战场上70%通信要靠军用卫星,纽约地面站把接收到的电波信号进行功率放大和处理

采用通信卫星进行通信,具有距离远、容量大、质量好、可靠性高和机动灵活等优点。从1962年美国第一颗通信卫星问世以来,全世界已发射了近700颗各种类型的通信卫星,其中在地球静止轨道上的静止通信卫星,已经挑起了国际电信和电视转播的重任。

推进器变轨耗时长但效率高

  2011年7月11日23时41分,中国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火箭,将“天链一号02星”送入太空,神州飞船测控的轨道覆盖率提高到70%以上。2012年6月16日晚,当“神舟九号”飞船运行至第2圈,测控人员遥控天链01/02两颗中继卫星对飞船实施捕获跟踪,建立了星间双向通信链路。卫星传回了飞船轨道舱的实时画面。大屏幕上,3名航天员的一举一动、一颦一笑清晰展现。

通信卫星实际上是一个在太空的“中转站”,犹如挂在太空的一面“镜子”。它能把地面站送来的无线电信号有条不紊地进行中转,使两个地面站之间能进行通话、数据传输、图文传真、电视转播等信息传递工作。如果我们要从上海和大洋彼岸的纽约进行通信,首先是位于上海的地面站通过信息转换机构,把发信者的信息,如声音、文字、图像等,转变为电波信号,由无线电设备进行处理和功率放大,然后由发射机把电波发向卫星;卫星上的天线收到上海地面站的电波信号后,由转发器对它进行处理并放大,再定向转发到纽约的地面站;纽约地面站把接收到的电波信号进行功率放大和处理,还原成声音、文字、图像等,最后传输给受信者,这就完成了两地之间的通信。

2个人之间只需1对线,6个人之间则要到15对线,8个人又增加到28对线,余此类推,用排列组合法可以计算出任意人数所需的专线对数,试想,全世界有四十多亿人口,即使按10%的人口装专线计算,所需专线也是个天文数字。因此,用架设专线的办法是不经济的,也是不现实的,最行之有效的办法就是通过集中交换来实现;所谓传输是指利用电信运营商提供的某种媒体把经过交换后的信息集中起来从此处传送到彼处。利用媒体传输信息有近有远,市内电话只需通过市话线路传输,长途电话则要通过长途线路传输。传输的媒体有有线和无线之分,有线传输的媒体是看得见摸得着的实体,如架设在电线杆上的明线,还有电缆和光缆等;无线传输的媒体是看不见摸不着的无线电波,如果按电波的波长划分,有特高频、短波和微波等。通常我们把××载体作为传输媒体的方式就称为××通信,例如,以光缆为传输媒体的方式称为光缆通信,以微波为传输媒体的方式称为微波通信。卫星通信也是以微波作为传输媒体,不过,它是以太空中的人造地球卫星作为接力站的微波通信。
1957年10月4日,苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星,使人们真正看到了实现卫星通信的希望。
1960年8月美国宇航局把涂覆有铝膜的直径为30m的气球“回声1号”发射到1600km的高空作为人造无源中继器,进行了电话电视传送,这是世界上首次进行的无源人造卫星通信试验。
1960年10月美国把“信使1B”人造地球卫星发射到1000km高空,该卫星上安装有高速磁带录音装置,可接收来自地球的信息,当卫星再次接近地球时打开发射机,将录音发回地球,这是世界上首次进行的有源人造卫星通信试验。
随后,美国和日本又发射了数颗卫星,进行宽带调频电视、多路电话、低噪声放大和精确跟踪等试验,取得了许多有益的数据,但是,这些卫星都属于低椭圆轨道卫星,不仅可通信时间较短,而且,通信时间随卫星远近地球的周期性变化而变化。
1963年2月和7月美国发射了“Syncom”号和“同步2号”卫星,分别进行宽带压缩等试验,
1964年8月美国又发射了“同步3号”卫星,成功转播了东京奥委会的实况,但以上这些卫星通信都属试验性质。
1965年4月美国发射了“晨鸟”号同步卫星,真正意义上的同步卫星通信由此开始进入实用化的时代
。 二、同步轨道卫星通信
所谓同步卫星通信就是利用在地球同步轨道上的卫星作为接力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。同步轨道卫星是指卫星在离地球约36000km的太空,与地球自转相同的方向运行,运行周期为一个恒星日,即与地球自转一周的时间相同,等于24小时。卫星在这个高度运行的轨道叫做同步轨道。当同步轨道的平面与地球赤道平面的夹角为零,也就是说卫星沿赤道平面运行时,从地球上看卫星仿佛静止不动,这个轨道称作静止轨道或赤道轨道,静止轨道上的卫星称静止卫星。静止卫星主要用作电话或电视传送,以确保传输的稳定性。如果同步轨道的平面与地球赤道有一定夹角,就称倾斜轨道,当夹角为90°时,就称极轨道。倾斜轨道卫星从地球上看是移动的,但却每天可以定时扫描所经过的地区,因此,通常用于科研。
当卫星的离地的高度高于或低于36000km时,其运行轨道统称为非同步轨道。低轨道卫星(距地面1000~5000kn)绕地球运行一周所需时间短,一般为2~4小时;中高度卫星(距地面5000~20000km),运行周期4~12小时。高于36000km的卫星,其运行周期都超过24小时。非同步轨道卫星通常用于移动通信。
同步卫星通信作为越洋国际通信的主要手段,已经历了30多年的发展历程,从第一代发展到了今天的第八代,目前,世界各国共有300多颗同步卫星在360°的静止轨道上运行,承担着电话、电视、传真、数据、广播等通信。需要指出的是轨道卫星不是可以任意布放的,轨道位置是一项有限资源,必须统一协调使用,试想,如果在360°的赤道轨道上布放120颗卫星,那么卫星之间的间隔便是3°;如果布放360颗卫星,那么卫星之间的间隔只有1°了,这表明,在36000km高的静止轨道上,两星间的距离仅有700多公里。卫星间隔过小,无论是地球站对相邻卫星还是相邻卫星对地球站,都难以避免相互间的干扰。但根据国际电联的规定,世界上不分国家大小都有权享用轨道位置,因此,利用卫星进行通信必须要有国际协调。
三、通信卫星上的设备系统
通信卫星是高科技产品,由于是在太空中运行,因此,对其要求是结构简单、重量轻、形体小,并且耐高温、低温、辐射。
卫星内部由通信、遥测、控制、跟踪、电源等主要系统组成。但是,随着通信卫星的升级换代,功能和容量的增加,其结构并非完全一致。
1、通信系统
通信系统是通信卫星的有效荷载,也是通信卫星的核心,它包括转发器和天线两部分。
转发器的主要功能就是对接收到的信号和发回地球站的信号进行变频和放大。
2、遥测系统
遥测系统有两个主要功能,一是接收地面指令,对星上设备的工作状态、工作环境以及卫星和天线姿态、轨道位置等进行遥测;二是对地面的指令逐一进行回答,报告测试数据和位置、姿态等。
各种遥测信号都按规定的编码方式排列。遥测过程是:星上的遥测指令天线收到地面的遥测指令后,首先进行解码,一方面启动感知器,一方面送往控制系统。然后,表示卫星设备工作状态、工作环境的数据以及由感知器获得的有关天线姿态、轨道位置等数据,在变换成电信号并经编码器统一编码后,通过天线再发回地球。
3、控制系统
控制系统是地球站发往卫星的指令执行机构。同步轨道卫星必须对地球或其它基准物保持准确的位置,例如,通信天线必须对准地球,太阳能电池必须面向太阳,同步轨道卫星的运行周期必须与地球自转同步,在赤道上空的位置必须保持在规定的范围内,设备出现故障必须倒向备用,等等。
轨道位置一旦发生变化或设备出现故障,卫星上的指令执行机构必须根据地面的指令迅速启动进行调整或倒向备份。
4、电源系统
通信卫星上的电源靠电池供给,电池有两种,一种是太阳能电池,它是通信卫星的主用电池,当卫星进入光照区时,由太阳能电池供电,
因此,在出现地星蚀或月星蚀的情况时便不能使用,此时改由备用蓄电池供电;蓄电池是化学电池,作为通信卫星的备用电池使用,在平时由太阳能电池浮充,发生地星蚀或月星蚀时供电。
四、地球站设备系统 地球站是向通信卫星发送和接收无线电波的设施.
是电视信号则进入电视复用设备,最后,通过进城中继设备送到长途电话局和节目交换中心,最后再到用户。
五、非同步轨道卫星通信
前已指出,同步轨道卫星通信存在时延过大和高纬度地区无法通信的缺点,采用非同步轨道卫星通信方式则能较好地解决这些问题。非同步轨道卫星主要有椭圆轨道卫星和中、低圆轨道卫星。
1、椭圆轨道卫星通信 2、中、低轨道卫星通信
所谓中、低轨道卫星通信是指轨道上的卫星相对于同步轨道卫星来说,距离地球的高度较低。对中、低轨道卫星的轨道选择余量和机动性较大,不像同步轨道卫星那样只能限制在同步轨道上,因此,中、低轨道卫星的轨道既有圆形的,也有椭圆的;既有60多度的高倾角轨道,也有接近90度的极轨道。与同步轨道卫星通信不同的是,中、低轨道卫星通信,通常由一个所谓“星座”来构成卫星系统,星座的形式有网状的或星状的,每个星座有数个轨道组成,每个轨道又有数颗卫星,地球的外围被整个星座的卫星包裹了起来,或者说把地球覆盖了起来。中、低轨道卫星主要用于移动通信。

每颗“先进极高频”卫星,可连接上百个直径为1英尺的终端天线,把战场上的所有梯队连成一个具备太空路由的虚拟网络,还能为那些使用这些快速、精确信息的人们提供实时地图、目标信息和先进的智能监视和侦察。也可直接对来自用户终端的请求做出回答,并根据优先级提供点对点通信和网络服务。

  所以,数据中继卫星可以称得上是当今技术含量最高的通讯卫星。我国在去年完成第一代”天链一号”数据中继卫星体系的建设,进行“太空授课”实则是对自己航天测控实力的一次展示。(天津航天科普工作者
谈煦)

在众多的应用卫星中,通信卫星的数量最多。它是一种专门用来转发无线电信号的卫星。通信卫星与卫星地面站联合起来,就可以通电话和转播电视了。

近二十多年来,随着火箭技术,卫星技术和通信技术的逐步成熟和完善,卫星通信步入了专业化的发展方向,出现了诸如专门探测地矿地质的资源卫星,获取气象信息的气象卫星,提供定位基准的导航卫星,以及专门用于传送电视和电话的通信卫星等。
一、卫星通信的概念
在人们之间构建起通信必须有三个基本条件,即:终端、交换和传输。所谓“终端”是指电话机、传真机、微机等通信设备,它们是用户发送和接收话音、图像、文字、数据等信息的工具,由于这些设备都安装在通信链路的末端(一般都安装在用户家里),所以统称为终端设备;所谓“交换”是指电信运营商把来自五湖四海和去到四面八方的信息利用安装在市内电话局和长途电话局内的交换机有序地进行编组,然后送到用户指定的地点。为什么要用交换机呢?这里边有着经济和效益问题,本来两个人之间用一对电话线连接起来便可通话了,但是,要在多人之间相互进行通信,再用这种办法就十分不方便了,如图1所示,
图1 人数与专线对数的关系

延伸阅读

  我第一代中继卫星系统建成

近年来新发展起来的广播卫星,是一种专门用途的通信卫星。以往接收卫星上的电视信号时,都要经过地面站来收转,而如今利用广播卫星后,省去了地面站这个环节,用户只需用小口径的天线,就可以直接接收从广播卫星上传下来的电视节目了。

传输一幅雷达图像只需2分钟

  为了更加实时的掌握低轨航天器数据,就要提高轨道覆盖率。而提高轨道覆盖率,解决的办法有两类。第一类是大大增加地面卫星接收站的数量或大量建造远洋测量船(如“远望”系列测量船),这样做未免太浪费,那是相当的烧钱啊。

据美媒透露,美国预计4月27日用“宇宙神-5”火箭,发射号称“顶尖级”的第2颗“先进极高频”卫星,用于替代现役的第2代“军事星”,这将是美国今年发射的第3颗新型军用通信卫星。此前,美国先后发射了第4颗“宽带全球卫星通信”卫星和首颗“移动用户目标系统”卫星,它们是不同类型的新型军用通信卫星,每颗卫星价值4-10亿美元,代表了当今世界军用通信卫星的最高水平和发展趋势。

  最近,在央视对神十发射的直播中,屏幕右上角常会出现”天链”字眼,这是表示当时的视频信号来自”天链一号”数据中继卫星的转发。而”滨海”、”南亚”、”喀什”和”远望”等字眼则分别表示东非肯尼亚的马林迪测控站、南亚巴基斯坦的卡拉奇测控站、中国新疆的喀什测控站和海上的远望系列测控船。 

星上的“波束成形网络”能使“先进极高频”卫星天线自动调零,以便对付潜在的干扰,而在波束覆盖范围内的合法用户将能正常使用卫星。而且,这种抗干扰功能不需要由地面控制和干涉。

  第二类办法,就是在太空建立数据中继卫星。

从实战来说,用第1代“军事星”传输战斧式巡航导弹的任务命令需要100秒,传输1.1兆大小的空中任务命令需要1.02小时,传输一幅光学成像侦察卫星拍摄图像需要22.2小时;用第2代“军事星”传输相同大小的信息只需花0.16秒、5.7秒、2.07分钟。而用“先进极高频”传输相同的信息则仅用0.03秒、1.07秒、23.6秒。传送雷达图像需要更高的传输速率。例如传输“全球鹰”无人侦察机拍摄的雷达图像,用“军事星”需要4天多,用“先进极高频”卫星只需2分钟。

  还有一种卫星,它除了可以进行星地通信外,还可以与其他航天器之间进行星际通信,它的主要任务,就是将一些航天器的数据接收转发,传输到地面或者其他的航天器,反之亦然。 这个信息传递的接力手,就是我们今天用的数据中继卫星。