卫星通信的优缺点

我们偶尔会在夜空中看到一些有趣的、不闪烁、不发光的、缓慢、直线移动的光点。那可能是一颗卫星。有许多不同类型的卫星绕行星或恒星运行或在其中旅行。月球是卫星的一个自然例子，因为它绕地球运行。然而，在大多数情况下，当人们提到卫星时，他们指的是被送入轨道的制造物体。

卫星像航天器一样绕地球运行，通常配备有计算机和从太阳获取能量的太阳能电池板。1957年，第一颗卫星被发射到轨道。它被命名为斯普特尼克，大小约等于一个球。目前天空中存在着成吨的卫星。它们偶尔也带有摄像头或其他研究设备来协助数据收集。

在这篇文章中，我们将更详细地探讨什么是卫星通信，它们如何工作，它们用于什么，以及它们的优点和缺点。

卫星通信系统

什么是卫星？

任何以弯曲路径绕行星运行的实体都被认为是卫星。换句话说，卫星是太空中绕一个更大的物体运行的一个小物体。

卫星分类

在对卫星进行分类时，主要有两种类别

1. 自然卫星
   自然卫星是在太空中绕其他更大的自然物体运行的自然天体。例如，地球的月球是自然卫星，绕太阳运行的行星也是如此。它绕太阳在预定的轨道上运行。
2. 人造卫星
   人造卫星由人类制造，并使用火箭发射。
   

什么是沟通？

通过任何流或通道在两个或多个实体之间分发数据就是通信。

什么是卫星通信？

卫星通信是指任何包含不同地面站和卫星的通信。

卫星通信的必要性

• 地面波传播和天波传输是传统上用于电信的两种传播技术。
• 这两种技术的总传播距离为1500公里。
• 卫星通信解决了这一限制。它能够实现更长距离的通信，甚至超越视线。
• 1945年，著名的英国科幻作家阿瑟·C·克拉克相信了卫星通信。
• 卫星的功能专门用于通信。

理解卫星通信

• 我们注意到，一般的通信过程被分为两个部分，上行链路是信息传输到卫星的过程。
• 第二阶段称为下行链路，发生在卫星重新传输数据，并且另一个地面站截获数据或信号时。
• 数据以与地面站接收数据的频率不同的频率流式传输。
• 信息通过频率f1的上行链路传输，并通过频率f2的下行链路接收。
• f1和f2不相等。
  

卫星通信组成部分

• 以下是卫星通信系统的两个基本组成部分
• 地面部分
  • 它包括以下项目：地面站、用户终端和接口、广播和接收设备以及天线系统。
• 空间部分
  • 它包括运载火箭、卫星、通信转发器、通信天线和电力系统。
• 将会有卫星、两个地面站（地面站1和地面站2）和其他设备。
• 借助高定向性碟形天线，地面站将信息传输到卫星。
• 地面站1正在进行上行链路，即将数据传输到卫星。
• 地面站2（有时称为下行链路）从卫星接收数据。
• 上行链路频率是广播数据的频率，而下行链路频率是地面站2从卫星接收输入的频率。
• 通常，上行链路频率和下行链路频率是分开的。
• 卫星转发器将此信号更改为不同的频率，并将其传输到地面站2。
  • 转发器是通信卫星的发动机。
  • 转发器的主要职责包括改变输入信号的频率、消除声音输出和提高传输质量。
  • 转发器需要大量的电能来完成这些任务。
  • 卫星可以使用电池或太阳能电池板供电。
  • 太阳能电池板为电子设备供电，但在日食期间使用电池。
  • 卫星上还装有太阳传感器。借助这些太阳探测器，可以正确地定位光伏电池，以从太阳捕获最多的能量。
  • 反射器天线是安装在卫星上的最主要的类型。
  • 假设一颗卫星正在向其指定轨道前进。
  • 由于行星质量分布不均以及月球和太阳的影响，卫星周围的引力场不均匀。
  • 因此，卫星有时可能会偏离其轨道位置。
  • 其结果是信号完全丢失。
  • 卫星使用推进器来避免这种情况。
  • 推进器使卫星保持在正确的位置。
  • 卫星外壳中的储罐储存推进器所需的燃料。
  • 地面站定期帮助跟踪卫星的位置。
  • 地面站还评估卫星的状况和速度。

卫星轨道

轨道是太空中的一个实体绕另一个实体周期性、重复性地运行的轨迹。

卫星轨道分类

1. 按倾角

1. 赤道轨道
   • 赤道轨道是指卫星沿几乎呈球形的轨迹运行，并略高于赤道。
   • 其倾角为零度。
2. 倾斜轨道
   • 除直接经过南北半球或中心以外的所有轨迹都倾斜。
   • 倾角范围从零到180度。
3. 极地轨道
   • 当卫星以垂直于赤道面的轨道排列旋转并穿越南北两极时，就会出现极地轨道。
   • 极地轨道卫星在靠近地球表面的低空路径上，经过南北两极。
   • 处于极地轨道的航天器倾角接近90度。
     

2. 按离地距离

1. 近地轨道
   • 这些卫星在地球表面上方160至2000公里处运行。
   • 绕地球一周需要90到120分钟。
2. 中地球轨道
   • 它指的是地球周围的空间，位于地球静止轨道上方，低地球轨道下方。
   • 中地球轨道卫星的轨道周期可能在两到六小时之间。
   • 该卫星在距离地球表面2000至35,786公里处绕地球运行。
3. 地球同步轨道
   • 绕地球运行的卫星被称为地球同步卫星。
   • 它位于赤道正上方约35,786公里处。
   • 它以与地球自转轴相同的方向，从西向东旋转。
   • 该航天器绕行星运行一周需要24小时。
     

3. 按形状

1. 球形轨道
   • 圆形轨迹在给定距离处绕质心运行。
   • 该轨道的偏心率为0。
   • 存在不同种类的圆形轨道。它们包括
     • 地球同步轨道
     • 极地轨道
     • 赤道球
2. 椭圆轨道
   • 椭圆轨道是指一个物体沿着一个椭圆形路线绕另一个物体运动。
   • 轨道的偏心率大于0但远小于1。
   • 这些卫星有时离地球近，有时离地球远。
   • 卫星的近地点是指它最接近地球的点。
   • 远地点是最远的位置。
     

选择卫星轨道

• 众所周知，卫星之所以能保持在轨道上，是因为引力和离心力之间的平衡。
• 卫星的角速度由平衡引力和离心力的力平衡方程决定。
• 当卫星部署时，它被给予足够的速度来平衡这两种力。
• 靠近地球的卫星需要更大的速度来抵抗引力，而离地球更远的卫星则不需要。
• 由于太空中的阻力可以忽略不计，卫星永远不会失去速度。这意味着卫星将在没有任何外部能源的情况下继续绕地球进行圆形运动。
• 卫星被放置在近地轨道、中地球轨道或地球同步轨道。
• 选择放置卫星的轨道将取决于卫星的应用和目的。
  • 如果它是为地球观测而建造的，例如天气预报、地理区域测绘、卫星电话呼叫等，那么就会选择靠近地球的轨道。
  • 近地轨道最靠近地球，因此适用于这些应用。
  • 但是这类卫星覆盖的区域非常小，因此需要更多的卫星来提供更好的覆盖。
• 在广播的情况下，会选择高轨道，如地球同步轨道。
• 对于GPS等导航应用，中地球轨道是明智的选择。

其他类型的人造卫星

1. 导航卫星

• 卫星导航系统用于识别地面上实体的位置。
• 它确定了包括军舰、飞机和其他车辆在内的任何物体的精确位置。
• 军队也需要它来运作。
• 它经常被用作军事工具或获取军事目的的数据。
• 以下是主要的卫星导航系统：全球导航卫星系统（GNSS）
• 美国首先推出了全球定位系统（GPS）卫星技术。

2. 天气卫星

• 天气卫星的主要目的是
  • 监测地球的环境和天气。
  • 能够预测日常气象条件，如温度和降雨量。
  • 跟踪风暴、飓风、气旋和热带风暴等气象现象的发生和演变。

3. 通信卫星

• 通信卫星是一种航天器，用于将信号传输到遥远的地方，包括电话、电视、广播和互联网传输。

发射人造卫星

将卫星送入轨道是一个两步过程

• 首先必须将卫星提升到所需的高度，然后以适当的速度发射，以启动并维持其轨道。
• 使用运载火箭（如火箭或航天飞机）将卫星送入绕行星的轨道。
• 多级火箭是卫星的运载火箭。
• 此外，它还配备了几个小型助推火箭。
• 在起飞和飞行初期，助推器以初始推力推动火箭。
• 当助推器中的燃料耗尽时，火箭会解体，而其他助推器会接管。
• 运载火箭的飞行时间仅在起飞后的最初几秒钟内是垂直向上的。
• 随着每个助推器的释放，火箭变得更轻，能够移动得更快。一旦达到所需的高度和速度，它就会将卫星送入轨道。

卫星通信的优点

• 可以实现多点连接。
• 比地面系统具有更大的连接性。
• 卫星网络易于演示。
• 这种电路具有很强的抵抗力。
• 通过卫星通信可以访问地球的每个区域。
• 卫星的成本与距离无关。
• 无论距离多远，都可以传输和收集信息。
• 提高了广播能力和带宽。
• 可以全天候通信。

卫星通信的缺点

• 启动成本很高。
• 可能发生频率拥塞。
• 可能出现传输和失真问题。
• 将卫星送入轨道的过程非常昂贵。
• 卫星系统的传播延迟比典型的地面系统长。
• 显著的延迟降低了卫星在传输信息方面的效率。
• 如果卫星系统出现任何问题，很难纠正。
• 卫星通信的发射器和接收器需要高强度和大直径的发射器。
• 随着卫星部件的老化，其效率会下降。
• 更多的自由空间损耗。

卫星通信的应用

• 广播流
• 电视广播服务，如“直接到户”（DTH）
• 互联网工具，如GPS军事工具
• 导航
• 遥感软件
• 地球观测
• 观测和预测天气