【航天甲子年50講】 17 同步軌道通信衛星
文：晟宇（視頻講解）
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https://www.zhihu.com/video/942145537651257344 前言
上一次分享中我們初步了解了通信衛星。我們知道通信衛星的出現就是為了解決那些通過地面的通信手段不好解決的問題。
這些問題大概是過大的尺度，或者過於複雜的地形又或者是用戶的密度太低造成的。衛星作為通信的節點雖然解決了大尺度等問題，然而衛星的高速運動特性，使得要提供持續的服務就要大量的衛星。
於是對於通信這件事情來說，同步軌道就成為了非常自然的選擇。同步軌道早在20世紀初期的科幻小說里就被提出來用於通信。這是得益於其理想的相對空間穩定性。
同步軌道的得名正是因為這個軌道的周期與地球自轉的周期相同，因此相對於地面來說這個軌道的衛星就似乎是靜止的。具體可見【航天甲子年50講】 02 軌道力學。因此早在1960年代航天剛剛起步，同步軌道的通信衛星就開始發展了。
達到這個軌道周期所需要的半長軸達到4萬多公里，拋除地球6378.17km的半徑，同步軌道距離地球大概3萬6千公里，只需要3顆這樣的衛星就可以覆蓋絕大部分人類居住的地球表面，實現服務的全球覆蓋。
要使用先有高度
利用現有的運載能力直接將衛星送入地球同步軌道是困難而且不經濟的。因此進入同步軌道一般需要經歷幾個階段。完成一個霍曼轉移的過程，具體詳見【航天甲子年50講】 02 軌道力學 。
首先衛星進入低地球軌道，然後經過一次變軌進入同步軌道的轉移軌道，然後再從轉移軌道進入同步軌道，並在完成最後的軌道調整後，進入工作軌位。
這個過程中一般會使用到上面級，上面級是衛星的「擺渡車」，它一般可多次啟動點火，實現多個階段的變軌任務。
值得注意是一般GTO軌道和同步軌道之間是存在一個傾角差異的。這個差異一般取決於發射場的緯度。所以比較低的發射場在同步軌道衛星的發射方面可以節省很多發射的代價。
覆蓋特點
每一顆部署到同步軌道的通信衛星只需要一個17.4度的波束就可以覆蓋接近三分之一個地球。
這也是3顆同步軌道衛星可以覆蓋全球的幾何計算結果。但是需要注意的是在緯度較高的南北極地區，由於角度太大，信號較弱，而且容易受到遮擋，因此一般可用性較低。
隨著技術的發展，波束對地面的覆蓋實現了非常高的靈活性。一方面可以通過對波束的控制，只覆蓋重點區域，例如用戶較集中的區域；另外一方面，隨著對通信需求的動態變化，也可以不斷地對波束進行切換，動態地滿足不同區域的通信需求。
遙遠的傳輸距離
由於同步軌道距離赤道的距離都達到了3萬6千公里，因此要充分考慮到信號傳輸的鏈路預算。
一收一發，信號的傳輸距離超過7，8萬公里，由此帶來的時間延遲和信號穿越大氣帶來的損耗都是需要認真考慮的問題。
怎麼接入的那麼多用戶
同步軌道通信衛星的主要業務大概有幾類，首先是固定業務FSS，就是連接不同地點的固定網路；然後是廣播業務BSS，我們收看的衛星電視就屬於這類業務，服務於很多固定的消費級用戶；最後就是移動業務MSS，例如飛機上網，汽車上網等等，讓我們到天涯海角也能打電話上網。
因此我們看到，同步軌道通信衛星的服務形式包含了點對點，點對多點和多點到多點的網路模式。
尤其是一個波束里存在多個用戶要接入的問題，這裡我們也使用到應用於地面的頻分多址FDMA、時分多址TDMA和碼分多址CDMA等多址技術。
另外現在的通信衛星也實現了多波束技術，實現了同一頻率的復用。大大提高了系統的容量。
這也是現在GEO通信衛星都在逐步進入HTS高通量系統的時代趨勢，從過去的實現幾個G到現在的高通量衛星都實現了上百個G的容量。
同步軌道通信衛星的技術發展
同步軌道的通信衛星能力不斷提高得益於衛星技術的不斷進步。
首先是天線和轉發器方面的技術發展，提升衛星的通信能力。同時為通信系統提供支撐的平台能力也得到了很大的提高。
從自旋穩定的平台到三軸穩定的平台，使得衛星可以按照更多更大的天線。也使得衛星可以按照巨大的太陽帆板，獲取足夠充分的能源。
同時，同步軌道也逐漸進入了一個全電推的時代，這樣就讓同步軌道通信衛星可以將更多的星上資源解放出來按照更多的轉發器，實現更強的通信能力。
越來越強&越來越多
現在的通信衛星越造越大，重量達到數噸，天線巨大，展開的太陽帆板也達到二三十米，都是不折不扣的大傢伙。
覆蓋特點
同時以Intelsat，SES等公司為代表的巨頭無一不擁有多達幾十上百顆的GEO衛星，覆蓋從電視轉播、移動通信和寬頻網路等多種業務。
時至今日，GEO軌道上已經排滿了密密麻麻的衛星，大量的通信衛星和氣象和國防衛星幾乎將所有的同步軌道軌位資源分割完畢。
使得保持對現有軌道資源的佔有變得十分重要，也使得要對這個格局的改變變得十分困難。
開拓新疆域
同步軌道的擁擠也是上個世紀九十年代第一次低軌道通信衛星浪潮，到今天的第二次低軌道互聯網衛星浪潮的動力。
需要在非地球同步軌道NGSO的廣闊空間開拓新的疆域，我們在下一次的分享里就來聊一聊NGSO的通信衛星又有一些什麼特點。
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參考資料
- ODD GUTTEBERG Elements of satellite technology and communication
- EEG 470 Satellite Communications
- Howard Hausman Fundamentals of Satellite Communications
[航天甲子年五十講] 往期回顧
張晟宇：【航天甲子年50講】 01 飛天
張晟宇：【航天甲子年50講】 02 軌道力學
張晟宇：【航天甲子年50講】 03 軌道攝動
張晟宇：【航天甲子年50講】 04 奔月：從地球到月球
張晟宇：【航天甲子年50講】 05 空間任務幾何
張晟宇：【航天甲子年50講】 06 空間環境
張晟宇：【航天甲子年50講】 07 衛星設計流程
張晟宇：【航天甲子年50講】 08 載人航天
張晟宇：【航天甲子年50講】 09 空間機器人
張晟宇：【航天甲子年50講】 10 空間望遠鏡
張晟宇：【航天甲子年50講】 11 微小衛星
張晟宇：【航天甲子年50講】 12 空間分散式系統
張晟宇：【航天甲子年50講】 13 深空探測史
張晟宇：【航天甲子年50講】 14 深空探測器
張晟宇：【航天甲子年50講】 15 星際」WiFi「深空網
張晟宇：【航天甲子年50講】 16 通信衛星
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