通訊衛星

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先进极高频通信卫星,为美国及其盟国提供安全的通信

通讯卫星英语:Communications Satellite,简称「CS」)是一种通过转发器来传递和放大无线电通信信号的卫星,它建立了地面上发射站与接收站之间的信息通道。通信卫星可用于电视、电话、广播、网络和军事领域。地球轨道上有2,000多颗通信卫星,它们由私人和政府机构使用[1]

无线电通信使用电磁波来传递信号,这些波是直线传播的,因此它们会被地球的弯曲表面挡住。通信卫星的目的是,通过传递地球表面的信号来实现地面远距离的通信[2]。通信卫星使用的无线电和微波的频带较宽。为避免信号干扰,国际组织制定了监管规则来分配各个组织可以使用的频率范围或“频带”。这样的分配降低了信号干扰的风险[3]

卫星轨道离地很高,天线波束能覆盖地球广大面积,且电波传播不受地形限制,能实现地面远距离通讯。卫星装有由接收和发射设备组成的转发器,将收到的信号经放大、移频后发射给地面;轨道高度和倾角可有多种,但常用的是对地静止轨道;如果用3-4颗对地静止轨道上的通讯卫星组网,可以实现全球实时通讯;这种卫星除了具有人造卫星一般的分系统设备外,还装有通讯转发器、对地姿态稳定控制、对地定向天线、卫星位置保持等分系统设备。

通訊衛星是為了補足海底電纜通信的不足,通常用於移动通信。例如船隻或飛機等遠離陸地的交通工具,無法使用有線通訊時,便需要通訊衛星。

历史[编辑]

今天的卫星通信可以一直追溯到亚瑟·C·克拉克于1945年2月写给《无线世界英语Wireless World》杂志编辑的一封信中。1945年10月,克拉克在《无线世界英语Wireless World》发表了题为Extra-Terrestrial Relays – Can Rocket Stations Give Worldwide Radio Coverage的文章,进一步充实了卫星通信的理论。几十年后,美国海军进行了一个名为“月球中继通信英语Communication Moon Relay”的计划。该计划使用月球作为天然的通信卫星,旨在提供一种安全可靠的无线电通信。

世界上第一颗人造地球卫星苏联的Sputnik1号,该卫星于1957年10月4日发射入轨。它装载了星上无线电发射器,该发射器的工作频率为20.005 MHz和40.002 MHz。Sputnik 1号的成功发射,迈出了太空探索的第一步。虽然它在太空中不是用来传递地球上两点之间的信号的,但它确实是现代卫星通信的开端。

第一颗专门用于全球通信的人造卫星是美国的Echo 1英语Echo 1号。它是世界上第一颗能够传递地面上不同点之间信号的人造通信卫星。Echo 1号于1960年8月12日发射,随后上升到了距离地面1,600 km的高度,但它使用的是人类最古老的飞行方式——气球美国航空航天局(NASA)发射的Echo 1号是一个表面镀PET膜的气球,直径约为30米,其表面可以作为无源反射器用于无线电通信。正如它的非正式名称“气球卫星”(satelloon)那样,Echo 1号是世界上第一颗充气卫星,它奠定了现代卫星通信的基础。卫星通信的原理很简单:发送数据到太空中,然后再把这些数据送回地面上的另一点。Echo1号就像一面有10层楼高的巨大镜子,把发送到太空中的数据反射到地球上的另一点,以此来实现卫星通信。


美国第一颗进行中继通信的卫星是1958年发射的SCORE英语SCORE卫星,它使用磁带录音机来存储并转发声音信号。该卫星曾向世界发送了美国总统艾森豪威尔的圣诞贺词[4]Philco英语Philco 公司建造的Courier 1B英语Courier 1B,是世界上第一颗有源中继卫星,于1960年发射升空。

通信卫星的种类主要有两种,无源和有源的。无源通信卫星只是把来自发射站的信号反射到接收器的方向。对于无源卫星,其反射的信号没有经过卫星的增强,因此只有少部分的信号能量到达了接收器。卫星距离地球表面很远,由空间路径损耗英语free-space path loss导致的无线电信号衰减十分严重,因此接收器接收到的信号实际上相当微弱。相反的,有源卫星在转发其收到的信号前会对信号进行放大处理[3] 。世界上第一颗通信卫星就是无源卫星,但是现在已经很少使用这种卫星了。Telstar是世界上第二颗有源中继卫星,该卫星由AT&T公司所有,作为AT&T、贝尔实验室美国航空航天局英国邮政总局英语General Post Office法国电信(邮政)共同签署的发展通信卫星的国际协议的一部分。美国航空航天局(NASA)于1962年7月10日在卡纳维拉尔角发射了Telstar卫星,这也是世界上第一次私人赞助的航天发射。1962年12月13日,美国发射了Relay 1号,它在1963年11月22日成为了世界上第一颗横跨太平洋进行广播的卫星[5]

地球静止卫星的前身是休斯公司于1963年7月26日发射的卫星Syncom 2英语Syncom 2。Syncom 2是第一颗位于地球同步轨道的通信卫星。Syncom 2每天以恒速绕地球一周,但由于它相对地面还有南北运动,所以需要特殊的设备来跟踪它的运动。Syncom 3英语Syncom 3是Syncom 2的升级版,是世界上第一颗静止轨道通信卫星。它运行在一条没有南北运动的地球同步轨道上,因此从地面远看去它在天空中静止不动。

从美国的火星探测漫游者计划开始,火星表面的巡视器使用火星轨道飞行器来作为通信卫星,把巡视器的信号发送给地球。使用轨道器来进行信号中继是为了节省巡视器的能量消耗。轨道器有太阳电池板阵列、较大的天线和很强的转发器,相对于巡视器直接从火星表面发送信号到地球来说,轨道器的这些设备使得其向地球发送的信号更强也更清晰。[6]

卫星轨道[编辑]

通信卫星的轨道通常有三种基本类型,但为了进一步确定轨道的细节,还需要借助其他的轨道分类方法。

  • 地球静止轨道(GEO),距离地球表面35,786千米。GEO轨道有一个特点,当观测者从地面观察该轨道上的卫星时,卫星的视位置不会发生变化,看上去像是在天空中固定不动的。这是因为静止轨道卫星的轨道周期和地球自转周期正好一致。该轨道的优点是,地面站的天线可以固定地朝向卫星所在的位置,而不必转动天线来跟踪卫星。
  • 中地球轨道(MEO),距离地球表面较近,轨道高度为2,000千米到35,786千米。
  • 低地球轨道(LEO),低于中地球轨道,距地面表面大约160到2,000千米。

中轨道卫星和低轨道卫星绕地球的速度比地球自转更快,因此从地球上来看,它们并不是像静止轨道卫星那样在天空中固定不动,而是会划过天空并在天际“落”下去。如果使用低轨道卫星来提供持续的通信,那就需要大量的卫星,这样才能保证任何时候都至少有一颗卫星在天空中来传递通讯信号。但是低轨通信卫星也有其优点,即这些卫星距离地面更近,它们与地球的通信信号也更强一些。

近地轨道卫星[编辑]

图中蓝绿色为近地轨道

典型的近地轨道(LEO)是一个位于地球表面之上160到[convert: %s]%s的圆,相应的,其轨道周期(绕地球一周所用的时间)约为90分钟左右。

由于近地轨道卫星的高度很低,它们仅仅在其星下点周围1,000公里(620英里)的范围内可见。另外,近地轨道卫星与地面的相对位置变化的很快。所以,即便是使用近地卫星进行区域通信,也需要大量的卫星,这样才能保证不间断通信。

相对于静止轨道卫星来说,发射近地轨道卫星的成本要更低一些。而且,由于近地卫星很接近地面,通信需要的信号强度可以低一些(信号强度的衰减与距离信号源长度的平方成正比)。因此,需要在卫星数量和卫星成本之间权衡利弊。

卫星星座[编辑]

一组协同工作的卫星被称作卫星星座英语satellite constellation铱星系统和全球星英语Globalstar系统就是两个提供卫星电话服务的卫星星座,它们主要用于偏远地区。其中,铱星系统由66颗卫星组成。

另外,还有一种方法能使用低轨卫星提供不间断通信,卫星在通过某一区域时,把接收到的信号存储起来,等到其通过另一区域时,再把这些信号发送出去。加拿大CASSIOPE英语CASSIOPE卫星的级联系统就是按这种方式工作的。另外,美国的Orbcomm英语Orbcomm卫星也是使用这种先存储再发送的方式来进行卫星通信。


中地球轨道[编辑]

中地球轨道位于地球表面之上2,000到35,786千米,其作用和近地轨道很相似。在一个轨道周期内,中地球轨道的可见时间比近地轨道的更多一些,通常为2到8小时左右。中地球轨道的覆盖范围也比近地轨道要大一些,这意味着使用中地球轨道进行通信所需要的卫星数量可以比近地卫星少一些。中地球轨道的轨道高度比近地卫星更高,所以其通信延迟也更长,而且信号也更微弱一些。虽然这些效应没有静止轨道卫星那么严重,但是也限制了中地球轨道的使用。

与近地轨道卫星类似,中轨道卫星于地球表面的距离也是在不断变化的。典型的中地球轨道距离地球表面约为16,000千米。在不同的轨道模式下,中轨道卫星绕地球一周的时间为2-12小时,相对于近地卫星,这样能提供更宽的覆盖区域。


范例[编辑]

1962年,第一颗通信卫星Telstar发射升空,该卫星就是一颗中地球轨道卫星,设计这颗卫星是为了发展高速电话通信。该卫星第一次实现了超视距信号传输,但是人们很快意识到了其缺点。该卫星的轨道周期为2.5小时,与地球自转周期不一致,这不可能实现持续的通信。显而易见,使用中地球轨道进行不间断通信时,需要多颗卫星协同工作。


地球同步轨道[编辑]

对于地球上的观测者来说,静止轨道卫星看起来是在天空固定不动的。这是因为静止轨道卫星绕地球转动的速度和地球自转速度相同。

对于通信来说,静止轨道是很有用的,因为地面上的天线不需要转动就能始终对准卫星,这样的方式成本较低。

一些应用需要大量的地面天线,比如DirecTV卫星直播,在这种情况下,地面设备节省出来的费用会超过把一颗卫星发射到静止轨道的代价。

静止轨道通信卫星的概念是由亚瑟·C·克拉克首先提出来的,这个概念实际上基于齐奥尔科夫斯基的理论和赫尔曼•波托奇尼克英语Herman Potočnik于1929年出版的著作Das Problem der Befahrung des Weltraums — der Raketen-motor。1945年,克拉克在英国的《无线世界英语无线世界》发表了一篇题为"Extraterrestrial Relays"的文章[7],这篇文章阐述了在静止轨道部署人造卫星进行无线电中继通信的基本构想。因此,人们经常认为克拉克首先发明了通信卫星,并且用“克拉克带”来描述静止轨道[8]

范例[编辑]

  • 世界上第一颗静止轨道通信卫星是Syncom 3英语Syncom 3,该卫星于1964年8月19日发射,并在1964年东京奥运会期间开始了跨太平洋电视转播。在Syncom 3发射后不久,休斯公司制造的Intelsat I英语Intelsat I(绰号为“Early Bird”)于1965年4月6日发射升空,该卫星定点与西经28度,成为第一颗跨大西洋通信的静止轨道卫星。

外部連結[编辑]

参考资料[编辑]

  1. ^ Labrador, Virgil. satellite communication. Britannica.com. 2015-02-19 [2016-02-10]. 
  2. ^ Satellites - Communication Satellites. Satellites.spacesim.org. [2016-02-10]. 
  3. ^ 3.0 3.1 Military Satellite Communications Fundamentals | The Aerospace Corporation. Aerospace.org. 2010-04-01 [2016-02-10]. 
  4. ^ The history of satellites. http://www.satmagazine.com. January 2008.  外部链接存在于|journal= (帮助)
  5. ^ Significant Achievements in Space Communications and Navigation, 1958-1964 (PDF). NASA-SP-93. NASA: 30–32. 1966 [2009-10-31]. 
  6. ^ Communication: How the rover can communicate through Mars-orbiting spacecraft. Jet Propulsion Laboratory. [21 January 2016]. 
  7. ^ Extraterrestrial Relays
  8. ^ Arthur C. Clarke, inventor of satellite, visionary in technology, dead at 90. Engadget.com. 2008-03-18 [2016-02-10]. 
  9. ^ Connected | Maritime. Iridium. Retrieved on 2013-09-19.
  10. ^ GSAT-14. ISRO. [16 January 2014]. 
  11. ^ Indian GSLV successfully lofts GSAT-14 satellite. NASA Space Flight. 4 January 2014 [16 January 2014]. 
  12. ^ DIRECTV's Spaceway F1 Satellite Launches New Era in High-Definition Programming; Next Generation Satellite Will Initiate Historic Expansion of DIRECTV. SpaceRef. [2012-05-11]. 
  13. ^ India's first 'military' satellite GSAT-7 put into earth's orbit. NDTV.com (2013-09-04). Retrieved on 2013-09-18.