通訊衛星
通訊衛星（英語：Communications Satellite，簡稱「CS」）是一種通過中繼器來傳遞和放大無線電通訊訊號的衛星，它建立了地面上發射站與接收站之間的資訊通道。通訊衛星可用於電視、電話、廣播、網路和軍事領域。地球軌道上有2,000多顆通訊衛星，它們由私人和政府機構使用[1]。
無線電通訊使用電磁波來傳遞訊號，這些波是直線傳播的，因此它們會被地球的彎曲表面擋住。通訊衛星的目的是,通過傳遞地球表面的訊號來實現地面遠距離的通訊[2]。通訊衛星使用的無線電和微波的頻帶較寬。為避免訊號干擾，國際組織制定了監管規則來分配各個組織可以使用的頻率範圍或「頻帶」。這樣的分配降低了訊號干擾的風險[3] 。
衛星軌道離地很高，天線波束能覆蓋地球廣大面積，且電波傳播不受地形限制，能實現地面遠距離通訊。衛星裝有由接收和發射裝置組成的轉發器，將收到的訊號經放大、移頻後發射給地面；軌道高度和傾角可有多種，但常用的是對地靜止軌道；如果用3-4顆對地靜止軌道上的通訊衛星組網，可以實現全球即時通訊；這種衛星除了具有人造衛星一般的分系統裝置外，還裝有通訊轉發器、對地姿態穩定控制、對地定向天線、衛星位置保持等分系統裝置。
通訊衛星是為了補足海底電纜通訊的不足，通常用於行動通訊。例如船隻或飛機等遠離陸地的交通工具，無法使用有線通訊時，便需要通訊衛星。
歷史
今天的衛星通訊可以一直追溯到亞瑟·C·克拉克於1945年2月寫給《無線世界》雜誌編輯的一封信中。1945年10月，克拉克在《無線世界》發表了題為Extra-Terrestrial Relays – Can Rocket Stations Give Worldwide Radio Coverage的文章，進一步充實了衛星通訊的理論。幾十年後，美國海軍進行了一個名為「月球中繼通訊」的計劃。該計劃使用月球作為天然的通訊衛星，旨在提供一種安全可靠的無線電通訊。
世界上第一顆人造地球衛星是蘇聯的史普尼克1號號，該衛星於1957年10月4日發射入軌。它裝載了星上無線電發射器，該發射器的工作頻率為20.005 MHz和40.002 MHz。Sputnik 1號的成功發射，邁出了太空探索的第一步。雖然它在太空中不是用來傳遞地球上兩點之間的訊號的，但它確實是現代衛星通訊的開端。
第一顆專門用於全球通訊的人造衛星是美國的Echo 1號。它是世界上第一顆能夠傳遞地面上不同點之間訊號的人造通訊衛星。Echo 1號於1960年8月12日發射，隨後上升到了距離地面1,600 km的高度，但它使用的是人類最古老的飛行方式——氣球。美國航空航天局（NASA）發射的Echo 1號是一個表面鍍PET膜的氣球，直徑約為30米，其表面可以作為無源反射器用於無線電通訊。正如它的非正式名稱「氣球衛星」(satelloon)那樣，Echo 1號是世界上第一顆充氣衛星，它奠定了現代衛星通訊的基礎。衛星通訊的原理很簡單：傳送資料到太空中，然後再把這些資料送回地面上的另一點。Echo1號就像一面有10層樓高的巨大鏡子，把傳送到太空中的資料反射到地球上的另一點，以此來實現衛星通訊。
美國第一顆進行中繼通訊的衛星是1958年發射的SCORE衛星，它使用磁帶錄音機來儲存並轉發聲音訊號。該衛星曾向世界傳送了美國總統艾森豪的聖誕賀詞[4] 。Philco 公司建造的Courier 1B，是世界上第一顆有源中繼衛星，於1960年發射升空。
通訊衛星的種類主要有兩種，無源和有源的。無源通訊衛星只是把來自發射站的訊號反射到接收器的方向。對於無源衛星，其反射的訊號沒有經過衛星的增強，因此只有少部分的訊號能量到達了接收器。衛星距離地球表面很遠，由空間路徑損耗(freepath lost)導致的無線電訊號衰減十分嚴重，因此接收器接收到的訊號實際上相當微弱。相反的，有源衛星在轉發其收到的訊號前會對訊號進行放大處理[3] 或者改變頻率。世界上第一顆通訊衛星就是無源衛星，但是現在已經很少使用這種衛星了。Telstar是世界上第二顆有源中繼衛星，該衛星由AT&T公司所有，作為AT&T、貝爾實驗室、美國航空航天局、英國郵政總局和法國電信（郵政）共同簽署的發展通訊衛星的國際協定的一部分。美國航空航天局（NASA）於1962年7月10日在卡納維拉爾角發射了Telstar衛星，這也是世界上第一次私人贊助的航天發射。1962年12月13日，美國發射了Relay 1號，它在1963年11月22日成為了世界上第一顆橫跨太平洋進行廣播的衛星[5]。
地球靜止衛星的前身是休斯公司於1963年7月26日發射的衛星Syncom 2。Syncom 2是第一顆位於地球同步軌道的通訊衛星。Syncom 2每天以恆速繞地球一周，但由於它相對地面還有南北運動，所以需要特殊的裝置來跟蹤它的運動。Syncom 3是Syncom 2的升級版，是世界上第一顆靜止軌道通訊衛星。它執行在一條沒有南北運動的地球同步軌道上，因此從地面遠看去它在天空中靜止不動。
從美國的火星探測漫遊者計劃開始，火星表面的巡視器使用火星軌道飛行器來作為通訊衛星，把巡視器的訊號傳送給地球。使用軌道器來進行訊號中繼是為了節省巡視器的能量消耗。軌道器有太陽電池板陣列、較大的天線和很強的轉發器，相對於巡視器直接從火星表面傳送訊號到地球來說，軌道器的這些裝置使得其向地球傳送的訊號更強也更清晰。[6]
1974年7月，蘇聯發射了一顆閃電型通訊衛星，為蘇聯第一顆靜止軌道同步通訊衛星。1976年10月26日，蘇聯發射了全世界第一顆入戶直播通訊衛星Ekran。
1983年2月4日日本在種子島宇宙中心用N-II運載火箭發射了第一顆靜止軌道同步通訊衛星CS-2a。
1984年4月8日19點20分02秒，在西昌衛星發射中心長征三號火箭搭載「東方紅二號」試驗通訊衛星發射入軌成功。這是中國第一顆靜止軌道同步通訊衛星。
1984年8月4日在法屬圭亞那庫魯航天中心法國用阿麗亞娜3號運載火箭發射了第一顆靜止軌道同步通訊衛星電信1A（Télécom 1A）。[7]衛星發射重量1185kg，入軌重量695kg，其中通訊裝置占140kg。主承包商為馬特拉公司。[8]
衛星軌道
通訊衛星的軌道通常有三種基本類型，但為了進一步確定軌道的細節，還需要藉助其他的軌道分類別方法。
- 地球靜止軌道(GEO)，距離地球表面35,786公里。GEO軌道有一個特點，當觀測者從地面觀察該軌道上的衛星時，衛星的視位置不會發生變化，看上去像是在天空中固定不動的。這是因為靜止軌道衛星的軌道周期和地球自轉周期正好一致。該軌道的優點是，地面站的天線可以固定地朝向衛星所在的位置，而不必轉動天線來跟蹤衛星。
- 中地球軌道(MEO)，距離地球表面較近，軌道高度為2,000公里到35,786公里。
- 低地球軌道(LEO)，低於中地球軌道，距地面表面大約160到2,000公里。
中軌道衛星和低軌道衛星繞地球的速度比地球自轉更快，因此從地球上來看，它們並不是像靜止軌道衛星那樣在天空中固定不動，而是會划過天空並在天際「落」下去。如果使用低軌道衛星來提供持續的通訊，那就需要大量的衛星，這樣才能保證任何時候都至少有一顆衛星在天空中來傳遞通訊訊號。但是低軌通訊衛星也有其優點，即這些衛星距離地面更近，它們與地球的通訊訊號也更強一些。
近地軌道衛星
典型的近地軌道(LEO)是一個位於地球表面數百公里之上的圓或橢圓，其軌道周期（繞地球一周所用的時間）約為90分鐘左右。
由於近地軌道衛星的高度很低，它們僅僅在其星下點周圍1,000公里（620英里）的範圍內可見。另外，近地軌道衛星與地面的相對位置變化的很快。所以，即便是使用近地衛星進行區域通訊，也需要大量的衛星，這樣才能保證不間斷通訊。
相對於靜止軌道衛星來說，發射近地軌道衛星的成本要更低一些。而且，由於近地衛星很接近地面，通訊需要的訊號強度可以低一些（訊號強度與距離訊號源的距離的平方成反比，w=k/(4*pi*r^2)）。因此，需要在衛星數量和衛星成本之間權衡利弊。
衛星星座
一組協同工作的衛星被稱作衛星星座。銥星(Iridium)系統和全球星(Globalstar)系統就是兩個提供衛星電話服務的衛星星座，它們主要用於偏遠地區。其中，銥星系統由66顆衛星組成。
另外，還有一種方法能使用低軌衛星提供不間斷通訊，衛星在通過某一區域時，把接收到的訊號儲存起來，等到其通過另一區域時，再把這些訊號傳送出去。加拿大CASSIOPE衛星的級聯絡統就是按這種方式工作的。另外，美國的Orbcomm衛星也是使用這種先儲存再傳送的方式來進行衛星通訊。
中地球軌道
中地球軌道(MEO)位於地球表面之上2,000到35,786公里，其作用和近地軌道很相似。在一個軌道周期內，中地球軌道的可見時間比近地軌道的更多一些，通常為2到8小時左右。中地球軌道的覆蓋範圍也比近地軌道要大一些，這意味著使用中地球軌道進行通訊所需要的衛星數量可以比近地衛星少一些。中地球軌道的軌道高度比近地衛星更高，所以其通訊延遲也更長，而且訊號也更微弱一些。雖然這些效應沒有靜止軌道衛星那麼嚴重，但是也限制了中地球軌道的使用。
與近地軌道衛星類似，中軌道衛星於地球表面的距離也是在不斷變化的。典型的中地球軌道距離地球表面約為16,000公里。在不同的軌道模式下，中軌道衛星繞地球一周的時間為2-12小時，相對於近地衛星，這樣能提供更寬的覆蓋區域。
範例
1962年，第一顆通訊衛星Telstar發射升空，該衛星就是一顆中地球軌道衛星，設計這顆衛星是為了發展高速電話通訊。該衛星第一次實現了超視距訊號傳輸，但是人們很快意識到了其缺點。該衛星的軌道周期為2.5小時，與地球自轉周期不一致，這不可能實現持續的通訊。顯而易見，使用中地球軌道進行不間斷通訊時，需要多顆衛星協同工作。
地球同步軌道
對於地球上的觀測者來說，靜止軌道衛星看起來是在天空固定不動的。這是因為靜止軌道衛星繞地球轉動的速度和地球自轉速度相同。
對於通訊來說，靜止軌道是很有用的，因為地面上的天線不需要轉動就能始終對準衛星，這樣的方式成本較低。
一些應用需要大量的地面天線，比如DirecTV衛星直播，在這種情況下，地面裝置節省出來的費用會超過把一顆衛星發射到靜止軌道的代價。
靜止軌道通訊衛星的概念是由亞瑟·C·克拉克首先提出來的，這個概念實際上基於齊奧爾科夫斯基的理論和赫爾曼·波托奇尼克於1929年出版的著作Das Problem der Befahrung des Weltraums — der Raketen-motor。1945年，克拉克在英國的《無線世界》發表了一篇題為"Extraterrestrial Relays"的文章[9]，這篇文章闡述了在靜止軌道部署人造衛星進行無線電中繼通訊的基本構想。因此，人們經常認為克拉克首先發明了通訊衛星，並且用「克拉克帶」來描述靜止軌道[10]。
範例
- 世界上第一顆靜止軌道通訊衛星是Syncom 3，該衛星於1964年8月19日發射，並在1964年東京奧運會期間開始了跨太平洋電視轉播。在Syncom 3發射後不久，休斯公司製造的Intelsat I(綽號為「Early Bird」)於1965年4月6日發射升空，該衛星定點與西經28度，成為第一顆跨大西洋通訊的靜止軌道衛星。
- 在Telstar和Westar 1發射之後，RCA Americom公司（後來改名為GE Americom，現在叫做SES）於1975年發射了Satcom 1。這顆衛星促進了早期的有線電視頻道的發展，如WTBS (現在的TBS Superstation)、HBO、CBN(現在的ABC Family頻道)以及天氣頻道等，它們都使用Satcom 1衛星來向當地的有線電視前端播送節目。此外，這顆衛星也是美國第一顆用於廣播電視組網的衛星，為ABC、NBC和CBS提供轉發服務。Satcom 1有24路轉發器，相比之下Westar 1隻有12路，這不僅使得Satcom 1的通訊能力更為出色，而且轉發成本更低，所以Satcom1得到更廣泛地應用。後來幾十年發射的通訊衛星甚至安裝了更多的轉發器。
到2000年，全球範圍的通訊網路已有了上百顆衛星，其中有近40%是由'休斯太空通訊公司(現在的波音衛星研發中心)製造的。其他的一些衛星製造商主要包括Space Systems/Loral、軌道科學公司(該公司製造了STAR Bus系列衛星)、印度空間研究組織、洛克希德·馬丁、諾斯洛普·格魯門、阿爾卡特宇航公司、如今的泰雷茲·阿萊尼亞宇航公司以及阿斯特里姆公司。
Molniya軌道
靜止軌道衛星必須位於赤道上空，因此，當接收器的位置遠離赤道時，衛星視線就會低於地平線。在高緯度地區，這會帶來嚴重的問題，通訊會受到影響並且會產生多路徑干擾問題（訊號在地面和天線之間來回反射）。
在這種情況下，莫尼亞軌道是一個很有吸引力的選項。莫尼亞軌道的傾斜度很大，這保證了地面上一些特定的點對北半部分軌道的有合適的仰角（仰角是衛星的視線與當地水平面的夾角。因此，位於水平面上的衛星仰角為0度，位於頭頂的衛星仰角為90度）。
莫尼亞軌道的設計使得衛星大部分時間都執行在高緯度地區，在此期間其星下點的移動很緩慢。莫尼亞軌道的周期是半天，因此衛星每繞地球兩圈，其在目標區域上空工作的時間會達到6到9小時。在這種情況下，三顆莫尼亞衛星組成的星座(加上在軌備份)就可以提供不間斷的訊號覆蓋。
世界上第一顆莫尼亞衛星發射於1965年4月23日，該衛星被用來進行一項實驗，測試莫斯科上行站和西伯利亞及遠東地區下行站之間的電視訊號，這些下行站所在地區包括諾里爾斯克，哈巴羅夫斯克，馬加丹和符拉迪沃斯托克。1967年11月，蘇聯工程師們建立了一個基於莫尼亞軌道的衛星電視系統，該系統很獨特，被稱作Orbita系統。
極地軌道
1994年，美國建立了NPOESS系統，以此來增強 美國國家航空暨太空總署(NASA)和美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的極軌衛星業務。NPOESS系統管理著多種用途的衛星，比如，氣象衛星METSAT、歐洲氣象組織的衛星EUMETSAT以及用於氣象業務的METOP衛星。
這些軌道都是太陽同步軌道，意味著這些衛星每天在相同的當地時通過赤道。比如，NPOESS的民用衛星每天由南向北穿過赤道的時間有13:30、17:30和21:30。
構成
通訊衛星通常有以下幾個子系統構成：
- 通訊有效載荷，通常由轉發器、天線和資訊交換系統組成
- 推力器，將衛星送到預定軌道
- 位置保持和姿態穩定子系統，保證衛星在預定的軌道上，保證天線指向合適的方向，保證能源系統對準太陽。
- 電源子系統，給衛星提供電能，通常情況由太陽能帆板供電，日食期間由蓄電池供電
- 指揮控制子系統，保持衛星和地面測控站的正常通訊。地面測控站監測衛星的效能並能在衛星生命周期內對其進行控制
一個衛星的通訊頻寬取決於該衛星安裝的轉發器數量，而衛星的每項服務（電視、語音、網路、無線電）都需要很多不同的傳輸頻寬。
衛星系統的頻率分配
衛星頻率的分配是一個很複雜的過程，需要國際協調與共同規劃。這個協調過程由國際電信聯盟(ITU) （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）來主持。為了方便規劃頻率的分配，ITU把世界分成了3個區域：
- 1區：歐洲、非洲、前蘇聯和蒙古
- 2區：美洲、格陵蘭島
- 3區：亞洲(除1區內包含的地區)、澳大利亞和太平洋西南地區
在這些區域內部，頻帶被分配給了不同的衛星服務。在不同區域之間，同樣的服務可能被分配到不同的頻帶。一些由衛星提供的服務有：
應用
電話
對於通訊衛星來說，最重要也最有歷史意義的應用是遠距離洲際電話服務。來自陸地的電話訊號通過固定的公共電話交換網傳遞到通訊地面站，再從這傳送到地球靜止軌道衛星上去。同樣，下行訊號的傳播路徑也是如此。20世紀後期，隨著海底電纜的改進，人們越來越多地使用光纖通訊，這也在一定程度上減少了使用固定地面站進行衛星通訊的使用者。
目前仍然有許多應用在使用衛星通訊。一些遙遠的島嶼如如阿森松島、聖赫倫那島、迪戈加西亞和復活節島等，這些地方沒有海底電纜，所以需要衛星電話。也有一些地方很少有行動網路覆蓋甚至沒有，比如南美的大部分割區域、非洲、加拿大、中國西部、俄羅斯和澳大利亞。衛星通訊還為南極洲的邊緣地區以及格陵蘭島提供了通訊連接。其他的衛星電話使用者包括海上鑽井平台、醫院、軍事、娛樂、登山、探險隊與救難隊等。另外，海上的船舶，以及飛機也經常使用衛星電話[11]。
衛星電話系統的組成方式有很多種。在一個孤立地區通常有一個本地電話系統與其他地區的電話系統相連，也有一些服務把無線電訊號載入到電話系統裡面。在這種情況下，衛星電話系統幾乎可以使用所有類型的衛星。還有一種方式是直接將衛星電話與靜止衛星或近地衛星星座連接起來，這種情況下，通話訊號被傳送到通訊港，通訊港再把訊號傳遞到公共電話交換網路。
電視
隨著電視的市場逐步擴大，需要使用大頻寬來將相對較少的訊號傳遞給大量接收器，這個特點很適合使用地球同步軌道衛星來進行通訊。在北美地區有兩種類型的衛星提供廣播電視服務：直播衛星(DBS)和地面站轉發衛星(FSS)。
在美國之外，直播衛星(DBS)和地面站轉發衛星(FSS)的區別就不是那麼明顯了，尤其是在歐洲。在歐洲，大部分直播衛星的功率和北美的DBS衛星相同，但是其極化方式卻和北美的FSS衛星相同。這種類型的衛星有Astra、Eutelsat和Hotbird衛星，它們執行在歐洲大陸的上空。由於這個原因，FSS和DBS這兩個術語在北美使用得更頻繁，但是在歐洲就很少使用了。
地面站轉發衛星使用的頻率為C波段和Ku波段。這些波段被用於提供或接收電視網路和地方電台的訊號，比如辛迪加節目、現場直播和重播等。另外，這些波段也被用於遠端教學、商業電視、視訊會議以及一般的商業通訊等。FSS衛星也可以把有線頻道的訊號傳遞給有線電視終端機。
一些免費的衛星電視頻道通常也使用FSS衛星的Ku波段來傳送訊號。北美洲上空的衛星Intelsat Americas 5、Galaxy 10R 和 AMC 3就是使用Ku波段來播送大量的FTA頻道節目。
直播衛星通常與較小的DBS衛星天線（直徑通常為45到60厘米）進行通訊。直播衛星的工作頻率通常為Ku波段的上半段。DBS通訊技術被用來進行家庭電視直播，比如美國的DirecTV 和 DISH Network、加拿大的Bell TV 和 Shaw Direct、英國、愛爾蘭和紐西蘭的Freesat 和 Sky、還有南非的DSTV。
相對於DBS衛星，FSS衛星的工作頻率更高，功率較低，使用FSS衛星通訊就需要更大的接收天線(Ku波段天線直徑為1~1.5米，C波段天線直徑為3.6米左右)。FSS衛星的轉發器的輸入輸出採用線性極化的方式，而DBS衛星採用的是圓極化方式，但是這兩種工作方式的區別很小，使用者一般不會注意到。20世紀70年代末到90年代初，FSS衛星在美國被用於衛星電視直播業務，當時使用的是僅供電視接收的天線。
一些已發射升空的衛星的轉發器工作在Ka波段，比如DirecTV的SPACEWAY-1衛星，以及Anik F2衛星。最近，美國宇航局(NASA)和印度空間研究組織(ISRO)[12][13]也發射了搭載Ka頻段信標的實驗衛星[14]。
一些生產商推出了一種特殊的天線，可用於直播衛星的移動接收。使用GPS技術，無論車輛在什麼位置，無論車上的天線是如何安裝的，其天線可以自動對準直播衛星。一些房車的車主們很喜歡使用這種移動衛星接收天線。捷藍航空使用這種直播衛星接收天線來進行電視直播（直播服務由LiveTV提供，它是捷藍航空的一家子公司），這樣乘客在飛機上就能通過安裝在座位上的LCD顯示器觀看節目了。
廣播
在一些國家，通訊衛星還提供音訊廣播服務，特別是在美國。移動服務使得聽眾在旅行到不同地方時可以收聽到同樣的廣播節目。
通訊衛星提供的無線電廣播或訂閱廣播採用的是數位訊號，衛星廣播的覆蓋範圍比地面電台的範圍要大。
到2004年，靜止衛星電視的接受者開始能夠取得移動衛星直播服務。該服務在美國出現時主要有兩家相互競爭的供應商：Sirius公司和XM衛星廣播公司。後來，這兩家公司合併為SiriusXM集團。
衛星無線電服務通常由商業公司提供，主要為使用者提供訂閱服務。不同的服務採用的是特殊的訊號，這需要專門的硬體來解碼和播放。服務供應商通常傳輸很多不同的頻道如新聞、天氣、運動和音樂頻道，其中音樂頻道通常是無廣告的。
在一些人口密度相對較大的地區，使用地面電台進行廣播的成本要低一些。因此，在英國以及其他一些國家，當代無線電業務的重點是數位音訊廣播(DAB)和高畫質廣播(HD Radio)，而不是衛星廣播。
業餘無線電
業餘無線電衛星是被設計用來傳輸業餘無線電訊號的，業餘無線電愛好者可以通過這種衛星進行無線電通訊。大多數業餘無線電衛星通過星載轉發器來工作，操作者需要使用特高頻(UHF)和甚高頻(VHF)裝置以及高定向天線，如八木天線或蝶形天線。由於發射成本的限制，現在大多數的業餘無線電衛星被發射到較低的軌道，它們大多數只能進行短時間的通訊。一些衛星還提供使用X.25協定或類似協定的資料轉發服務。
網際網路接入
20世紀90年代以後，人們開始使用衛星通訊技術來連接網際網路寬頻。對於一些偏遠地區使用者、無法接入寬頻的使用者或者需要高可用性的使用者來說，這項技術是十分有用的。2010年代起，許多航空公司在其客機提供旅客連接網際網路的服務，即利用通訊衛星轉發訊號。
軍事
通訊衛星也可被用於軍事應用，比如全球指揮控制系統。使用通訊衛星的軍用系統有很多，比如MILSTAR系統、DSCS系統、美國的FLTSATCOM以及北約、英國和前蘇聯的部分衛星系統。印度發射了其第一顆軍用通訊衛星GSAT-7，該衛星的轉發器工作在UHF、F、C and Ku波段。典型的軍用衛星一般工作在UHF、SHF (也被稱為X波段) 或 EHF (也被稱為Ka 波段)等波段。
外部連結
參考資料
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