卫星通信

长期以来，短波无线电通信一直是国际通信的主要工具，但由于短波频段窄、电台多，相互之间干扰严重，而且短波在传输过程中容易受到外界条件变化影响，通信不很稳定，限制了通信质量进一步提高和通信容量的扩大。后来微波中继通信逐步发展，它在质量和电路数量上，都显示出了优越性。卫星通信也是微波中继通信的一种方式。

卫星通信是利用通信卫星作中继站来转发微波信号，使得两个或两个以上地面站能同时相互进行通信和转播电视。图一是卫星通信示意图，以A站为例，从地面站A发射的电波经过卫星中转（放大和变换频率）可以发到地面站B、C、D……。同时B、C、D等地面站发射的电波也可以经过同一卫星中转而到达地面站A。卫星通信的容量大、质量高、距离远，又可建立多址接续的通信网，正在迅速发展，为满足日益增加的国际电报、电话、数据通信、传真、电视广播的需要开辟了新途径。

目前国际通信卫星是采用“静止卫星”系统。实际上通信卫星并不是静止的，它是在离地球赤道约35,860公里的高空轨道上，以大约24小时围绕地球运转一周的速度，自西向东运转。因为卫星绕地球转一周的时间与地球自转一周的时间是完全一样的，所以从地面上看通信卫星好象是“静止”的。

从卫星向地球赤道面引两条切线，如图二所示，就可在地球上这二条切线范围内设立若干地面站组成区域性的通信网。如果在离地球赤道35,860公里的高空轨道上，适当安排三至四个大容量的静止通信卫星，就可以建立全球性的通信和电视转播。图三示出安排三个通信卫星的情况，其中用黑色表示的重叠区内可用二副方向不同的天线，同时用两个卫星对二个不同地区进行通信（例如Ⅱ区可使用卫星1或卫星2），用线条表示的静区内（如地球的南、北极）则不能直接使用通信卫星，但可以采用其他通信工具，如微波、地下电缆，与卫星通信网连接。在Ⅰ区内的地面站如需和Ⅲ区内的地面站通信，可以经过Ⅱ区的地面站进行转接，称为二次跳跃，但由于电波走过的路径太长，产生时间延迟，因此，通常不采用这种方式，而是用一次卫星，然后再通过地面转接的方式来沟通国际通信。

图四为通信卫星系统方框图。它主要包括通信系统、遥测遥控系统、电源系统。

一、通信系统：它由天线、收发信机和频率变换等部分组成。信号的接收和发送是依靠始终指向地球的定向天线来完成。虽然卫星对地球的空间相对位置是固定的。但为使卫星稳定，卫星本身还要按每分钟几十周的固定速度自转。为了使得天线指向不因卫星自转而偏离地球，采用了消旋天线，这就是使天线与卫星方向相反、速度相等地旋转，从而抵消卫星自转的影响，保证天线准确地指向地球。卫星上的通信天线通常使用宽波束天线，保证它在地球上的覆盖面内都可以质量稳定地进行通信。

一个卫星要同时进行电波收、发两项工作，就必须把收、发电波分开，为此，必须用不同的收、发信频率。这是由卫星上的变频装置来完成的。卫星通信的工作频带一般宽度为500兆赫，地面站向卫星发送的频率为5925兆赫至6425兆赫（简称6千兆赫），卫星发回地面站的为3700兆赫至4200兆赫（简称4千兆赫）。卫星变频装置内有一个2225兆赫的本地振荡器，把从某一地面站接收到的6千兆赫频率与2225兆赫混频，变换成4千兆赫的频率发至另一地面站。

卫星上的收、发信机的功能主要是补充电波在长距离空间传输的能量损耗，即将信号放大，以保证地面站接收到的信号有足够强度。通常接收用隧道二极管放大，发送用行波管放大。这种设备频带宽、噪声低，而且结构简单、可靠性高，有利于简化遥控操作。

二、遥测遥控系统：为了使通信得到保证，有专设的地面控制站，通过指令设备、编码器、译码器和专用收发信机和天线系统等，与卫星上相应的遥测遥控系统沟通，及时掌握卫星内部各种设备工作状态的工程参数和环境参数，以便作出判断，由地面控制站向卫星发出指令信号，启动卫星上各种控制设备，进行适当的调整。例如当天线波束指向偏离地球、卫星运转偏离轨道，这时，对卫星就要进行姿态控制和轨道控制。

三、电源系统：通信卫星上有二种电源，一种是太陌电池，一种是化学电池。太阳电池作为常用电源，化学电池只是在阴影区期间使用，而在日照区时由太阳电池对它进行充电。

太阻电池是把太阳光能转换成电能的装置。它是用特殊的N－P型硅单晶，制成1×2平方厘米或2×2平方厘米的小块，然后进行串并联，构成太阳电池板，安装在卫星表面。化学电池常用镍—镉蓄电池。这种电池充电效率高、耐过充电、过放电性能好。

发射一颗静止卫星一般需要三级火箭的推力，卫星本身还装上了远地点发动机。如图五所示，设卫星从赤道发射，第一级火箭点火，把卫星推至A时，第一级火箭脱落。随即在B点第二级火箭点燃，推进到C时，第二级火箭熄灭脱落。从C至D是利用惯性推动卫星前进，并在D点第三级火箭点火，把卫星推进到过渡轨道的近地点，当卫星飞行到过渡轨道的远地点时，卫星上的远地点发动机点火，最后将卫星送至静止轨道运转（参看图六）。

实际上卫星发射不一定在赤道上，过渡轨道与赤道面可能有一倾角，如图七所示。卫星在远地点发动机发动之前，要进行姿态控制，使它的自旋轴与飞行方向保持一定角度。在远地点发动机发动后，使卫星在原过渡轨道上的速度与发动机推力所产生的速度合成的速度，恰好等于卫星进人静止轨道上所需的速度。当卫星进到赤道面的静止轨道上以后，启动推力喷管，精确修正轨道，最后调正卫星姿态，使卫星自旋轴与地球赤道面垂直。

地面站的一项重要指标是性能指数G／T值，G为天线增益，T为接收系统等效噪声温度。地面站的G／T值一般应≥40.7db／°k。因此天线直径应大于25米，收信机的低噪声放大器的噪声温度应小于20°K（相当于-253℃）。在卫星通信中，提高天线增益和降低接收系统的噪声温度是提高通信质量、降低成本的关键。图八是地面站系统方框图。

一、天线系统：卫星通信地面站装用卡塞格伦型天线，如图九所示，它主要由辐射器、抛物面主反射器、双曲面副反射器组成。由功率放大器输出的发射电波，经辐射器辐射到副反射器表面，由副反射器反射到达主反射器上。从主反射器出来的电波是一束相位相同的平行波束射向卫星。接收电波是按其相反方向进入低噪声放大器进行放大。地面站收、发共用一副天线，收、发信电波的分开是依靠频率的不同和极化分离器来完成的。

地面站还必须备有跟踪设备，使地面站天线在任何时候都对准卫星。现用跟踪方式有三种：自动跟踪、程序跟踪和手动跟踪。

二、发射系统：地面站发射系统必须保证在500兆赫频带宽度内能更换任意发射频率，并有足够的发射功率。它主要由基带转换器、调制器、变频器、功率放大器等组成（图十）。基带信号首先送入调制器进行频率调制，变成70兆赫的调频信号，再经过变频器变换成6千兆赫的发射频率，由行波管、速调管组成的功率放大器将信号放大到足够功率后，馈送至天线辐射出去。

由于国际通信电路的增加，许多地面站共用一个卫星，各地面站发射的频率都要同时被卫星变频和放大，同时由于卫星放大系统输人输出特性的非线性，产生高次互调分量，对附近的信号载波产生干扰。尤其是信号载波无调制时，干扰噪声分量最大。为减小这一影响，在卫星通信中采用能量扩散技术，就是在载波无信号调制或调制信号小时，人为地加入一个对称三角波进行调制，使干扰能量密度得以扩散，干扰程度大为降低。能量扩散技术一般是在发信基带内加入，收信基带内去掉。

三、接收系统：接收系统也必须能在500兆赫的频带内接收任何频率的载波信号。它主要由低噪声放大器、变频器、解调器、基带转换器组成（图十一）。从天线来的4千兆赫信号，首先送至低噪声放大器放大，经变频器变为70兆赫中频，解调后取出基带信号，送给终端设备。

在地面站中，低噪声放大器一般采用多级变容二极管的参量放大器，它是利用在一个高频泵源激励下，使变容二极管容量发生变化，达到信号放大的目的。收信机噪声主要来自电阻，而参量放大器的参量变化基本上是电抗成分，所以放大器本身的噪声温度很低，目前自然冷却（常温）的低噪声放大器噪声温度约为90°K，氦气冷却的可达20°K，如果要得到更低的噪声温度可用液氦冷却。

四、通信控制系统：这个系统是全线路的中枢，它可监测终端设备信号、监视各系统的工作情况和控制设备运转，并备有选接其他地面站或地面控制站的联络电话和联络电报设备。

五、终端设备：地面站设有电话终端设备和电视终端设备。

电话终端设备是用来把收信机接收到的各地面站发来的话路信号分开并送给各用户，把所有本地送来的用户话路信号有规律的组合起来送到发信机去，各话路以4千赫间隔分置，组成基本频带（基带），话路越多基带越宽。12千赫以上为业条信道，12千赫以下作为各地面站间联络用。

电视终端设备是用来监控和转接电视台（或电视中心）送来的图像信号。对于不同的电视制式，必要时还须设有电视制式转换设备。

六、电源系统：地面站中的设备，除功率放大器和天线驱动系统需要大电力供电设备外，其它大部分由于采用集成电路，可由蓄电池或小功率低压整流器供电，并设有备份油机发电机，保证地面站设备不间断地运行。(北京卫星通信地面站)