3.1.4　卫星通信技术

卫星通信是一种利用人造地球卫星作为中继站来转发无线电波而进行的两个或多个地球站之间的通信。卫星通信具有覆盖范围广、通信容量大、传输质量好、组网方便迅速、便于实现全球无缝链接等众多优点，被认为是建立全球个人通信必不可少的一种重要手段。

一个卫星通信系统是由空间分系统、通信地球站、跟踪遥测及指令分系统和监控管理分系统四个部分组成。

1．通信卫星的组成

一个通信卫星由控制分系统、通信分系统、遥测指令分系统、电源分系统和温控分系统等组成。

（1）控制分系统

从理论上讲，静止卫星的位置相对于地球说是静止不动的，但是实际上它并不是经常能够保持这种相对静止的状态。这是因为地球并不是一个真正的圆球形状，使得卫星对地球的相对速度受到影响。同时当太阳、月亮的辐射压力发生强烈变化时，由于它们所产生的对卫星的干扰，也往往会破坏卫星对地球的相对位置。这些都会使得卫星漂移出轨道，使得通信无法进行。负责保持和控制自己在轨道上的位置就是控制分系统的任务之一。仅仅使卫星保持在轨道上的指定位置还远远不够，还必须使它在这个位置上有一个正确的姿态，这是因为星上定向天线的波束必须永远指向地球中心或覆盖区的中心。由于定向波束只有十几度或更窄，波束指向受卫星姿态变化的影响相当大，再加上卫星距离地球表面有36000km，姿态差之毫厘，将导致天线的指向谬之千里。再者，太阳电池的表面必须经常朝向太阳，所有这些都要求对卫星姿态进行控制。

（2）通信分系统

通信分系统是通信卫星的关键之一，通信转发任务全落在它身上，因此责任重大。它主要由天线和转发器两大部分组成。

通信卫星的天线系统包括通信天线和遥测指令天线。要求两种天线体积小、重量轻、可靠性高，寿命长、增益高、波束永远指向地球。

空间转发器系统是通信卫星的主体。实际上是一部高灵敏度的宽带收发信机。其职能就是以最小的附加噪声和失真以及尽可能高的放大量来转发无线信号。

（3）遥测指令分系统

遥测指令系统的主要任务是把卫星上的设备工作情况（电流、电压、传感器信息、压力等信息）告诉地面上的卫星测控站，同时忠实地接收并执行地面测控站发来的指令信号，对卫星的位置、姿态等进行调整。

（4）电源分系统

现代通信卫星的电源同时采用太阳能电池、化学电池和原子能电池。要求电源系统体积小、重量轻、效率高、寿命长。

（5）温控分系统

温控系统能使卫星内部和表面温度保持在允许的范围内，否则将影响星上的电子设备的性能和寿命，甚至会发生故障。另外，在卫星壳体或天线上温差过大的时候，往往产生变形，对天线的指向以及传感器精度等都会带来不良影响。

2．卫星移动通信

利用地球静止轨道卫星或中、低轨道卫星作为中继站，实现区域乃至全球范围的移动通信称为卫星移动通信。按照所用轨道，卫星移动通信主要可分为静止轨道卫星移动通信系统和低轨道卫星移动通信系统。

（1）静止轨道卫星移动通信系统

静止轨道系统即同步卫星系统，卫星的轨道平面和赤道平面重合，卫星轨道离地面高度约为36000km，卫星运行和和地球自转方向一致。地球静止轨道通信卫星的优点是只需三四颗卫星就可覆盖除两极以外的全球区域，现已成为全球洲际及远程通信的重要工具，并且也在部分地区的陆、海、空领域的车、船和飞机移动通信中占有市场，但由于星地之间距离较远，因而链路损耗大，传输时延长，使得卫星和用户终端的体积和成本都增大，因此支持手机移动通信比较困难。随着技术的进步，已有支持手机移动通信的静止轨道卫星升空，不过支持个人手机移动通信主要是利用中低轨道的通信卫星。

（2）低轨道卫星移动通信系统

低轨道卫星移动通信系统于20世纪90年代初开始发展，也曾是卫星移动通信发展的一大热点，竞争十分激烈。由于低轨道系统的轨道很低，一般为700～1500km，因而信号的路径衰耗极小，信号时延极短。其卫星研制周期短，费用低，能以“一箭多星”的方式发射，可做到真正的全球覆盖。因此，低轨道系统一经提出，就得到了热烈响应，主要有全球星和铱星系统等。典型的低轨道卫星移动通信系统有铱星系统和全球星系统。

1）铱星系统

铱星系统诞生于1998年，是由66颗低轨卫星组成的全球卫星移动通信系统。66颗低轨卫星分布在6个极地轨道上，轨道高度为780km。另有6颗备份星。铱星系统最初设计是77颗在轨卫星，其结构正好和金属元素铱的结构相同，因而得名铱星系统。虽然后来设计中将铱星系统整个星系卫星数量减少到66颗，但仍然保留了原来的铱星系统的名称。星上采用先进的数据处理和交换技术，并通过星际链路在卫星间实现数据处理和交换、多波束天线。铱星系统最显著的特点就是星际链路和极地轨道。星际链路从理论上保证了可以由一个关口站实现卫星通信接续的全部过程。极地轨道使得铱星系统可以在南北两极提供畅通的通信服务。铱星系统是唯一可以实现在两极通话的卫星通信系统。铱星系统最大的优势是其良好的覆盖性能，可达到全球覆盖。它可为地球上任何位置的用户提供带有密码安全特性的移动电话业务。低轨卫星系统的低时延给铱星系统提供良好的通信质量。铱星系统可提供电话、传真、数据、和寻呼等业务。它的用户终端有双模手机、单模手机、固定站、车载设备和寻呼机。

铱星系统及电话的使用过程是：当地面上的用户使用卫星手机打电话时，该区域上空的卫星会先确认使用者的账号和位置，接着自动选择最便宜也是最近的路径传送电话讯号。如果用户是在一个人烟稀少的地区，电话将直接由卫星层层转达到目的地；如果是在一个地面移动电话系统（GSM或CDMA移动通信系统）的邻近区域，则控制系统会使用现在的地面移动通信系统的网络传送电话讯号。

目前我们使用的GSM和CDMA地面移动通信系统只适于在人口密集的区域使用，对于覆盖地球大部分、人烟稀少的地区则根本无法使用。也就是说，铱星计划的市场目标定位是需要在全球任何一个区域范围内都能够进行电话通信的移动客户。

铱星存在如下一些技术缺陷。

·铱星电话在建筑物内无法接收信号，是其最重要的缺陷。用户必须首先将自己置于在电话天线和卫星之间没有任何障碍物的地点，才能顺利地使用电话；否则电话就通不了。

·铱星电话过于笨重，使用不方便，并且需要特殊的培训。

·铱星系统与蜂窝电话网络相连，必须适应不同的区域传输标准，由此产生的转换成本给用户带来较大的不便。在漫游全球时，为了与当地蜂窝电话网络相连，双模式手机要更换适合当地区域传输标准的通话卡。

·在语音质量和传输速度方面，铱星电话远远比不上蜂窝电话。铱星所采用的多频时分多址MF-TDMA通信体制的话音质量不如CDMA。另外，铱星系统的数据传输速率仅有2.4Kbit/s，因此除通话外，只能传送简短的电子邮件或慢速的传真，无法满足目前互联网的需求。

由于市场运营策略失误，资费策略失误等原因，在2002年5月，停止向用户提供服务，铱星公司宣布破产。

2）全球星系统

全球星系统用48颗绕地球运行的低轨道卫星在全球范围（不包括南北极）向用户提供无缝隙覆盖的、低价的卫星移动通信业务。其中轨道高度为1414km，均匀地分布在8个轨道面上，每个轨道平面6颗卫星，另还有1颗备用星。业务包括话音、传真、数据、短信息、定位等。用户可使用双模式手持机，双模式手持机既可工作在地面蜂窝通信模式（即目前手持机的工作模式），也可工作在卫星通信模式（在地面蜂窝网覆盖不到的地方）。这样，用户一机在手，可实现全球范围内任何地点、任何个人在任何时间与任何人以任何方式通信，即所谓的全球个人通信。

全球星系统采用低轨卫星通信技术和CDMA技术，能确保良好的话音质量，增加通话的保密性和安全性，且用户感觉不到时延。连贯的多重覆盖和路径分集接收使全球星系统在有可能产生信号遮挡的地区提供不间断服务。全球星系统是一种非迂回网络，它对当前现存系统的本地、长途、公用和专用电信网络是一种延伸、补充和加强，而不是与它们竞争。全球星系统没有星际链路，无需星上处理，从而大大降低了系统投资费用，而且避免了许多技术风险。当然，星体设计的简单使得系统必须建很多关口站。