卫星通信

卫星通信是本世纪最伟大的科学成就之一，它对整个人类社会的发展和进步都产生了极为深刻的影响。1985 年，美国发射了世界上第一颗实验通信

卫星“斯科尔”号。接着，苏联和美国又于 1965 年分别将通信卫星“闪电 1

号”和“国际通信卫星 1 号”送放太空。从此，卫星给人类的通信带来了巨大变革。由于通信卫星具有传输容量大，传输距离远，通信质量高，灵活性大等优点，因而自第一颗卫星升空以来的 30 多年间，卫星通信有了日新月异的发展，它极大地促进了世界各国间科学文化和经济信息的交流，大大推动了人类的文明和进步。通信卫垦使地球变小了，使人们在洲际间的距离变近了。今天，在地球周围的宇宙空间里，有许多通信卫星在绕地球转动，它们担负着不同的任务，有专供气象观测的气象卫星，如中央电视台新闻联播之后在天气预报中的气象云图就是由它提供的；有专为飞机和舰船进行导航的导航卫星；有用于探测军事动态的军用卫星；还有勘测地球上森林、矿藏等资源的地球资源卫星；而专门用于无线电通信的卫星叫做通信卫星。

卫星通信是利用人造卫星作为通信的中继站来转发无线电信号，在两个或多个地面站之间进行的通信。在卫星通信系统中，地面站 A 把无线电信号发射给卫星，卫星收到信号后，进行处理和放大，再转发给地面站 B。同样，地面站 B 发出的信号也可以通过卫星转发到地面站 A，从而实现了卫星通信。由于卫星高悬在空中，它的天线波能够“覆盖”地面很大一部分区域，因此，在这块区域中的任何地方都能够接收到由卫星转发的无线电波，也就是说，虽然只有一颗卫星，但分布在四面八方的地面站 A、B、C、D、E 都可以通过这颗卫星相互通信，从而实现了人们盼望已久的跨洲越洋的通信。通信卫星又是怎样转发无线信号的呢？如果地面站 A 要把某个用户的电话或电视信号传输到地面站 B 去，首先地面站 A 要先把这些信号用频率很高的载波 f1 进行调制，并由大功率放大器把它们放大到几百甚至上千瓦，然后用天线发向卫星。由于信号在空间上万公里的传播过程中受到了很大的衰减，到达卫星时的强度已变得很弱了，因此，为了保证转发给地面接收站 B 的信号有较好的质量，还要在卫星上对所收到的信号进行变换，使原有的载波频率由 f1 转变f2，然后再将这个频率交换之后的信号加以放大并转发给地面站 B。由于卫星中转发器的发射功率比起地面站发射机要小得多，因此，地面上接收到的卫星信号极其微弱，这就要求地面站接收系统的灵敏度必须很高。

通信卫星可以在离地球不同高度的轨道上运行，它在太空高速绕地球转动时产生的离心力足以抵消地球的引力，因而卫星不会坠落。卫星离地球越远，绕地球一周的时间就越长。当卫星被发射到地球赤道上空离地面 36000

公里左右时，绕地球一周时间为 24 小时，恰与地球自转一周的时间相同。这时，我们从地面上看到的这颗卫星就好像在天空静止不动的一样。这种相对地球静止的卫星叫做同步卫星，而它运行的轨道叫地球同步轨道。如果站在地球同步轨道上观察地球的话，竟能看到整个地球表面积的三分之一还要多，其最大跨度可达 18000 多公里。因此，只要在地球赤道上空等间隔地放上三颗同步卫星，就可基本上覆盖整个地球，从而实现全球范围的通信了。目前，已实际使用的航海移动通信系统就是利用位于大西洋、太平洋和印度洋上空的三颗同步卫星实现的。经常在电视上为我们进行各类体育比赛实况转播的亚洲 1 号通信卫星就是一颗高悬在印度洋上空的同步卫星。

目前，世界上越来越多的国家为建立自己独立的卫星通信系统竞相向地球上空的同步轨道发射自己的通信卫星。30 多年来，全世界已经发射的航天器达 3500 个之多，其中绝大多数是卫星。由于同步卫星数目的不断增加，致使有限的地球同步轨道上挤满了通信卫星，特别是在欧洲、印度洋和美洲

的三个同步轨道弧段内，轨道不足的矛盾日益尖锐。此外，同步卫星也存在一些缺点，它的造价和发射的费用十分昂贵，而且对于人烟稀少的两极地区也不能达到有效覆盖，这部分地区的信号在长距离的传输途中变得十分微弱，极容易被干扰，因而对卫垦地面站接收系统的要求很高。因此，世界各国的科学家们在研究同步卫星通信技术的同时，也开展了对低轨道卫星通信技术的研究。

低轨道通信卫星

低轨道通信卫星在距地球表面不同高度、但低于地球同步卫星轨道的空间中运行。这时，由于卫星绕地球旋转的时间快于地球本身的自转，而且地面站又只能在短距离范围内才能和卫星通信，因此，在卫星绕地球一周内通信的时间很短，卫星形成的覆盖地区在地球表面上很快移动，当卫星转到地球背后时就法进行通信，而克服低轨道卫星通信这一缺点的方法是增加在轨道上的卫星数量。目前，世界各国已经启用或正在研制的低轨道卫星通信系统已有多种，其中有一种是由美国摩托罗拉公司正在研制的取名为“铱”的全球卫星通信系统。这项宏伟的工程之所以取名为“铱”，是因为在该系统中计划采用由低轨道上运行的 77 颗小型通信卫星组成一个“星系”，恰如化

学元素周期表中第 77 号元素“铱”（Iridium—Ir）原子有 77 颗电子绕核旋

转一样，由它们提供连续覆盖全球的卫星通信系统。这 77 颗小型卫星被分为

7 组，每组 11 颗，分布在 7 条环形极轨道上，组成环绕地球等间隔的 7 个面。

卫星环绕地球一周大约 100 分钟，所有卫星都朝同一个方向运转，越过地球北极飞向南极上空，从而使整个地球表面都覆盖在内。因此，无论在地球的任何地点，任何时间内，总有一颗卫星是在短距离范围之内，联合构成空间数字通信网，可以处理语音与数据等多种信息。遍布天空的“铱”系统通信卫星与陆地“蜂窝”无线移动通信网相互协调配合，使用户通过所持的便携式无线电话机将信号直接发向最近的卫星，再经卫星之间的转发，最后把信号传送到地面电话网中的接收用户，从而完成在全球范围内的个人通信。“铱”系统中每颗通信卫星的体积小，直径约 1 米，宽 2 米左右，重量轻，

在轨重量为 320 千克左右。由于卫星运行的轨道低，距离地球表面只有 765 公里左右，比地球同步卫星的距离近的多，因此只用小型火箭便可以发射升空，其造价和发射费用都比同步卫星低的多。

低轨道卫星移动通信系统的工作原理与前面介绍的“蜂窝”式移动通信的原理相似。尽管每颗卫星所能覆盖的地域比同步卫星小得多，但比移动通信中基地台所覆盖的面积却大多了。实际上，一颗低轨道卫星就相当于陆地移动通信系统中的一个“基地台”，而形成覆盖区域的天线和无线电中继设备都安在卫星上。不同的是，这个“基地台”不是建立在地面上，而是被倒挂在天空中。地面站与空间卫星的联系，以及卫星与卫星间的联系是在“K” 频带上建立的；而卫星与地面移动台如车、船和手持移动电话机的人之间的信息联系则建立在“L”频带之上的。

“铱”系统卫星通信计划的实施，实现了人们在地球上的任何地方，无论陆地、空中和海洋，只要拨通一个电话号码便可与远隔千山万水的亲人通话的目的。

卫星导航

卫星导航是一种全球性、全天候、全自动和高精度的现代化通信系统，它有着极大的应用价值和很广的应用范围，因而世界各国对此都给予了极大

的重视。美国国防部曾制定了一项长达 15 年的研制计划，这是一项集航天、航空及现代通信为一体的长远规划，规模之庞大仅次于阿波罗航天计划。目前，所完成的各项试验均得到了令人振奋的结果。例如，在直升机的假目着陆中，导航卫星系统作为直升机的辅助导航设备，其着陆点偏离 X 形的标记仅 0.9～1.2 米远；在一次飞机投弹试验中，飞机借助于卫星导航系统将普通的炸弹投到了距目标误差只有 3～6 米的范围内；在航海导航试验中，舰船在低能见度条件下通过了仅有 32.3 米的狭窄航道；而在 1980 年 4 月导航卫星

系统又将 14 架直升机正确引导到沙漠中，以营救被扣留的美国人质。

世界上第一颗试验型“子午仪”导航卫星是 1960 年发射升空的，利用“子午仪”导航卫星来实现导航的基本思想来源于“多普勒效应”。1957 年，美国应用物理实验室的两名科学家吉埃尔和怀芬伯奇在用无线地接收机跟踪苏联第一颗人造卫星时，无意间发现了多普勒现象：由于卫星以每秒约 7.36 公里的速度绕地球均匀运转，因此，卫星与地面观测者之间便产生了相对运动，当卫星以固定频率发射无线电波时，地面接收机所接收到的无线电频率便发生了变化，这情景好像一列火车从你身边呼啸而过时，火车的声音发生了变化一样。当卫星朝着接近地面接收机方向运行时，所接收到的信号频率比卫星实际发射的频率要高；当卫星到达与地面接收机的距离最近时，接收到的信号率与卫星实际发射的频率相同；当卫星朝着远离接收机的方向飞离时，接收的信号频率又比卫星实际发出的频率低；这种信号频率的变化量就叫做多普勒频移。研究人员们设想，在卫星轨道精确已知的情况下，如果在地面上随时跟踪记录并测出卫星每次通过时的多普勒频移，将其储存起来，经过计算机不就可以确定地面站的位置，从而确定飞机和舰船的航向了吗？由于当时美国海军的核潜艇“北极星”号在茫茫大洋中游弋，急需知道自己的准确位置，因而这一研究引起了美国政府的重视，并于 1958 年得到正式批

准。于是，研究人员根据这一思想，在 1964 年设计出了第一台“子午仪”卫

星导航系统交付海军使用，经过全球卫星导航试验获得成功，并于 1967 年正式对民用部门开放。

第一代卫星导航系统问世后，经过 20 多年的研制和改进，又一代新型的

卫星导航系统于 1989 年投入使用。这种由 18 颗卫星组成的新的导航系统运用了当今世界上最先进的科学技术，具有为地球上处于任何位置的飞机、船舶、各种车辆以及旅游在外的各国游客们提供全天候的、连续的、实用的高精度三维导航能力。新的导航系统通同时接收来自几个卫星的无线电信号，使定位精度达到 15 米的范围之内，它的工作原理仿效了机场航运控制管理中使用的“罗兰”导航系统，通过测量运动目标与几个导航站的距离差来确定目标的方位。例如，在飞机或海船上的导航系统收到由两个不同地点的导航站 A 和 B 同时发出的无线电信号，若信号经过的两条路径长短不同时，到达目标的时间就有先后，通过这个时间差可计算出 A、B 两站相绎目标的距离差，利用所得的距离差便可绘制出一组双曲线。然后，再利用第三个导航站C 对目标发出的无线电信号，计算出 B、C 两个导航站对目标的距离差，这样又可绘制出另一组双曲线，若目标处在这两组曲线的某一交点上，就能确定运动目标所处的位置了。与“罗兰”导航系统不同的是，在新的卫星导航系统中，目标发出的无线电信号至少要被 4 颗以上的卫星接收，并由此绘制出三组以上的曲面。这些曲面的交点，就是目标所在的三维空间位置。

新的卫星导航全球定位系统是由空间导航卫星、地面控制站网和用户设

备三部分组成。在距地球表面 2 万公里高的中高度轨道上，18 颗导航卫星配置在 6 条轨道上，每条轨道上均匀分布着 3 颗卫星，其环绕地球运行一周约

需 12 小时。这样，地球上的用户在任何地点都能同时“看”到至少 6 颗卫星，从而保证了系统所具有的全球覆盖和三维导航的能力。地面控制网在对卫星运行进行跟踪、遥测、遥控的同时，不断地修正卫星运行的各种参数，并根据需要向卫星发送更新的导航数据。

全球定位卫星系统

美国洛克威尔航空航天与电子公司专为美国军方提供了一种先进的全球定位系统，这种系统的接收机只比袖珍电子计算器稍厚一点点。它在收到系列军用通信卫星发出的信号后的几秒钟内便可完成定位的运算，从而确定地球上任何一处范围在 100 米内的所在位置，士兵在行军中随身携带，即使在茫茫荒野也能辨明方向，其情景正如本书一开头所描述的那个场面一样。在这种全球定位系统中的每颗卫星连续不断地重复发射数字信号，作为本卫星的标识信号。在地面接收机的内部电路中存储着所有卫星的重复信号模式，并由机内的石英钟给出该模式的定时。当接收机的微型天线收到来自卫星的信号后，通过与本机内存储的卫星信号模式进行比较，便可计算出信号从卫星传播过来所用的时间。此外，在接收机中还存储着每一颗卫星在任一时间的定位信息，经过与其它卫星进行了距离比较之后，就可确定用户接收机当前所在的位置。目前，美国军方已将 16 颗这样的军用卫星送上了轨道，卫星轨道的分布使在地球表面任一时间内的任何位置上都有 3～4 颗卫星可提供接收信息。美国军方在 1993 年把全部 24 颗卫星都送上了太空。这种全球定

位系统在 1991 年初的海湾战争中发挥了巨大的作用，大约 8000 只全球定位

系统接收机提供给美军使用，特别是美军的战车和快速反应部队第 82 空降师的伞兵都配备了它。这样，士兵不仅在茫茫沙漠中不会迷失方向，而且可为那些深入对方腹地潜伏的侦察部队提供与大本营的随时联系，并及时为武装直升机的军中支援提供准确的地理位置，使部队的伤亡人数大大降低。

全球搜索救援系统

利用通信卫星而建立的全球搜索救援系统是近年来为解救因飞机失事和船舶遇难的幸存者所建立起来的一种专用的全球定位系统。自 1982 年苏联率先发射了用于搜索救援的人造卫星 COSPAS—1 号以来，全世界已有多颗用于救援任务的卫星升空。经过多年的试验运行，这种卫星已经成功地探测到 190

多起飞机失事和船舶遇难的准确地点，使 4 万多人“死里逃生”。

最早用于海上救援的是美国在 70 年代研制的一种海事卫星通信系统，它利用部署在太平洋、印度洋和大西洋上空的三颗同步卫星来提供全球的海事通信。太平洋上空的卫星把来自船上的信号传给美国加利福尼亚州的地面站，大西洋上空的卫星把来自船上的信号传给美国肯尼迪州的地面站，印度洋上空的卫星把来自船上的信号传给日本的地面站。凡使用这种系统的船只都配备了卫星跟踪雷达，使船上的微处理机随时能与卫星保持联系。因此，一旦船只遇险就能很快确定它所在的海域，并及时营救。

为了能在全球范围内更迅速地了解失事或遇险者的准确位置，在 80 年代又研制了由多颗低轨道通信卫星组成的全球搜索救援系统。在这种搜索救援系统中，卫星的作用是转接从地球上任何一个失事地点发出的紧急求救信号。为方便搜索，救援卫星的运行轨道低于地球同步轨道，因此，每颗卫星绕地球一周的时间约为 105 分钟。当地球自转一周，卫星绕地球动转约 13.7

圈，可将整个地球搜索一遍。

由于飞机和船舶上都携带有紧急位置无线电求救信标（紧急位置无线电发信机），当飞机或船舶遇难时，它们各自携带的无线电信标就会发出特定频率的求救信号，卫星收到紧急信号后，即可确定遇难飞机或船舶的准确位置，然后立即将其提供给有关的救援机构，从而可以对遇难者采取迅速的救援措施。

卫星广播电视通信

人们大概不会忘记，在 1992 年夏季的那些紧张的日日夜夜，是卫星广播通信为我们提供了机会，使我们能够坐在电视机前观看来自巴塞罗那的奥运盛况，不仅“身临其境”般地感受到赛场风云的变幻莫测，而且能“亲眼目睹”中国体育健儿勇夺金牌时的那种扣人心弦的紧张场面。今天，随处可见竖立在高楼顶上的银白抛物面卫星接收天线，是它们把卫星上转播的广播和电视节目带到你的家中，将大千世界的千变万化展现在你的面前。卫星广播电视是 70 年代发展起来的新技术。在卫星广播通信系统中，地面电视台的信号通过卫星地面站直接发射给卫星，再由卫星转发到另一个地方的卫星地面接收站，然后再送到各个用户。目前，随着卫星通信技术的发展，每个用户的电视机都可通过一种专用的家用卫星电视接收机，直接从卫星上接收电视广播了。这种由卫星直接转发电视信号的方式避免了以往电视信号在地面多次转发过程中，因高大建筑和山脉等障碍物所引起的信号反射造成的各种失真，使人们不必再为电视画面上出现的重影等干扰而发愁了。卫星广播电视及高清晰度电视机的普及，是未来广播电视技术朝着多样化和高质量化发展的必然趋势。

由于在地球同步轨道上等间隔地运行着三颗通信卫星就能覆盖整个地球，因此对我国来说，一颗地球同步卫星就能使全国各地的亿万家庭都收到卫星转播的广播电视节目了。目前，由我国发射升空的亚洲 1 号同步通信卫

星就定位在东经 105.5 度到 116 度间的印度厄西亚上空，它的天线波束覆盖

范围北起蒙古，南至印尼北部以及中东和日本，包括 38 个国家和地区，人口

达 27 亿，其中有我国的 12 频道。有了家用卫星接收机，普通的居民家庭都

可以直接从亚洲 1 号卫星和我国发射的“东方红 2 号”卫星上直接收看中央

电视台的全套节目以及其它电视台播发的节目。1991 年，在我国举办的第 11 届亚洲运动会上，就是利用卫星通信向五大洲的电视观众现场转播各项比赛的。各个赛场的精彩画面和现场解说先经过电视转播车的微波设备与 380 米高、号称亚洲第一电视塔上的微波机房沟通视频与电视伴音通道，并转送到中央电视台彩电中心，经过编辑后，将节目交邮电部门，经过长话大楼送往卫星地面站，按照各国的不同要求分别发往印度洋上空和太平洋上空的通信卫星，使这些国家的电视观众可以及时看到比赛的真实场面。

有了卫星广播电视，世界上任何地方所发生的重大新闻都能直接通过卫星迅速转发到世界各地。在海湾战争期间，一种超轻型的卫星通信设备在地面通信完全中断的情况下大显神通。1991 年 1 月 17 日凌晨，巴格达的通信设施在空袭轰炸中遭到了严重破坏，使各国记者在传送新闻报导时遇到了极大的麻烦。美国三大新闻网（CBS、NBS 和 ABC）顿时成了哑巴。而一向不起眼的美国有线电视新闻网（CNN）的一名记者却在巴格达一家旅馆的阳台上，把电视摄像机伸向天空，通过这种超轻型卫星通信设备把漫天的火光和震耳欲聋的爆炸声传给了全世界。当时，美国 F—117 隐型战斗轰炸机投下的第一

枚激光制导炸弹准确地命中通信大楼的电视图象就是由这种设备发布的，世界各地的电视观众可以清楚地看到那个记者用十字标线瞄准通信大楼拍摄下整个爆炸过程的设备形状如同一个旅行箱，内装有话筒、电视摄像机和处理图象信号的电子装置，以及一副抛物面型的天线。它携带方便，可直接将摄下的图象送上卫星，并通过卫星传给全世界。

卫星广播电视使人们成了名符其实的千里眼。1986 年，美国对利比亚的整个空袭轰炸行动，都在数千公里之外美军最高指挥中心的大屏幕电视上显示出来。指挥官如同亲临现场指挥，调兵谴将。近年来研制的导弹电视就是把性能优越的大功率电视摄像机和发射机安装在弹头内，用运载火箭将其发射到预定的目标上空去完成侦察任务。电视摄像机拍摄的图可通过卫星送到指挥中心，使指挥部从接收到的画面中清晰地看到现场情况，从中获得有价值的情报。而专供近距离使用的电视炮弹，也是把微型摄像机和发射器装入弹头内，用炮弹发射到几十公里外的前沿阵地，当弹头到达目的地时，弹头自动起爆，将微型摄像机弹出，微型摄像机在随着降落伞旋转下降的同时，将周围的景物及人员的活动自动俯拍下来，同时把画面用无线电发射机传送回指挥中心，其作用丝毫不亚于一个出色的侦察兵。

空间通信平台——未来的空间通信站

空间通信平台是一种大型的航天器，相当于把许多普通通信卫星上的各种仪器设备集中在一起而构成的一个多功能的通信卫星。它的最大优点是可以通过不断的补充燃料并提供对上面的各种仪器设备的维修服务，而使它具有很长的寿命。

目前，世界各国发射升空的通信卫星大都是为了单一目的而设计的小型卫星，如地球同步卫星、导航卫星、海事卫星、气象卫星以及各种军用的系列卫星等等，它们应用范围窄、功能单一、寿命有限，而影响卫星在轨道上停留时间长短的主要因素取决于卫星所带的燃料。由于卫星上都装有若干小型火箭，当卫星在太空轨道上环绕地球运行时，要不断地点火启动随身携带的微型火箭，以纠正因太阳和月球对卫星的吸引力所造成的卫星姿态偏斜和运行轨道的偏离，而在卫星升入太空以后，这有限的燃料又无法得到补充。因此，对每颗卫星来说，一旦燃料用尽，星体就失去控制，人们只能眼睁睁地看着它随意飘移，沦为太空垃圾。此外，卫星上的电源问题和成千上万种电子器件的老化以及各种各样的通信设备和机械装置的故障、损坏等问题都直接影响了通信卫星的寿命。不少通信卫星尚未达到设计寿命便早早地“夭折”了，而地面测控人员对此却无能为力。目前，在地球同步轨道上，已经挤满了各种各样的通信卫星，对于那些失去通信能力、如同废物的通信卫星，人们还得想方设法地将它“赶”出同步轨道，以便把这宝贵的位置让位于新到来的伙伴。例如，我国的 1990 年 4 月发射升空的亚洲 1 号同步通信卫星预

计到 1999 年 4 月，燃料将会用尽，这时剩下的工作就是启动最后的推冲火箭，将这颗卫星从同步轨道推入黑暗的太空任其飘移，而将轨道留给新的卫星。早期发射的通信卫星寿命较短，约为 1.5 年左右，目前通信卫星的设计寿命为 5～10 年。尽管如此，这样的寿命也极不合算。

空间通信平台的问世，将使上述问题迎刃而解。由于在太空通信平台上安装了对接位置，且它的重量和尺寸均不受限制。因此，可以通过航天飞机、宇宙飞船和太空工作站向空间通信平台随时补给燃料或化学电池，修理或更换已经损坏或老化的部件，并可安装新的仪器设备，延长航天器的使用寿命，

并最终使之成为永久性的空间通信工作站。目前，这一宏伟的工程已经开始研制并付实施，计划将在 2000 年以前投入使用。

星间链路

迄今为止，卫星通信一直是作为地面通信的补充。随着卫星通信技术的不断发展，人们开始认识到通信卫星的潜力和通信特点并没有得到充分的利用。当两地通信距离超过一颗卫星所覆盖区域时，信号需从一地发向一颗卫星，然后从这颗卫星转发到另一个中转的地面站，再由这个地面站发向另一颗卫星，最后将信号送到用户。这样繁琐的上下跳跃式转发信号的工作方式会产生较大的信号延时，影响通信的质量。此外，低轨道卫星每次通过地面站时只有几分钟，而且每天也只通过几次，因此，每颗卫星所能传送的信息是有限的。当卫星不经过地面站上空时，就不能进行通信，为此还必须把这些信息保存起来，这样，卫星的存储设备就要增大；此外，为了提高通信的质量，在采用低轨道卫星通信时，为开发卫星的潜在能力，科学家们开始发展卫星间的联通技术，以使卫星与卫星之间可以相互转发信息，完成由地面

卫星通信 - 图1 →卫星卫星→用户的信号转发方式，避免目前采用的卫星与地面站间的信号多次上下跳跃式转发，从而构成一个地面与空间的综合通信网。科学家们发现，激光和毫米波在空间不存在大气衰减，是非常理想的大容量通信的空间传输形式。目前，这项被称作空间“信息走廓”的星间链路试验已经开始，它的成功将使卫星通信进入一个新的阶段。