卫星通信方法

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卫星通信方法

  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。

  (1)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。

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