要求衛(wèi)星使用長(zhǎng)壽命、高可靠度的元件、部件，并必須設(shè)置星上備份部件、備份轉(zhuǎn)發(fā)器，及發(fā)射備份衛(wèi)星。目前的廣播衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命為5～7年。

廣播衛(wèi)星的重量應(yīng)保證工作需要，并在此前提下盡量減輕，以節(jié)約發(fā)射費(fèi)用。為此，星上各分系統(tǒng)所用的材料比重要小，耗電部分應(yīng)盡可能提高效率，以減輕整個(gè)星體重量。已發(fā)射的以及近期內(nèi)將要發(fā)射的廣播衛(wèi)星的重量，大體在3000～8000公斤之間。