衛(wèi)星通信技術(shù)簡(jiǎn)述

魏銘 王明月 張德慧

摘 要：隨著科技的不斷發(fā)展，衛(wèi)星通信技術(shù)不斷成熟，廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域各個(gè)行業(yè)，為人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)了諸多便利，本文簡(jiǎn)述了衛(wèi)星通信技術(shù)的組成、原理、優(yōu)劣勢(shì)和分類，就典型代表衛(wèi)星光通信來(lái)表述衛(wèi)星通信的重要性。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星通信

一、衛(wèi)星通信系統(tǒng)基礎(chǔ)

1、組成與原理

衛(wèi)星通信是指利用衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)或反射無(wú)線電波，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)地球站（或手持終端）之間或地球站與航天器之間通信的一種通信方式。

微波具有與光波相似的視距傳輸特性，也就是說(shuō)兩個(gè)通信站之間不能有遮擋。由于地球的曲率影響，地球上兩個(gè)微波通信站之間通信距離大約50km，因此要實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的通信距離，就必須用多個(gè)微波通信站來(lái)中繼。中繼站的功能主要是轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)，通過(guò)一站一站地接力，實(shí)現(xiàn)超視距或遠(yuǎn)距離通信，這種通信方式叫地面微波中繼通信。衛(wèi)星通信可以理解為一種特殊的微波中繼通信，它利用外層空間的通信衛(wèi)星作為中繼站。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)中通信衛(wèi)星和地球站是重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)之間信息傳輸?shù)膬蓚€(gè)重要環(huán)節(jié)。為保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，還必須配置跟蹤遙測(cè)指令系統(tǒng)和監(jiān)控管理系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的任務(wù)是在業(yè)務(wù)開(kāi)通前對(duì)通信衛(wèi)星和地球站進(jìn)行各項(xiàng)通信參數(shù)的測(cè)定；業(yè)務(wù)開(kāi)通后，對(duì)衛(wèi)星和地球站的各項(xiàng)通信參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視和管理。衛(wèi)星跟蹤遙測(cè)指令系統(tǒng)的任務(wù)是對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行準(zhǔn)確和可靠的跟蹤測(cè)量，控制衛(wèi)星準(zhǔn)確進(jìn)入定點(diǎn)位置；衛(wèi)星正常運(yùn)行后，還要對(duì)它進(jìn)行軌道修正、位置保持和姿態(tài)保持等控制。

2、特點(diǎn)

優(yōu)勢(shì)：1）衛(wèi)星通信覆蓋區(qū)域大，通信距離遠(yuǎn)

對(duì)于同步軌道上的衛(wèi)星，距地面的軌道高度約為36000km，只需一個(gè)衛(wèi)星就能完成1萬(wàn)多千米的遠(yuǎn)距離通信。

2）衛(wèi)星通信具有多址聯(lián)接特性

在衛(wèi)星通信中，衛(wèi)星所覆蓋的區(qū)域內(nèi)，所有地球站都能利用這顆衛(wèi)星進(jìn)行相互間的通信。這種同時(shí)實(shí)現(xiàn)多方向多個(gè)地球站之間的相互聯(lián)系特性即為多址聯(lián)接特性。

3）衛(wèi)星通信機(jī)動(dòng)靈活

衛(wèi)星通信的建立不受地理?xiàng)l件的限制，無(wú)論是現(xiàn)代化的大城市，還是邊遠(yuǎn)落后的山區(qū)、島嶼；無(wú)論是飛機(jī)、汽車、艦船甚至個(gè)人，只要需要，都可以隨時(shí)利用衛(wèi)星通信，且建站迅速、組網(wǎng)靈活。

4）衛(wèi)星通信頻帶寬，通信容量大

衛(wèi)星通信采用微波頻段，且一顆衛(wèi)星上可設(shè)置多個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器，系統(tǒng)的實(shí)際可用帶寬達(dá)幾十吉赫。

5）衛(wèi)星通信線路穩(wěn)定、質(zhì)量好

衛(wèi)星通信的電波主要在大氣層以外的自由空間傳播，電波在自由空間傳播十分穩(wěn)定，因此衛(wèi)星通信受氣候和氣象變化的影響比較小，而且通常只經(jīng)過(guò)衛(wèi)星一次轉(zhuǎn)送，噪聲影響小，通信質(zhì)量好。

6）衛(wèi)星通信的成本與距離無(wú)關(guān)

在衛(wèi)星通信中，通信線路的造價(jià)不隨通信距離增加而增加，特別適合于遠(yuǎn)距離的通信。

問(wèn)題：1）衛(wèi)星通信需要高可靠、長(zhǎng)壽命的通信衛(wèi)星

實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信必須有高可靠、長(zhǎng)壽命的通信衛(wèi)星，由于一個(gè)通信衛(wèi)星內(nèi)要裝幾萬(wàn)個(gè)電子元件和機(jī)械零件，為了提高通信衛(wèi)星的可靠性和壽命，必須選用宇航級(jí)的元器件，并做大量的壽命和可靠性試驗(yàn)。

2）衛(wèi)星通信要求地球站和衛(wèi)星有大功率發(fā)射機(jī)、高靈敏度接收機(jī)和高增益天線

由于地球站與衛(wèi)星相距遙遠(yuǎn)，傳輸損耗比較大，到達(dá)地面或到達(dá)衛(wèi)星的信號(hào)都非常弱。為了適應(yīng)這個(gè)特點(diǎn)，在地球站及衛(wèi)星上都必須配置高增益天線、大功率發(fā)射機(jī)、高靈敏度接收機(jī)。

3）衛(wèi)星通信有較大的信號(hào)延遲和回聲干擾

無(wú)線電波在自由空間的傳播速度等于光速，即30萬(wàn)km/s，，當(dāng)利用靜止衛(wèi)星通信時(shí)，信號(hào)從地球站發(fā)射經(jīng)過(guò)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到另一地球站，單程就達(dá)80000；；雙向通信時(shí)，往返約160000km，這時(shí)電波傳播需要約0.5s的時(shí)間，因此，信號(hào)有較大的時(shí)間延遲。在終端二、四線轉(zhuǎn)換處，如平衡網(wǎng)絡(luò)不平衡，對(duì)發(fā)話人就形成了回聲干擾，即發(fā)話人過(guò)0.5s左右后會(huì)聽(tīng)到自己的講話，會(huì)有很不自然的感覺(jué)，。

4）兩極地區(qū)為通信盲區(qū)，高緯度地區(qū)通信效果不佳

雖然在靜止軌道上均勻配置三顆衛(wèi)星幾乎就可以覆蓋全球，但在南北兩極地區(qū)還是存在一定的盲區(qū)，而且在高緯度地區(qū)由于通信仰角比較低，會(huì)對(duì)通信效果造成一定的影響。利用極軌衛(wèi)星、傾斜軌道或橢圓軌道衛(wèi)星可以有效解決高緯度地區(qū)及兩極地區(qū)的通信問(wèn)題，但帶來(lái)的問(wèn)題是地球站天線跟蹤系統(tǒng)復(fù)雜、有效通信時(shí)間比較短。

二、衛(wèi)星光通信系統(tǒng)

1、組成：

原理衛(wèi)星光通信系統(tǒng)主要由兩個(gè)構(gòu)成光通信鏈路的光通信終端組成，光通信終端是衛(wèi)星光通信系統(tǒng)中進(jìn)行光信號(hào)收發(fā)的光端機(jī)。光終端的基本組成通常包括光源模塊、光信號(hào)收發(fā)模塊、瞄準(zhǔn)捕獲跟蹤模塊、調(diào)制解調(diào)模塊、終端控制模塊等，根據(jù)需要，還可能包括二次電源模塊、熱控模塊等。

2、優(yōu)勢(shì)：

1）通信容量大。衛(wèi)星光通信由于載波頻率高，一般采用850nm、1550nm等波段激光，載波頻率一般至少在200THz左右，比微波通信頻率高3～5個(gè)數(shù)量級(jí)，因此通信容量很大。目前正在研究的有10Gbit/s以上的系統(tǒng)。2）通信距離遠(yuǎn)。由于激光發(fā)射光束窄，方向性好，因此能量集中，隨通信距離增加而功率密度衰減速度較小。激光波束的發(fā)散角通常在毫弧度、甚至微弧度量級(jí)，比微波波束發(fā)散角小3～5個(gè)數(shù)量級(jí)。衛(wèi)星光通信最遠(yuǎn)距離可以達(dá)到200萬(wàn)km，非常適合深空通信。3）終端尺寸小，重量輕。由于光波長(zhǎng)短，在同樣功能的情況下，光學(xué)天線的尺寸比微波、毫米波通信天線的尺寸要小很多。目前研制的光天線口徑一般30cm以下。4）抗干擾能力強(qiáng)。 目前太空隨著人造衛(wèi)星數(shù)量的增加，空間電磁環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，但光通信使用頻段不同，且波束較窄，傳統(tǒng)的微波信號(hào)難以對(duì)其形成干擾。5）保密性好，抗截獲能力強(qiáng)。由于通信光波束發(fā)散角小，因此非合作方很難對(duì)通信鏈路進(jìn)行偵聽(tīng)，即使對(duì)方截獲也能及時(shí)察覺(jué)而采取措施。6）可用于水下通信。海水對(duì)波長(zhǎng)450～550nm內(nèi)的藍(lán)、綠激光的衰減比對(duì)其他波段信號(hào)的衰減要小很多，被稱為“水下窗口”，使得飛機(jī)對(duì)潛艇、衛(wèi)星對(duì)潛艇的激光通信成為可能。

3、發(fā)展與應(yīng)用

衛(wèi)星光通信（激光星間鏈路）具有重要的應(yīng)用前景?？蓱?yīng)用于低軌道衛(wèi)星與高軌道衛(wèi)星間（LE0-GEO）通信鏈路、高軌道衛(wèi)星與高軌道衛(wèi)星間（GEO-GEO）通信鏈路、低軌道衛(wèi)星與低軌道衛(wèi)星間（LEO-LEO）通信鏈路、空間與地面（GEO- Ground）通信鏈路，也可應(yīng)用于深空探測(cè)、載人航天空間站的通信，尤其是近年來(lái)發(fā)展的低軌道小衛(wèi)星星座更迫切需要用光實(shí)現(xiàn)鏈路?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，由于用光實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星鏈路，將給衛(wèi)星通信領(lǐng)域帶來(lái)巨大變化。

各個(gè)國(guó)家對(duì)其的研究也從不懈怠。20世紀(jì)70年代初，美國(guó)開(kāi)始了激光空間通信系統(tǒng)的初步研究，近幾年重點(diǎn)進(jìn)行了月地激光通信演示驗(yàn)證計(jì)劃。歐洲航天局在同一時(shí)期開(kāi)始的20余年里，對(duì)衛(wèi)星激光通信的相關(guān)技術(shù)，進(jìn)行了有步驟的、周密細(xì)致的研究，并制定了一系列的階段性研究計(jì)劃。在我國(guó)，2011年11月，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的激光通信終端成功進(jìn)行了“海洋二號(hào)”海洋動(dòng)力環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星與地面間的星地激光通信實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)首次星地告訴直接探測(cè)激光通信，最高通信數(shù)據(jù)率為504Mb/s，為中國(guó)衛(wèi)星光通信系統(tǒng)實(shí)用化打下了基礎(chǔ)。總體說(shuō)來(lái)，我國(guó)衛(wèi)星光通信的發(fā)展雖然還基本處于起步階段，但已逐漸開(kāi)始從實(shí)驗(yàn)室研究向?qū)嶋H工程應(yīng)用轉(zhuǎn)化。

結(jié)束語(yǔ)：在信息化進(jìn)程飛速發(fā)展的今天，在日常信息交流、氣象地震預(yù)報(bào)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等諸多方面，衛(wèi)星通信已于我們息息相關(guān)，在國(guó)防上更加是不可或缺的一員。大力推動(dòng)寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，構(gòu)建自主可控的星地一體寬帶衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)具有迫切的現(xiàn)實(shí)意義。相信不遠(yuǎn)的將來(lái)，我國(guó)也一定會(huì)在此領(lǐng)域有一番成就，衛(wèi)星通信的應(yīng)用將更加普及廣泛。

參考文獻(xiàn)：

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