1979年国际电信联盟(ITU)世界无线电行政会议对空间无线电通信明确了如下定义:包括利用一个或多个空间站或利用一个或多个反射卫星或空间中其他物体所进行的任何无线电通信,统称为空间无线电通信。
根据此定义,空间无线电通信有以下三种形式:
(1)空间站与地球站之间的通信;
(2)空间站之间的通信;
(3)地球站相互间通过空间站的转发或反射而进行的通信。
这里,空间站是指设在地球大气层之外的空间飞行体或其他天体(如月球或别的行星等)上的通信站。地球站是指设在地球表面(包括陆地、水上和大气层中)的通信站。共同进行一定的空间无线电通信业务的一组地球站和空间站,叫做空间通信系统,简称空间系统。
卫星通信是地球站之间利用空间站转发或反射的无线电通信。因此,卫星通信是属于空间无线电通信的第三种形式。
地球站相互间利用空间站反射的无线电通信通常是指利用无源卫星反射的卫星通信。由于无源卫星反射的信号质量差,无实用价值,早已被淘汰了。
地球站相互间利用空间站转发的无线电通信通常是指利用通信卫星(有源卫星)转发的卫星通信。主要包括卫星固定业务(FSS)、卫星移动业务(MSS)和卫星广播业务(BSS)三大类。这三种业务的主要区别如下:卫星固定业务是各地球站都在固定状态下彼此进行通信;卫星移动业务是通信双方地球站至少其中一方可在移动状态下进行通信;卫星广播业务是指用户站(通常指在固定状态下)可直接收视卫星下发的电视信号(称卫星电视广播)或直接收听卫星下发的声音信号(称卫星声音广播),因此习惯上称卫星直播业务,将广播卫星称直播卫星。
早在20世纪80年代,在卫星固定业务和卫星移动业务基础上发展了卫星跟踪与数据中继业务,其卫星为静止轨道的跟踪与数据中继卫星,其用户站由传统的分布于地球表面(包括陆地、水上和大气层中)的各种陆、海、空通信站演变为中低轨道航天器(通常称用户航天器)。
20世纪末至21世纪初,又在卫星移动业务和卫星广播业务基础上发展了卫星移动广播业务,其用户站比固定接收用户站进一步小型化,可在移动状态下(手持或车载等)直接接收大功率静止卫星下发的电视信号或音频广播信号。
无源卫星被淘汰,卫星跟踪与数据中继业务诞生以及卫星移动广播业务诞生,我们可以将现代的卫星通信定义演变成如下形式:卫星通信是地球站之间或用户航天器与地球站之间利用通信卫星转发的无线电通信,主要包括卫星固定通信、卫星移动通信、卫星直接广播、卫星移动广播和卫星数据中继通信五大领域。前四者是地球站之间利用通信卫星转发的无线电通信,后者是用户航天器与地球站之间利用通信卫星转发的无线电通信。
卫星通信系统通常由空间分系统、测控与管理分系统、卫星应用分系统三部分组成,如图1-1所示。
图1-1 卫星通信系统的组成
空间分系统由给定轨道的卫星或星座组成。它是设在空间的通信中继站,其任务是向地球站转发通信信号和(或)测控信号。设置在地面的测控与管理分系统由跟踪遥测指令分系统和监测管理分系统组成。其中跟踪遥测指令分系统又叫跟踪遥测遥控分系统,它的主要任务是测量和控制卫星的轨道和姿态,监测卫星的各种工程参数和环境参数,对卫星实施各种功能状态的切换。其中监测管理分系统的任务是在卫星通信业务开通前对卫星各项通信参数进行在轨测试和对地球站各项通信参数进行入网验证测试;业务开通后对卫星和地球站各项通信参数进行监测和管理。卫星应用分系统由通信业务管理控制中心(或称网络管理控制中心)与各个通信地球站组成。网络管理控制中心对整个卫星通信网实施控制管理,包括资源控制、多址联接、信道分配、入网控制、状态监测等。它是众多地球站的中心站或称主站,其他站则称为远端站或用户站。远端站站型可包括固定站、便携站、车载站、机载站、船载站和手持机等。
还需说明,由于跟踪遥测指令分系统只负责卫星的测控管理,因此有的资料把它与卫星一起统称为空间段。此外,由于跟踪遥测指令分系统和监测管理分系统组成的测控与管理分系统并不关心具体通信业务,因此习惯上只将由各种通信地球站组成的卫星应用分系统和通信卫星一起组成的通信网络称为卫星通信系统。此外,图1-1的卫星通信系统是指卫星已发射成功投入运营进行通信时参与工作的各分系统。因此,它不包括发射通信卫星时必不可少的另外两个重要分系统:运载火箭和卫星发射场。
卫星通信与微波中继通信等通信方式相比具有以下特点:
(1)覆盖范围广,通信距离远。通信卫星在高空,卫星对地球的覆盖范围取决于卫星的高度。一颗地球静止轨道(GEO)卫星位于赤道上空35786.6km,可覆盖地球面积的42.46%,三颗卫星可基本覆盖全球(除南﹑北极外)。在卫星覆盖区内任意两点,不论是远隔重洋还是近在咫尺,都可通过卫星转发进行通信。
(2)通信容量大,支持多种业务。卫星通信采用微波频段,可供使用的频带宽。过去常用C、Ku频段,近年来已扩展为Ka频段甚至到V频段。C、Ku频段可用带宽一般为500MHz,Ka频段可用带宽为2GHz。再加上多点波束频率复用和极化复用,单颗卫星可用带宽可达几十GHz。随着技术的不断发展,卫星转发器单信道的传输速率也越来越高,可支持语音﹑数据﹑传真﹑图像﹑电视广播等多种业务。
(3)通信线路稳定,质量好。卫星通信的电波主要在大气层以外的自由空间传播,电波在自由空间传播十分稳定,因此卫星通信受气候和气象条件影响较小,且通常只经过一次转送,噪声影响小,通信质量好。
(4)以广播方式传输,具有多址联接特性。卫星通信是以广播方式进行的,只要在卫星天线的覆盖范围内,各地球站都可以利用此卫星相互间进行通信。可采用频分多址、时分多址、码分多址和空分多址等多种方式组建各种通信网络。
(5)建设周期短,组网灵活。卫星通信的建立不受地理条件限制,无论是现代化的大城市,还是偏远落后的山区和岛屿,无论是汽车、飞机、舰船,甚至个人,只要需要,都可随时利用卫星通信,且建站迅速,组网灵活。特别是对于偏远地区效果更为显著。
(6)建设成本与通信距离无关。卫星通信中,通信线路的造价不随通信距离的增加而增加,特别适用于远距离通信。这是微波中继通信、蜂窝移动通信、光纤通信等通信方式所不能比拟的。
以上介绍了卫星通信的主要优点,但它也存在以下缺点:
(1)传输时延大。利用静止轨道卫星进行通信,电波传输距离远,单向距离约80000km,传输时延约为0.27s。通话时会使用户感到不习惯,同时还会产生明显的回波现象,必须采取回波抵消技术来抑止回波。
(2)保密与抗干扰性能较差。卫星通信具有广播特性,一般来说传输的信息比较容易被窃听。因此,对于不公开的信息应加强安全保密防范技术措施。静止卫星的轨道位置及使用的工作频率都是公开的,且卫星天线波束的覆盖面广,通常使用的又是透明转发器,因此卫星易受到有意或无意的干扰,严重时会使正常的通信业务无法进行。
卫星通信的这些特点使它在国际通信、国内通信、军事通信、应急通信、偏远地区通信以及远程医疗和教育等领域得到了广泛应用。
卫星通信按业务分类,通常分卫星固定业务(FSS)、卫星移动业务(MSS)和卫星广播业务(BSS)三类,后来随着卫星通信技术的发展和应用需求,又增加了卫星移动广播业务和卫星跟踪与数据中继业务两类。按以上所述的业务分类组成的卫星通信系统,又可分为卫星固定通信系统、卫星移动通信系统、卫星广播系统、卫星移动广播系统、跟踪与数据中继卫星通信系统五类。这五类按卫星通常所用运行轨道进一步分类如图1-2所示。
卫星通信系统按用途分又有商用卫星通信系统和军用卫星通信系统两类,还有公用卫星通信系统和专用卫星通信系统两类;按全系统卫星(单星或星座)波束覆盖地球范围分有国内卫星通信系统、区域卫星通信系统和全球卫星通信系统(其中又分包含南北两极和不包含南北两极两种);按业务频段分又有UHF频段卫星通信系统、L频段卫星通信系统、S频段卫星通信系统、C频段卫星通信系统、X频段卫星通信系统、Ku频段卫星通信系统和Ka频段卫星通信系统等单频段卫星通信系统和多频段卫星通信系统。
图1-2 卫星通信系统分类