形形色色的卫星通信地球站

庞之浩
　　众所周知，卫星通信地球站是卫星通信系统的重要组成部分，直接为用户提供服务。它由基带处理、调制/解调、发射、接收、天线和电源设备组成。

　　随着卫星通信的蓬勃发展，五花八门的卫星通信地球站的相继问世，并且方兴未艾。它们有多种分类方式，例如，按工作频段分可分C频段站、Ku频段站和Ka频段站；按安装方式可分为固定式站和可移动式站，其中可移动式站又包括搬迁式站和移动中可通信站，前者能折叠运输，后者可装在车、船或飞机上随时通信；按用户性质分，可分为军用地球站、民用地球站、通信用地球站和广播用地球站等。现最常用的按业务系统分，即分为国际通信卫星地球站、国际移动卫星地球站和国内通信卫星地球站等。

　　一、老牌劲旅换青春

　　国际通信卫星组织成立于1964年，现拥有20颗地球静止轨道卫星，为超过200个国家及地区的客户提供因特网、广播和电话等业务。该组织现有8种标准地球站，可适应不同的业务需求，它们基本上是按品质因数（G/T）来分类的。

　　A型站的G/T值为40.7dB/K，天线直径约26－32.5m，工作在C频段。其优点是G/T值高，故接收信号所占的卫星功率小，使卫星容量增大；由于天线直径大，所以天线发射增益大，因而能减少地球站高功放能耗。不过，其结构复杂，成本较高，为此，又出现了改进型A型站，这种站的G/T值是35.0dB/K，天线直径15-17m，成本为原来的一半，卫星使用大功率转发器和多波束天线，适合大城市或国际间业务量大的通信。B型站的G/T值为31.7dB/K，天线直径10-13m，也工作在C频段，适合中等业务通信。C型站则面貌一新，其G/T值为31.7dB/K，天线直线11-13m，但工作在Ku频段，使卫星通信容量扩展1倍以上，它可以通过卫星上的交换开关，与A型站、B型站互通，承担与A、B型站相同的业务。D型站分为两类：D1站的G/T值为22.7dB/K，天线直径5m，D2站的G/T值为31.7dB/K，天线直径11m。它们均工作在C频段，主要是为农村和边远地区提供低密度业务量的通信，可传输话音和数据。D1站适用于一般村庄，D2站适用于大的村庄。E型站工作在Ku频段，分E1、E2和E3这3种，它们的G/T值分别为25dB/K、29dB/K和34dB/K，对应的天线直径为3.4-4.5m、5.5m和8-10m。F型站工作在C频段，它也分三种，即F1、F2和F3，其G/T值分别为22.7dB/K、22.7dB/K和29dB/K，对应的天线直径为4.5-5.0m、7.5-8.0m和9-10m。G型站工作于C频段或ku频段，是一种装在用户所在地的甚小孔终端（VSAT），其中C频段或KU频段，是一种装在用户所在地的甚小孔终端（VSAT），其中C频段VSAT天线直径不到3m，Ku频段VSAT天线直径则仅为1.2-1.8m。这类站主要用于专用数据网。Z型站是为国内卫星通信业务使用，工作于C频段或Ku频段，天线直径4.5-18m，用户可按自己的需要和最佳系统设计来选用，只要不干扰其他地球站就行。E、F型站都能建在用户附近，与用户终端直接接续。它们采用数字信号传输，可提供电传、话音、传真、数据和电视会议等多种业务。G型站和Z型站与其他标准站不同，国际通信卫星组织对它们的有些指标（如品质因数等）未做硬性规定，在用于国内卫星系统时有一定的自由度，因而被称为非标准站。

　　随着技术的进步，业务的发展，国际通信卫星有限公司今后还会引入并制定更多种类型地球站的标准。

　　二、中流砥柱阵容齐

　　国际移动卫星系统中的岸站与一般固定地球站差不多，而船站则因需要在波涛汹涌的海洋中行驶，且位置不断发生变化，故有所不同。目前已研制出多种用户站，它们有的只能装在船上，有的则可装在飞机、车辆上，甚至个人便携。其分A、B、C、D、E、M、迷你M、P型站及航空站。

　　国际移动卫星系统的A型用户站采用直径1.2m的抛物面天线，天线增益为23dB，等效全向辐射功率（EIRP）为37dBW，采用模拟调频传输话音方式，主要为海事业务设计，多装在大型远洋轮上，但近年来也广泛用于陆地移动通信，如商务、救援、新闻采集也报道。A型站能向全球任何一处提供双向通信线路，用于直拨电话、传真、电传、电子邮件和数据通信等。其正常数据传输率为9.6kbit/s，与国际综合业务数据网（ISDN）联网时采用64kbit/s的高速数据率。其海上终端重34kg；陆上移动终端重20kg，能放在两个手提箱内。它是目前进行移动通信的最可靠工具之一。

　　B型站的天线直径为0.5m，增益为15dB，EIRP为29dBW，是一种高效L波段的全数字化系统。它采用自适应预检码，这样可在同样的通信质量下，减少3dB的功率，从而使天线尺寸减小70%。由于与后来研制的M型站共用接入控制和信令分系统，故使整个地球部分的效率显著的提高。它可提供高质量的数字通信业务。B型站和A型站对天线的要求和本身性能是相同的，易与ISDN网连接，使用费用低。B型站除主要安装在小型舰船上外，也可作为陆地移动终端，例如能在缺少通信设施的边远地区甚至办公室使用，提供质量低的话音和用户电报传输，其传真速率为9.6kbit/s，数据传输率为64kbit/s。

　　C型站天线是非抛面的，增益为8dB，EIRP为19dBW，能自动提供双向储存、转发式电传业务和数据通信，是一种低成本的全数字式全球数据通信系统，成本不到A型站的1/3。研制C型站目的是为了使移动卫星通信系统中的终端设备小到几乎可以安装在任何移动物体上，如小型的近海或河内船舶、游艇、卡车和火车上，甚至做成采用12V电池组的个人背负式终端。这种站现有70多种型号，有的可放入手提包，有的还装有可与个人计算机连接的标准接口。便携式C型站如装有GPS设备，便成为1个卫星通信导航系统。它们可在世界上任何地方发送和接收数据和电文信息，如可将单词、乐谱和语言等编成数据码，以600bit/s的速率传输出去，并被接收，以提供专用的或多址信息两种服务，为安全网提供海事安全信息；为舰船网提供订购业务和股票交易报告等商业信息。总之，它主要为陆地和海上用户提供服务，重点服务对象是为遇险呼救者提供安全通信。

　　D型站的天线直径为3m，天线增益为32dB，EIRP为37-47dB，能进行多路话音、多路用户电报高速数据通信，服务重点是海上油井、大型舰船等要求通信量大的用户。

　　E型站提供全球海上遇险告警业务。

　　M型站用一种新型的数字式话音、传真和数据系统。其结构紧凑，是1993年开发出来的世界第1部移动式卫星电话，体积只有公文包大小，价格在1.4-2万英镑之间，在移动环境中能提供只等质量的双向电话服务、传真和2.4kbit/s的数据传输业务，主要用于海上和陆地，使用范围在南、北纬75°之间。从1994年起，M型站开始用于全球性的寻呼业务。1996年，随着国际移动卫星-3的运营，M型站的体积缩小到了饭盒的大小，使卫星通信向着服务于世界范围的移动电话和无绳电话的目标迈进了重要一步。它克服了A型站体积大、C型站不能进行话音通信的不足，可装在车辆和小船上，并有简易的个人专用型。迷你M型站使用国际移动卫星-3的点波束，仅2kg重，大小如1个笔记本电脑，售价3000美元，服务费3美元/min，目前最为普及。

　　到2005年，将有100万人需要手持式卫星移动电话服务，而p型站能满足这一要求。它能以手持机方式提供双向话路、传真、寻呼和数字定位业务，主要优点包括：话音质量等同于蜂窝式内部连接能力和全球随机接入能力；带有用于备份呼叫报警的综合寻呼机；有定位和读出设备；有数据记忆和存储能力。P型站终端采用一种可充电的电池，功耗降至0.25W，重200g。不过它要等到国际移动卫星-p星座即ICO建成后才能使用，ICO系统由12-15颗中高轨道组成星座，首颗ICO于2001年发射成功，届时用户拿手持机便能进行全球通信了，费用为2美元/min。但用户在室内和“看”不见ICO时无法打电话。

　　“国际移动卫星”系统的舰空机载站价格很高（达20-30万美元），原因是该系统开通了航空移动通信业务。该系统可为飞机上的旅客提供无线电话、传真、空中订票、旅馆房间预订、空中交通管制等业务。机载站在简化和提高空中交通管制、减少航班点等方面已发挥了重要作用。现在，已有包括我国飞机在内的数百架大型客机都装有航空站，主要用于话音、数据通信。

　　国际移动卫星的航空系统分P、R、T、C共4种信道，前3种用于单向传输数据，后者可传输话音、数据和传真。它由航空站、地球站和“国际移动卫星”组成，其中地球站用于与公用交换电话网、数据网等连接。该系统没有可控和监听该系统的网络协调站，每个地球站都独立工作的。航空机载站由机载天线、高功率放大器、低噪声放大器、射频设备、调制解调器和控制设备组成，具有结构紧凑、音量轻。耐振动和冲击的特点，能在温度、压力变化很大的条件下工作。其天线形状适合安装在机身小的飞机上，具有自身空气阻力小等特点，能利用飞机导航系统的信息，按程序跟踪卫星。天线阵由小片构成，以便通过波束来控制设备单元，操纵波速指向。机内采用话音编绎码系统，可提供3条数字话音信道。乘客及乘务员可用无绳电话机通话。航空站有Aero-H和Aero-L两类，前者装有高增益天线，数据传输率可达10.5kbit/s，主要用于航空管理和空中交管；后者使用低增益天线，可实现600bit/s的双向空一地数据通信。地球站由天线、高功率放大器等组成，具有卫星信道频率分配、连接地面网和国际移动卫星的航空系统管理等功能。空间段则使用在三大洋上空的装有航空通信转发器的国际移动卫星－2/3。上述航空站和地球站都符合信令规范，能对公用电话网进行自动呼叫连接。当飞机需与地面通话时，只要拨“00”+地区码＋用户码＋#，就接通世界各地使用国际拨号电话业务的用户。

　　以上移动用户站除P型站外，都能与国际移动卫星－2/3开展移动通信业务。

　　不过，用国际移动卫星终端也有人倒霉的时候。例如，车臣分裂势力首脑杜达耶夫，因使用国际移动卫星电话而丧命，此事在全球引起轰动。当时他正通过国际移动卫星-2用M型移动终端与远在莫斯科的一名战争调解人通话，熟料其卫星电话信号为俄罗斯伊尔－78飞机上的A-50吕竖式雷达提供了自己的方位，因而没过几分钟，俄军苏-25战斗机便使用激光制导弹准确地打击了目标，结果杜达耶夫一命呜呼。所以有人说，是国际移动卫星终端“出卖”杜达耶夫。由此可见，国际移动卫星系统的用户端还存在保密、功能、体积等诸多问题需要进一步解决。

　　三、国内通信卫星地球站

　　目前，国内通信卫星地球站还没有统一标准，因而即使在同一国内通信卫星系统中，所采用的地球站也各不相同。这主要是因为各国的卫星性能、国土形状、地理位置、业务类型、工作频段、技术情况、经济实力等均不一样，所需的业务种类和承担的业务量相差很大。由于国内通信卫星多采用赋形波束或点波束，所以卫星的EIRP比国际通信卫星高；国内通信卫星电路与用户之间转接层次少，有的可直达用户。这些优越性使得国内通信卫星地球站能做得比较小。

　　我国通信卫星地球站按G/T值大小分为4类：1型站的G/T值≥31.7dB/K，它可与各类站进行各种制式的电话和非话通信（通信容量大），收发电视信号并转换等；2型站的G/T值≥28.5dB/K，能与各类站进行各种制式的电话和非话业务（通信容量中等），向国内卫星发送电视信号，接收电视信号并转换；3型站的G/T值≥23.0dB/K，能与各类站进行商用业务（IBS）、VSAT等业务通信，接收电视信号；4型站的G/T值≥18.4dB/K，适用业务与3型站相同。

　　四、用途广泛的“小锅”

　　随着卫星通信等技术的不断发展，在20世纪80年代初，一项称为VSAT卫星通信系统的新型卫星通信技术兴起了。VSAT的本意是指“甚小孔径天线终端”，实际上是一种智能化的超小型地球站，可以直接安装在用户的房顶上，其天线之所以能够很小，主要是综合采用了最新的微电子、数字处理和计算机等高新技术，尤其是把一些复杂技术交给了卫星或中枢站去解决，从而减轻了用户远端站的负担。

　　VSAT卫星通信系统由两大部分组成：空间部分和地面部分。其空间部分就是卫星。一般使用地球静止通信卫星，卫星可以工作在不同的频段，如C、Ku和Ka频段。星上转发器的发射功率应尽量大，以使VSAT地面终端的天线尺寸尽量小。VSAT卫星通信系统的地面部分由中枢站、远端站和网络控制单元组成，中枢站的作用是汇集卫星发来的数据，然后向各个远端站分发数据。远端站是卫星通信网络的主体，这些站越多每个站分摊的费用就越低。一般远端站直接安装于用户处，与用户的终端设备连接。VSAT卫星通信系统有十分明显的特点，它主要包括以下几方面：（1）地面（远端）站天线的直径小，一般在2m以下，目前采用较多的是1.2-1.8m，登山运动员有时用直径0.3m的便携式个人地球站；（2）发射功率小，一般在1-3W之间；（3）重量很轻，常用的为几十千克，有的小到几千克，便于携带；（4）价格低廉，经济实用。该系统设备的售价低，取得的经济效益远远大于设备的售价；（5）建设周期短，它比传统的地面通信手段简单得多，不需要架设电缆、光缆，也不像微波通信必须每隔50km架设一个中继站，在VSAT卫星通信系统中，只要在通信的两端安装必要的设备就可以了，而且这种设备的安装也比较简单；（6）通信的费用与通信的距离没有关系，在一般的通信系统中，距离越长费用越高，而VSAT卫星通信的费用不受距离的影响，而且越远越适合采用VSAT通信；（7）VSAT卫星通信不受地形和气候环境的影响，因为它不需要架设地面设施，受地面的干扰小；（8）VSAT卫星通信技术的最大优点就是组网灵活，容易扩充用户，而且维修方便，因为它没有复杂的地面设备；（9）用途广泛，可以应用于许多的领域。

　　VSAT站能很方便地组成不同规模，不同速率，不同用途的灵活而经济的网络系统。一个VSAT网一般容纳200-500个站，有广播式、点对点式、双向交互式、收集式等应用形式。它既可以应用于发达国家，也适用于技术不发达和经济落后的国家，尤其适用于那些地形复杂，不便架线和人烟稀少的边远地区。因为它可以直接装备到个人，所以军事也有重要的意义。概括起来，VSAT技术可以应用于以下几个方面：（1）普及卫星电视广播和卫星电视教育，传送广播电视、商业电视信号，尤其对于边远地区，利用这种方式可以在提高物质文明和精神文明建设方面起到很大作用；（2）用于财政和金融、证券系统，对市场的情况进行动态跟踪管理，大大的缩短资金周转周期，深圳的证券交易系统就是利用VSAT与四面八方的客户进行双向通信的；（3）用于水利建设管理，监测水文变化，防止和减少自然灾害的损失，VSAT系统可以及时传输气象卫星、海洋卫星、资源卫星和地面检测站获取的信息；（4）用于交通运输的管理，国外发达的国家已经将VSAT用在铁路的运营调度上，大大缓解了交通运输的紧张状态，用VSAT可以方便地开展任何两地通话、电传和电报业务，节省了经费和时间；（5）军事上应用，在1991年的海湾战争中，多国部队利用VSAT进行了大量的移动通信，甚至将其装备到每个士兵。

　　对于我国来说，军事应用的意义也是很大的。我国幅员辽阔，部队驻防高度分散，有时通信联络很不方便，利用VSAT站可以装备每个哨所，这对加强联系，指挥调度、快速通信大有好处，尤其在那些高山地带的单独哨所更实用。

　　五、悄然兴起的卫星电话

　　低轨道通信卫星系统的问世，使手持卫星电话梦想成真。1998年11月1日，世界上第一个大型低轨道移动通信卫星系统“铱星”投入实用，它开创了全球个人通信的新时代，被认为是现代通信的一个里程碑，使人类在地球上任何“能见到的地方”都可以相互联络。

摘自《现代通信》2002.5