第1章 卫星通信网
无线电通信可以分为长波通信、中波通信、短波通信、超短波通信和微波通信等。长波信号（3～30kHz）主要沿地球表面进行传播（又称地波），传播距离可达几千千米，甚至还能穿透海水和土壤，多用于海上、水下、地下的通信。中波信号（30kHz～3MHz）在白天主要依靠地面传播，夜间可由电离层反射传播，多用于广播和导航业务。短波信号（3～30MHz）主要靠电离层反射的天波传播，传播距离可达几千千米。超短波信号（30～300MHz）主要以直线视距传播，但也有一定的绕射能力，比短波信号天波传播方式稳定性高，受季节和昼夜变化的影响小。微波信号（300MHz～300GHz）则以直线视距传播，几乎没有绕射能力，受地形、地物，以及雨、雪、雾影响大，但其传播性能稳定，能穿透电离层。卫星通信主要使用微波信号。
根据通信原理，中心频率越高，单个载波能实现的数据传输速率也越高。短波虽然沿地球表面能够传输几千千米，但能够实现的数据传输速率很低，一个载波的数据传输速率达到每秒数千比特就算是好的。微波通信相对于短波和超短波通信具有非常明显的带宽/速率优势，能够实现的传输带宽要大得多。但微波信号只能沿直线传播，因此微波通信只能在可视范围内的收发站之间进行，一旦有山头或建筑物遮挡就无法通信。由于地球表面的曲率作用，两个站之间的可视距离一般只有数十千米。
为了充分利用微波通信的高速传输特性，出现了微波中继通信（也称微波接力通信）。中继站M接收来自视距内的A站信号再将其转发给视距内的B站，这样就可以实现非视距内的A、B两个站之间的微波通信。如果有足够多的中继站接力转发，微波通信的距离可以不受限制。但由于地球曲面的影响，一般每隔50km左右就需要设置一个中继站。除了大量中继站部署的成本因素，地球上还有太多无法设立中继站的地方，如海洋、沙漠、高山等无法提供电力的地方。如果把微波通信的中继站部署在太空中，那么只要两个站都能“看得见”太空中继站，它们之间就可以实现微波中继通信。如果上述太空中继站部署在地球同步轨道上，则只要均匀部署三个中继站，在地球上的任何区域都可以看到其中的一个中继站，能够同时看到同一个中继站的两个站之间就能实现中继通信。
卫星通信就是利用位于太空中的人造地球卫星（简称卫星）作为中继设备，转发或反射一个地球站发出的高频无线电波，使得另一个地球站能够接收到这些无线电波，从而实现两个或多个地球站之间信息传输的一种通信方式。
根据卫星对无线电信号有无放大、转发功能，可以将其分为有源卫星和无源卫星。但由于无源卫星反射后到达地面的无线电信号太弱，一般无法正常接收，因此无源卫星没有实用价值。人们普遍致力于研究具有接收放大、变频转发功能的有源卫星，这类专门用于转发信号的有源卫星称为通信卫星，中继卫星是通信卫星的一种。
根据卫星相对于地球的位置，可以把通信卫星分为同步卫星和非同步卫星。如果卫星运行在地球赤道上空离海平面35786km的轨道上，且绕地球运行的周期（绕地球一圈的时间）与地球的自转周期相同，由于它绕地球运行的角速度与地球自转的角速度相同，从地面上看它好像是静止的，这种卫星就称为地球静止轨道卫星（GEO卫星），简称同步卫星。其他通信卫星就是非同步卫星。在利用同步卫星的通信中，地球站与卫星之间的关系是固定的，天线朝向不变，电磁波信号传播距离不变。而在利用非同步卫星的通信中，在地球站看来，卫星是不断移动的，大部分时间可能不在可视范围内，一般要由多颗卫星组成星座才能实现一个地球站全时都能“看到”至少一颗卫星。本书后面所述的卫星通信技术，都是针对同步卫星的，所述卫星通信网也都是同步卫星通信网。
同步卫星通信具有诸多优点，概括来说包括：视距覆盖区域大，一颗通信卫星可以覆盖地球表面的1/3；通信距离远，且通信成本与通信距离几乎无关；以广播方式工作，一个地球站发出的信号经卫星转发后，覆盖区域内的所有地球站都能收到；通信容量较大，能传输的业务种类多；可自发自收进行通信监测；对地面基础设施依赖程度低，部署灵活。虽然同步卫星通信的优点很多，但缺点也很明显，主要缺点有：卫星离地高，信号传播距离远，信号衰减太大，收发系统复杂，造价昂贵；同步卫星距离地面约3.6万千米，信号传播时延大，一跳转发就至少需要250ms；卫星信号覆盖范围内所有区域的干扰信号都能到达卫星，易受干扰；微波信号无法穿透钢筋混凝土结构的建筑物，在室内无法直接使用卫星终端；雨雪和浓雾都会造成微波信号衰减，影响卫星通信质量；每年的春分和秋分前后，当卫星进入地球的太阳光阴影区（星蚀）时就没有太阳能供电，星载蓄电池可能无法提供足够电力，会影响通信；每年的春分和秋分前后，当太阳运行到地球赤道上空时，如果太阳、通信卫星和地面卫星接收天线恰巧在一条直线上（日凌），太阳辐射的大量杂波可能会影响地球站的接收。
早在1945年，英国科学家阿瑟·克拉克就发表文章，提出利用同步卫星进行全球无线电通信的科学设想。过了近20年，这一设想变成了现实。1964年8月，美国发射了“辛康姆”同步卫星，定位于东经155°的赤道上空，通过它对信号的转发成功地进行了电话、电视和传真的传输试验，并于1964年秋用它向美国转播了在日本东京举行的奥林匹克运动会实况。
1965年4月，由西方国家财团组成的“国际通信卫星组织”将第一代“国际通信卫星”（Intelsat-I，原名“晨鸟”）发射定位于大西洋上空西经35°的对地静止同步轨道，并使其正式承担欧美大陆之间的商业通信和国际通信业务。两周后，苏联也成功发射了其第一颗非同步卫星“闪电-1”，使其进入倾角为65°、远地点为40000km、近地点为500km的准同步轨道（运行周期为12小时），对苏联北方、西伯利亚、中亚地区提供电视、广播、传真和电话传输业务。这标志着卫星通信开始进入实用阶段。
1972年，加拿大首次发射了通信卫星“ANIK”，率先开展了国内卫星通信服务，获得了明显的规模经济效益。卫星通信地球站也开始采用21m、18m、10m等较小口径天线，以及几百瓦级的行波管发射机和常温的低噪声参量放大接收机，逐步向小型化迈进，单站成本大大下降。1976年，由3颗同步卫星构成的Marisat系统成为第一个提供海事通信服务的卫星通信系统。1982年，INMARSAT组织租用美国的Marisat、欧洲的Marecs和国际通信卫星组织的Intelsat-V卫星（都是同步卫星）的转发器，沿用海事通信卫星的技术体制，组成第一代国际海事卫星通信系统Inmarsat-A。
20世纪80年代末期，卫星通信进入数字化阶段。1988年，Inmarsat-C成为第一个陆地卫星移动数字通信系统。1993年，Inmarsat-M和澳大利亚的Mobilesat成为第一个数字陆地卫星移动电话系统，支持公文包大小的终端。1996年，Inmarsat-3可支持便携式的膝上型电话终端。
20世纪80年代，VSAT（Very Small Aperture Terminal，甚小口径终端）卫星通信系统问世，卫星通信进入突破性的发展阶段。VSAT是集通信、电子、计算机技术于一体的固态化、智能化的小型无人值守地球站。VSAT技术的发展，为大量专用卫星通信网的发展创造了条件，开拓了卫星通信应用发展的新局面。20世纪90年代，中、低轨道移动卫星通信的出现和发展又开辟了全球个人通信的新纪元，大大加速了社会信息化的进程。
20世纪末期，面向个人的低轨道移动卫星通信趋于成熟。1998年，铱（Iridium）系统成为首个支持手持终端的全球低轨道移动卫星通信系统。1999年年底，全球星（Globalstar）系统正式向全球用户提供个人移动卫星通信服务。除此之外，各航天强国和大国都在筹划建设自己的区域移动卫星通信系统。以马斯克创立的SpaceX为代表的多家私人公司，也纷纷推出了为全球用户提供高速无线接入的卫星数字通信系统。
1993年，欧洲广播联盟（European Broadcasting Union, EBU）、欧洲电信标准化协会（European Telecommunications Standards Institute, ETSI）和欧洲电工标准化委员会（European Committee for Electrotechnical Standardization, CENELEC）联合发起制定了DVB（Digital Video Broadcasting）标准，利用数字压缩技术实现卫星直播到户，现已在全球普及。采用这种方式，除家庭可直接接收直播信号外，有线电视台、地面发射网可将其作为一种资源，接收后再转播出去。尤其是采用数字压缩技术后，一个卫星转发器可传送多套视频节目，使视频节目更加丰富。
我国的卫星通信技术研究和使用始于20世纪70年代初。1972年，我国租用了国际第4代通信卫星（IS-IV），引进了国外设备，在北京和上海等地分别建立了4座大型地球站，首次开通了商业性的国际卫星通信业务。1984年4月8日，我国成功发射了第一颗试验同步卫星（STW-1），定点于东经125°赤道上空。1988年3月7日和12月22日，我国又相继发射了2颗经过改进的实用通信卫星，分别定点于东经87.5°、110.50°赤道上空。1990年2月4日，我国发射了第5颗同步卫星，定点于东经98°赤道上空，同年春又将“亚洲一号”卫星（共有24个转发器）送入了预定轨道。1997年5月12日，我国发射了第3代通信卫星“东方红三号”（DFH-3），主要用于电视、电话、电报、传真、广播和数据传输等业务。目前，我国大部分县市都可通过卫星与180多个国家和地区进行远地通信，每个省级电视台几乎都有1～2套卫星电视节目。