2.3 通信卫星
在卫星通信系统中，通信卫星是其最重要的组成部分之一。它为系统内的各卫通站转发无线电信号。因此，卫星对系统性能具有决定性的影响。卫星种类很多，可按照其运动状态、外形、业务种类等性质进行分类。
按卫星运动状态：静止卫星和运动卫星。
按卫星形状：球形卫星、箱形卫星、圆柱体（套筒式）卫星、锥顶圆柱体卫星、多棱柱形卫星、风扇形卫星等多种。
按卫星业务种类：商用卫星、军用卫星、气象卫星、科研卫星、广播卫星等。
按姿态稳定方式：自旋稳定卫星和三轴稳定卫星。
按卫星重量：巨卫星（＞3500kg）、大卫星（1000～3500kg）、中型卫星（500～1000kg）、小卫星（100～500kg）、微小卫星（10～100kg）、纳卫星（1～10kg）、皮卫星（0.1～1kg）、飞卫星（＜0.1kg）。
2.3.1 卫星运行轨道及分类
卫星在空间运动的轨迹称为卫星轨道，它所在的平面称为轨道平面。卫星在轨道上围绕地球运转一周的时间称为周期。
1. 按卫星轨道的形状分类
可分为圆形轨道和椭圆形轨道两类。
2. 按卫星轨道平面倾角分类
卫星轨道平面与赤道平面的夹角，称为卫星轨道平面的倾角，记为i，其运行轨迹如图2-18所示。
• 赤道轨道：i=0°，轨道面与赤道面重合；静止通信卫星就位于此轨道平面内。
• 极地轨道：i=90°，轨道面穿过地球南北极，在轨的卫星称极轨卫星。
• 倾斜轨道：0<i<90°，轨道面倾斜于赤道，在轨的卫星称倾斜轨道卫星。
3. 按卫星离地面高度给卫星轨道分类
按卫星离地面最大高度h的不同，也可把卫星轨道及卫星进行分类，如图2-19所示。
• 低轨道卫星（LEO）：h<5000km。
• 中轨道卫星（MEO）：5000km<h<20 000km。
• 高椭圆轨道卫星（HEO）：h>20 000km。
• 静止轨道卫星（GEO）：h=35 786km。
图2-18 按倾角分类通信卫星的轨道
图2-19 按高度分类通信卫星的轨道
中低轨道卫星构成的都是移动卫星通信系统，且由这些卫星构成星座。低轨道卫星多采用极轨星状星座，也有网状星座。在低轨卫星星座中，卫星数量多，约为几十颗，卫星质量也小，小的仅为几十千克，大的几百千克。中轨道卫星采用网状星座，卫星为倾斜轨道。在中轨卫星星座中，卫星数量较少，约为十至几十颗，卫星质量为吨级。
4. 按卫星运转周期给卫星轨道分类
若按卫星的运转周期分，可分为同步轨道和非同步轨道。在轨卫星分别称同步卫星和非同步卫星。
同步卫星，运转周期T=24恒星时，即为同步轨道，其卫星为同步卫星；当轨道倾角i=0时，卫星相对于地球表面一点，卫星位置保持固定不变，此轨道即为静止轨道（GEO，Geostationary Earth Orbit），其卫星即为静止卫星。静止轨道及静止卫星是同步卫星及同步轨道的特例。
同步卫星的轨道又可分为自然的和人工的两种。自然的静止轨道只有一条，即赤道平面上唯一的一条圆形同步轨道（以地心为圆心，半径为42 164.6km，运行方向与地球自转方向一致）。在理想条件下，卫星入轨后，无须再为克服地心引力而消耗能量，故称之为“自然的”。“人工的”静止轨道可以有许多，在赤道平面上，它们是自然的对地静止轨道的许多同心圆，因此卫星进入这一轨道后，还须不断克服地心引力的影响才能保持正常运转。近年来，为了克服卫星通信传输时延长的缺点，提出了低高度的人工对地静止通信卫星的设想，在地面上不断地向卫星发射激光或微波能量供给卫星。用其克服地心引力的影响、保持卫星正常运转。
非同步卫星，其运转周期T≠24恒星时。非同步卫星又可分为准同步卫星和一般非同步卫星两种。
2.3.2 通信卫星的组成
通信卫星由空间平台和有效载荷两部分组成，如图2-20所示。
图2-20 通信卫星的组成
1. 空间平台
空间平台又称卫星公用舱，是用来维持通信转发器和通信天线在空中正常工作的保障系统。
（1）结构分系统
卫星的主体，使卫星具有一定的外形和容积，并能承受星上各种载荷并防护空间环境的影响。一般由轻合金材料或复合材料组成，外部涂有保护层。
（2）温控分系统
温控分系统的作用就是控制卫星各部分的温度，保证卫星上各种仪器设备正常工作。通常可分为消极温度控制和积极温度控制两种形式。
（3）跟踪、遥测和指令分系统（TT&C）
跟踪部分用来为地面卫通站跟踪卫星发送信标。
遥测部分用来在星上测定并给地面的跟踪、遥测和指令分系统（TT&C，Tracking Telemetry&Command）站发送有关卫星姿态及卫星各部件工作状态的数据。
指令部分用于接收来自地面的控制命令，处理后送给控制分系统执行。
（4）控制分系统
控制分系统用来对卫星姿态、轨道位置和各分系统工作状态等进行必要的调节与控制。
（5）电源分系统
电源分系统为卫星提供电能。卫星上电源分系统由一次能源（太阳能）、二次能源（蓄电池）以及供配电设备组成。
（6）远地点发动机
对于静止轨道卫星，通常是用运载火箭将卫星射入椭圆形“转移轨道”，再由卫星所装的远地点发动机，把卫星推入近似圆形的同步轨道。
2. 通信卫星的有效载荷
人造地球卫星的有效载荷是指不同用途的卫星，为了完成技术任务而配备的特有系统。
不同用途的卫星有不同的有效载荷。例如，资源卫星的有效载荷就是各种遥感器，它包括可见光照相机、多光谱相机、多光谱扫描仪、红外相机、微波辐射计和微波扫描仪和合成孔径雷达等；气象卫星的有效载荷包括扫描辐射计、红外分光计、垂直大气探测器和大气温度探测器等；通信卫星的有效载荷主要是通信转发器及通信天线；天文卫星的有效载荷是各种类型的天文望远镜，它包括红外天文望远镜、可见光天文望远镜和紫外天文望远镜等。
（1）天线分系统
天线分系统用于发送和接收通信及测控信号，如图2-21所示。其中有用于遥控、遥测和信标信号的全向天线（接收地面的指令及向地面发送遥测数据），用于通信的微波定向天线（可分为全球波束天线、点波束天线和区域波束天线3类）。
图2-21 卫星天线系统示意
（2）通信转发器
通信转发器又叫通信分系统或中继器，实质上是一部宽频带的收、发信机。其作用为接收、处理并重发信号。对转发器的基本要求是以最小的附加噪声和失真，并以足够的工作频带和输出功率来为各卫通站有效而可靠地转发无线电信号。转发器通常分为以下两类。
①透明转发器：收到地面发来的信号后，除进行低噪声放大、变频和功率放大外，不作任何加工处理，只是单纯地完成转发任务。结构简单，性能可靠，适用于卫星有效载荷和电源功率严重受限的情况。它有直接变频和二次变频两种方式，如图2-22所示。
图2-22 透明转发器组成方框图
②处理转发器：除进行信号转发外，还具有信号处理功能，如图2-23所示。
图2-23 处理转发器的组成方框图
主要功能如下。
• 解调再生，避免噪声积累。
• 星上交换，在不同的卫星天线波束之间进行信号交换。
转发器的数量越多，卫星的通信能力就越大。星载转发器少于12个，功率小于1000W的通信卫星为小容量通信卫星；有24个转发器，功率在1000～3000W之间的通信卫星为中容量通信卫星；有48个转发器，功率在3000～7000W之间的通信卫星为大容量通信卫星；转发器多于48个，功率在7000W以上的通信卫星为超大容量通信卫星。
2.3.3 卫星载波覆盖范围
利用卫星构成通信系统，首先要知道它的覆盖范围。当卫星上天线波束形状不同及波束中心指向不同时，它们照射地球表面所形成的覆盖范围和区域也就不同。利用高度约35 786km轨道上的静止卫星基本上可覆盖地球表面的1/3以上的区域，不能覆盖的区域是高于南、北纬75°以上的地区。
通常用卫星的有效全向辐射功率（EIRP）等值线图来表示通信卫星的发射覆盖区域。EIRP为表示卫星辐射能力的物理量，单位为dBW。
（1）全球波束
当卫星在同步轨道上时，它对地球边缘的张角为17.4°，我们将半功率角为17.4°的波束称为全球波束或覆盖波束，如图2-24（a）所示。常用的全球波束天线是喇叭抛物面天线或圆锥喇叭天线加上45°的反射板组成。
（2）半球波束
半球波束天线的波束宽度在东西方向上约为全球波束的一半，一般覆盖一个洲，而不包含海洋，如图2-24（b）、（c）、（d）所示。
（3）区域波束
区域波束宽度小于半球波束，只覆盖地面上一个大的通信区域，如一个国家或地区。这种天线往往按地域的形状把波束赋形，故又称赋形波束。它是通过控制馈源的排列来获得各种不同形状的，也可利用多个馈源从不同方向经反射器反射产生多波束的组合。
（4）点波束
点波束照射在很小的范围内，波束截面为圆形，在地球上的覆盖区也近似圆形，见图2-24中（b）、（c）、（d）。一般都用对称反射面天线来产生点波束，天线通常为前馈抛物面天线，馈源为喇叭。天线直径小，覆盖地球面积大；天线直径大，则覆盖地球面积小。如果一个反射面配有多个馈源，则形成多个点波束。
图2-24 几种常见波束覆盖区域示意
2.3.4 地球静止卫星
1. 地球静止卫星的概念
卫星运行轨道处于地球赤道平面内，运行方向与地球自转方向一致，绕地球一圈的时间与地球自转一周的时间（24h）相同的卫星称为同步静止轨道卫星（此时卫星距地面高度为35 786km）。从地面看卫星是“静止”不动的，即地面上各点与卫星之间的相对位置不变，故又称地球静止卫星。
静止卫星有如下优点。
①卫通站天线易于保持对准卫星，不须复杂的跟踪系统；通信连续，不必频繁更换卫星。
②多普勒频移可忽略，对地面的视区面积和通信覆盖区面积大，对地静止轨道上的一颗卫星可覆盖全球表面的42.2％，便于实施广播和多址联接。
③信道的绝大部分在自由空间中，工作稳定，通信质量高。
当然，静止卫星也存在一些缺点，主要缺点是卫星的发射和在轨监控的技术复杂；传输损耗和传输时延都很大；两极附近有盲区；有日凌中断和星蚀现象；对地静止轨道只有一条，能容纳的卫星数量有限，在战时易受敌方干扰和摧毁。
利用静止卫星构成一个卫星通信系统或通信网，就要知道一颗静止卫星能覆盖多大的区域。下面以卫星转发器天线的波束形状为全球波束为例进行讨论。
如图2-25所示，S是一颗在赤道上空35 786km高度上的同步卫星，A、B为该卫星全球波束与赤道线的相切点。
图2-25 静止卫星全球波束覆盖
利用几何学的基本关系，可粗略地求出星上天线全球波束的宽度2θ，即
卫星的全球波束对应的张角为17.4°。
也就是说，在静止卫星上只要安装一副半功率点波束宽度为17.4°的天线，就可覆盖地球表面的42.4％。但在覆盖处的边缘，由于卫通站天线对准卫星的仰角接近0°，受地形地物的影响，且来自地面的噪声大量增加，使接收信号噪声比严重恶化。为此，国际通信卫星组织规定卫通站天线的工作仰角不得低于5°。按此要求，经计算，上述覆盖区的面积实际为全球面积的38％左右。
假定卫通站天线的最小仰角为5°时，除去纬度高于75°N和75°S的极区外，彼此间隔为120°的三颗静止卫星，就可覆盖整个地球表面，而且有重叠区域。
2. 卫星的摄动
卫星在运行轨道上由于一些次要因素的影响，其实际轨道会不断发生不同程度地偏离开普勒定律所确定的理想轨道，这一现象称为摄动。卫星摄动的主要因素如下。
• 太阳、月亮引力的影响；
• 地球引力场不均匀的影响；
• 地球大气层阻力的影响；
• 太阳辐射压力的影响。
3. 位置保持和姿态稳定
静止通信卫星会受地球、月球、太阳及其他星球的引力作用而发生漂移；其中，太阳和月球的引力使静止卫星在南北方向上缓慢漂移，而地心引力的不均匀会导致卫星瞬时速度的起伏，使其在东西方向上漂移。当周期长了卫星要向西漂移，周期短了卫星将向东漂移。
通常卫星上装有用于位置保持的喷气推进器，并备有动力原料，通过地面测控站定期控制推进器的工作，修正卫星的轨道位置，保证其位置精确度在要求范围内。
静止通信卫星在太空中需要以正确的姿态面对地球并保持稳定，以保证星上定向辐射的通信天线照射到地球上的通信区域，太阳能电池板能良好地采集阳光等。
常用的姿态控制方法有自旋稳定法和三轴稳定法。
4. 传输时延
一条单跳的卫星通信线路，由发送端到接收端的单程传输时延为：
式中，c为电波在自由空间的传播速度。
当卫星为静止卫星时，空间传输距离最小为35 786km，最大为41 679km，一般取40 000km的约值。为此，单程时延一般取0.27s，双程取0.54s。
卫星通信链路的单跳指从发送端到接收端的上行与下行链路，同理，双跳指从发送端到接收端经历了两个上行和下行链路，如图2-26所示。
图2-26 卫星通信链路的双跳
5. 星蚀与日凌中断
（1）卫星的地球星蚀
所有静止卫星在每年春分和秋分前后各23天中，当星下点（卫星与地心连线同地球表面的交点）进入当地时间午夜前后，卫星、地球和太阳共处在一条直线上，卫星进入地球阴影区，造成卫星的日蚀，我们称之为星蚀，如图2-27所示。在星蚀期间一般靠星载蓄电池来提供能源。卫星位置西移1°，星蚀开始时间可推迟4min，东移1°则可提前4min。
图2-27 地球静止卫星日凌及星蚀时的几何关系
（2）卫星的日凌中断
在每年春分、秋分前后，当卫星星下点进入当地时间中午前后时，卫星处在太阳和地球中间，天线在对准卫星的同时也会对准太阳，会因接收到强大的太阳热噪声而使通信无法进行，称为日凌中断。每天出现中断的最长时间与天线口径、工作频率、卫通站的纬度有关。