书城科普读物科学我知道-Why航天
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第25章 通信卫星是什么?

对一些体育迷来说,能够在现场观看世界杯足球赛或奥运会,真是一件非常向往的事情,但由于地理、经济等方面的原因,绝大多数人都无缘有这个机会。自从有了通信卫星,人们就可以坐在家中,从电视上观看比赛现场直播,这样使人们多少也能感受到一些赛场气氛。

通信卫星不仅能传输电视节目,还能传输电话、数据和资料等,给人们的生活、学习、工作都带来极大的方便和欢乐。今天,如果没有通信卫星,我们无法想象人生的生活会是什么样子。

通信卫星相当于太空中的微波中继站,通过反射和转发无线电信号,实现卫星通信。卫星通信的工作原理,是用户首先与卫星通信地球站的通信网连接,然后把图像、数据、电话等信息,用无线电信号通过地球站发给在地球静止轨道上的通信卫星,卫星收到电波信号后,经过放大、变频,转发给另一个卫星通信地球站,地球站再把接收到的信号转发给所需要的用户。因此,人们把通信卫星称为“太空微波塔”。

早在20世纪40年代中期就有人对卫星通信的问题进行研究。

但通信卫星真正的发展还是20世纪60年代的事情。1958年底发射成功第一颗通信试验卫星,卫星在通信方面的实际应用,受到人们的普遍重视。卫星技术的诞生,打开了远距离、大容量通信的新局面,引起了现代通信体系的重大变革。

近十几年来,通信卫星从试验阶段进入了比较成熟的实际应用阶段。随着卫星通信技术的不断改进,通信容量的不断增大,卫星对人类社会的通信产生了越来越大的影响。目前通过卫星在商用和军用通信方面都得到了广泛的应用。1964年成立的国际通信卫星组织现在承担着一半以上的国际电话、电报业务和全部洲际电视业务。现在世界上许多国家也已经正在开展对通信卫星的研究和试验,并在积极筹建他们自己的国内通信卫星系统。

所谓通信卫星就是在人造天体上装置一个通信转发器或称中继器。转发器是中继转发地面信息的核心设备,一般由收发机、变频器、放大器等组成。每颗卫星带有几组转发器。两个以上通信地面站通过通信卫星进行通信联系称为卫星通信。通信卫星和地面通信站一起称为卫星通信系统。

究竟是什么原因促使卫星通信得到广泛应用和人们的特别重视呢?这是因为卫星通信与远距离的电离层短波通信、微波视距接力通信、对流层散射通信和同轴电缆通信等手段相比,具有覆盖面积广、通信距离远、通信容量大、传输质量高、可靠灵活和费用低等特点。

通信卫星作为远距离通信系统的中继站,能用卫星天线将电波传送至地球表面大部分地区。通信卫星被发射到赤道上空35860千米的高度,进入轨道后,时速11070千米,每24小时绕地球一周。由于卫星运行速度和地球自转速度相等,卫星看起来仿佛是悬在赤道上空的一点上静止不动的,所以也叫做对地静止卫星。在地球上除最北和最南的纬度以外,大约有1/3的表面都可以见到这个卫星,因此3个这样在赤道上空均等定位并互相联系的卫星系统能够将通信业务扩大到除南北极地区以外的整个地球表面,这也就是地球同步卫星系统。卫星在轨道上是一个中继器,它在发送和接收无线电信号的各个地面站之间起连接作用。地面站将信号发射给卫星,卫星接收了信号就把它放大并转送到另一个地面站。

卫星通信系统通常都工作于微波频段,工作效率高并有向毫米波发展的趋势。因此它的通信容量可以很大,目前世界上已发射的商用通信卫星,其容量最高的已达9000话道。

卫星通信是依靠通信卫星对无线电信号进行放大和转发来实现信号传输的。因此,它所传输的信号不易受电离层扰动、对流层多径效应和气象条件的影响,加之卫星通信的信号质量与传输距离无关,所以卫星通信还不受高层大气、气候、季节、距离等条件的限制,传输质量高、稳定可靠。

卫星在地球同步轨道上,处于地球强辐射带之外,减轻了卫星表面的防辐射措施。卫星在轨道上99%的时间内,处于太阳的照射下,能充分地利用太阳能发电,减轻了蓄电池的负担,可长期供电,卫星的温度变化也小。而各地面站只要一个天线系统和一套接收发射装置就可顺利工作,地面跟踪站也较简单。卫星通信的费用与通信距离无关,作为远距离通信工作,也较经济。因此,卫星通信简单、可靠、灵活、费用低。

综上所述,不难看出,卫星通信是一种理想的通信工具,也是它得到迅速发展的原因所在。

目前,国际通信卫星系统已经成为世界上最大的通信卫星网络,国际通信卫星组织已经拥有120个成员国,使用该组织卫星的国家和地区已达170多个,遍布全球的卫星地面站有600多个,开通了全天时国际通信线路1500余条。此外,拥有60多个成员国的国际海事卫星组织也是一个国际性的通信卫星组织。欧洲通信卫星组织于1983年开始发射欧洲通信卫星,作为欧洲各国间的主要卫星通信系统。而许多国家也都拥有自己独立的国内通信卫星系统。

近年来,随着大规模集成电路、卫星能源等关键技术的进步,通信卫星的容量和传输质量有了大幅度的提高。如最早使用的第一代国际通信卫星,只有两台转发器,通信容量仅为240条双向话路或者1路电视。而20世纪90年代使用的第六代国际通信卫星,转发器已经增加到58台,通信容量达到12万条话路和3条彩色电视信道,寿命达到13年。

由于地球静止轨道位置有限,科学家们提出了通过地球低轨道卫星实现全球通信的设想,并设计出了5种可行的空间网络。1997年5月5日,美国麦道公司研制的“德尔塔”1型火箭首次将5颗铱星送入太空,从而使这项于1991年正式提出的由66颗卫星组成的低轨道铱星全球通信系统工程全面启动。到目前为止,已经完成了系统组网,并开始投入运行。这样,由美国摩托罗拉公司研制的“铱星”群和个人便携式电话组成的全球移动通信系统,实现了对地球表面任何一处的实时通信。

通信卫星一般可分为固定业务通信卫星和移动通信卫星两大类。这个“固定”和“移动”是指通信卫星地球站的状态。固定业务通信卫星的卫星通信地球站一般固定在空旷地带,其接收天线一般为直径几米到几十米的抛物面天线,这种天线接收能力强,灵敏度高,可以接受来自卫星的微弱信号,所以固定业务通信卫星的发射功率和天线可以小一些。

移动通信卫星则不同。它的用户站飞机、舰船、车辆等处于“移动”状态,是在运动中进行通信,而且飞机和车辆本身的结构,使接收天线的尺寸受到限制,这就要求卫星的发射功率必须足够大,这就使移动通信卫星必须装载直径十米甚至几十米的大型天线,所以有时也称移动通信卫星为“大天线卫星”。

我们已经有了可以覆盖全球的固定业务通信卫星,为什么还要发展移动通信卫星呢?

我们利用固定业务通信卫星进行卫星通信,是通过卫星通信地球站来进行的,但在远离地面通信网和地球站的地方,往往就成了通信的“盲区”。车船飞机在行驶途中,尤其是舰船在航海中,因为远离地球站和地面通信网,只能通过中波或短波无线电信号进行通信。这种通信手段受到地理条件、气象条件、电离层变化和与地面中转站距离的限制,通信很难做到畅通无阻。

1980年10月24日,美国波埃特号货船,遇险后呼救信号无人收到,最后在海上失踪。1980年4月24日,美国8架“海马”直升飞机前往伊朗营救人质,由于气象条件不好,通信联络中断,导致营救行动失败。如果有了移动通信卫星,就能从根本上改变移动体通信困难的状况。因为,卫星采用的是可穿透电离层的微波频段,电波主要在大气层外宇宙空间传播,不受地理条件和气候变化影响,信号传输稳定,通信质量好,可靠性高。

移动卫星通信系统由两部分组成。通信卫星是系统的空间部分,地面中转站和用户站为地球部分。用户天线装有稳定平台和跟踪装置,能够在运动中使天线始终对准卫星。用户根据需要将信号发给卫星,经卫星转发给地面中转站,中转站通过地面接口与地面通信网或国际卫星通信网联络,实现与世界各地用户的通信联络。1976年2月,美国发射了世界上第一颗静止轨道移动通信卫星——海事卫星,主要用于舰船的海上通信。

1982年,由9颗卫星组成的第一代国际移动卫星通信系统——海事卫星通信系统正式建成。现在,国际移动卫星组织成员国已发展到80个,通过在大西洋、太平洋和印度洋上空的静止轨道卫星——国际移动卫星-2,形成了覆盖全球的移动卫星通信网,并正在组建新一代全球移动卫星通信系统。移动通信卫星已从第一代发展到第三代,即国际移动卫星-3。移动通信系统也已从最初的海事通信业务发展到陆上和航空通信业务。

在海事通信方面,移动卫星通信系统使得航海保障条件得到明显改善。特别是与搜索和营救卫星业务结合以后,在遇险营救方面发挥了很大作用,到1987年底,卫星救援已使1000多人得到及时营救。

航空移动卫星通信业务是从1990年开始的,到1997年7月,已有2000多架飞机上装有机载卫星移动终端,也就是飞机地球站。飞机通过卫星移动终端与航空指挥中心联络,可以及时得到气象、航线、定位导航等方面的信息,并接受指挥。还能为航空公司和乘客在飞行途中提供公共通信,乘客若有急事,可在飞机上和世界各地的家人和朋友直接通话。

移动卫星通信系统也应用到火车卫星通信和汽车卫星通信。除能在调度中心和行驶的车辆之间,传递车辆运行信息和调度指示外,还在设备监测、报警、事故处理等方面发挥作用,使客货运输效率大为提高。

移动卫星通信在警务工作方面也受到青睐。警务工作户外活动多,环境复杂多样。在追捕案犯、处理破坏性事故等紧急情况下,利用移动卫星通信,有很好的效果。

移动通信卫星已成为通信卫星发展的重要方面,开发国际移动卫星通信与导航定位综合系统已成为一种发展趋势,其中一个非常好的设想就是把全球移动卫星通信系统与全球卫星定位系统结合起来。