通信卫星的工作过程

利用通信卫星和广播卫星传输广播电视节目是卫星应用技术的重大发展。那么，通信卫星是怎样工作的呢？

卫星通信系统是由空间部分——通信卫星和地面部分——通信地面站两大部分构成的。

在这一系统中，通信卫星实际上就是一个悬挂在空中的通信中继站。

它居高临下，视野开阔，只要在它的覆盖照射区以内，不论距离远近都可以通信，通过它转发和反射电报、电视、广播和数据等无线信号。

通信卫星工作的基本原理如图所示。从地面站1发出无线电信号，这个微弱的信号被卫星通信天线接收后，首先在通信转发器中进行放大，变频和功率放大，最后再由卫星的通信天线把放大后的无线电波重新发向地面站2，从而实现两个地面站或多个地面站的远距离通信。举一个简单的例子：如北京市某用户要通过卫星与大洋彼岸的另一用户打电话，先要通过长途电话局，由它把用户电话线路与卫星通信系统中的北京地面站连通，地面站把电话信号发射到卫星，卫星接到这个信号后通过功率放大器，将信号放大再转发到大西洋彼岸的地面站，地面站把电话信号取出来，送到受话人所在的城市长途电话局转接用户。

电视节目的转播与电话传输相似。但是由于各国的电视制式标准不一样，在接收设备中还要有相应的制式转换设备，将电视信号转换为本国标准。电报、传真、广播、数据传输等业务也与电话传输过程相似，不同的是需要在地面站中采用相应的终端设备。

随着航天技术日新月异的发展，通信卫星的种类也越来越多。按服务区域划分，有全球、区域和国内通信卫星。按用途分，有一般通信卫星、广播卫星、海事卫星、跟踪和数据中继卫星以及各种军用卫星。

卫星移动通信系统的分类可按其应用来分，也可以按他们所采用的技术手段来分。

（一） 按应用分类

可分为海事卫星移动系统（MMSS）、航空卫星移动系统（AMSS）和陆地卫星移动系统（LMSS）。海事卫星移动系统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，增强海上通信业务和无线定位能力。航空卫星移动系统主要用于飞机和地面之间为机组人员和乘客提高话音和数据通信。陆地卫星移动系统主要用于为行驶的车辆提供通信。

（二） 按轨道分类

通信卫星的运行轨道有两种。一种是低或中高轨道。在这种轨道上运行的卫星相对于地面是运动的。它能够用于通信的时间短，卫星天线覆盖的区域也小，并且地面天线还必须随时跟踪卫星。另一种轨道是高达三万六千公里的同步定点轨道，即在赤道平面内的圆形轨道，卫星的运行周期与地球自转一圈的时间相同，在地面上看这种卫星好似静止不动，称为同步定点卫星。它的特点是覆盖照射面大，三颗卫星就可以覆盖地球的几乎全部面积，可以进行二十四小时的全天候通信。

（三） 按频率分类

按照该卫星所使用的频率范围将卫星划分为L波段卫星，Ka波段卫星等等。

（四） 按服务区域分类

随着航天技术日新月异的发展，通信卫星的种类也越来越多。按服务区域划分，有全球、区域和国内通信卫星。顾名思义，全球通信卫星是指服务区域遍布全球的通信卫星，这常常需要很多卫星组网形成。而区域卫星仅仅为某一个区域的通信服务。而国内卫星范围则更窄，仅限于国内使用，其实各种分类方式都是想将卫星的某一特性更强地体现出来，以便人们更好的区分各种卫星。

下面，我们详细介绍采用卫星轨道进行分类：以卫星为基础的移动通信的应用和研制情况，大体上可分为3种情况：

（1） 卫星不动（同步轨道卫星）

目前已经广泛应用的Inmarsat以及正积极开发中的AMSC（美国），CELSAT（美国），MSS（加拿大）、Mobilesat（澳大利亚）等移动通信系统均属于这种情况。这些系统已经实现到车，船和飞机等移动体上的通信，实现到手机的通信指日可待。

（2） 卫星动（非同步轨道卫星），终端不动

它是通过非同步轨道卫星实现到较大终端（例如移动通信网的基站）的通信，而以后再连接到手持机的用户。Calling（美国）系统大体上属于这种情况。移动用户通过关口站上的卫星进行通信也基本属于这种情况。

（3） 卫星动（非同步轨道卫星），终端也动。

当前提出来的大量中、低轨道系统（如铱星系统、全球星系统、奥迪赛系统）极化均属这种情况，他们的特征就是做到终端手持化，实现了卫星通信适应未来个人移动通信的需求。

就卫星在空间运行的轨道形状来说，有圆轨道和椭圆轨道。此外，卫星轨道与地球赤道可以构成不同的夹角（称为倾角），倾角等于零的称为赤道轨道；倾角等于90°的称为极轨道；倾角在0°～90°之间的称为倾斜轨道。圆轨道又可以按其高度分为3种：低轨道（LEO）（距地面数百公里至5000KM，运行周期为2～4小时）；中轨道（MEO）（距地面5000～20000KM，运行周期4～12小时）；高（同步）轨道（GEO）（距地面35800KM,运行周期24小时），它又称为静止轨道。由此，卫星移动通信系统基本上可以分为高、中、低三种。铱星系统（Iridium）和全球星系统（Globalstar）是LEO系统发展那最快的范例。奥迪赛系统（Odyssey）、InmarsatP-21是MEO系统的范例。Inmarsat系统、氚（Tritium）系统、亚洲卫星移动通信系统（ASMTS）（该系统是美国休斯公司建议我国发展的）是GEO系统的范例。其网络基本上与固定业务卫星系统相同。这三种系统都要用手持机进行个人通信。他们除了具有语音通信功能外，还应具有传送数据、传真、寻呼、静态图象和定位等功能。这3种不同轨道系统用手持机进行个人通信，各有优劣，其性能表如下表所示：

自本世纪60年代以来，人类已经将数以百计的通信广播卫星送入高轨道（GEO），在实现国际远距离通信和电视传输方面，这些卫星一直担当主角。但是，高轨道（GEO）卫星也存在一些问题：

（1） 自由空间中，信号强度反比于传输距离的平方。高轨道（GEO）卫星距地球过远，需要有较大口径的通信天线。

（2） 信号经过远距离传输会带来较大的时延。在电话通话中，这种时延会使人感到明显的不适应。在数据通信中，时延限制了反应速度，对于2001年台式超级计算机来说，半秒种的时延意味着数亿字节的信息滞留在缓冲器中。

（3） 轨道资源紧张。高轨道（GEO）卫星只有一条，相邻卫星的间隔又不可以过小，因为地球站天线分辨卫星的能力受限于天线口径的大小。在Ka频段（17～30GHz）为了能够分出2°间隔的卫星，地面站天线口径的合理尺寸应不小于66cm。按这样计算，高轨道（GEO）卫星只能提供180颗同轨道位置。这其中还包括了许多实用价值较差，处于大洋上空的位置。

中、低轨道卫星（MEO,LEO）用于个人全球通信有很多优点。低轨道卫星（LEO）轨道高度仅是高轨道（GEO）卫星的二十分之一至八十分之一，所以其路径损耗通常比高轨道（GEO）卫星低很多，所发射的功率是高轨道（GEO）卫星的二百分之一至二千分之一，传播时延仅为高轨道（GEO）卫星的七十五分之一，这对实现终端手持化和达到话音通信所需要的时延要求是很必要的。但是由于运转周期和轨道倾角关系，中轨道（MEO）和低轨道卫星（LEO）通信卫星相对于地球上的观察者不再是静止的，为了保证在地球上任一点均可以实现24小时不间断的通信，必须精心配置多条轨道及一大群具有强大处理能力的通信卫星，这样一个庞大而又复杂的空间系统要实现稳定可靠的运转，涉及到技术上和经济上的一系列问题。当今，计算机、微电子技术和小型卫星技术的发展，使解决建立大型中轨道（MEO）和低轨道卫星（LEO）卫星通信系统的难题成为可能，从而开辟了"空基"通信的新时代。

卫星移动通信系统可分为海事卫星移动系统（MMSS）、航空卫星移动系统（AMSS）和陆地卫星移动系统（LMSS）。海事卫星移动系统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，增强海上通信业务和无线定位能力。航空卫星移动系统主要用于飞机和地面之间为机组人员和乘客提供话音和数据通信。陆地卫星移动系统主要用于为行驶的车辆提供通信。分配给卫星移动通信业务的频率范围为235MHz～71GHz。工作频率的下限由适合于移动地球站的小口径天线所能达到的天线增益所决定的。例如，若要求的天线增益为3dB，则对于1m有效口径的天线，频率下限为200MHz。工作频率的上限受到很多因素影响。在1GHz以上，降雨衰减（雨点会降低信号强度）和分子吸收一般随频率增加而增大。对于要求高可靠性的系统。最佳的频率范围为200GHz～10GHz。除了传播因素以外还应考虑技术发展水平、可靠性要求以及频率再用等因素。

1992年世界无线电行政大会（WARC'92）对包括低轨道卫星在内的卫星移动业务进行了调整和分配。

（1） 1000MHz以下

包括低轨道卫星在内的非同步卫星全球主用和次用频段原来的分配如下：

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年世界无线电行政大会所作的补充是，分给移动卫星业务的312～315 MHz和387～390 MHz（次用）也可以由低轨道卫星所使用，但用于非同步卫星时要进行协商；分给移动卫星业务全球主用的148～149.9 MHz和分给陆地移动卫星的149.9～150.05 MHz（全球主用）用于非同步卫星时也要进行协商。

（2） L和S频段

在92年世界无线电行政大会上，新分了1525～1530 MHz频段，作为全球海运移动卫星业务的主用频段，这一频段也作为陆地卫星移动系统的全球次用频段。

另外，还专门为移动卫星业务分配了1610～1626.5 MHz（上行）和2483.5～2520 MHz（下行）新的全球主用频段。这个频段也为全球定位系统和导航系统使用。大部分大型的低轨道卫星系统均使用这个频段。

在S频段为MSS（卫星移动系统）分配的全球主用频段是：1980～2010 MHz；2170~2200 MHz; 2500~2520 MHz; 2670~2690 MHz。但同时要求其中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。

卫星通信同现在常用的电缆通信、微波通信等相比，有较多的优点，基本可以概括为几个字；

远：是指卫星通信的距离远。俗话说，"站的高，看的远"，同步通信卫星可以"看"到地球最大跨度达一万八千余公里。在这个覆盖区内的任意两点都可以通过卫星进行通信，而微波通信一般是50公里左右设一个中继站，一颗同步通信卫星的覆盖距离相当于三百多个微波中继站。

多：指通信路数多、容量大。一颗现代通信卫星，可携带几个到几十个转发器，可提供几路电视和成千上万路电话。

好：指通信质量好、可靠性高。卫星通信的传输环节少，不受地理条件和气象的影响，可获得高质量的通信信号。

活：指运用灵活、适应性强。它不仅可以实现陆地上任意两点间的通信，而且能实现船与船，船与岸上、空中与陆地之间的通信，它可以结成一个多方向、多点的立体通信网。

省：指成本低。在同样的容量、同样的距离下，卫星通信和其他的通信设备相比较，所耗的资金少，卫星通信系统的造价并不随通信距离的增加而提高，随着设计和工艺的成熟，成本还在降低。

下面说说对广播卫星的技术要求：

广播卫星必须是对地静止的，以便观众使用简单，无需跟踪卫星而且定向性强的接收天线，这不仅要求使用赤道同步卫星，还要求卫星能精确地保持它在轨道上的位置和姿态。

广播卫星必须有足够的有效辐射功率，以简化地面接收设备。在覆盖面积较大，波束为2°左右的情况下，个体接收卫星电视广播所需的转发器发射功率是几百瓦，集体接收方式所需的是几十瓦。

广播卫星必须有足够长的使用寿命和可靠度，以降低停播率，并避免经常更换卫星所带来的停播和浪费。为此要求卫星使用长寿命、高可靠度的元件、部件，并必须设置星上备份部件、备份转发器，及发射备份卫星。目前的广播卫星设计寿命为5～7年。

广播卫星的重量应保证工作需要，并在此前提下尽量减轻，以节约发射费用。为此，星上各分系统所用的材料比重要小，耗电部分应尽可能提高效率，以减轻整个星体重量。已发射的以及近期内将要发射的广播卫星的重量，大体在3000～8000公斤之间。