原創(chuàng)：江西省工業(yè)和信息化廳

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(yuǎn)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

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(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(yuǎn)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(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,，將電視信號轉(zhuǎn)換為本國標(biāo)準(zhǔn)。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(qiáng)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(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)星相對于地面是運(yùn)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(dá)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(yùn)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(jìn)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(qiáng)地體現(xiàn)出來，以便人們更好的區(qū)分各種衛(wèi)星,。

圖2

下面,，我們詳細(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(jī)等移動體上的通信,，實現(xiàn)到手機(jī)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(jī)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(jìn)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(dāng)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(yùn)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(yùn)行周期為2～4小時）,；中軌道（MEO）（距地面5000～20000KM，運(yùn)行周期4～12小時）,；高（同步）軌道（GEO）（距地面35800KM,運(yùn)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(jī)進(jìn)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(jī)進(jìn)行個人通信,，各有優(yōu)劣，其性能表如下表所示：

項目

低軌道

中軌道

高軌道

軌道高度

700～1200km

8000～13000km

35800km

波束數(shù)

6～48

19～150

58～200

天線直徑

約1米

約2米

8米以上

衛(wèi)星信道數(shù)

500～1500

1000～4000

3000～8000

射頻功率

50～200W

200～600W

600～900W

衛(wèi)星成本合計

高

低

中

衛(wèi)星壽命

3～7年

12～15年

12～15年

地面站投資

高

低

中

高仰視角時間率

低

高

中

衛(wèi)星可視域通過時間

短（10～12min）

中（約90min）

長

使用

復(fù)雜

普通

容易

衛(wèi)星切換

頻繁

頻度小

無

地面網(wǎng)連接

差

好

容易

軌道展開時間

慢

普通

快

自本世紀(jì)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(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)星也存在一些問題：

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

（2） 信號經(jīng)過遠(yuǎn)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(jī)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(dá)到話音通信所需要的時延要求是很必要的,。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(qiáng)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(yùn)轉(zhuǎn),，涉及到技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的一系列問題,。當(dāng)今,，計算機(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(qiáng)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(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(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(qiáng)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(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(bǔ)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(jìn)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(jìn)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(yùn)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(yuǎn)：是指衛(wèi)星通信的距離遠(yuǎn),。俗話說,，“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(jìn)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(dāng)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(yùn)用靈活、適應(yīng)性強(qiáng),。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),。

?。褐赋杀镜汀Ｔ谕瑯拥娜萘?、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(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,。