第八章-衛(wèi)星通信

第八章衛(wèi)星通信8.1衛(wèi)星通信的基本概念衛(wèi)星通信是指利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線電信號(hào)，在兩個(gè)或多個(gè)地面站之間進(jìn)行的通信過(guò)程或方式。衛(wèi)星通信屬于宇宙無(wú)線電通信的一種形式，工作在微波頻段。宇宙通信是以宇宙飛行體或通信轉(zhuǎn)發(fā)體作為對(duì)象的無(wú)線電通信。它可分為三種形式：（1）地球站與宇宙站間的通信；（2）宇宙站之間的通信；（3）通過(guò)宇宙站的轉(zhuǎn)發(fā)或反射進(jìn)行的地球站之間的通信。人們常把第三種形式稱(chēng)為衛(wèi)星通信。宇宙站是指地球大氣層以外的宇宙飛行體（如人造衛(wèi)星和宇宙飛船等）或其它星球上的通信站。地球站是指設(shè)在地面、海洋或大氣層中的通信站，習(xí)慣上統(tǒng)稱(chēng)為地面站。衛(wèi)星通信是在地面微波中繼通信和空間技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。微波中繼通信是一種“視距”通信，即只有在“看得見(jiàn)”的范圍內(nèi)才能通信。而通信衛(wèi)星的作用相當(dāng)于離地面很高的微波中繼站。由于作為中繼的衛(wèi)星離地面很高，因此經(jīng)過(guò)一次中繼轉(zhuǎn)接之后即可進(jìn)行長(zhǎng)距離的通信。下圖是一種簡(jiǎn)單的衛(wèi)星通信系統(tǒng)示意圖，它是由一顆通信衛(wèi)星和多個(gè)地面通信站組成的。衛(wèi)星通信示意圖由上圖可見(jiàn)，離地面高度為he的衛(wèi)星中繼站，看到地面的兩個(gè)極端點(diǎn)是A和B點(diǎn)，即S長(zhǎng)度將是以衛(wèi)星為中繼站所能達(dá)到的最大通信距離。其計(jì)算公式為式中，R0為地球半徑，R0=6378km；θ為AB所對(duì)應(yīng)的圓心角（弧度）；he為通信衛(wèi)星到地面的高度，單位為km。上式說(shuō)明，he越高，地面上最大通信距離越大。（1）he=500km時(shí)，由公式求得S=4892km；（2）he=35800km時(shí)，S=18100km。由于衛(wèi)星處于外層空間，即在電離層之外，地面上發(fā)射的電磁波必須能穿透電離層才能到達(dá)衛(wèi)星；同樣，從衛(wèi)星到地面上的電磁波也必須穿透電離層，而在無(wú)線電頻段中只有微波頻段恰好具備這一條件，因此衛(wèi)星通信使用微波頻段。目前大多數(shù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)選擇在下列頻段工作：

(1)UHF波段（400/200MHz）；

(2)L波段（1.6/1.5GHz）；

(3)C波段（6.0/4.0GHz）；

(4)X波段（8.0/7.0GHz）；

(5)K波段（14.0/12.0；14.0/11.0；30/20GHz）。由于C波段的頻段較寬，又便于利用成熟的微波中繼通信技術(shù)，且天線尺寸也較小，因此，衛(wèi)星通信最常用的是C波段。

8.2通信衛(wèi)星的種類(lèi)目前，通信衛(wèi)星的種類(lèi)繁多，按不同的標(biāo)準(zhǔn)有不同的分類(lèi)。下面我們給出幾種常用的衛(wèi)星種類(lèi)。

(1)按衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)可分為：無(wú)源衛(wèi)星和有源衛(wèi)星兩類(lèi)。

無(wú)源衛(wèi)星是運(yùn)行在特定軌道上的球形或其它形狀的反射體，沒(méi)有任何電子設(shè)備，它是靠其金屬表面對(duì)無(wú)線電波進(jìn)行反射來(lái)完成信號(hào)中繼任務(wù)的。在20世紀(jì)50~60年代進(jìn)行衛(wèi)星通信試驗(yàn)時(shí)，曾利用過(guò)這種衛(wèi)星。目前，幾乎所有的通信衛(wèi)星都是有源衛(wèi)星，一般多采用太陽(yáng)能電池和化學(xué)能電池作為能源。這種衛(wèi)星裝有收、發(fā)信機(jī)等電子設(shè)備，能將地面站發(fā)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行接收、放大、頻率變換等其它處理，然后再發(fā)回地球。這種衛(wèi)星可以部分地補(bǔ)償在空間傳輸所造成的信號(hào)損耗。

通信衛(wèi)星軌道示意圖(2)按通信衛(wèi)星的運(yùn)行軌道可分為：①赤道軌道衛(wèi)星（指軌道平面與赤道平面夾角φ=0°）；②極軌道衛(wèi)星（φ=90°）；③傾斜軌道衛(wèi)星（0°<φ<90°）。所謂軌道就是衛(wèi)星在空間運(yùn)行的路線。見(jiàn)上圖。(3)按衛(wèi)星離地面最大高度h的不同可分為：①低高度衛(wèi)星h<5000km；②中高度衛(wèi)星5000km<h<20000km；③高高度衛(wèi)星h>20000km。

(4)按衛(wèi)星與地球上任一點(diǎn)的相對(duì)位置的不同可分為：同步衛(wèi)星和非同步衛(wèi)星。同步衛(wèi)星是指在赤道上空約35800km高的圓形軌道上與地球自轉(zhuǎn)同向運(yùn)行的衛(wèi)星。由于其運(yùn)行方向和周期與地球自轉(zhuǎn)方向和周期均相同，因此從地面上任何一點(diǎn)看上去，衛(wèi)星都是“靜止”不動(dòng)的，所以把這種對(duì)地球相對(duì)靜止的衛(wèi)星簡(jiǎn)稱(chēng)為同步（靜止）衛(wèi)星，其運(yùn)行軌道稱(chēng)為同步軌道。非同步衛(wèi)星的運(yùn)行周期不等于（通常小于）地球自轉(zhuǎn)周期，其軌道傾角、軌道高度、軌道形狀（圓形或橢圓形）可因需要而不同。從地球上看，這種衛(wèi)星以一定的速度在運(yùn)動(dòng)，故又稱(chēng)為移動(dòng)衛(wèi)星或運(yùn)動(dòng)衛(wèi)星。不同類(lèi)型的衛(wèi)星有不同的特點(diǎn)和用途。在衛(wèi)星通信中，同步衛(wèi)星使用得最為廣泛，其主要原因是：第一，同步衛(wèi)星距地面高達(dá)35800km，一顆衛(wèi)星的覆蓋區(qū)（從衛(wèi)星上能“看到”的地球區(qū)域）可達(dá)地球總面積的40%左右，地面最大跨距可達(dá)18000km。因此只需三顆衛(wèi)星適當(dāng)配置，就可建立除兩極地區(qū)（南極和北極）以外的全球性通信。如下圖所示。全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)示意圖圖中，每?jī)深w相鄰衛(wèi)星都有一定的重疊覆蓋區(qū)，但南、北兩極地區(qū)則為盲區(qū)。目前正在使用的國(guó)際通信衛(wèi)星系統(tǒng)就是按這個(gè)原理建立的，其衛(wèi)星分別位于大西洋、印度洋和太平洋上空。其中，印度洋衛(wèi)星能覆蓋我國(guó)的全部領(lǐng)土，太平洋衛(wèi)星覆蓋我國(guó)的東部地區(qū)，即我國(guó)東部地區(qū)處在印度洋衛(wèi)星和太平洋衛(wèi)星的重疊覆蓋區(qū)中。第二，由于同步衛(wèi)星相對(duì)于地球是靜止的，因此，地面站天線易于保持對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，不需要復(fù)雜的跟蹤系統(tǒng)；通信連續(xù)，不像衛(wèi)星相對(duì)于地球以一定的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)那樣，需要變更轉(zhuǎn)發(fā)當(dāng)時(shí)信號(hào)的衛(wèi)星而出現(xiàn)信號(hào)中斷；信號(hào)頻率穩(wěn)定，不會(huì)因衛(wèi)星相對(duì)于地球運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生多普勒頻移。當(dāng)然，同步衛(wèi)星也有一些缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：兩極地區(qū)為通信盲區(qū)；衛(wèi)星離地球較遠(yuǎn)，故傳輸損耗和傳輸時(shí)延都較大；同步軌道只有一條，能容納衛(wèi)星的數(shù)量有限；同步衛(wèi)星的發(fā)射和在軌測(cè)控技術(shù)比較復(fù)雜。此外，在春分和秋分前后，還存在著星蝕（衛(wèi)星進(jìn)入地球的陰影區(qū)）和日凌中斷（衛(wèi)星處于太陽(yáng)和地球之間，受強(qiáng)大的太陽(yáng)噪聲影響而使通信中斷）現(xiàn)象。非同步衛(wèi)星的主要優(yōu)缺點(diǎn)基本上與同步衛(wèi)星相反。由于非同步衛(wèi)星的抗毀性較高，因此也有一定的應(yīng)用。8.3衛(wèi)星通信系統(tǒng)分類(lèi)目前世界上建成了數(shù)以百計(jì)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，歸結(jié)起來(lái)可進(jìn)行如下分類(lèi)：

(1)按衛(wèi)星制式可分為靜止衛(wèi)星通信系統(tǒng)、隨機(jī)軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)和低軌道衛(wèi)星（移動(dòng)）通信系統(tǒng)。

(2)按通信覆蓋區(qū)域的范圍劃分為國(guó)際衛(wèi)星通信系統(tǒng)、國(guó)內(nèi)衛(wèi)星通信系統(tǒng)和區(qū)域衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

(3)按用戶性質(zhì)可分為公用（商用）衛(wèi)星通信系統(tǒng)、專(zhuān)用衛(wèi)星通信系統(tǒng)和軍用衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

(4)按業(yè)務(wù)范圍可分為固定業(yè)務(wù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)、移動(dòng)業(yè)務(wù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)、廣播業(yè)務(wù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

(5)按基帶信號(hào)體制可分為模擬制衛(wèi)星通信系統(tǒng)和數(shù)字制衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

(6)按多址方式可分為頻分多址（FDMA）、時(shí)分多址（TDMA）、空分多址（SDMA）和碼分多址（CDMA）衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

(7)按運(yùn)行方式可分為同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)和非同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)。目前國(guó)際和國(guó)內(nèi)的衛(wèi)星通信大都是同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)。8.4衛(wèi)星通信的特點(diǎn)衛(wèi)星通信系統(tǒng)以通信衛(wèi)星為中繼站，與其它通信系統(tǒng)相比較，衛(wèi)星通信有如下特點(diǎn)：

(1)覆蓋區(qū)域大，通信距離遠(yuǎn)。一顆同步通信衛(wèi)星可以覆蓋地球表面的三分之一區(qū)域，因而利用三顆同步衛(wèi)星即可實(shí)現(xiàn)全球通信。它是遠(yuǎn)距離越洋通信和電視轉(zhuǎn)播的主要手段。

(2)具有多址連接能力。地面微波中繼的通信區(qū)域基本上是一條線路，而衛(wèi)星通信可在通信衛(wèi)星所覆蓋的區(qū)域內(nèi)，所有四面八方的地面站都能利用這一衛(wèi)星進(jìn)行相互間的通信。我們稱(chēng)衛(wèi)星通信的這種能同時(shí)實(shí)現(xiàn)多方向、多個(gè)地面站之間的相互聯(lián)系的特性為多址連接。

(3)頻帶寬，通信容量大。衛(wèi)星通信采用微波頻段，傳輸容量主要由終端站決定，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的傳輸容量取決于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的帶寬和發(fā)射功率，而且一顆衛(wèi)星可設(shè)置多個(gè)（如IS-Ⅶ有46個(gè)）轉(zhuǎn)發(fā)器，故通信容量很大。例如，利用頻率再用技術(shù)的某些衛(wèi)星通信系統(tǒng)可傳輸30000路電話和4路彩色電視。

(4)通信質(zhì)量好，可靠性高。衛(wèi)星通信的電波主要在自由（宇宙）空間傳播，傳輸電波十分穩(wěn)定，而且通常只經(jīng)過(guò)衛(wèi)星一次轉(zhuǎn)接，其噪聲影響較小，通信質(zhì)量好。通信可靠性可達(dá)99.8%以上。

(5)通信機(jī)動(dòng)靈活。衛(wèi)星通信系統(tǒng)的建立不受地理?xiàng)l件的限制，地面站可以建立在邊遠(yuǎn)山區(qū)、海島、汽車(chē)、飛機(jī)和艦艇上。

(6)電路使用費(fèi)用與通信距離無(wú)關(guān)。地面微波中繼或光纜通信系統(tǒng)，其建設(shè)投資和維護(hù)使用費(fèi)用都隨距離而增加。而衛(wèi)星通信的地面站至空間轉(zhuǎn)發(fā)器這一區(qū)間并不需要投資，因此線路使用費(fèi)用與通信距離無(wú)關(guān)。

(7)對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)也有一些特殊要求：一是由于通信衛(wèi)星的一次投資費(fèi)用較高，在運(yùn)行中難以進(jìn)行檢修，故要求通信衛(wèi)星具備高可靠性和較長(zhǎng)的使用壽命；二是衛(wèi)星上能源有限，

衛(wèi)星的發(fā)射功率只能達(dá)到幾十至幾百瓦，因此要求地面站要有大功率發(fā)射機(jī)、低噪聲接收機(jī)和高增益天線，這使得地面站比較龐大；三是由于衛(wèi)星通信傳輸距離很長(zhǎng)，使信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)延較大，其單程距離（地面站A→衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)→地面站B）長(zhǎng)達(dá)80000km，需要時(shí)間約270ms；雙向通信往返約160000km，延時(shí)約540ms，所以，在通過(guò)衛(wèi)星打電話時(shí)，通信雙方會(huì)感到很不習(xí)慣。8.5衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成及工作原理根據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的任務(wù)，一條衛(wèi)星通信線路要由發(fā)端地面站、上行線路、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器、下行線路和收端地面站組成，如圖所示。衛(wèi)星通信線路組成框圖其中上行線路和下行線路就是無(wú)線電波傳播的路徑。為了進(jìn)行雙向通信，每一地面站均應(yīng)包括發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)。由于收、發(fā)系統(tǒng)一般是共用一副天線，因此需要使用雙工器以便將收、發(fā)信號(hào)分開(kāi)。地面站收、發(fā)系統(tǒng)的終端，通常都是與長(zhǎng)途電信局或微波線路連接。地面站的規(guī)模大小則由通信系統(tǒng)的用途而定。轉(zhuǎn)發(fā)器的作用是接收地面站發(fā)來(lái)的信號(hào)，經(jīng)變頻、放大后，再轉(zhuǎn)發(fā)給其它地面站。衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器由天線、接收設(shè)備、變頻器、發(fā)射設(shè)備和雙工器等部分組成。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，各地面站發(fā)射的信號(hào)都是經(jīng)過(guò)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給對(duì)方地面站的，因此，除了要保證在衛(wèi)星上配置轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線電信號(hào)的天線及通信設(shè)備外，還要有保證完成通信任務(wù)的其它設(shè)備。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)通信衛(wèi)星主要由天線系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、遙測(cè)指令系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源系統(tǒng)五大部分組成，如圖所示。通信衛(wèi)星組成示意圖

1.天線系統(tǒng)天線系統(tǒng)包括通信用的微波天線和遙測(cè)遙控系統(tǒng)用的高頻（或甚高頻）天線。微波天線根據(jù)波束的寬、窄又可分為覆球波束天線、區(qū)域波束天線和點(diǎn)波束天線。對(duì)靜止衛(wèi)星來(lái)說(shuō)衛(wèi)星覆球波束天線的波束寬度約為17°～18°，其增益可達(dá)18dB；點(diǎn)波束天線因波束較窄而具有較高的增益，用來(lái)把輻射的電磁波功率集中到地球上較小的區(qū)域內(nèi)。通信微波天線的波束應(yīng)對(duì)準(zhǔn)地球上的通信區(qū)域。但是，對(duì)于采用自旋穩(wěn)定方式以保持姿態(tài)穩(wěn)定的靜止衛(wèi)星，由于衛(wèi)星是旋轉(zhuǎn)的，故要采用消旋天線，才能使波束始終對(duì)準(zhǔn)地球。常用的有機(jī)械消旋天線和電子消旋天線，其消旋原理是用機(jī)械的方法或電子的方法，讓天線的旋轉(zhuǎn)方向與衛(wèi)星自旋方向相反，而兩者的旋轉(zhuǎn)速度相等，以保證天線波束始終朝著地球上需要通信的區(qū)域。遙測(cè)指令天線用于衛(wèi)星進(jìn)人靜止軌道之前和之后，能向地面控制中心發(fā)射遙測(cè)信號(hào)和接收地面的指令信號(hào)。這種天線為甚高頻全方向性天線，通常采用傾斜式繞桿天線和螺旋天線等天線。

2.通信系統(tǒng)（轉(zhuǎn)發(fā)器）靜止衛(wèi)星的通信系統(tǒng)又稱(chēng)為通信中繼機(jī)，通常由多個(gè)（可達(dá)24個(gè)或更多）信道轉(zhuǎn)發(fā)器互相連接而組成。其任務(wù)是把接收的信號(hào)放大，并利用變頻器交換成下行頻率后再發(fā)射出去。它實(shí)質(zhì)上是一組寬頻帶收、發(fā)信機(jī)，對(duì)其要求是工作穩(wěn)定可靠，附加的噪聲小。衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器是通信衛(wèi)星中最重要的組成部分，它能起到衛(wèi)星通信中繼站的作用，其性能直接影響到衛(wèi)星通信系統(tǒng)的工作質(zhì)量。對(duì)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的基本要求是附加噪聲和失真小，要有足夠的工作頻帶，有足夠大的總增益，頻率穩(wěn)定度和可靠性盡量高。衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器通常分為透明轉(zhuǎn)發(fā)器和處理轉(zhuǎn)發(fā)器兩大類(lèi)。

(1)透明轉(zhuǎn)發(fā)器。這類(lèi)轉(zhuǎn)發(fā)器接收到地面站發(fā)來(lái)的信號(hào)后，除進(jìn)行低噪聲放大、變頻、功率放大外，不作任何處理，只是單純地完成轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。也就是說(shuō)，它對(duì)工作頻帶內(nèi)的任何信號(hào)都是“透明”的通路。透明轉(zhuǎn)發(fā)器有雙變頻和單變頻兩種，前者的優(yōu)點(diǎn)是中頻增益高（可達(dá)80～100dB），電路工作穩(wěn)定，曾用于國(guó)際通信衛(wèi)星IS―I。其缺點(diǎn)是中頻頻帶窄，不適于多載波工作，已很少使用。單變頻轉(zhuǎn)發(fā)器是先將輸人信號(hào)直接放大，再變頻為下行頻率，經(jīng)功率放大后轉(zhuǎn)發(fā)給地面站。單變頻轉(zhuǎn)發(fā)器實(shí)際上是微波放大式轉(zhuǎn)發(fā)器，射頻帶寬可達(dá)500MHz，且由于其輸入、輸出特性的線性良好，允許多載波工作，適于多址連接，因此得到廣泛使用。

(2)處理轉(zhuǎn)發(fā)器。指除了信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)外，還具有信號(hào)處理功能的轉(zhuǎn)發(fā)器。與上述雙變頻透明轉(zhuǎn)發(fā)器相比，處理轉(zhuǎn)發(fā)器只是在兩級(jí)變頻器之間增加了信號(hào)的解調(diào)器、處理單元和調(diào)制器。先將信號(hào)解調(diào)，便于信號(hào)處理，再經(jīng)調(diào)制、變頻、功率放大后發(fā)回地面。

3.遙測(cè)指令系統(tǒng)遙測(cè)指令系統(tǒng)包括遙測(cè)和遙控指令系統(tǒng)兩個(gè)部分。遙測(cè)部分的作用是在地球上測(cè)試衛(wèi)星的各種設(shè)備的工作情況，包括表示有關(guān)部分電流、電壓、溫度等工作狀態(tài)的信號(hào)；來(lái)自各傳感器的信息；指令證實(shí)信號(hào)以及作控制用的氣體壓力等等。上述各種數(shù)據(jù)通過(guò)遙測(cè)系統(tǒng)送往地面監(jiān)測(cè)中心，這些數(shù)據(jù)傳送的方法與通信過(guò)程相似，即先通過(guò)多路復(fù)用、放大、編碼等處理后，再調(diào)制和傳輸。遙控指令系統(tǒng)包括對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行姿態(tài)和位置控制的噴射推進(jìn)裝置的點(diǎn)火控制指令，行波管高壓電源的開(kāi)、關(guān)控制指令，發(fā)生故障的部件與備用部件的轉(zhuǎn)換指令，以及其它由地面對(duì)衛(wèi)星內(nèi)部各種設(shè)備的控制指令等等。指令信號(hào)由地面的控制站發(fā)出，在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器內(nèi)被分離出來(lái)。經(jīng)檢波、解碼后送至控制設(shè)備，以控制各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)施指令。

4.控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)包括位置控制和姿態(tài)控制兩部分。位置控制系統(tǒng)用來(lái)消除“攝動(dòng)”的影響，以便使衛(wèi)星與地球的相對(duì)位置固定。位置控制是利用裝在星體上的氣體噴射裝置由地面控制站發(fā)出指令進(jìn)行工作的。當(dāng)衛(wèi)星有“攝動(dòng)”現(xiàn)象時(shí)，衛(wèi)星上的遙測(cè)裝置就發(fā)給地面控制站遙測(cè)信號(hào)，地面控制站隨即向衛(wèi)星發(fā)出遙控指令，以進(jìn)行位置控制。姿態(tài)控制是使衛(wèi)星對(duì)地球或其它基準(zhǔn)物保持正確的姿態(tài)，即衛(wèi)星在軌道上立著還是躺著。衛(wèi)星姿態(tài)是否正確，不僅影響衛(wèi)星上的定向通信天線是否指向覆蓋區(qū)，還會(huì)影響太陽(yáng)能電池帆板是否朝向太陽(yáng)。

5.電源系統(tǒng)通信衛(wèi)星的電源要求體積小、重量輕和壽命長(zhǎng)。常用的電源有太陽(yáng)能電池和化學(xué)能電池。平時(shí)主要使用太陽(yáng)能電池，當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)入地球的陰影區(qū)（即星蝕）時(shí)，則使用化學(xué)能電池。

太陽(yáng)能電池由光電器件組成。由太陽(yáng)能電池直接供出的電壓是不穩(wěn)定的，必須經(jīng)電壓調(diào)整后才能供給負(fù)載?；瘜W(xué)能電池可以進(jìn)行充電和放電。如鎳鎘蓄電池。平時(shí)由大陽(yáng)能電池給它充電，當(dāng)衛(wèi)星發(fā)生星蝕時(shí)，由太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換為化學(xué)能電池供電。

6.衛(wèi)星通信地面站在前面已經(jīng)講過(guò)，任何一條衛(wèi)星通信線路都包括發(fā)端和收端地面站、上行和下行線路以及通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器。可見(jiàn)，地面站是衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。地面站的基本作用是向衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)，同時(shí)接收由其它地面站經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)的信號(hào)。根據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的性質(zhì)和用途的不同；可有不同形式的地面站。例如，按站址的固定與否、G/T值的大小、用途、天線口徑以及傳輸信號(hào)的特征等多種方法來(lái)分類(lèi)。

(1)按站址特征分類(lèi)：可分為固定站、移動(dòng)站（如艦載站、機(jī)載站和車(chē)載站等）、可拆卸站（短時(shí)間能拆卸轉(zhuǎn)移地點(diǎn)的站）。

(2)按G/T值分類(lèi)：地面站性能指數(shù)G/T值是反映地面站接收系統(tǒng)的一項(xiàng)重要技術(shù)性能指標(biāo)。其中G為接收天線增益，T為表示接收系統(tǒng)噪聲性能的等效噪聲溫度。G／T值越大，說(shuō)明地面站接收系統(tǒng)的性能越好。目前，國(guó)際上把G/T≥35dB/K的地面站定為A型標(biāo)準(zhǔn)站，把G/T≥31.7dB/K的站定為B型標(biāo)準(zhǔn)站，而把G/T＜31.7dB/K的站稱(chēng)為非標(biāo)準(zhǔn)站。

(3)按用途分類(lèi)：可分為民用、軍用、廣播、航海、實(shí)驗(yàn)等地面站。

(4)按天線口徑分類(lèi)：可分為1米站、5米站、10米站以及30米站等等。

(5)按傳輸信號(hào)的特征分類(lèi)：可分為模擬通信站和數(shù)字通信站。地面站種類(lèi)繁多，大小不一，所采用的通信體制也不同，因而所需的設(shè)備組成也不一樣，但基本組成大同小異。典型的地面站由天線系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、終端系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、地面接口及傳輸分系統(tǒng)等組成。地面站設(shè)備組成天線系統(tǒng)完成發(fā)送信號(hào)、接收信號(hào)和跟蹤衛(wèi)星的任務(wù)，是決定地面站容量與通信質(zhì)量的關(guān)鍵組成之一。天線系統(tǒng)只包括天線、饋線和跟蹤設(shè)備三個(gè)部分。發(fā)射系統(tǒng)的主要作用是將終端系統(tǒng)送來(lái)的基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，再經(jīng)過(guò)上變頻和功率放大后饋送給天線發(fā)往衛(wèi)星。接收系統(tǒng)的主要作用是將天線系統(tǒng)收到的由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)下來(lái)的微弱信號(hào)進(jìn)行放大、下變頻和解調(diào)，并將解調(diào)后的基帶信號(hào)送至終端系統(tǒng)。終端系統(tǒng)有兩個(gè)作用：一個(gè)是對(duì)經(jīng)地面接口線路傳來(lái)的各種用戶信號(hào)分別用相應(yīng)的終端設(shè)備對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換、編排及其它基帶處理，形成適合衛(wèi)星信道傳輸?shù)幕鶐盘?hào)；第二個(gè)作用是將接收系統(tǒng)收到并解調(diào)的基帶信號(hào)進(jìn)行與上述相反的處理，然后經(jīng)地面接口線路送到各有關(guān)用戶。電源系統(tǒng)對(duì)所有通信設(shè)備及輔助設(shè)備供電。監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)控臺(tái)監(jiān)測(cè)各種設(shè)備是否發(fā)生故障、主要設(shè)備的工作參數(shù)是否正常等，便于及時(shí)處理，以及有效地對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)管理。8.6空分多址（SDMA）衛(wèi)星通信的多址連接技術(shù)主要采用四種方式，即頻分多址（FDMA）、時(shí)分多址（TDMA）、空分多址（SDMA）和碼分多址（CDMA）。頻分多址、時(shí)分多址和碼分多址方式的基本思想我們?cè)谄渌鹿?jié)已作過(guò)介紹，這里重點(diǎn)介紹空分多址方式?？辗侄嘀贩绞绞侵冈谛l(wèi)星上安裝多個(gè)天線，這些天線的波束分別指向地球表面上的不同區(qū)域。不同區(qū)域的地面站所發(fā)射的電波在空間不會(huì)互相重疊，即使在同一時(shí)刻，不同區(qū)域的地面站使用相同的頻率來(lái)工作，它們之間也不會(huì)形成干擾。即用天線波束的方向性來(lái)分割各不同區(qū)域的地面站的電波，使同一頻率能夠再用，從而容納更多的用戶。與此同時(shí)，當(dāng)然也就要求天線波束的指向非常準(zhǔn)確。簡(jiǎn)言之，所謂空分多址就是利用天線波束將空間分割出互不重疊的多個(gè)邏輯信道，以滿足同頻、同時(shí)向多點(diǎn)通信的目的。注意這里的邏輯信道和物理信道都是指無(wú)線電信道。一個(gè)通信區(qū)域內(nèi)如果有幾個(gè)地面站，則它們之間的站址識(shí)別還要借助FDMA或TDMA技術(shù)。所以，在實(shí)際應(yīng)用中，一般不單獨(dú)使用SDMA方式，而是與其它多址方式相結(jié)合。若要保證空分多址方式的系統(tǒng)正常工作，必須有以下幾個(gè)同步過(guò)程。

(1)由于空分多址方式是在時(shí)分多址方式的基礎(chǔ)上進(jìn)行工作的，因此各地面站的上行TDMA幀信號(hào)進(jìn)入衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)，必須保證幀內(nèi)各分幀的同步，這與時(shí)分多址的幀同步相同。

(2)在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中，接通收、發(fā)信道和窄波束天線的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的動(dòng)作，分別與上行TDMA幀和下行TDMA幀保持同步，即每經(jīng)過(guò)一幀，天線的波束就要相應(yīng)轉(zhuǎn)換一下。這是空分多址方式特有的一個(gè)同步關(guān)系。

(3)每個(gè)地面站的相移鍵控調(diào)制和解調(diào)必須與各個(gè)分幀同步，這與數(shù)字微波中繼通信系統(tǒng)的載波同步相同。從以上討論可以看出，空分多址方式有以下三個(gè)特點(diǎn)：

(1)由于空分多址方式必須采用窄波束的天線，衛(wèi)星天線的輻射功率集中，有利于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器和地面站采用固體功率器件而變得小型化。

(2)由于利用了多波束之間的空分關(guān)系，提高了抗同波道干擾的能力。

(3)空分多址方式要求衛(wèi)星的位置和姿態(tài)高度穩(wěn)定，以保證天線窄波束的指向準(zhǔn)確。8.7衛(wèi)星通信新技術(shù)

8.7.1VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)

VSAT是VerySmallApertureTerminals（小天線地面站衛(wèi)星通信系統(tǒng)）的英文縮寫(xiě)。一般的衛(wèi)星通信系統(tǒng)用戶在利用衛(wèi)星通信的過(guò)程中，必須要通過(guò)地面通信網(wǎng)匯接到地面站后才能進(jìn)行。對(duì)于有些用戶，如銀行、航空公司、汽車(chē)運(yùn)輸公司、飯店等就顯得很不方便，這些用戶希望能自己組成一個(gè)更為靈活的衛(wèi)星通信網(wǎng)并且各自能夠直接利用衛(wèi)星來(lái)進(jìn)行通信，把通信終端直接延伸到辦公室和私人家庭，甚至面向個(gè)人進(jìn)行通信。這樣就產(chǎn)生了VSAT系統(tǒng)。VSAT系統(tǒng)代表了當(dāng)今衛(wèi)星通信發(fā)展的一個(gè)重要方向，它的產(chǎn)生和發(fā)展奠定了衛(wèi)星通信設(shè)備向多功能化、智能化、小型化的方向發(fā)展。VSAT系統(tǒng)（網(wǎng)絡(luò)）是由一個(gè)主站和若干個(gè)VSAT終端組成的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。主站也稱(chēng)為中心站或樞紐站，它是一個(gè)較大的地球站，具有全網(wǎng)的出、入站信息傳輸、交換和控制功能。VSAT系統(tǒng)終端，通常指天線尺寸小于2.4m，由主站應(yīng)用管理軟件高度監(jiān)測(cè)和控制的小型地面站。

VSAT系統(tǒng)主要用來(lái)進(jìn)行2Mb/s以下低速率數(shù)據(jù)的雙向通信。VSAT系統(tǒng)中的用戶小站對(duì)環(huán)境條件要求不高，可以直接安裝在用戶屋頂上，不必匯接中轉(zhuǎn)，可由用戶直接控制電路，安裝組網(wǎng)方便、靈活。因而VSAT系統(tǒng)的發(fā)展非常迅速。

VSAT系統(tǒng)工作在14/11GHz的KU頻段以及C頻段。系統(tǒng)中綜合了分組信息傳輸與交換、多址協(xié)議、頻譜擴(kuò)展等多種先進(jìn)技術(shù)，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)、語(yǔ)言、視頻圖像、傳真、計(jì)算機(jī)信息等多種信息的傳輸。8.7.2低軌道（LEO）移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)全球個(gè)人通信，人們研究了很多方法，其中的一個(gè)方案就是利用低軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)。美國(guó)摩托羅拉公司在1991年提出用77顆衛(wèi)星，覆蓋全球的移動(dòng)電話系統(tǒng)，這個(gè)方案和銥原子外圍包圍著77個(gè)電子的原子結(jié)構(gòu)很相似，所以被稱(chēng)為“銥系統(tǒng)”。這77顆衛(wèi)星分成7組，每組11顆，分布圍繞在地球上空、經(jīng)度上距離相等的7個(gè)平面內(nèi)的低軌道上；后又改為66顆小型智能衛(wèi)星在地面上空765km處圍繞6條極地軌道運(yùn)行，衛(wèi)星與衛(wèi)星之間可以接力傳輸，從而使衛(wèi)星天線的波束覆蓋全球表面。這樣，在地面的任何地點(diǎn)、任何時(shí)間，總有一顆衛(wèi)星在視線范圍內(nèi)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)全球個(gè)人通信。這種系統(tǒng)中的衛(wèi)星離地面高度較低，約為765km，所以叫做低軌道衛(wèi)星。由于衛(wèi)星離地球表面較近，每顆衛(wèi)星能夠覆蓋的地球表面就比靜止衛(wèi)星小得多，但是仍然比地面上移動(dòng)通信的基站覆蓋的面積大得多，從而使系統(tǒng)中衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域能布滿整個(gè)地球表面。這時(shí)，衛(wèi)星與移動(dòng)通信用戶之間的最大通信距離不超過(guò)2315km，在這樣的距離內(nèi)，可以使用小天線、小功率、重量輕的移動(dòng)通信電話機(jī)，通過(guò)衛(wèi)星直接通話。低軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)與地面蜂窩式移動(dòng)電話系統(tǒng)的基本原理相似，都采用劃分小區(qū)和重復(fù)使用頻率的方法進(jìn)行通信；不同的是低軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)相當(dāng)于把地面蜂窩式移動(dòng)電話系統(tǒng)的基站安裝在衛(wèi)星上。低軌道衛(wèi)星體積小，重量輕，只有500kg左右，利用小型火箭就可以發(fā)射，便于及時(shí)更換有故障的衛(wèi)星，有利于提高系統(tǒng)的通信質(zhì)量和可靠性。摩托羅拉所屬的“銥星”公司因市場(chǎng)定位及營(yíng)銷(xiāo)體制失誤等原因，已于2000年5月宣布倒閉，投入運(yùn)行僅僅兩年的“銥”系統(tǒng)已終止服務(wù)。但是低軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)并沒(méi)有被丟棄，許多國(guó)家和公司還在繼續(xù)研究開(kāi)發(fā)這一系統(tǒng)。提出低軌道衛(wèi)星方案的公司有近10家，除了“銥星”外，目前還有全球星（Globalstar）系統(tǒng)，8個(gè)軌道，48個(gè)衛(wèi)星；白羊（Aries）系統(tǒng)，48顆衛(wèi)星；柯斯卡（Coscon）系統(tǒng)，4個(gè)軌道，32顆衛(wèi)星；衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)（Teledesic）系統(tǒng)，21個(gè)軌道，840顆衛(wèi)星。

8.7.3中軌道（MEO）移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)低軌道（LEO）衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)手持機(jī)個(gè)人通信，但由于系統(tǒng)中衛(wèi)星數(shù)量多、壽命短，運(yùn)行期間要及時(shí)補(bǔ)充替代衛(wèi)星，使系統(tǒng)投資較高,因此，許多中軌道（MEO）衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案便應(yīng)運(yùn)而生。有代表性的MEO衛(wèi)星系統(tǒng)主有Inmarsat―P（ICO，中高度圓形軌道），TRW公司提出的Odyssey（奧德賽），歐洲宇航局開(kāi)發(fā)的MAGSS―14等。其中ICO和Odyssey兩個(gè)系統(tǒng)的星座和地面設(shè)施極為相似，采用了相同的軌道高度、幾乎相同的傾角和多波束天線。

8.7.4靜止軌道（GEO）移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)靜止軌道移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)與低軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的區(qū)別之處在于，它是利用靜止衛(wèi)星進(jìn)行移動(dòng)通信。用戶可以使用便攜式的移動(dòng)終端，通過(guò)同步通信衛(wèi)星和地面站，并經(jīng)由通信網(wǎng)中轉(zhuǎn)，進(jìn)行全球范圍的電話、傳真和數(shù)據(jù)通信。目前，海事衛(wèi)星（INMARSAT）系統(tǒng)是世界上能對(duì)海、陸、空中的移動(dòng)體提供靜止衛(wèi)星通信的惟一系統(tǒng)。INMARSAT網(wǎng)的衛(wèi)星分布在大西洋、印度洋和太平洋上空，形成全球性的通信網(wǎng)。地面站有岸站和大量的船站，船站之間通信時(shí)經(jīng)岸站雙跳中繼。星船之間的工作頻率是1.5～1.6GHz，星岸之間用6/4GHz。目前，INMARSAT網(wǎng)提供的業(yè)務(wù)有電話、用戶電報(bào)、利用電話電路的數(shù)據(jù)傳輸（話路數(shù)據(jù)速率為2.4Kb/s）、遇難安全通信（利用電話和用戶電報(bào)）、高速數(shù)據(jù)（船→岸單向，56Kb/s）和群呼（電報(bào)）等。除上述介紹的衛(wèi)星通信系統(tǒng)以外，衛(wèi)星通信在其它領(lǐng)域例如在軍事、氣象、資源探測(cè)、偵察、宇宙通信、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、業(yè)務(wù)廣播、全球定位等的應(yīng)用也十分廣泛。在將來(lái)要實(shí)現(xiàn)的個(gè)人通信中，衛(wèi)星也是必不可少的核心支柱之一。1.3.5移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)

利用衛(wèi)星中繼，在海上、空中和地形復(fù)雜而人口稀疏的地區(qū)中實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信，具有獨(dú)特的優(yōu)越性，很早就引起人們的重視。1976年，國(guó)際海事衛(wèi)星組織(IMARSAT)首先在太平洋、大西洋和印度洋上空發(fā)射了三顆同步衛(wèi)星，組成了IMARSAT-A系統(tǒng)，為在這三個(gè)大洋上航行的船只提供通信服務(wù)。其后，又先后增加了IMARSAT-C、IMARSAT-M、IMARSAT-B和IMARSAT-機(jī)載等系統(tǒng)。與此同時(shí)，在20世紀(jì)80年代初，一些幅員廣大的國(guó)家開(kāi)始探索把同步衛(wèi)星用于陸地移動(dòng)通信的可能性，提出在衛(wèi)星上設(shè)置多波束天線，像蜂窩網(wǎng)中把小區(qū)分成區(qū)群那樣，把波束分成波束群，實(shí)現(xiàn)頻率再用，以提高系統(tǒng)的通信容量。1993年，美國(guó)休斯公司提出的Spaceway計(jì)劃，是一雙星移動(dòng)通信系統(tǒng)，其目標(biāo)是為北美地區(qū)提供話音、數(shù)據(jù)和圖像服務(wù)。

眾所周知，接收信號(hào)電平是與通信傳輸距離的平方成反比的，利用同步衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)海上或陸地移動(dòng)通信時(shí)，為了接收來(lái)自衛(wèi)星的微弱信號(hào)，用戶終端所用的天線必須具有足夠的增益，甚至使用伺服平臺(tái)，保證天線能不隨載體晃動(dòng)而準(zhǔn)確地跟蹤衛(wèi)星。這樣的要求在船載終端或車(chē)載終端上可以實(shí)現(xiàn)，而在便攜式終端和手持式終端上還難以做到。盡管如此，迄今人們并沒(méi)有放棄利用靜止衛(wèi)星為手持式終端提供話音和數(shù)據(jù)服務(wù)的想法，試驗(yàn)和研究工作也不斷在進(jìn)行當(dāng)中。上面提到的國(guó)際海事衛(wèi)星組織已提出在21世紀(jì)實(shí)現(xiàn)使用手機(jī)進(jìn)行衛(wèi)星移動(dòng)通信的規(guī)劃，并把這一系統(tǒng)定名為IMARSAT-P。