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1990年英國公眾就已可直接收到廣播衛(wèi)星電視節(jié)目。一九八八年十月法國發(fā)射的高功率TDF-1廣播衛(wèi)星，同年十二月以盧森堡為基地Societe Europ'eenne des Satellites公司將其中功率的Astra廣播衛(wèi)星放入軌道。若一切都按計劃進行，英國衛(wèi)星廣播公司將預(yù)計在今年八月份發(fā)射的宇宙飛船上發(fā)射另一顆高功率的電視廣播衛(wèi)星。在這些直接廣播方式出現(xiàn)之前，我們所接收的所有衛(wèi)星電視節(jié)目都是來自功率較低的通訊衛(wèi)星。原先的想法是利用這些通訊衛(wèi)星將電視信號從一個點發(fā)到另一個點，就像沿電纜傳輸一樣。這種點至點的通訊有兩個主要目的：世界不同地方廣播組織之間互相交換電視節(jié)目，將電視信號送到有線電視臺以便稍后在當?shù)胤职l(fā)。但是由于來自這些通訊衛(wèi)星的射束覆蓋地球很大的面積，所以生活在該范圍之內(nèi)的每一個人都能接收到該信號，不管你愿不愿意。你可以說這是無意的廣播，因此出現(xiàn)了一種小型的工業(yè)，專門為公眾提供一種稱為TVRO(只接收電視)的設(shè)備。
假如你想建立你自己的接收站用來接收低功率或直接廣播(高功率)電視節(jié)目，請留意這篇文章的介紹。當然，這些不僅僅是讀者可能想接收的衛(wèi)星廣播信號，還有其它廣播如來自O(shè)SCAR業(yè)余廣播衛(wèi)星和氣象衛(wèi)星的信號。雖然來自這些衛(wèi)星的廣播在軌道、頻率、功率、調(diào)制和編碼系統(tǒng)等方面可能相差很大，但是基本原理是相同的。當然，它們都是基于物理定律。假如你能很好地掌握這些原理，則可將它應(yīng)用于你想接收的任何衛(wèi)星節(jié)目。
一、衛(wèi)星的種類
繞地球軌道運行的衛(wèi)星主要有兩大類。最接近我們的那一類主要是通過各種儀器用來觀察地球，用作科學、氣象、地球物理、軍事和其它研究用途。其高度約距地球200至300公里，繞低地球軌道LEO運行，約1.5小時一周，運行速度約為每秒鐘8公里。由于這些LEO衛(wèi)星出現(xiàn)和消失非�？�，從地平線的一個地方到另一個地方只需約30分鐘，因此不適于用作通訊和廣播。但是它們所提供的光或其它物理信息必須通過無線電波訊號傳送到地球。因此地面接收站必須在它們從頭上經(jīng)過時跟蹤它們或特殊高度的中繼衛(wèi)星必須在它們從底下經(jīng)過時拾起信號。圖(1)示出低地球軌道繞過北極和南極極軌道。其優(yōu)點是當?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)時在該軌道之下觀測衛(wèi)星每90分鐘掃描地球表面的一個南北帶，因此以16個軌道覆蓋整個表面。美國太空穿梭機在發(fā)射衛(wèi)星和做其它工作時就是在LEO高度飛行，這時其是沿軌道運行而不是動力推動的汽車。假如：太空穿梭機發(fā)現(xiàn)號八八年九月在其成功的4天使命中就是在257KM的高度環(huán)繞地球飛行。估計蘇聯(lián)的太空穿梭機也大抵相同。
第二類衛(wèi)星是在約36000公里的高度(參見圖2)，以約每秒鐘3公里的速度在赤道上空運行，需要24小時繞地球一周，也就是說其角速度與地球轉(zhuǎn)動相同。因此從地面觀測者的觀點出發(fā)，每一個衛(wèi)星似乎靜止在赤道上空的某一點。所以，它們被稱為與地球的相對位置保持不變的衛(wèi)星:GEO通訊衛(wèi)星。由于與地球表面相對位置保持不變，這種通訊衛(wèi)星具有一種最寶貴的特性。其可用作空中工作站攜帶廣播中繼站(發(fā)送應(yīng)答站)。另外，這種通訊衛(wèi)星還可以用作對特定區(qū)域的廣播(中繼站的發(fā)射機功率比通訊衛(wèi)星強)或觀測地球的云層覆蓋供氣象研究和天氣預(yù)報。在LEO和GEO衛(wèi)星群之間還有各種位于中間高度和其它衛(wèi)星。例如:在LEO和GEO之間的中間位置有一些導(dǎo)航衛(wèi)星，通過這些衛(wèi)星，輪船、飛機和汽車可通過其電子導(dǎo)航設(shè)備找到其本身的位置。最新發(fā)射的業(yè)余通訊衛(wèi)星之一OSCAR13(亦稱AmsatⅢc)其軌道高度是不斷變化的。軌道的最低點(稱為近地點)是36000公里。這種軌道亦稱為橢圓形軌道(參見圖3)。反之，所有GEO衛(wèi)星和一些上述其它衛(wèi)星都是在固定的高度上運行，因此具有圓形軌道。
二、地球軌道
現(xiàn)在我們來比較地詳細研究一下軌道這個問題。一般來說軌道是指一個物體繞一個質(zhì)量的中心運動的道路。供軌道運行的物體可以是自然衛(wèi)星（如月球）或人造衛(wèi)星（如本文所討論的那些衛(wèi)星）。質(zhì)量的中心是在地球和衛(wèi)星之間的某一點。系統(tǒng)的總質(zhì)量(地球加上衛(wèi)星)可以看成是集中在空間中的一個點。但是由于地球的質(zhì)量遠大于衛(wèi)星的質(zhì)量，因此其具有淹沒效應(yīng)，因而，質(zhì)量的中心實際上非常接近地球的中心。嚴格來說，地球和衛(wèi)星都是繞這個公共的質(zhì)量中心運行。但是由于該公共的中心非常接近地球的物理中心，所以在實際應(yīng)用中我們只把地球看成是固定的，而衛(wèi)星繞其正常的中心運行。人造衛(wèi)星一旦被發(fā)射進入軌道，就不再直接受馬達或發(fā)動機的推動。那么，它怎樣保持在那里呢?答案與月亮可停留在其軌道而不會撞入地球一樣。衛(wèi)星的運行是依靠作用在其質(zhì)量上的兩個力的合力效應(yīng)。一個是發(fā)射火箭或穿梭機給它的原始力，就像板球具有由板球投球手給它的力并繼續(xù)飛向板球打手一樣，在物理學上來說這是物體的慣性。第二個力是地心引力，更準確地說是由于地球質(zhì)量和衛(wèi)星質(zhì)量之間引力產(chǎn)生的力。正如牛頓所發(fā)現(xiàn)的一樣，該力與兩個質(zhì)量的乘積成正比并與它們之間距離的平方成反比，暫且不考慮其它影響，發(fā)射器本身將使衛(wèi)星直線脫離地球。但是引力通過將衛(wèi)星拉回地球來阻止其脫離地球。從某種意義上來說繞軌道運行的衛(wèi)星總是不斷地朝地球方向下跌，但是實際上它永遠也不會撞到地球，因為原始的發(fā)射力和衛(wèi)星的慣性作用防止這種情況發(fā)生。這些力對衛(wèi)星質(zhì)量互相作用結(jié)果形成繞地心的軌道。
三、軌道的特性
首先我們已經(jīng)知道，衛(wèi)星具有一定的高度，對于圓形軌道來說該高度是固定不變的，對于橢圓形軌道來說該高度是不斷變化的，有最低點(近地點)和最高點(遠地點)。假如將該橢圓形軌道畫在一個巨形的平面上，則該橢圓形軌道表面就形成一個所謂的橢圓面。該橢圓面與地球之間有一個特殊的角度，參見圖1所示。該角度實際上是橢圓面與地球赤道之間的角度，稱為傾角。例如:衛(wèi)星OSCAR13是以57°的傾角沿橢圓形軌道運行。橢圓形軌道具有數(shù)學上橢圓的特性。其大小和形狀是通過測量其半長軸和計算其偏心度來確定的。但是除了大小和形狀之外，該橢圓與地球的徑緯線之間還有一個空間相對位置。例如，在圖(1)中橢圓面在墨西哥的南面約東經(jīng)95°與赤道相切。另外為了能正確地確定橢圓軌道，我們還必須知道其遠地點和近地點與地球的相對位置。還有一個衛(wèi)星軌道規(guī)格需討論，那就是繞軌道一周所需的時間、軌道周期。我們已經(jīng)知道，LEO衛(wèi)星的軌道周期約為1.5小時，而GEO衛(wèi)星的軌道周期為24小時(準確地說是23小時56分又4.1秒)。OSCAR13的軌道周期為11小時左右。要知道任何時刻衛(wèi)星的準確位置，我們必須知道其通過近地點的時間。
四、衛(wèi)星的發(fā)射
由于下面我們要著重討論如何接收來自通訊衛(wèi)星的信號，因此我們先舉個例子說明上述各種原理。所舉的例子是Eutelsat1-F5通訊衛(wèi)星的發(fā)射和注入軌道。和同一系列中早期的衛(wèi)星一樣，該衛(wèi)星由European Space Ageucy(ESA)指定規(guī)格，并以ECS-5命名發(fā)射入軌道。將衛(wèi)星放入軌道后EAS就將其移交給European Telecommunications Satellite Orgarization(簡稱Eutelsat)管理和操作。 Eutelsat1-F5是采用所謂相對靜止轉(zhuǎn)移軌道(GTO)放入軌道的。其軌道是橢圓形的，參見圖(3)所示。該程序在使用火箭發(fā)射和衛(wèi)星燃料方面都是最經(jīng)濟的，因而將發(fā)射和整個衛(wèi)星系統(tǒng)的成本減至最低，因此被廣泛采用。該衛(wèi)星和印度通訊衛(wèi)星Insat Ic都是由Ariane-3火箭在法屬圭亞那的Arianespace公司發(fā)射場發(fā)射的。該發(fā)射場位于南美洲的大西洋沿岸，在亞馬遜河出口的北面，參見圖(1)。由于其只在赤道的北5°左右，因此能很好地利用地球轉(zhuǎn)動的拋擲效應(yīng)，地球轉(zhuǎn)動的最快速度是在赤道�；鸺械男l(wèi)星朝東向大西洋上空發(fā)射，由于自然拋擲效應(yīng)使其可得到約4.5米/秒的額外速度，這也可節(jié)約火箭的燃料。圖(4)示出火箭/衛(wèi)星的發(fā)射軌道。Ariane-3號火箭最初是從發(fā)射臺垂直上升，但不久控制器便使其向東傾斜。當其飛行約2000公里時開始接近水平并與地球表面平行。在該階段火箭的軌道實際上是低地球軌道的一部分，高度約2000公里。該軌道約繼續(xù)15分鐘直至火箭接近非洲的西岸，這時火箭約飛行了5000公里。若該火箭是在低地球軌道，則其當然會在約200公里的恒定高度繼續(xù)不斷地繞地球運行。但是實際上其所有3個推進器現(xiàn)在都已經(jīng)被觸發(fā)，該火箭的速度已超過繞低地球軌道運行所需要的8公里/秒。該加速效應(yīng)使火箭拋離地球向外，因此其從圓形軌道的一部分進入橢圓軌道，參見圖(3)所示。在發(fā)射后約18分鐘，即沿新軌道飛行約6000公里后衛(wèi)星脫離火箭并沿同樣的橢圓軌道繼續(xù)運行。最初其速度約10公里/秒，但是逐漸減慢，幾小時后到達遠地點。在圖(3)所示的遠地點速度只有約1.7公里/秒。在距離地球36000公里的地方衛(wèi)星繞橢圓軌道勻速運行不需很大的軌道速度，這是因為在這樣大的距離，地球和衛(wèi)星之間的引力非常小。當衛(wèi)星朝地球方向返回時，隨著引力的增加其速度會重新增加，大約在發(fā)射后10.5小時回到近地點，此時軌道速度約10.2公里/秒。這里需這樣高的速度來抵消巨大的地心引力，因為此時衛(wèi)星與地球相距只200公里。
衛(wèi)星可按預(yù)定安排發(fā)射程序要求停留在該橢圓轉(zhuǎn)移軌道。以Eutelsat1-F5為例該停留時間剛好超過36小時，即超過繞橢圓軌道3周，由于Kourou是在赤道的稍偏北處，參見圖(1)，因此轉(zhuǎn)移軌道平面不是準確地在赤道平面上而是傾斜7°，因此必須將其修正至0°。為了將衛(wèi)星從橢圓轉(zhuǎn)移軌道推入其最終的圓形位置相對靜止的軌道，當衛(wèi)星位于36000公里遠地點時地面控制站通過遙控起動反應(yīng)將其推進馬達(稱為遠地點彈回馬達)。對于Eutelsat1-F5來說彈回馬達是在衛(wèi)星繞橢圓軌道3周并第4次到達遠地點時被起動。由此引起的加速度再一次使衛(wèi)星向外拋，使其漸漸以3.1公里/秒的速度移入圓形的位置相對靜止軌道(傾斜度=0)。這時整個發(fā)射工作已經(jīng)完成。 Eutelsat1-F5實際發(fā)射時間是在1988年7月21日國際標準時間23點13分，其遠地點彈回馬達的起動時間是7月23日國際標準時間12點23分，用去推進劑的3.5公斤（衛(wèi)星所攜帶的推進劑共122公斤）。該衛(wèi)星在8月中旬到達其永久軌道的初始位置是16°E，稍后被移到10°E。
五、天體力學
衛(wèi)星的高度、軌道速度和軌道同期之間的關(guān)系都與數(shù)字力學定律有關(guān)。這些定律是引自牛頓的著名三大運動定律和萬有引力定律。雖然與高度、速度、周期有關(guān)的公式實際上是很簡單的代數(shù)式，但它們非常通用，可應(yīng)用于整個宇宙。將出自地球衛(wèi)星系統(tǒng)的有關(guān)數(shù)值代入這些公式可得到有用的關(guān)系圖，參見圖(5)。從這些圖可以看出兩個點：第一，循跡體的高度越高，軌跡周期也越長。例如:假如將高度范圍擴大至月亮離地球的距離(約384000公里)，則周期圖將示出周期增為稍多于27天，月球繞球運轉(zhuǎn)的自然周期。第二，從這些圖可以看出高度越高，軌道速度越低。這是因為衛(wèi)星距離地球越遠，地球?qū)ζ涞囊υ叫�。因此根�?jù)軌道力學的自然平衡作用，衛(wèi)星不需要這樣大的前向力去抵消引力。這種反作用力取決于軌道速度，與該速度的平方成正比。當軌道是圓形時所有這些條件都保持不變。但是若是橢圓形軌道，高度就會不斷變化。因此當衛(wèi)星運行越接近地球時其需要越大的軌道速度去抵消不斷增加的地心引力。因而對于橢圓形軌道，軌道速度 在近地點時最高，在遠地點時最低。從理論上來講，圓形軌道可看成是橢圓形軌道的一種特例，即橢圓的偏心等于零。例如:月球繞地球的軌道似乎是圓的，但是實際上是帶點橢圓。其脫離圓周非常小，該橢圓的偏心度只有0.0549。簡言之，任何衛(wèi)星的軌道均可由6個數(shù)值來確定，這 6個值稱為軌道要素。第一是橢圓半主軸的長度。第二是橢圓的偏心度。第三是橢圓面的傾斜度。第四是整個橢圓面與格林威治子午(0°經(jīng)線)的相對位置。第五是近地點和衛(wèi)星從南到北穿過赤道橢圓面上的點之間的夾角。第六是衛(wèi)星通過其軌道的地點的時間。兩次通過該點之間的時間間隔是軌道的周期。下面我們要研究如何接收來自衛(wèi)星的信號以及建立接收站所需要的基本設(shè)施。
六、衛(wèi)星信號的接收
要接收衛(wèi)星信號，首先必須找到你所要接收的衛(wèi)星。這并不像將普通電視天線對準當?shù)仉娨曊较蚰菢雍唵巍Ｒ驗樾l(wèi)星的發(fā)射機距離我們很遠，以位置相對靜止的衛(wèi)星來說距離我們有36000公里或更遠。由于衛(wèi)星之間的間隔只有幾度且微波發(fā)射并不很強，因此必須使用高方向性的接收天線收集盡可能多的電磁波輻射拋物面盤形天線。這種天線的接收束(天線輻射圖)有些像探照燈的射束。實際上你必須用接收束去探找所要接收的衛(wèi)星。若與正確的角度偏差2至3度，則可能完全接收不到信號或接收到另一個附近的衛(wèi)星信號。這種相對靜止衛(wèi)星總共大約有150個，用作各種不同的用途：通訊、廣播、導(dǎo)航、軍事以及氣象研究等等。但是這里只介紹接收衛(wèi)星的電視廣播信號。
七、信號分組
這意味著信號可分成兩大組:來自通訊衛(wèi)星的低功率電視信號和來自直接廣播衛(wèi)星(dbs)的高功率信號。在兩種情況下接收到的微波信號(波長在25至27mm 之間)都必須轉(zhuǎn)換成適于輸?shù)綐藴孰娨暀C天線插座的形式以使其顯示出正常的電視圖像。因此，我們感興趣的電視信號可能來自多個不同的衛(wèi)星。每一個衛(wèi)星都配備一組微波中繼站。該中繼站基本上是一個接收機，將其輸出輸?shù)揭粋�發(fā)射機上。在低功率通訊衛(wèi)星中有些中繼站用作通訊(聲音和數(shù)據(jù)等)，有些用作電視信號分配。對于后一組而言，有些電視訊號是供廣播組織內(nèi)部用的(如新聞發(fā)送或交換節(jié)目等等)，其余的是為有線電視公司和各系統(tǒng)提供電視節(jié)目，私人也可以利用他們自己的接收設(shè)備(TVRO)來接收這些節(jié)目。在高功率直接廣播衛(wèi)星中所有中繼站都是用作對公眾廣播（主要是電視節(jié)目，但也有一些廣播節(jié)目）。它們采用高功率是為了便于接收并使接收成本盡可能低廉。在這些衛(wèi)星中包括新近發(fā)射的Astra衛(wèi)星，雖然它是以中功率發(fā)射且頻率是在通訊頻道，但是它是專門為dps設(shè)計的。因為該衛(wèi)星實際上只用作廣播信號分派，所以它采用低功率。在這兩組中每一中繼站通常處理一個電視頻道，因此這相當于來自當?shù)仉娨暸_的電視頻道。來自衛(wèi)星的信號具有以下特性:空間位置，射頻功率，頻率和波長，波的極化載波調(diào)制和信息編碼。下面著重研究兩個主要的基本特性，軌道位置和射頻功率。
八、可接收的衛(wèi)星
在你決定所要接收的信號和節(jié)目之前，必須查清楚在你所居住的地方。微波的特性很像光波，這意味著在衛(wèi)星和你的接收天線之間必須是直接的視線或完全沒有阻擋的直接通道。假如你剛好住在赤道上的某一地方，則一些衛(wèi)星將會位于你的上方，另一些將沿東西方向分布。許多衛(wèi)星將是可見的，因為你居于地球上最靠近相對靜止軌道的地方且沒有東西阻擋你的天線視野。但是有許多人是住在北半球和南半球。例如住在英國，情況就會大抵相同，如圖(6)所示。在圖(6)所示的例子中接收位置是在北緯51°，西經(jīng)1°。在該接收位置你必須向南看以便能直線看到相對靜止軌道的一部份。顯然該軌道的赤道平面是位于北半球的南方。對于該位置南方的衛(wèi)星的IntelsatV-F2，接收天線的視線與地面的夾角是32°。以該點向東或向西看，天線還可以看到其它衛(wèi)星，但仰角較低。向東或向西看的越遠，仰角越低，直至75°的極點再也看不到相對靜止軌道以及在其上面的衛(wèi)星。這些極點出現(xiàn)截止是因為地球表面阻擋了直接視線。圖(7)示出北緯51°和西經(jīng)1°位置對于相對靜止軌道各點所需要的盤形天線仰角以及兩截止點之間可接收到的一些衛(wèi)星。圖(7)中的黑線(相當于GEO的一部分)在天線仰角為零處截止，即水平沿地面向前看。實際上天線束至少必須有5°的仰角，因為低于該水平(虛線所示)接收機會引起太多的人為電磁干擾和自然電噪聲(如來自地面的熱輻射)。利用相當于圖(7)之類的圖表結(jié)合衛(wèi)星電視所提供的資料你可以找到在你所住的位置可接收到的衛(wèi)星。
但是實際上能否接收到這些衛(wèi)星的信號最終是取決于你能否找到適當?shù)牡胤桨惭b盤形天線。安裝位置必須毫無阻擋地對著南方的天空，仰角為25°左右且有盡可能大的角度偏移。對于接收dbs系統(tǒng)這個問題就比較簡單，因為發(fā)射功率較高，因而可用直徑較小的盤形天線(30-90cm)，而接收轉(zhuǎn)播衛(wèi)星則需要90-180cm直徑的盤形天線。由于接收 dbs的盤形天線較小、較輕，因此容易找到適當?shù)奈恢冒惭b。接收dbs和轉(zhuǎn)播衛(wèi)星所需要的設(shè)備大抵相同。
摘自《衛(wèi)視周刊》
