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应用领域

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卫星通信:利用人造地球卫星作为中继站来转发无线电波,从而实现两个或多个地球站之间的通信。

人造地球卫星根据对无线电信号放大的有无、转发功能,有有源人造地球卫星和无源人造地球卫星之分。由于无源人造地球卫星反射下来的信号太弱无实用价值,于是人们致力于研究具有放大、变频转发功能的有源人造地球卫星——通信卫星来实现卫星通信。其中绕地球赤道运行的周期与地球自转周期相等的同步卫星具有优越性能,利用同步卫星的通信已成为主要的卫星通信方式。不在地球同步轨道上运行的低轨卫星多在卫星移动通信中应用。
同步卫星通信是在地球赤道上空约36000km的太空中围绕地球的圆形轨道上运行的通信卫星,其绕地球运行周期为1恒星日,与地球自转同步,因而与地球之间处于相对静止状态,故称为静止卫星、固定卫星或同步卫星,其运行轨道称为地球同步轨道(GEO)。

在地面上用微波接力通通信系统进行的通信,因系视距传播,平均每2500km假设参考电路要经过每跨距约为46km的54次接力转接。如利用通信卫星进行中继,地面距离长达1万多公里的通信,经通信卫星1跳即可连通(由地至星,再由星至地为1跳,含两次中继),而电波传输的中继距离约为4万公里,见图1。

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利用地球同步轨道上的人造地球卫星作为中继站进行地球上通信的设想是1945年英国物理学家A.C.克拉克(ArtherC.Clarke)在《无线电世界》杂志上发表“地球外的中继”一文中提出的,并在60年代成为现实。
同步卫星问世以前,曾用各种低轨道卫星进行了科学试验及通信。世界上第一颗人造卫星“卫星1号”由苏联于1957年10月4曰发射成功,并绕地球运行,地球上首次收到从人造卫星发来的电波。
美国于1960年8月把覆有铝膜的直径30m的气球卫星“回声1号”发射到约1600km高度的圆轨道上进行通信试验。这是世界上最早的不使用放大器的所谓无源中继试验。
美国于1962年I2月13日发射了低轨道卫星“中继1号"。1963年11月23日该星首次实现了横跨太平洋的日美间的电视转播。此时恰逢美国总统J.F.肯尼迪被刺,此消息经卫星传至日本在电视新闻上播出,卫星的远距离实时传输给人们留下深刻印象,使人造卫星在通信中的地位大为提高。
世界上第一颗同步通信卫星是1963年7月美国宇航局发射的“同步2号”卫星,它与赤道平面有30°的倾角,相对于地面作8字形移动,因而尚不能叫静止卫星,在大西洋上首次用于通信业务。1964年8月发射的“同步3号”卫星,定点于太平洋赤道上空国际日期变更线附近,为世界上第一颗静止卫星。1964年10月经该星转播了(东京)奥林匹克运动会的实况。至此,卫星通信尚处于试验阶段。1965年4月6日发射了最初的半试验、半实用的静止卫星“晨鸟”,用于欧美间的商用卫星通信,从此卫星通信进入了实用阶段。

覆盖范围

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静止地球轨道(GEO)卫星

全球覆盖的固定卫星通信业务静止地球轨道(GEO)卫星,轨道高度大约为36 000km,成圆形轨道,只要三颗相隔120°的均匀分布卫星,就可以覆盖全球。国际卫星通信组织的Intelsat I-IX代卫星。是全球覆盖的最好例子,已发展到第九代。

卫星在空中起中继站的作用,即把地球站发上来的电磁波放大后再反送回另一地球站。地球站则是卫星系统形成的链路。由于静止卫星在赤道上空36000千米,它绕地球一周时间恰好与地球自转一周(23小时56分4秒)一致,从地面看上去如同静止不动一样。三颗相距120度的卫星就能覆盖整个赤道圆周。故卫星通信易于实现越洋和洲际通信。最适合卫星通信的频率是1一10GHz频段,即微波频段、为了满足越来越多的需求,已开始研究应用新的频段,如12GHz,14GHz,20GHz及30GHz。

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移动卫星通信

全球覆盖的移动卫星通信海事卫星通信系统Inmarsat是全球覆盖的移动卫星通信,工作的为第三代海事通信卫星,它们分布在大西洋东区和西区、印度洋区和太平洋区,第四代Inmarsat一4卫星,已于2005年3月发射了第一颗卫星,另一颗卫星亦准备发射,它们分别定点在64。E和53。W,具有一个全球波束,l9个宽点波束,228个窄点波束,采用数字信号处理器。有信道选择和波束成形功能。
全球覆盖的低轨道移动通信卫星有“铱星”(Iridium)和全球星(Globalstar),“铱星”系统有66颗星,分成6个轨道,每个轨道有11颗卫星,轨道高度为765km,卫星之间、卫星与网关和系统控制中心之间的链路采用ka波段,卫星与用户间链路采用L波段。2005年6月底铱星用户达12.7万户,在卡特里娜飓风灾害时”铱星”业务流量增加30倍,卫星电话通信量增加5倍。
全球星(Globalstar)有48颗卫星组成,分布在8个圆形倾斜轨道平面内,轨道高度为1 389km,倾角为52度。用户数逐年稳定增长,成本下降,2005年比2004年话音用户增长。

多址联接方式

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多址联接的意思是同一个卫星转发器可以联接多个地球站,多址技术是根据信号的特征来分割信号和识别信号,信号通常具有频率、时间空间等特征。卫星通信常用的多址联接方式有频分多址联接(FDMA)、时分多址联接(TDMA)、码分多址联接(CDMA)和空分多址联接(SDMA),另外频率再用技术亦是一种多址方式。
微波频带,整个通信卫星的工作频带约有500MHz宽度,为了便于放大和发射及减少变调干扰,一般在卫星上设置若干个转发器。每个转发器的工作频带宽度为36MHz或72MHz的卫星通信多采用频分多址技术,不同的地球站占用不同的频率,即采用不同的载波。它对于点对点大容量的通信比较适合。已逐渐采用时分多址技术,即每一地球站占用同一频带,但占用不同的时隙,它比频分多址有一系列优点,如不会产生互调干扰,不需用上下变频把各地球站信号分开,适合数字通信,可根据业务量的变化按需分配,可采用数字话音插空等新技术,使容量增加5倍。另一种多址技术使码分多址(CDMA),即不同的地球站占用同一频率和同一时间,但有不同的随机码来区分不同的地址。它采用了扩展频谱通信技术,具有抗干扰能力强,有较好的保密通信能力,可灵活调度话路等优点。其缺点使频谱利用率较低。它比较适合于容量小,分布广,有一定保密要求的系统使用。

卫星通信系统的组成

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卫星通信系统包括通信和保障通信的全部设备。一般由空间分系统、通信地球站、跟踪遥测及指令分系统和监控管理分系统等四部分组成,如图
1.跟踪遥测及指令分系统
跟踪遥测及指令分系统负责对卫星进行跟踪测量,控制其准确进入静止轨道上的指定位置。待卫星正常运行后,要定期对卫星进行轨道位置修正和姿态保持。
2.监控管理分系统
监控管理分系统负责对定点的卫星在业务开通前、后进行通信性能的检测和控制,例如卫星转发器功率、卫星天线增益以及各地球站发射的功率、射频频率和带宽等基本通信参数进行监控,以保证正常通信。
3.空间分系统(通信卫星)
通信卫星主要包括通信系统、遥测指令装置、控制系统和电源装置(包括太阳能电池和蓄电池)等几个部分。
通信系统是通信卫星上的主体,它主要包括一个或多个转发器,每个转发器能同时接收和转发多个地球站的信号,从而起到中继站的作用。
4.通信地球站
通信地球站是微波无线电收、发信站,用户通过它接入卫星线路,进行通信。


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