【航天甲子年50讲】 16 通信卫星



文:晟宇(视频讲解)

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前言


通信伴随着人类的历史一直在发展,从口口相传到书信,从狼烟烽火到鸿雁信鸽,一直到人们驾驭了电磁波,人类可以用光的速度来传递信息。






由于电磁波是直线传播,我们的地球却是一个球型。那么距离遥远的地方通信要么就要拉长长的通信线路,要么就要建造一个接一个的站点来接力传输。



因此站得高覆盖广的卫星就成为了天然具备优势的通信平台,于是伴随着人类航天的脚步,通信卫星从应运而生到蓬勃发展只用了了短短的几十年。



通信卫星什么样?


通信卫星什么样呢?我们来看两个非常典型的通信卫星。


一个是铱星,铱星是工作在低轨道的通信卫星。它的身体上有3片非常大的面板状物体就是它的用户天线,这些天线提供了地面用户通过移动设备的接入。


同时我们看它的底部也有很多天线,这些是和地面关口站通信的天线。还有不太明显的在它腰部的天线是和其他铱星通信的星间链路天线。你不一定要完全懂,但是你可以看到通信卫星的一个特点就是天线遍布。


关于铱星更多请看:


让我们来聊聊空间网络[第二弹]从铱星说起




还有就是像国际通信卫星这样的庞然大物,有着非常明显的巨大天线。这是由于它们有着非常大的覆盖和众多的用户,同时又距离地球很遥远需要更强大的信号。


另外由于通信卫星的工作非常繁重,星上又都是功耗比较大的设备,所以往往都需要很大的太阳电池阵来提供足够的电能。



通信卫星干什么?


你可以把通信卫星想象成一个信使,它就是为大家跑腿送信的,只是送信的速度很快,送信的能力很强。




卫星接收来自地面的信息,通过一定的信号放大或者其他类型的处理之后,再发送到接收者所处的地方使得二者之间可以实现联系。简单的的说通信卫星就是太空中的转发器。




现代通信依靠电磁波


现代通信依靠的是电磁波,电磁波有很多自己的特性我这里就不一一展开了。大家应该记住的有以下两点就可以了,那就是电磁波有着不同频率波长,同时不同频率波长的电磁波特性差别也很大。





举个直接的例子吧,我们看见的光线是电磁波,房间里开的灯并不能穿透墙壁照到隔壁人家。但是隔壁的WiFi信号我们却能接收到。这就是不同波长的穿透能力不同。


因此这些不同特性就适合于不同场景,所以也就变成了资源。这个资源现在要通过ITU国际电联去协调。



卫星通信要面临的一些问题


首先我们看看这个一般的通信系统的模型。


我们的卫星既然是转发器,所以它既要接收信号又要发送信号。所以通信卫星同时是信源和信宿。




卫星通信的信号所走的信道


通信卫星的平台是卫星,因此信号要先从地面到天上,再从天上到地面。






而在这一过程中会发生很多使得信号变弱的事情。首先是自由空间的损耗,这个大家用手电筒照照远处就能明白了,光越远越弱。


其次是信号要穿越大气层,所以还面临着大气层带来的信号衰减,所以这些传输过程就要算一笔帐来明确到底多强的信号才能保证正常的使用。


由于不同的通信卫星选取的波段不同,面向的用户不同,所以就要采取各不相同的天线来实现具体信号发送形式。所以有非常多样的天线设计,这个我们在接下来会专门介绍。




另外很重要的一件事情就是选取合适的频率了。因为不同的频率特点不一样,低频率适合广覆盖和移动通信,但是低的频率导致可实现的信息位较少所以数据率较低;高频的数据传输能力很强但是要面临着很强的大气损耗等等,因此需要根据使用的需求来认真选取。




大气的影响


我们之前在太空望远镜的内容里介绍过大气窗口。实际上还有很多因素在影响着大气对电磁波的吸收。


例如大气中的水分,这就变成了一个动态的问题。例如云和雨都会对特别是像Ka这样的频段造成比较大的衰减,导致例如下雨就没法上网的问题。



还有如果使用激光通信,我们知道激光通信就和我们人眼看东西的原理接近。那么有云层的时候通信就会出现大问题。这些都是在设计通信卫星的时候需要认真考虑的。


现在都有哪些通信卫星?


现在的通信卫星可以根据不同的轨道分成几类。


在3万6千公里轨道高度上的通信卫星由于具有地球同步的特性所以有很多是电视转播,固定上网,语音的大型通信卫星。当然也有海事卫星这样覆盖全球的移动通信卫星。


MEO轨道上的通信卫星很少(虽然导航卫星是通信卫星的一种特例,但是这里就不算在其中了),主要是O3b公司的卫星,实现对低纬度地区的宽带服务。




接下来就是构成很多庞大星座的低地球轨道的通信卫星了。我们将在未来的几次分享里和大家深入的介绍这些不同特点的通信卫星。


下一次我们就先来聊聊同步轨道上的这些通信卫星吧。


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