卫星通信和卫星通信地面站

卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站转发无线电波，在两个以上的地面站之间进行通信。实现卫星通信的条件是各地面站的天线必须同时对准同一颗卫星。一般的卫星围绕地球旋转一周的时间和地球自转的周期不相等，其轨道平面与地球赤道平面也不重合，这种卫星相对地面来讲是运动的，叫非同步卫星。利用非同步卫星通信，当卫星转到地球背面时通信就会中断了，因此除了高纬度区外，目前都采用同步卫星通信。同步卫星是在地球表面看起来不动的卫星，它必须在赤道平面内沿圆轨道自西向东围绕地球旋转，而且高度有一定要求，大致为35840公里，以保证同步旋转。图1是同步卫星的轨道示意图，R是地球半径，H为卫星到地面的距离，V是卫星运动速度。实际上同步卫星还不能达到在地面上看来是一点也不动的，因此大型卫星通信地面站都没有自动跟踪装置，以保证天线随时对准卫星。

在高度将近三万六千公里的同步卫星上设置一个中继站，可以俯视地球表面三分之一的区域。这样我们只要在同步轨道上等间隔的放上三个同步卫星中继站，再加上若干地面站，就可以构成除两极地区之外的全球卫星通信网。图2即为A、B两地间实现卫星通信的示意图。每个卫星中继站所转发的波束在地球表面上各有一个覆盖区，每两个卫星中继站的覆盖区应有交叉部分，即共同覆盖区（见图3）。由于目前还不能实现两颗同步卫星间的直接无线电联系，我们必须在各共同覆盖区内设置地面中继站，才能实现全球通信。

安装在同步卫星上的中继站叫作转发器，它只有一副天线，波束对准地球，其组成可由图4表示。除转发器外，卫星上还装有：保证天线波束对准地球或地球上某一地区的卫星姿态控制系统；修正卫星位置用的小火箭发动机及燃料箱；供电装置和遥测遥控装置等。

在卫星通信系统中，几十个甚至几百个地面站都要通过一个卫星转发器相互通信，怎样才能保证一个地面站发出的信号只被指定的地面站接收，而不和其它地面站发出的信号互相串扰呢？解决这种多址联接问题的主要办法有频分多址、时分多址、码分多址和混合多址法。利用各地面站向卫星发射信号的频率不同，从而由卫星转发回各地面站信号频率也不同的方法来区分站址，叫作频分多址。所谓码分多址，是指各地面站采用各自独特的波形信号（即编码）对载波进行调制，向卫星发射相同频率的无线电波来区分站址。目前在民用卫星通信中广泛采用频分多址，码分多址则用于军事通信。时分多址是一种新技术，各地面站都采取周期性脉冲发射，但要保证各站发来的信号到达卫星天线时，按规定次序排列，使每一瞬间只有一个地面站的信号进入转发器，利用不同的时隙来区分站址。这种通信方式能充分利用转发器的功率，在信道调配的灵活性方面也有独特的优点，因此各国都在大力研究试验。

卫星通信具有通信容量大和可靠性高的优点，它不受距离和地形的限制，很适合于全球通信。近几年来还出现了专门用于地区通信的卫星，它的天线具有较强的方向性，波束只覆盖地面上一个不大的区域，叫作区域波束或窄波束。

通信的目的是把消息告诉对方。在许多情况下原始的消息是通过连续变化的电压来表示的，例如人的讲话声音和图象经话筒和摄象机就变成了连续变化的电压，把这种连续变化的电压通过有线或无线的方法直接传送给对方，对方就可以用喇叭和显象管把连续变化的电压恢复成话音和图象，通信的目的就达到了，这是模拟制通信，图5是模拟制通信示意图。

另一种新发展起来的通信方式是先把用连续电压表示的原始消息改造成一串电码（和电报信号相似），然后把电码通过有线或无线的方式传给对方，对方收到电码后首先必须设法将它还原为连续变化的电压信号，然后才能送到喇叭或显象管去变成话音或图象，这就叫数字通信。数字通信的过程可用图6粗略表示，其中编码器负责把连续信号改造成电码，译码器则反其道而行之，把电码恢复成连续信号。

模拟制通信抗干扰能力较差，信号经多次转发后由于噪声和失真的积累质量下降很多。数字通信具有较强的抗干扰能力，信号经多次转发后仍能保持很高的质量。此外数字通信还具有便于保密的优点。数字通信由于具有上述优点而得到越来越广泛的应用，建立全国情报资料网、全国计算机网、自动化防空系统、自动化指挥系统等等，都要用到数字通信。当然，事物都是一分为二的，数字通信与模拟通信相比，设备比较复杂，占用的频带较宽。

卫星通信地面站的任务是：（1）把需要送走的信息通过无线电波发射到同步卫星上去。（2）接收来自卫星的无线电波，检出需要的信息送给用户。为了完成上述任务，地面站必需配备下列设备：（1）一副对准卫星的天线（有的地面站装有两副天线，分别对准两个同步卫星）：（2）功率足够大的发射机；（3）噪声足够低的无线电接收机；（4）通信终端设备；（5）伺服跟踪系统和（6）用以保持与远距离城市联系的微波中继站设备。

卫星通信地面站按通信制度可分为模拟制地面站和数字制地面站两种，它们的区别主要体现在终端机上，收发信机则是差不多的。还有这两种制度混合使用的地面站，我国最近研制成功的“数字”制卫星通信地面站，通话是数字制，收电视却是模拟制的，因此也应属于混合制地面站。

区分地址是卫星通信地面站的重要任务。对于频分多址来说，区分地址的工作是在接收机里进行的，而时分多址和码分多址则是在收端终端机里区分地址。图7是频分多址接收机示意图。各本振的频率不同，因此可以把频分多址合成信号按地址分开，分别送入各自的中放和终端机。

在卫星通信地面站中，参量放大器是一项关键设备。同步卫星距离地面将近三万六千公里，卫星转发器发出的无线电波到达地面站时已经很微弱了，这就要求地面站有足够大的天线，以捕捉更多的信号。对于天线收到的卫星信号不能用一般的放大器来放大，因为信号会被一般放大器内部产生的噪声所淹没。通常要采用参量放大器，而且要安放在致冷机中。环境温度愈低，放大器的噪声也愈低，致冷机中的温度可低于摄氏零下二百多度，这时参量放大器的等效噪声温度可以降到20°K左右（相当于摄氏零下253℃）。

天线必须对准卫星才能进行卫星通信，对准卫星的任务是由伺服跟踪系统完成的。伺服跟踪系统的具体方案很多，下面我们以自动跟踪为例作一简单说明。图8是天线自动跟踪系统示意图。卫星向地面发射的信号中有一个特殊的信号——信标，它主要是用来跟踪的。地面站的天线收到信标后，馈源输出两个信号，一个称作“和”信号，一个称作“差”信号。“和”信号幅度在一定指向误差范围内变化很小，“差”信号却随误差增加而猛增。当天线轴对准卫星时，没有误差，“差”信号等于零，跟踪接收机没有误差信号输出。当天线轴偏离卫星时, 误差的方向不同，“和”、“差”信号之间的相位差也不同，“差”信号相对于“和”信号的强弱表示误差角的绝对值。这时，跟踪接收机把“和”、“差”信号变成能驱动伺服系统的俯仰误差信号和方位误差信号输给伺服系统，而后者则带动天线转动。天线、跟踪接收机和伺服系统一起构成一个闭环自动控制系统，保证在任何情况下天线基本上对准卫星，误差在允许的指标范围内。

卫星通信是一门崭新的通信技术，它具有一些其它通信方式无法比拟的优点，它从诞生到现在，虽然只有十几年的历史，却引起了人们的极大重视，发展非常迅速。现在，卫星通信已成为在全球范围内通信的主要手段。（蒋君章）