【航天甲子年50讲】 17 同步轨道通信卫星



文:晟宇(视频讲解)

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前言


上一次分享中我们初步了解了通信卫星。我们知道通信卫星的出现就是为了解决那些通过地面的通信手段不好解决的问题。


这些问题大概是过大的尺度,或者过于复杂的地形又或者是用户的密度太低造成的。卫星作为通信的节点虽然解决了大尺度等问题,然而卫星的高速运动特性,使得要提供持续的服务就要大量的卫星。


于是对于通信这件事情来说,同步轨道就成为了非常自然的选择。同步轨道早在20世纪初期的科幻小说里就被提出来用于通信。这是得益于其理想的相对空间稳定性。


同步轨道的得名正是因为这个轨道的周期与地球自转的周期相同,因此相对于地面来说这个轨道的卫星就似乎是静止的。具体可见【航天甲子年50讲】 02 轨道力学。因此早在1960年代航天刚刚起步,同步轨道的通信卫星就开始发展了。





达到这个轨道周期所需要的半长轴达到4万多公里,抛除地球6378.17km的半径,同步轨道距离地球大概3万6千公里,只需要3颗这样的卫星就可以覆盖绝大部分人类居住的地球表面,实现服务的全球覆盖。


要使用先有高度


利用现有的运载能力直接将卫星送入地球同步轨道是困难而且不经济的。因此进入同步轨道一般需要经历几个阶段。完成一个霍曼转移的过程,具体详见【航天甲子年50讲】 02 轨道力学


首先卫星进入低地球轨道,然后经过一次变轨进入同步轨道的转移轨道,然后再从转移轨道进入同步轨道,并在完成最后的轨道调整后,进入工作轨位。


这个过程中一般会使用到上面级,上面级是卫星的“摆渡车”,它一般可多次启动点火,实现多个阶段的变轨任务。


值得注意是一般GTO轨道和同步轨道之间是存在一个倾角差异的。这个差异一般取决于发射场的纬度。所以比较低的发射场在同步轨道卫星的发射方面可以节省很多发射的代价。






覆盖特点


每一颗部署到同步轨道的通信卫星只需要一个17.4度的波束就可以覆盖接近三分之一个地球。


这也是3颗同步轨道卫星可以覆盖全球的几何计算结果。但是需要注意的是在纬度较高的南北极地区,由于角度太大,信号较弱,而且容易受到遮挡,因此一般可用性较低。





随着技术的发展,波束对地面的覆盖实现了非常高的灵活性。一方面可以通过对波束的控制,只覆盖重点区域,例如用户较集中的区域;另外一方面,随着对通信需求的动态变化,也可以不断地对波束进行切换,动态地满足不同区域的通信需求。


遥远的传输距离


由于同步轨道距离赤道的距离都达到了3万6千公里,因此要充分考虑到信号传输的链路预算。




一收一发,信号的传输距离超过7,8万公里,由此带来的时间延迟和信号穿越大气带来的损耗都是需要认真考虑的问题。


怎么接入的那么多用户


同步轨道通信卫星的主要业务大概有几类,首先是固定业务FSS,就是连接不同地点的固定网络;然后是广播业务BSS,我们收看的卫星电视就属于这类业务,服务于很多固定的消费级用户;最后就是移动业务MSS,例如飞机上网,汽车上网等等,让我们到天涯海角也能打电话上网。






因此我们看到,同步轨道通信卫星的服务形式包含了点对点,点对多点和多点到多点的网络模式。


尤其是一个波束里存在多个用户要接入的问题,这里我们也使用到应用于地面的频分多址FDMA、时分多址TDMA和码分多址CDMA等多址技术。






另外现在的通信卫星也实现了多波束技术,实现了同一频率的复用。大大提高了系统的容量。


这也是现在GEO通信卫星都在逐步进入HTS高通量系统的时代趋势,从过去的实现几个G到现在的高通量卫星都实现了上百个G的容量。





同步轨道通信卫星的技术发展


同步轨道的通信卫星能力不断提高得益于卫星技术的不断进步。


首先是天线和转发器方面的技术发展,提升卫星的通信能力。同时为通信系统提供支撑的平台能力也得到了很大的提高。


从自旋稳定的平台到三轴稳定的平台,使得卫星可以按照更多更大的天线。也使得卫星可以按照巨大的太阳帆板,获取足够充分的能源。





同时,同步轨道也逐渐进入了一个全电推的时代,这样就让同步轨道通信卫星可以将更多的星上资源解放出来按照更多的转发器,实现更强的通信能力。


越来越强&越来越多


现在的通信卫星越造越大,重量达到数吨,天线巨大,展开的太阳帆板也达到二三十米,都是不折不扣的大家伙。




覆盖特点


同时以Intelsat,SES等公司为代表的巨头无一不拥有多达几十上百颗的GEO卫星,覆盖从电视转播、移动通信和宽带网络等多种业务。





时至今日,GEO轨道上已经排满了密密麻麻的卫星,大量的通信卫星和气象和国防卫星几乎将所有的同步轨道轨位资源分割完毕。


使得保持对现有轨道资源的占有变得十分重要,也使得要对这个格局的改变变得十分困难。




开拓新疆域


同步轨道的拥挤也是上个世纪九十年代第一次低轨道通信卫星浪潮,到今天的第二次低轨道互联网卫星浪潮的动力。


需要在非地球同步轨道NGSO的广阔空间开拓新的疆域,我们在下一次的分享里就来聊一聊NGSO的通信卫星又有一些什么特点。



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参考资料


  1. ODD GUTTEBERG Elements of satellite technology and communication
  2. EEG 470 Satellite Communications
  3. Howard Hausman Fundamentals of Satellite Communications


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