宇宙通信

近几年来，由于空间探索工作的发展，无线电通信已不仅限于在地球表面的范围内，而是扩展到宇宙空间里去了。“宇宙通信”就是指地球和星体之间及星体和星体之间的无线电通信。宇宙通信可分为下述几种。

1．星体和地面间的无线电通信叫做“地—星通信”星体可以是人造星体如人造卫星、宇宙飞船等；也可以是自然星体（参阅图1）。

2．利用星体转发地面信号并送回地面，以实现地面上的远距离通信,叫做“地—星—地通信”。利用人造地球卫星转发信号的地—星—地通信称为“人造地球卫星中继通信”。利用自然星体转发信号的地—星—地通信称为“自然星体中继通信”。

3．地球外两星体间的无线电通信叫“星—星通信”，例如宇宙飞船和宇宙飞船间，或宇宙飞船和月球间的通信等。

4．第四种通信称做星面通信。为了探测其他星体，通常都需建立星面通信，例如月球表面上的通信，金星表面上的通信等。

现阶段所发射的实验性和探测性的人造地球卫星或宇宙飞船，主要目的在于探索地球外围空间，飞行轨道的高度都在离地数百公里以内。它们和地面站间的无线电通信是属于“低高空地—星通信”。

低高空地—星通信所使用的是波长短于20米的短波和超短波。我们晓得地球大气层上部的电离层，会把波长大于20米的电波反射回来，而使它不能通过。因此，在宇宙通信中不能使用短于20米的无线电波。

人造卫星或宇宙飞船和地球间的通信，包括两种通信系统；一种是遥控、遥测用的通信系统；另一种是电报、电话、电视用的通信系统。

在人造卫星上或宇宙飞船上所获得的探测数据，首先记录在磁带上；当人造卫星或飞船飞过指定地区时， 由地面站发出无线电遥控命令，使磁带上的记录通过发射机和天线传播到地面上来。宇宙飞船或人造卫星的飞行轨道也需从地面站利用天线电遥控方法加以控制。由于测量数据和遥控命令种类很多，传送这些命令和数据就需要无线电多路通信系统来实现。

在低高空人造卫星或宇宙飞船上所使用的无线电通信设备，基本上与地面上的相同；但必需要求；体积尽可能小，重量尽可能轻，功率消耗尽可能小，可靠性很高，并能够在火箭发射过程中抵抗巨大的震动。因此，在人造卫星或宇宙飞船上的通信设备，绝大部分是用半导体器件或固态元件做成的。

距地面5000公里以上的人造卫星或宇宙飞船都称为“高高空人造卫星或宇宙飞船”。实现高高空人造卫星或宇宙飞船和地面间的通信，以及宇宙空间超远距离的通信，与地球大气层以内的人造卫星或宇宙飞船和地面间的通信不同。

首先，在选择工作波长方面，频率必须高于1000兆赫（波长小于30厘米），以避免宇宙银河噪声的干扰及通过电离层时的过大衰减。另一方面频率又必须低于10000兆赫（波长大于3厘米），以避免大气噪声的干扰。频率选择得愈高，定向天线的增益愈大，可使人造卫星或宇宙飞船上天线的重量愈减轻。因此，对于超远距离的宇宙通信或高高空人造卫星、宇宙飞船和地面间的通信频率以选用2千兆赫至10千兆赫为适宜，即选用波长为15厘米至30厘米的微波波段。现在实验性的高高空人造卫星所采用的工作频率为2000兆赫至6000兆赫。

其次是对电子器件的选择，从小体积、轻重量、低消耗功率、高可靠性来看，选用半导体最好，故空间接收系统多采用半导体管。但目前它们的工作频率和功率由于制造技术条件的限制，还只能适合于1000兆赫以下，对于2千兆赫以上的或大功率的发送系统还不适宜。2千兆赫以上发送系统的电子器件以采用行波管或速调管为宜，它们的输出功率有数瓦，工作频率高于2千兆赫，寿命长，至少可超过1万小时。目前有的通信卫星，就是采用行波管的。

利用人造地球卫星，可作为中继站以解决地面上的远距离无线电通信问题。

人造卫星可以是“无源式”的，也可以是“有源式”的。无源式人造卫星是把卫星作为无线电波的反射体，转发地面站送来的信号。在有源式人造卫星上装有中继用的收发信设备，把地面站送来的信号放大并变频后再发回地面。

无源式卫星直接将无线电波反射回去，故无源式卫星接收和转发的波长相同。有源式卫星接收电波的波长和发射电波的波长必须不同，否则会激起卫星上放大器振荡。

由于接收天线所收到发射天线所发射的功率与两天线间距离的平方成反比，很明显无源式中继卫星，自己没有放大能力，因此它的地面站发射功率较有源式卫星要大得多，往往要大数十倍。

按卫星相对地面状态，人造卫星中继通信又可分为“稳定卫星中继通信”和“转动卫星中继通信”二种。

（l）稳定卫星中继通信：当卫星离地面高度为35700公里并和地球运行方向一致时，卫星绕地球转一周的时间恰好和地球自转一周的时间相同，都是24小时；因而卫星位置对地球而言是相对静止的。这种卫星称为“稳定卫星”，又称为“24小时轨道卫星”。利用一个稳定卫星可以转播从地面上收到的电视节目，使很广的地区都可以收到转播的电视节目。稳定卫星也被用来做为两个相隔很远的地面站间的中继站。

当然中继通信也可以直接用两个稳定卫星进行转接，但在控制方面将会遇到较大困难。更好的方法是在同时可见到2个稳定卫星的地面再建立中继站。

利用在赤道面内均匀分布的三个稳定卫星就能够保证全球的远程通信，它的示意图如图2。

人们希望卫星上的定向天线能够同时照射整个地面上能见到的地区。因此，最小允许的天线射束宽度为18°左右。

（2）转动卫星中继通信：人造卫星离地面高度低于35700公里（一般常是低于5000公里）的，它绕地球一周的时间小于24小时，因而它对地球是相对转动的，称为“转动卫星”。

一个转动卫星作为地面站间的中继站有两种方式：（1）一种是具有较大通信中断率的系统，地面站间只在24小时内的一定时间百分数中才能通信，即仅当转动卫星同时被地面站看见的时候才能通信。（2）另一种是储存间歇工作的，这时不要求卫星同时被地面站看到,当卫星飞过发射站上空时，它把发送信号接收并储存起来，在卫星飞过接收站上空时根据接收站的指令把储存信号转发出去。因此一个转动卫星就有可能保证地面上任意两点间的间歇通信。

利用转动卫星获得连续通信，必须发射很多的人造卫星。

利用转动卫星还有其他一些缺点，例如需要复杂的地面跟踪设备，以及会产生多普勒频率移动现象等。

利用自然星体转发地面信号称为“自然星体中继通信”。目前已在研究的有“月球中继通信”和“金星中继通信”。月球和地面间通信，地—月—地全程约为72.9万公里。利用金星反射，地—金星—地全程约为10200万公里。这都是宇宙间的超远距离通信。现阶段实际可被利用的超远距离通信的频率为2000至10000兆赫（即15厘米至3厘米波长）。

远在1954年，10厘米波长即已被科学家们用来对月球进行反射地面信号的实验。为了减少向月球发射信号的发射机的必需功率，使用了约10微微微瓦高灵敏度的无线电测量接收机，这时接收机输入端等效噪声功率约为10微微微瓦，发射机输出功率约为1千瓦，天线是直径为4米的抛物面反射镜。

对金星或更远的自然星体进行通信，问题就更复杂了。由于距离大大地增加，一方面必需增加发射机的输出功率，增大定向发射天线和定向接收天线的面积;另一方面还必需采用更低噪声的接收机，为此，必需采用更低噪声的放大器，如量子放大器或参量放大器，并将天线建立在很高的高空里，使天线可不受地面周围环境噪声的影响。

利用红外线可见光、紫外线作为宇宙通信也很有利，因为波长极短，反射镜天线增益很大，用较小的光源功率即可辐射到很近的距离。因此利用光波通信较利用无线电波通信可能达到更远距离。

红外线的波长范围为400至0.77微米，其中从9微米至0.77微米部分辐射较强，大气层吸收较小，适合于宇宙通信用。特别是在大气层以外的宇宙空间，由于红外线传播不会遭受到大气层的衰减，通信距离远，预料宇宙飞船将有可能应用红外线通信机。

紫外线的波长范围为0.39至0.004微米。根据科学家的预测，人造星体和地球间用紫外线通信的最佳波段大约是在0.39微米至0.3微米之间。随着光学技术的进展，紫外线宇宙通信将有可能得到发展。图3为一个作紫外线通信的光发射机，这里是利用一个旋转的阴极射线管，用强聚焦方法的电子束光点以产生所需的紫外线，并用控制极以进行调制。

近年来由于睐泽的发展，科学家们认为利用睐泽产生的单色的相干可见光，进行宇宙通信是极有希望的。此外，也还有人设想利用亚毫米波、X射线、r射线、偏转的太阳光以及一些质点（例如：电子束、离子束以及中性原子束等）进行通信的可能性。不过这些方法除可见光通信外，在目前的技术条件下，大部分在实用上还是有困难的。我们相信，随着宇宙飞行及空间探索工作的发展，将逐渐判明哪种宇宙通信方式是最有现实意义的。（高崇龄）