卫星通信是航天技术服务人类日常生活的杰出范例。世界第一颗用于通信的试验卫星是在1958年底发射成功的。它在通信方面的应用立即受到人们的普遍重视。但通信卫星的真正发展是在20世纪60年代,并在以后的年代得到进一步完善和提高。通信卫星的发展是从探索利用卫星传播无线电信号的可能性开始的,中间经过了只反射电波的被动式通信卫星、有放大作用的主动式通信卫星以及地球低轨道、中轨道、高轨道、圆轨道、大椭圆轨道等卫星的技术探索,直到发射成功高悬地球赤道上空36000千米处的地球同步轨道通信卫星,使卫星通信达到了成熟的实用阶段。
卫星通信就是利用通信卫星作为中继站进行地球上各点之间的通信,是航天技术与通信技术相结合而产生的现代通信手段。它由空间和地面两部分组成。通信卫星由通信天线和通信转发器组成的专用系统来转发无线电信号。向通信卫星发射无线电信号和接收来自通信卫星信号的组合设备,可设在陆地、海洋船只、大气层中飞行的飞机上,它们分别称为固定地球站和移动地球站。对轨道上通信卫星进行跟踪、遥测、遥控和监视,以保证通信卫星正常工作。这些设备往往和一个标准卫星通信地球站设在同一地点,构成操纵卫星和调度其他地球站业务的卫星通信控制中心。
卫星通信是通过通信卫星对无线电信号进行放大和转发来实现信号传输的,它不受高层大气、气候、季节、距离等条件的限制,传输质量高、稳定可靠。各地面地球站只要一个天线系统和一套接收发射装置就可进行工作。由于卫星通信的费用与通信距离无关,对远距离通信最为经济。
卫星通信系统通常都工作在微波频段,工作效率高且通信容量大。例如目前在轨道运行的国际通信卫星-5是为满足国际电话、电视、电报及高速数据通信而发射的第五代通信卫星。卫星重量约1.9吨,包括太阳能电池板在内的最大跨度达15.7米,沿地垂线轴长7.3米。该卫星拥有12000多条双向话路。
近年的卫星通信又向毫米波频段推进且获得显著进展。通信卫星的体积更趋小巧,通信容量则更大。由于毫米波天线反射器很小就能获得规定的增益和指向,因此地面终端也可做得小巧、轻便。目前世界上已出现了便携式地面卫星通信设备,重量只有20千克。使用毫米波卫星通信,无论是可靠性、使用寿命或是成本都更具优势。
航天技术的发展促使通信业务不断扩大,通信卫星不断向专业化方向发展,除国际公共通信卫星外,出现了地区性和国内公共卫星通信以及海事卫星、数据中继卫星、广播卫星等专用通信卫星,使各种专业化通信网日益增多和完善。现在公共卫星通信网、专用卫星通信网遍及全球,它们把地球上人与人之间距离变近,关系变得更密切了。人们的工作、生活离不开的电话、电报、传真、数据传输和电视都离不开卫星通信,其信息传递之快速、方便,不仅给人们带来极大方便,并已成为现代信息社会的支柱。例如,大家知道,印度尼西亚是一个由几千个岛屿组成的海洋国家,通信曾是这个发展中国家最头痛的事。然而,该国在建成国内公共卫星通信网以后,一下子把几千个岛屿的通信都联网在一起,并使其通信事业步入世界的先进行列。通信事业的发展,很大程度上促进了这个发展中国家的经济活力。
又如,在我们中国,用我们自己成功发射的通信卫星完成了广播电影电视部、水电部、新华社、总参通信部等单位预定的电视、广播、电话、传真等通信业务。现在乌鲁木齐、拉萨等边远城市收不到当日中央电视台节目的日子已成为历史。此外,我国用自己的通信卫星还沟通了北京至乌鲁木齐、拉萨、昆明的电话线路以及成都至拉萨、昆明、兰州至乌鲁木齐的通信线路,开通了拉萨至全国520个大中城市的长途自动拨号,加强了边远地区和首都以及内地的联系。这对繁荣边疆地区的政治、经济和文化生活起着极为重要的作用。
平均大小只有一辆旅行车的现代通信卫星,可以拥有24个通信转发器,是在地球轨道上飞行的真正的太空交换台。它不断接收并转发来自各地奔流不尽的信息,可同时传送12000路长途电话并同时转播若干套电视节目,还能将新闻报刊模板从中心城市发往各地城镇印刷厂,使当地读者能看到当天大都会的报纸、杂志。
卫星通信,正在迅速地向用计算机互连着的综合数据传输(声音、数据、文字和图像)网络、电视会议、电视教育、数据采集、新闻报刊模板传递、航空航海通信、远距离诊病和医疗、政府行政管理、电子邮递和应急救灾等领域发展。因此,完全可以说,航天技术不仅改变了通信体系,而且使通信的发展影响着人类社会的生活方式。
目前应用的通信卫星,发射入轨后处在离地球轨道高度为35860千米的赤道上空。其特点是:第一,自西向东运行,和地球的自转方向相同;第二,它的时速为11070千米,每绕地球一圈历时24小时,因此和地球的自转周期24小时一样。由于这两个特点,从地球看通信卫星,仿佛它是一颗悬挂在赤道上空某点上静止不动的星星,所以称它为对地静止卫星或地球同步通信卫星。
同步通信卫星的第三个特点是:离地高度较一般卫星为高,通过卫星通信天线能将电波传送至地球表面大部分地区,覆盖面积极大。除最北和最南纬度以外,大约有1/3的地球表面可以见到这颗卫星。因此,如果有3颗这样的卫星在赤道上空以均等距离定位并互相联系组成一个通信卫星系统,那么就可以将通信业务扩大到除南北极地区以外的整个地球表面。
通信卫星的第四个特点是:它比发射较近地轨道卫星的发射复杂得多,通常要分3个阶段进行:第一阶段是运载火箭带着卫星进入有倾角、低高度的圆形地球轨道,轨道高度为200千米,通常称它为初始轨道。所谓有倾角,指的是卫星运行轨道平面和地球赤道平面之间有一夹角。第二阶段,当卫星经过地球赤道上空时,运载火箭发动机再次进行启动,使速度增加,飞向一个远地点,到达35860千米的椭圆轨道,称作转移或过渡轨道,这是一个与赤道平面成倾角的很扁的椭圆轨道。卫星进入转移轨道后便与运载火箭分离。第三阶段,当卫星到达远地点,同时也正好穿过地球赤道平面时,地面测控中心发出命令调整卫星姿态,启动卫星自带的远地点发动机,使该发动机推力所产生的速度和卫星原有速度合成后正好等于赤道平面上空静止卫星所必需的速度,这样卫星便从转移轨道进入赤道平面上空并定点在静止轨道上。较早时期发射的通信卫星采用自旋稳定技术,对地定向精度不够高;后来采用三轴卫星姿态控制技术,可使卫星天线永远指向地球,并有很高的指向精度,太阳能电池则能永远定向太阳。地面遥测系统还时刻监视着卫星的工作状态,必要时还发出指令经无线电遥控系统对星上各设备进行调整和修正。
知识点
太阳能电池板
太阳能电池板是由若干个太阳能电池组件按一定方式组装在一块板上的组装件。太阳能电池板主要材料是“硅”,“硅”是我们这个星球上储藏最丰量的材料之一。太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分,也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳能转化为电能,或送往蓄电池中存储起来,或推动负载工作。
太阳能电池按制造材料分类,主要可以分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池和多元化合物太阳能电池等。各种太阳能电池各有优缺点,仍需在技术上做进一步的完善。