太空探索－指定教材

第九章 太空资源的科学与商业应用

9.2  卫星通信与卫星导航

卫星通信是利用通信卫星处于轨道上相对于地面的高位置和卫星对地面的大覆盖率，在覆盖区域内转发和中继信息，实现地球上各点之间的通信。

卫星通信系统由空间部分和地球部分组成。空间部分主要是位于太空中转发或发射无线电信号的通信卫星；地球部分为向卫星发射无线电通信信号，并同时接收来自卫星的信号的卫星通信地球站。从地球向卫星发射的无线电信号称为上行信号，由卫星向地球发射的信号称为下行信号。

通信卫星上的转发器是通信卫星的核心部件，它的作用是： 将卫星上天线接收到的由地面站发送的电话、电报、传真、数据和图像等微弱的信号进行放大、变频，然后再通过发射天线把信号发射到另外的地点，以实现通过卫星进行两个地点的通信。由此看出，通信卫星的转发器数量的多少，是衡量某一卫星通信能力大小的标准。当代通信卫星已经有上百台转发器。目前，转发器有两种。一种是透明转发器，它对接收的信号除进行放大和变频外，不进行任何加工处理，只是单纯地完成转发任务，因此它对任何信号都是“透明”的。另一种是处理转发器，它除了进行信号转发外，还具有信号处理的功能。进行信号处理的转发器有多种，随通信需要而选定，分别具有下述功能和特点：

(1) 通过对信号解调和再生，可去掉上行线路中叠加在信号上的噪声，提高整个通信链路的传输质量。

(2) 通过对信号的解调和再调制，进行上下链路分开设计，可使上下链路实行不同的调制体制和多址方式，以降低传输要求和地面设备的复杂性。

(3) 通过卫星上信号处理，可实现用户线路的信道、频率、功率和波束的动态分配，使卫星资源得到最佳利用。

(4) 通过前向链路与返回链路信号处理器连接，可以实现移动用户之间只经一次转发通信，以减小空间传输时延。

(5) 通过卫星上信号处理，可建立星际通信链路，以实现卫星星际联网。星际通信链路是指卫星与卫星之间的通信链路，其功能和特点是： 地球上任意两点之间的通信可不通过地面网路而实现直达通信，有利于地面管理中心对整个卫星移动通信系统的统一管理。通信卫星按运行轨道，可分为地球静止轨道通信卫星和非静止轨道通信卫星；按服务区域不同，可分为国际通信卫星、区域通信卫星和国内通信卫星；按用途可分为电视广播卫星、海事通信卫星、航空通信卫星、跟踪和数据中继卫星、军用通信卫星等。

9.2.2 地球静止轨道通信卫星

地球静止轨道通信卫星对于以广播电视为代表的单向通信非常有效，对于农村地区及荒漠、海洋等人口稀少地区也非常经济，因此自1964年以来，几乎所有的商业通信卫星都是这类卫星。商用地球静止轨道通信卫星目前主要有以下几种类型： 大容量通信卫星、电视直播卫星、手持机通信用的窄带业务通信卫星以及信息高速公路用的宽带业务通信卫星。商用地球静止轨道通信卫星的特点是大功率、宽频带、长寿命。欧美卫星制造商推出了当今拥有的大卫星平台，其性能见表9-1。此外，美国的劳拉空间系统公司还公布了LS-2020公用平台研制计划，LS-2020是一种模块化卫星星体，净重2500 kg，功率为 25 kW，可容纳150个转发器。这是目前所知的最大卫星平台。

中国于2000年发射的东方红3号通信卫星有24台转发器，设计寿命为8 a，有效载荷重量为170 kg。图9-2分别给出了几种典型的通信卫星的位形。

9.2.3 中低轨道通信卫星

上述地球静止轨道通信卫星虽然有许多优点，但由于轨道高度达36 000 km，会产生数百毫秒的时延，地面联系需要高功率的笨重天线，用它来实现实时的双向交互式通信(如个人移动电话)时，就相当不便。随着全球卫星定位、移动通信漫游、Internet宽带接入等技术的发展，包括中轨道、低轨道和椭圆轨道卫星系统的非静止轨道通信卫星得到了长足发展。

中低轨道通信卫星由于轨道低，信号传输距离短，所需卫星功率小，链路损耗小，传输时延短，因此易于实现手持机个人移动通信。不过，单颗中低轨道通信卫星的覆盖面积比地球静止轨道通信卫星小得多，为了实现全球通信，必须由数十颗中低轨道通信卫星组成小卫星星座才行。表9-2 列出了中低轨道通信卫星移动通信系统的参数。Teledesic系统虽属于卫星固定通信业务，但为了和中低轨道通信卫星系统一起与对应地面通信系统比较，特把它列入表中。另外，铱星已于2000年3月24日下午停止服务，后来被美国军方启用。

中低轨道通信卫星今后的发展趋势是星体小型化、轻型化。一般将质量为100～500 kg 的卫星定义为微小卫星(Minisat)，质量为10～100 kg的卫星定义为微型卫星(Microsat)，质量小于10 kg的为纳米卫星(Nanosat)。全球星质量为454 kg，属于小卫星；轨道通信卫星仅43 kg，属于微型卫星。图9-3分别显示了铱星和全球星。

9.2.4 卫星导航与定位

1. 卫星导航与定位的原理

航天器在太空的运动受力学原理支配，是有规律的，航天器的轨道位置和速度都可以预先确定，因此它们可以用作定位、导航和测地的基准。由数颗导航卫星构成的导航卫星网(又称星座)，具有全球和近地空间的立体覆盖能力，可以为地面车辆、海面舰船、空中飞机以及天上的卫星、飞船等目标提供全天时、全天候、连续实时的高精度定位和测速信息。

设用户分别在t1，t2，t3和t4时刻(用户钟)接收到4颗在时刻S(卫星钟)发来的无线电信号，用户根据精确测量出的这4个时间信息，就可以得出用户位置的三维坐标(X，Y，Z)以及用户钟与卫星钟的误差(T)，如图9-4所示。

2. 卫星导航与定位系统发展概况

目前运行的全球卫星导航与定位系统有美国的Global Positioning System(简称GPS)和俄罗斯的Global Navigation Satellite System(简称GLONASS)。

GPS是第二代卫星导航与定位系统，其空间部分由24颗高度为20 000 km的卫星组成，24颗卫星分布在6个近圆轨道上(见图9-5)，轨道倾角为55°。在全球的任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星。每个GPS卫星都发射两个频率的导航信号，L1=1575.42 MHz；L2=1227.6 MHz。在两个工作频率上分别调制导航信息和特殊编码。用户接收机同时接收这两个频率的信号，这样可消除电离层对电磁波传播速度的影响。

GPS系统提供两种服务，即精密定位服务(Precise Position Service,简称PPS)和标准定位服务(Standard Position Service,简称SPS)。PPS向美国及其盟国军方提供服务，观测的水平和垂直误差分别为12 m和18 m；SPS向一般民间用户提供服务，由于美国受其本国利益驱使，实行所谓反欺骗和选择可用性措施(Availability,简称SA)，其水平精度达到100 m，垂直精度达到156 m。2000年5月1日美国总统宣布取消SA后，所提供的定位精度接近PPS水平，但其抗干扰性有相当大的差距。

俄罗斯的GLONASS也是第二代卫星导航与定位系统。自1982年10月成功发射第一颗GLONASS卫星以来，共有70颗卫星先后在轨工作。由于经济和其他原因，俄罗斯后续补网发射计划一拖再拖。截至2000年底，在轨可用的工作卫星仅有9颗，其中有4颗均已超过3年设计寿命，而且状态不佳。

欧盟15国交通部长会议2002年3月26日一致决定，欧洲正式启动伽利略卫星系统导航计划。这标志着欧洲将拥有自己的卫星导航与定位系统，并将结束美国GPS在世界独占鳌头的局面。

未来的伽利略卫星系统是一个全球导航系统。由30颗卫星组网，平均分布在轨道高度为24 000 km、倾角为56°、相互间隔为120°的3个倾斜轨道面上，每个轨道面部署9颗工作卫星和1颗在轨备份卫星。伽利略卫星系统可为地面用户提供3种信号： 免费使用的信号、加密且需交费使用的信号和加密且需满足更高要求的信号。其定位精度依次提高，可比GPS高10倍左右，即使是免费使用的信号，其精度也达6 m。伽利略卫星系统定于2008年全部建成使用。

3. 卫星导航与定位系统的应用

(1) 导航应用。

GPS的导航应用包括车、船和飞机等的导航与定位。目前，几乎所有国际航线上的飞机都用了GPS导航系统。在铁路系统中，准确而实时的定位，可以使行车间隔时间从7～8 min缩短到4～5 min，相当于延长铁路里程上万公里，而我国“九五”期间投资2850亿元，仅建铁路6000 km。在邮电、公路运输上，主管部门可以随时掌握所辖车辆的运行情况及货运信息，既减少车辆的空回率，又保证货运质量，每年创造的价值与铁路相当。在江河船运上，可减少沉船事故，保证航道畅通等。

(2) 测绘应用。

GPS测绘应用包括大地测量、航测与遥感、工程测量、地形测量与地理信息系统(Geographic Information System, 简称GIS)。

(3) 地球动力学应用。

利用GPS测定地球板块和地壳运动，可预报地震。

(4) 地球空间探测。

利用GPS无线电掩星技术，可连续监测地球空间环境，为准确地预报空间天气和近地面的气象状态提供了新手段。

(5) 航天应用。

主要包括低轨道卫星的实时轨道测量、卫星入轨和卫星回收的实时点位测定等。

(6) 军事应用。

GPS系统在军事上的应用主要体现在精确制导和精确定位。

(7) 其他应用。

GPS系统可应用在公安保卫、巡逻搜索、资源勘察、危险品监测、化学毒品运输、环境数据收集、海上和空中交通管制、标准时间校正、个人旅游、安全呼救等。

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