通信衛(wèi)星的工作過程

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)星實際上就是一個懸掛在空中的通信中繼站。

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

通信衛(wèi)星工作的基本原理如圖所示。從地面站1發(fā)出無線電信號，這個微弱的信號被衛(wèi)星通信天線接收后，首先在通信轉(zhuǎn)發(fā)器中進行放大，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線電波重新發(fā)向地面站2，從而實現(xiàn)兩個地面站或多個地面站的遠距離通信。舉一個簡單的例子：如北京市某用戶要通過衛(wèi)星與大洋彼岸的另一用戶打電話，先要通過長途電話局，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，地面站把電話信號發(fā)射到衛(wèi)星，衛(wèi)星接到這個信號后通過功率放大器，將信號放大再轉(zhuǎn)發(fā)到大西洋彼岸的地面站，地面站把電話信號取出來，送到受話人所在的城市長途電話局轉(zhuǎn)接用戶。

電視節(jié)目的轉(zhuǎn)播與電話傳輸相似。但是由于各國的電視制式標準不一樣，在接收設(shè)備中還要有相應(yīng)的制式轉(zhuǎn)換設(shè)備，將電視信號轉(zhuǎn)換為本國標準。電報、傳真、廣播、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)也與電話傳輸過程相似，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)星的種類也越來越多。按服務(wù)區(qū)域劃分，有全球、區(qū)域和國內(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)星移動通信系統(tǒng)的分類可按其應(yīng)用來分，也可以按他們所采用的技術(shù)手段來分。

（一） 按應(yīng)用分類

可分為海事衛(wèi)星移動系統(tǒng)（MMSS）、航空衛(wèi)星移動系統(tǒng)（AMSS）和陸地衛(wèi)星移動系統(tǒng)（LMSS）。海事衛(wèi)星移動系統(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，增強海上通信業(yè)務(wù)和無線定位能力。航空衛(wèi)星移動系統(tǒng)主要用于飛機和地面之間為機組人員和乘客提高話音和數(shù)據(jù)通信。陸地衛(wèi)星移動系統(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)星的運行軌道有兩種。一種是低或中高軌道。在這種軌道上運行的衛(wèi)星相對于地面是運動的。它能夠用于通信的時間短，衛(wèi)星天線覆蓋的區(qū)域也小，并且地面天線還必須隨時跟蹤衛(wèi)星。另一種軌道是高達三萬六千公里的同步定點軌道，即在赤道平面內(nèi)的圓形軌道，衛(wèi)星的運行周期與地球自轉(zhuǎn)一圈的時間相同，在地面上看這種衛(wèi)星好似靜止不動，稱為同步定點衛(wèi)星。它的特點是覆蓋照射面大，三顆衛(wèi)星就可以覆蓋地球的幾乎全部面積，可以進行二十四小時的全天候通信。

（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)星的種類也越來越多。按服務(wù)區(qū)域劃分，有全球、區(qū)域和國內(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)星僅僅為某一個區(qū)域的通信服務(wù)。而國內(nèi)衛(wèi)星范圍則更窄，僅限于國內(nèi)使用，其實各種分類方式都是想將衛(wèi)星的某一特性更強地體現(xiàn)出來，以便人們更好的區(qū)分各種衛(wèi)星。

下面，我們詳細介紹采用衛(wèi)星軌道進行分類：以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的移動通信的應(yīng)用和研制情況，大體上可分為3種情況：

（1） 衛(wèi)星不動（同步軌道衛(wèi)星）

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

（2） 衛(wèi)星動（非同步軌道衛(wèi)星），終端不動

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

（3） 衛(wèi)星動（非同步軌道衛(wèi)星），終端也動。

當前提出來的大量中、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，實現(xiàn)了衛(wèi)星通信適應(yīng)未來個人移動通信的需求。

就衛(wèi)星在空間運行的軌道形狀來說，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，運行周期為2～4小時）；中軌道（MEO）（距地面5000～20000KM，運行周期4～12小時）；高（同步）軌道（GEO）（距地面35800KM,運行周期24小時），它又稱為靜止軌道。由此，衛(wèi)星移動通信系統(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)星移動通信系統(tǒng)（ASMTS）（該系統(tǒng)是美國休斯公司建議我國發(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)都要用手持機進行個人通信。他們除了具有語音通信功能外，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)用手持機進行個人通信，各有優(yōu)劣，其性能表如下表所示：

自本世紀60年代以來，人類已經(jīng)將數(shù)以百計的通信廣播衛(wèi)星送入高軌道（GEO），在實現(xiàn)國際遠距離通信和電視傳輸方面，這些衛(wèi)星一直擔當主角。但是，高軌道（GEO）衛(wèi)星也存在一些問題：

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

（2） 信號經(jīng)過遠距離傳輸會帶來較大的時延。在電話通話中，這種時延會使人感到明顯的不適應(yīng)。在數(shù)據(jù)通信中，時延限制了反應(yīng)速度，對于2001年臺式超級計算機來說，半秒種的時延意味著數(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小，因為地球站天線分辨衛(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用價值較差，處于大洋上空的位置。

中、低軌道衛(wèi)星（MEO,LEO）用于個人全球通信有很多優(yōu)點。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，傳播時延僅為高軌道（GEO）衛(wèi)星的七十五分之一，這對實現(xiàn)終端手持化和達到話音通信所需要的時延要求是很必要的。但是由于運轉(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均可以實現(xiàn)24小時不間斷的通信，必須精心配置多條軌道及一大群具有強大處理能力的通信衛(wèi)星，這樣一個龐大而又復(fù)雜的空間系統(tǒng)要實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的運轉(zhuǎn)，涉及到技術(shù)上和經(jīng)濟上的一系列問題。當今，計算機、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，從而開辟了“空基”通信的新時代。

衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)可分為海事衛(wèi)星移動系統(tǒng)（MMSS）、航空衛(wèi)星移動系統(tǒng)（AMSS）和陸地衛(wèi)星移動系統(tǒng)（LMSS）。海事衛(wèi)星移動系統(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，增強海上通信業(yè)務(wù)和無線定位能力。航空衛(wèi)星移動系統(tǒng)主要用于飛機和地面之間為機組人員和乘客提供話音和數(shù)據(jù)通信。陸地衛(wèi)星移動系統(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地球站的小口徑天線所能達到的天線增益所決定的。例如，若要求的天線增益為3dB，則對于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（雨點會降低信號強度）和分子吸收一般隨頻率增加而增大。對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年世界無線電行政大會（WARC'92）對包括低軌道衛(wèi)星在內(nèi)的衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)進行了調(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年世界無線電行政大會所作的補充是，分給移動衛(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)星時要進行協(xié)商；分給移動衛(wèi)星業(yè)務(wù)全球主用的148～149.9 MHz和分給陸地移動衛(wèi)星的149.9～150.05 MHz（全球主用）用于非同步衛(wèi)星時也要進行協(xié)商。

（2） L和S頻段

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

另外，還專門為移動衛(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)均使用這個頻段。

在S頻段為MSS（衛(wèi)星移動系統(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，基本可以概括為幾個字；

遠：是指衛(wèi)星通信的距離遠。俗話說，“站的高，看的遠”，同步通信衛(wèi)星可以“看”到地球最大跨度達一萬八千余公里。在這個覆蓋區(qū)內(nèi)的任意兩點都可以通過衛(wèi)星進行通信，而微波通信一般是50公里左右設(shè)一個中繼站，一顆同步通信衛(wèi)星的覆蓋距離相當于三百多個微波中繼站。

多：指通信路數(shù)多、容量大。一顆現(xiàn)代通信衛(wèi)星，可攜帶幾個到幾十個轉(zhuǎn)發(fā)器，可提供幾路電視和成千上萬路電話。

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，不受地理條件和氣象的影響，可獲得高質(zhì)量的通信信號。

活：指運用靈活、適應(yīng)性強。它不僅可以實現(xiàn)陸地上任意兩點間的通信，而且能實現(xiàn)船與船，船與岸上、空中與陸地之間的通信，它可以結(jié)成一個多方向、多點的立體通信網(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)的造價并不隨通信距離的增加而提高，隨著設(shè)計和工藝的成熟，成本還在降低。

下面說說對廣播衛(wèi)星的技術(shù)要求：

廣播衛(wèi)星必須是對地靜止的，以便觀眾使用簡單，無需跟蹤衛(wèi)星而且定向性強的接收天線，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)星所帶來的停播和浪費。為此要求衛(wèi)星使用長壽命、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。