卫星电视广播

人们打开电视机，便能看到世界各地的重要新闻、丰富多彩的文娱节目和种种电视教学节目……，电视已成为很多人的好朋友。但是，我们的祖国幅员辽阔、地形复杂，要想在祖国各处，包括广大的农村和偏僻的山区，都能收看电视，即保证电视的全国覆盖，却是一项十分艰巨的任务。

最初的电视广播是在各大城市建电视台，自己组织电视节目。这种电视台仅仅覆盖一个城市及其郊区，城市之间只能靠影片来交换节目，即使在覆盖区的边缘设些收转台，把节目接收下来再向更远的地区转播，由于每次收转都会降低信号质量，收转次数最多只能有五、六次，因此整个覆盖面积仍是非常有限的。继之而起的是用微波中继和同轴电缆线路传送节目的电视网。电视网把孤立的电视台联接起来，不仅保证了电视台间的节目交换、实现了中央台节目的全国联播，还给没有条件组织节目的中小城市提供了节目来源。但是，五十公里一站的微波线路和地下敷设的同轴电缆造价很高、维护复杂，长途传输时由于中间环节多，影响了传输质量和稳定性，此外，遇到沙漠和丛山，线路就难以通过，更无法跨洋过海。因此人们通常称之为“点对点”的传送手段，它象路灯一样只能逐点地照亮一条线，却不能照亮路两旁广阔的田野。六十年代出现了通信卫星，它能够把一个地面站发来的节目传给另一些有地面站的地方，再经当地电视发射台转播。这就使电视信号跨洋过海，实现了洲际转播。但是，通信卫星的地面接收站复杂昂贵，一般都是建在大城市或微波干线上，在地旷人稀的地方设立这种地面站和电视发射台来进行电视覆盖，是很不经济的。随着卫星技术和电子技术的发展，七十年代中期出现了电视广播卫星（又叫电视直播卫星），它是在同步卫星上装设功率较大的电视发射机（转发器），把地面传来的电视节目向指定地区转发，以直接实现大面积的电视覆盖。卫星电视广播的出现，使电视广播的技术体系发生了革命性的变化。

地球同步卫星位于地球赤道上空大约三万六千公里的高度上，它的运行轨道在地球赤道线平面内（如图1所示），同时，卫星沿地轴转一圈的周期恰等于地球的自转周期。也就是说，卫星是与地球同步旋转的，从地面看去它好象是固定在天空中一点上静止不动。这样，在地面上就可以用固定的天线对准它来接收，省去了复杂的天线跟踪设备，降低了接收机的造价，有利于普及。

由上述可见，保证卫星与地面的相对静止是很重要的。然而，卫星的同步与相对静止都是有条件的、近似的。轨道上的卫星绕地球作同步旋转时产生的离心力与地球引力相平衡，因此它与地面的位置保持相对静止。如果有很小一点外力破坏了这种平衡就会使卫星摆动或逐渐飘走，而产生这种破坏平衡的外力的因素又是很多的，例如：日、月的吸引力会使卫星轨道平面对地球赤道平面发生倾斜，这时从地面看卫星就不再是固定于一点不动，而是沿8字形轨迹摆动；再如，地球赤道截面并非精确的圆形，因而地球的引力并不是精确指向地心，除了向心力外还有使卫星向东或向西漂移的分量；就连平时不易觉察到的太阳辐射压力也会造成卫星漂移。那末怎样才能避免卫星漂走呢？解决办法是：精确测定卫星的漂移规律，用电子计算机算出校正量，定期开动卫星上的小型推进装置来校正卫星的位置，使之保持在规定范围内。

卫星姿态的控制也是很重要的，如果卫星的姿态发生误差，就会使星上的发射天线不能瞄准规定的覆盖区，影响接收效果，并对邻区产生干扰。保持卫星姿态的方法有自旋稳定和三轴稳定两类。也要利用推进装置来不断校正卫星的姿态。

推进装置的燃料贮量是决定卫星寿命的主要因素。一旦燃料用尽，卫星就无法控制，越漂越远，地面的固定天线也就不能接收了。目前卫星的寿命是七年以下，下一步可能延长到十年左右。

目前广播卫星的电源是太阳能电池。在地球附近，太阳能量的辐射密度在每平方米一千四百瓦上下，而目前制造的太阳能电池的转换效率仅能达到百分之十二左右，对需要一、两千瓦以至更多电能的广播卫星来讲，太阳能电池的面积往往要在十平方米以上。因此，广播卫星不能象一般通信卫星那样把太阳能电池片贴在星体表面上，一则星体表面积不够大，二则太阳只能同时照着星体表面的三分之一，发电量远不敷使用。广播卫星的太阳电池片大都装在伸出的电池翼上（见图1）。发射卫星时电池翼是折合的，卫星进入轨道后，电池翼张开并自动对准太阳，以便吸收更多的能量。

由于卫星的同步轨道只有一条，对于一个覆盖区来说，卫星的位置似乎应选在覆盖区中心的经度上才经济、合理。然而，实际的卫星位置都是沿轨道向西移动一段距离。这是因为，每年春分、秋分时节，在卫星所处经度的午夜前后，太阳、地球、卫星几乎处在一条直线上（如图2所示），地球挡住了射向卫星的阳光，造成了卫星的日蚀，叫作星蚀。每年有90天发生星蚀，最长的星蚀时间为七十二分钟。由于重量限制，星载蓄电池只能供应维持星体正常运转的少量电能，不够电视广播之用。为了使星蚀停电发生在夜间电视广播结束后，可以把卫星位置西移。每移一度，覆盖区中心的星蚀停电时间将推迟四分钟，西移三十四度，能使最早的初蚀时间推迟到覆盖区中心的午夜一点半钟之后。但是，卫星西移使得电波射向覆盖区时倾斜度加大，在大气层中传播的距离加长，这样雨雪吸收电波的作用加剧，将使电波减弱，所以卫星西移不宜过远。

按照国际规定，卫星广播的可用频段有六个。其中22.5～23、41～43、84～86千兆赫三个频段技术尚未成熟，属于发展远景。目前可用的频段有620～790兆赫、2.5～2.69千兆赫和11.7～12.2千兆赫三段。在这三段中，12千兆赫段是规定供卫星广播业务用的，其它业务不得干扰。这个频段的频率范围较宽，可以容纳较多的节目。而且由于频率高、波长很短，星上发射天线可以做得很小，因此它是目前卫星广播的主用频段。它的缺点是雨雪对电波的吸收较大。2.5千兆赫频段的技术性能很好，雨致衰减、工业干扰都不大。但是这一频段要优先保证已有的地面通信业务，对卫星广播电波强度规定了严格限制，只能提供集体接收所需的场强，加上它的频带不宽，可容纳节目不多，使这个频段的应用受到了很大限制。尽管如此，一些多雨的热带国家为了避免大雨引起停播，仍打算在这一频段进行卫星广播。700兆赫是地面分米波电视广播的频段，因此只有在地面还没有分米波电视广播的地方才可能利用。这个频段用作卫星广播优点很突出：电波传播性能好，雨雪吸收很小；频率低，接收器件的噪声低、好做，对天线的精度要求也不高，甚至可用网状反射器或八木天线，因此接收设备简单便宜；此外，对卫星的定点精度要求也较低。它的缺点是：由于频率低，星上往往要设置8～9米的大型发射天线，从目前技术来讲，这是较困难的，此外，这频段的工业干扰也较大。

这一代的卫星广播将采用调频的方式，这是目前工艺条件下较为合适的方式。如果采用与地面广播相同的残留边带调幅制，那末现有的电视机就可以直接接收卫星广播而不必增设调频—调幅转换器。但是调幅制的抗干扰性能差，要达到与调频制相同的质量，星上发射功率要加大几十倍，这在目前还是做不到的。另一种可供比较的方案是数码调制，这种方法的抗干扰性能也很好。但是采用这种方法每个接收设备都得附加数码—模拟信号转换器，这无疑会使接收设备复杂化，提高造价，不利于普及。因此，相比而言，在目前条件下采用调频制是较为合适的。采用调频制后，每路电视节目带宽约27兆赫，看起来比地面电视广播每路7—8兆赫要宽几倍，但是调频制的抗干扰性能强，同一频道的复用次数较多，因而总的频谱利用效率反而比调幅制高。

广播卫星有个体接收和集体接收两种标准。按个体接收标准〔地面电波强度-103分贝（瓦／平方米），即42.8分贝（微伏／米）〕播送一套节目覆盖我全国，卫星的发射功率约需四千瓦。家用电视机只要配上一套附加接收设备，就可以直接收看卫星转发的四、五套电视节目。这种附加接收设备包括一个直径在1米以下的抛物面天线、一套放大、变频器和调频一调幅转换器（如图3所示）。在使用时天线要置于室外，对准卫星。这样一套附加接收设备的造价目前估计约需四、五百元。这是真正的卫星直播，是发展前景。按集体接收标准〔地面电波强度-111分贝（瓦／平方米），即34.8分贝（微伏／米）〕，覆盖全国的卫星发射功率就可以小多了，大约六百瓦即可。在地面用直径两米左右的天线接收，收到的信号经转换后用电缆送给各家的电视机，或用小型发射机转发，覆盖附近地区。在发展卫星广播的初期，还可以适当降低接收标准，在接收设备造价不过分增加的前提下，加大接收天线，以降低卫星功率使之便于实现。建设大量的接收点，配以小功率的转播发射机就可以一举解决全国的电视覆盖问题。这样做，用户只买电视机就能收看，不需添购接收设备，可以不增加群众的负担。

卫星电视广播覆盖面积大，一颗广播卫星就能覆盖我国960万平方公里的面积。而在地面上，一座发射功率50千瓦、塔高200米的发射台，覆盖面积也只有二万三千平方公里。要覆盖我国全部国土，需要修建这种大型发射台四、五百座！这需要巨大的投资、维护力量和传送节目的线路。再来看看发射功率的利用效率：上述50千瓦发射台覆盖区边缘的电波强度为每米1毫伏，这相当于廉价电视机所需要的电波强度。而在两万三千平方公里的面积上保持这样电波强度所需的功率只有五十多瓦，大约只占五十千瓦的千分之一，效率真是低得惊人！这是因为地面发射台发出的电波强度太不均匀：天线附近的电波过强、远远超过接收机的需要；直视范围以外电波渐减弱不能保证可靠接收；还有一部分电波射向天空未被利用，大部分的功率就这样浪费掉了。卫星广播的情况恰好相反。卫星上的天线象探照灯一样把电波聚成细束，均匀地射向覆盖区，加之其地面接收设备灵敏度较高，可以接收较弱电波，因此，虽然卫星的发射功率比地面发射台小得多，覆盖面积却大了几百倍。此外，卫星广播比微波线路的转送环节少，因而传送质量好、稳定可靠。加之电波自上而下，接收仰角高，不易受高山大楼遮挡，也显著减轻了由于高大建筑物反射电波所造成的重影问题。

与通信卫星相比，广播卫星的地面接收设备简单便宜，适于普及。通信卫星为了扩大通信容量，往往带有一、二十个转发器，每个转发器的发射功率只有六至八瓦，最多十几瓦。而为了扩大通信范围，一颗通信卫星往往要覆盖三分之一地球表面，即一亿七千万平方公里。几瓦的功率分布到这样大的面积上，地面收到的电波自然非常微弱，因此需要直径达三十米的巨型天线，复杂昂贵的跟踪设施和接收设备。广播卫星的发射功率有几百瓦，又用窄波束把能量集中射向较小的覆盖区，因此它的地面电波强度是通信卫星的几十倍。提高卫星发射功率来简化接收设备，是降低卫星广播系统投资的有效方法，是技术发展的趋向。总的看来，对于象我国这样幅员辽阔的国家来说，利用卫星进行覆盖比地面建网费用要低得多。随着航天技术的发展，节约将更为显著。

总而言之，努力发展卫星电视广播是一条多快好省地实现大面积电视覆盖的道路；一条采用先进技术，跨越别人的发展阶段，迎头赶上的道路，一条通向下一代高质量电视的道路。卫星电视广播目前虽然还处在发展初期，但已显示出了巨大的生命力。可以设想，将来人类可以把电视发射台送往太空，台里装有许多大功率的发射机，直接向地面播送高质量的彩色电视节目。维护人员定期乘坐航天飞机前去添加燃料、检修或更新设备，发射台的寿命再也不受燃料和器件的限制了。整个电视广播体系就根本改观了。（许中明）