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第14章 卫星通信(2)

从理论上讲,静止卫星的位置与地球来说是相对静止不动的,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,使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,由于他们所产生的对卫星的干扰,也经常会破坏卫星对地球的相对位置。这些都会使卫星漂移出轨道,使通信无法进行。负责保持和控制自己在轨道上的位置就是轨道控制系统的任务之一。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。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.天线系统

通信卫星的天线系统由通信天线和遥测指令天线组成。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,分别采用消旋天线和全向天线。

3.转发器系统

空间转发器系统作为通信卫星的主体,实际上是一部高灵敏度的宽带收发信机。其智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。

4.遥测指令系统

遥测指令系统的主要任务是把卫星上的设备工作情况原原本本地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。

5.电源系统

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

6.温控系统

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以及喷嘴的方向性等都会带来不良影响。

7.入轨和推进系统

静止卫星的轨道控制系统主要是由轴向和横向两个喷射推进系统构成。轴向喷嘴是用来控制卫星在纬度方向的漂移,横向喷嘴是用来控制卫星因环绕速度发生变化造成卫星的在经度方向的漂移。喷嘴是由小的气体(一种气体燃料)火箭组成,它的点火时刻和燃气的持续时间由地面测控站发给卫星的控制信号加以控制。

推进系统的另一职能是采用自旋稳定、重力梯度稳定和磁力稳定等方法对卫星进行姿态控制。

这种卫星被送上天时,在与火箭分离之前由火箭中的一个旋转装置使它以每分钟10~100转的速度旋转。旋转的卫星好像陀螺一样,旋转轴始终指向一个方向,就不会随意翻滚了。但是装在卫星轴上的天线,却不能随着星体转,所以要装上一个消旋装置,使天线稳稳地瞄准地球。

通信卫星的工作过程

利用通信卫星和广播卫星传输广播电视节目使卫星应用技术有了重大发展。那么,通信卫星是怎样工作的呢?

卫星通信系统是由空间部分和通信地面站两大部分构成的。空间部分是指通信卫星和地面部分。在这一系统中,通信卫星实际上就是一个悬挂在空中的通信中继站。它居高临下,视野开阔,只要在它的覆盖照射区以内,不论距离远近都可以通信,通过它转发和反射电报、电视、广播和数据等无线信号。

通信卫星工作的基本原理

下面是通信卫星工作的基本原理:从地面站1发出无线电信号,这个微弱的信号被卫星通信天线接收后,首先在通信转发器中进行放大、变频和功率放大,最后再由卫星的通信天线把放大后的无线电波重新发向地面站2,从而实现两个地面站或多个地面站的远距离通信。

电视节目的转播与电话传输基本相同。但是由于各国的电视制式标准不一样,在接收设备中还要有相应的制式转换设备,将电视信号转换为本国标准。电报、传真、广播、数据传输等业务也与电话传输过程相似,不同的是需要在地面站中采用相应的终端设备。

航天技术日益发展,通信卫星的种类也逐步增多。按服务区域划分,有全球、区域和国内通信卫星。按用途分,有一般通信卫星、广播卫星、海事卫星、跟踪和数据中继卫星以及各种军用卫星。

移动通信系统的分类

卫星移动通信系统的分类有四种分法,一是按其应用来分;二是按轨道来分;三是按频率来分;四是按服务区域来分。

(一)按应用分类

分为海事卫星移动系统(MMSS)、航空卫星移动系统(AMSS)和陆地卫星移动系统(LMSS)。海事卫星移动系统主要用于改善海上救援工作,提高船舶使用的效率和管理水平,增强海上通信业务和无线定位能力。航空卫星移动系统主要用于飞机和地面之间为机组人员和乘客提高话音和数据通信。陆地卫星移动系统主要用于为行驶的车辆提供通信。

按轨道分类的卫星

(二)按轨道分类

通信卫星的运行轨道有两种。一种是低或中高轨道。在这种轨道上运行的卫星相对于地面是运动的。它能够用于通信的时间短,卫星天线覆盖的区域也小,并且地面天线还必须随时跟踪卫星。另一种轨道是高达三万六千公里的同步定点轨道,即在赤道平面内的圆形轨道,卫星的运行周期与地球自转一圈的时间相同,在地面上看这种卫星好像静止不动,称为同步定点卫星。它的特点是覆盖照射面大,三颗卫星几乎就可以覆盖地球的全部面积,可以进行二十四小时的全天候通信。

(三)按频率分类

按照该卫星所使用的频率范围将卫星划分为L波段卫星,Ka波段卫星等等。

(四)按服务区域分类

航天技术日新月异的发展,通信卫星的种类也越来越多。按服务区域划分,有全球、区域和国内通信卫星。即全球通信卫星是指服务区域遍布全球的通信卫星,这常常需要很多卫星组网形成;区域卫星仅仅为某一个区域的通信服务;国内卫星范围则更窄,仅限于国内使用。其实各种分类方式都是想将卫星的某一特性更强地体现出来,以便人们更好的区分各种卫星。

卫星通信同现在常用的电缆通信、微波通信等相比,有很多优点,可概括为以下几点:1.卫星通信的距离远。同步通信卫星可以“看”到地球最大跨度达18000余公里。在这个覆盖区内的任意两点都可以通过卫星进行通信,而微波通信一般是50公里左右设一个中继站,一颗同步通信卫星的覆盖距离相当于300多个微波中继站。

2.通信路数多、容量大。一颗现代通信卫星,可携带几个到几十个转发器,可提供几路电视和成千上万路电话。

3.通信质量好、可靠性高。卫星通信的传输环节少,不受地理条件和气象的影响,可获得高质量的通信信号。

4.运用灵活、适应性强。它不仅可以实现陆地上任意两点间的通信,而且能实现船与船、船与岸上、空中与陆地之间的通信,它可以结成一个多方向、多点的立体通信网。

5.成本低。在同样的容量、同样的距离下,卫星通信和其他的通信设备相比较,所耗的资金少,卫星通信系统的造价并不随通信距离的增加而提高,随着设计和工艺的成熟,成本还在降低。

20世纪60年代初,中国就开始研制微波接力通信系统和人造地球卫星,这标志着中国人民已有能力依靠自己的力量,涉足于卫星通信领域,为通信网增加新的通信手段。到20世纪70年代中期,中国已有大型地球站为国内、国际通信服务。近30多年来,中国卫星通信,在研究、开发、制造和发射、运营等多领域,由于国家重视和国内科技人员、管理人员等各方面的共同努力,得到了长足的发展,为下一步发展奠定了坚实基础。

卫星通信系统

卫星通信系统复杂,涉及到多领域科学,综合工艺和技术,需要多部门的相互协助,资金和人力方面加大投入,才能促进其更快发展,适应社会各部门多方面需求,现仅就今后发展前景和努力方面,作些初步探讨。

(一)充分利用好宝贵资源

频谱资源与轨道资源,是发展卫星通信的首要条件,必须搞好发展规划,以满足国家各方面的需求。要有专门的科技队伍进行长期不断的研究、分析和多方面协调工作。在国际上多做工作,争取获得尽可能多的频谱与轨道资源,并把这些宝贵资源充分利用好。

(二)卫星通信系统研究、开发方面

(1)由于卫星通信系统涉及的部门较多以及学科方面的协作,因此要有跨部门的专家联合参加,总体规划与设计,以充分发挥整个国家的人才和技术优势,作出有自己特色的系统,达到国际上先进水平,并能满足国家各方面需求。

(2)当前的重点是通信卫星本身的开发工作,在保证质量前提下,首先注意两个问题:①研制出大容量通信卫星的平台和小卫星平台。有了这两种平台,以便加速发展高、中、低各种轨道,各种用途的卫星通信系统。这样,在研制卫星过程中就可避免很多重复工作,节省了人力和物力。

②在研制各类卫星本身时,应采用模块式的生产线方法,这样可缩短研制、开发时间。若在时间上取得优势,就可在竞争中取得主动权。

(3)对于卫星通信系统的地球站设备,要考虑到高可靠性,并用创新精神,力求使系统达到最佳化,在关口站设备方面,则要强调灵活性,要能适应多方面需求,具有与地面多种通信系统互联互通的能力,至于卫星通信系统的用户终端,要达到人机界面友好,小巧可靠、操作方便等。

(三)建立必要的监测台、站

卫星监测

建立必要的监测台、站(固定、移动),除对已投入运营的通信卫星运行情况等及时了解、分析、加强管理外,更重要的还要监测国外的卫星在国内空间场强覆盖情况,及时克服和减少电磁波的干扰,以保护我国的电磁环境和合法权益。这样为我国卫星通信创造良好的环境,以利于更快地发展。

(四)通信卫星运营方面

在通信卫星运营方面,要充分利用卫星通信的覆盖广、传输质量好,能以各种组网方式适应不同用户、不同领域、不同地理空间应用的特点,搞好卫星通信网的建设,发挥其应有作用。

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