衛(wèi)星通信系統(tǒng)與衛(wèi)星通信技術(shù)分析

萬戩 范津銘 王風(fēng)祿

摘要：2011年10月25日，我國(guó)成功實(shí)現(xiàn)了首次星地激光鏈路試驗(yàn)，我國(guó)后續(xù)將陸續(xù)開展星間和深空探測(cè)激光通信試驗(yàn)，預(yù)計(jì)在2020年左右將陸續(xù)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星光通信技術(shù)的工程化應(yīng)用，從現(xiàn)在的技術(shù)的更新和市場(chǎng)需求等方面來看，假如衛(wèi)星通信技術(shù)能到達(dá)到實(shí)際運(yùn)用的程度，那么必然將會(huì)最新應(yīng)用在軍事領(lǐng)域，并且將會(huì)在某種程度上影響全球范圍內(nèi)的軍事力量的均衡?；诖吮尘?，本文論述了衛(wèi)星光通信系統(tǒng)的組成及其關(guān)鍵技術(shù)和衛(wèi)星通信的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星通信系統(tǒng);衛(wèi)星通信技術(shù)

1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成

1.1 通信衛(wèi)星

通信衛(wèi)星通過對(duì)無線電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，來實(shí)現(xiàn)其通信過程。根據(jù)其軌道的不同，它一般被分為大橢圓軌道通信衛(wèi)星、低軌道通信衛(wèi)星、中軌道通信衛(wèi)星和地球靜止軌道通信衛(wèi)星。

1.2 衛(wèi)星地面站

相對(duì)于高空運(yùn)行的通信衛(wèi)星而言，通常也采用數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)牡孛婊鞠到y(tǒng)來進(jìn)行地面信號(hào)的傳輸，即衛(wèi)星地面站?；谄渫ㄐ湃萘看蟆⒏采w范圍廣等特點(diǎn)，一般采用地面站來進(jìn)行應(yīng)急資源的調(diào)度，應(yīng)急救援的指揮，指揮命令的傳達(dá)，以及民眾通信等，但地面站的成本相對(duì)較高，部署難度大，且其后期的維護(hù)和重組等工作較為復(fù)雜。

1.3 衛(wèi)星通信車

衛(wèi)星通信車主要通過衛(wèi)星信號(hào)的傳輸鏈路來進(jìn)行一定范圍內(nèi)通信信息傳輸過程，它擁有齊全的通信設(shè)備，是將數(shù)字信息傳輸系統(tǒng)、超短波電臺(tái)等多種通訊設(shè)備集成為一體。基于其機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、使用靈活的優(yōu)點(diǎn)，以及其通訊容量較小、覆蓋范圍有限、受交通影響限制等缺點(diǎn)，衛(wèi)星通訊車存在無法發(fā)揮其作用的現(xiàn)象。

1.4 衛(wèi)星通信便攜站

與通信車相同，便攜站也是通過衛(wèi)星信號(hào)的傳輸鏈路來實(shí)現(xiàn)其通信過程。基于其使用方便靈活、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，常應(yīng)用于應(yīng)急通信設(shè)備，但又由于其功率的限制，并不能滿足大容量、大范圍內(nèi)的應(yīng)急通信需求。

1.5 衛(wèi)星電話

基于其便于攜帶、使用方便靈活通信穩(wěn)定等特點(diǎn)，通常采用衛(wèi)星電話來進(jìn)行救災(zāi)指令的及時(shí)有效地傳達(dá)過程。但由于終端設(shè)備會(huì)給予其使用限制，衛(wèi)星電話并不能大范圍的普及使用。

2當(dāng)前主要的衛(wèi)星通信技術(shù)

2.1 調(diào)制解調(diào)技術(shù)

衛(wèi)星通信過程中，以O(shè)QPSK、QPSK和π/4DQPSK等為其主要的調(diào)制方式，而轉(zhuǎn)發(fā)器資源的緊缺及高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笫怪?6APSK、16QAM、8PSK等高階調(diào)制方式得到了快速的發(fā)展和有效的應(yīng)用。以APSK為例，它的工作過程主要即為對(duì)幅度進(jìn)行預(yù)失真法的非線性矯正，而不影響相位特性，使之在透明轉(zhuǎn)發(fā)這種高階調(diào)制信號(hào)時(shí)的功率效率不明顯降低。

格形編碼調(diào)制（TCM）將信道編碼與調(diào)制融合在一起，因而幾乎不付出頻帶效率和功率效率降低的代價(jià)即可獲取較高的編碼增益，但由于對(duì)其擁有相對(duì)復(fù)雜的譯碼，因此其與外碼的關(guān)聯(lián)過程則不太容易實(shí)現(xiàn)。采用一種多載波調(diào)制方式——正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)。由于該技術(shù)抗多徑衰落能力強(qiáng)而在地面蜂窩網(wǎng)第四代（4G）、第五代（5G）移動(dòng)通信中成為不可或缺的技術(shù)，在衛(wèi)星與地面基站相結(jié)合的移動(dòng)數(shù)字電視廣播系統(tǒng)中已成功應(yīng)用 OFDM，并已形成了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 糾錯(cuò)編碼技術(shù)

各種通信信息傳輸?shù)恼`比特率（BER）都有最高限度要求，一般系統(tǒng)不會(huì)設(shè)計(jì)為在傳輸和解調(diào)后所得數(shù)據(jù)的 BER 就能達(dá)到上述要求，因?yàn)檫@會(huì)嚴(yán)重浪費(fèi)發(fā)射功率。而采用糾錯(cuò)編碼（即信道編碼）技術(shù)與調(diào)制相結(jié)合，只需付出很小的頻帶效率代價(jià)就能使 BER 降低若干個(gè)數(shù)量級(jí)。

并行級(jí)聯(lián)形式的Turbo碼和低密度奇偶效驗(yàn)碼（LDPC）[5]是目前較為先進(jìn)的信道編碼算法，兩者均有兩個(gè)突出特點(diǎn)：一是都結(jié)合了比特交織技術(shù)，能有效地糾正突發(fā)錯(cuò)誤;二是譯碼門限比卷積碼更低，而且能在較高的碼率下獲得較大的編碼增益。

2.3 擴(kuò)頻通信技術(shù)

星通信信道開放性的特點(diǎn)帶來的隱蔽性差、抗干擾能力弱等缺點(diǎn)，可采用擴(kuò)頻技術(shù)克服，因此擴(kuò)頻通信主要用于隱蔽通信和抗干擾軍事通信。

擴(kuò)頻的基本工作方式主要有跳變頻率（FH，）、線性調(diào)頻、直接序列擴(kuò)頻（DSSS）和跳變時(shí)間4種[7]。我國(guó)已實(shí)現(xiàn)的 FH 系統(tǒng)跳頻范圍可達(dá) 2 GHz，跳速達(dá)上萬跳/秒。

2.4 陣列天線技術(shù)與衛(wèi)星蜂窩網(wǎng)技術(shù)

由于衛(wèi)星鏈路傳播衰減很大，例如GEO衛(wèi)星C、Ku、Ka 頻段鏈路的衰減都在 200dB 左右，需要采用高增益天線，天線的尺寸和成本往往成為重要障礙，例如基于GEO衛(wèi)星Ku頻段透明轉(zhuǎn)發(fā)器的寬帶移動(dòng)通信，其“動(dòng)中通”天線的成本相當(dāng)于通信終端其余部分總成本的6～10倍。

頻率資源有限是大力發(fā)展衛(wèi)星通信應(yīng)用的一個(gè)瓶頸。采用多個(gè)LEO衛(wèi)星構(gòu)成衛(wèi)星群星座，每顆衛(wèi)星都裝備MBA便可形成大量的蜂窩小區(qū)，動(dòng)態(tài)地覆蓋整個(gè)地球表面，可使頻率資源重復(fù)利用。例如，銥星系統(tǒng)66顆衛(wèi)星、每星48個(gè)波束，形成3168個(gè)蜂窩小區(qū)動(dòng)態(tài)地覆蓋全球表面。

2.5 衛(wèi)星通信的優(yōu)勢(shì)

相對(duì)于微波中繼通信及其他通信方式而言，衛(wèi)星通信有自身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：

1）衛(wèi)星通信輻射的面積較大，可以更遠(yuǎn)距離通信：地球同步軌道（GEO）衛(wèi)星與地面的距離是 35 860 km，其只需要依靠一個(gè)衛(wèi)星進(jìn)行中繼轉(zhuǎn)發(fā)，遠(yuǎn)距離通信就能到達(dá)一萬多公里的通信效果。

2）可將其廣播性與多址連接技術(shù)合構(gòu)成龐大的通信網(wǎng)：在一顆衛(wèi)星所覆蓋的區(qū)域內(nèi)，不必依賴顯式的交換，只需利用衛(wèi)星中繼傳輸和多址/復(fù)用技術(shù)就能構(gòu)成擁有許多地面用戶的大型通信網(wǎng)。

3）靈活可靠：衛(wèi)星通信站在地里空間上容易建立，對(duì)地理?xiàng)l件沒苛刻的要求，平地可建設(shè)，山區(qū)也可以建設(shè);它的通信終端攜帶方便，飛機(jī)、汽車，甚至個(gè)人都可以;建站花費(fèi)的時(shí)間成本小;通信衛(wèi)星在發(fā)生突發(fā)事件、自然災(zāi)害或戰(zhàn)時(shí)不易被摧毀。

4）信息容量大、傳輸穩(wěn)定：衛(wèi)星通信信道在微波頻率范圍內(nèi)進(jìn)行工作，其有著非常豐富的頻率資源，傳輸損耗也十分穩(wěn)定，甚至能精確的估算出來。

5）適合遠(yuǎn)距離通信。因?yàn)樾l(wèi)星通信設(shè)備的成本不會(huì)隨通信距離逐漸增加而增多，有相對(duì)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。