1.1.3 通信卫星及转发器
在卫星通信系统中，通信卫星当然是最重要的组成部分之一，对卫星通信的性能和质量具有决定性的影响。通信卫星有很多种类。最常见的是按照卫星运行的高度不同，将通信卫星分为低轨道（Low Earth Orbit, LEO）卫星、中轨道（Medium Earth Orbit, MEO）卫星和高轨道（Highly Elliptical Orbit, HEO）卫星。轨道高度为36500km左右的HEO卫星对地球的公转周期与地球自转周期一致，因此又称为地球同步轨道卫星，简称同步卫星。同步卫星又可以分为地球静止轨道（Geostationary Earth Orbit, GEO）卫星和倾斜地球同步轨道（Inclined Geo Synchronous Orbit, IGSO）卫星。同步卫星的轨道平面相对赤道平面的倾角为零时就是GEO卫星，不为零时为IGSO卫星。对于GEO卫星，从地球上任意一点来看，卫星都是静止的。对于IGSO卫星，其星下点轨迹是一个正“8字”形，卫星飞越的南北纬的最高纬度就是其轨道倾角。GEO卫星在通信中应用最为广泛，也可以说，用于卫星通信的同步卫星大多是GEO卫星，因此，在不加专门说明的情况下，本书后面的“同步卫星”就是指GEO卫星。
由于卫星所处轨道的高度和倾角不同，使得利用不同卫星的卫星通信方式具有各自的特点，简要描述如下。
GEO卫星通信的特点如下。
（1）覆盖范围大。理论上，三颗GEO卫星即可覆盖除两极外的整个地球表面。
（2）卫星对地静止，地球站无须复杂的天线伺服系统。
（3）星地距离远，终端需要较高的发射功率。
（4）传输时延大，两个地球站通过GEO卫星转发，传输时延超过250ms。
（5）无法覆盖高纬度地区。
（6）轨位资源紧张。由于GEO卫星都位于赤道平面上，为了保证互不干扰，两颗卫星之间需要一定的间隔，因此不能无限制地增加卫星。
（7）存在星蚀和日凌的影响，甚至会造成卫星通信中断。
IGSO卫星通信的特点如下。
（1）覆盖范围大。理论上，三颗IGSO卫星即可覆盖整个地球表面（非连续覆盖）。IGSO卫星对高纬度地区的覆盖要优于GEO卫星。
（2）通过调整倾角，可以实现对一定区域的重点覆盖。
（3）由于星地距离与GEO卫星相同，终端同样需要较高的发射功率，传输时延也大。
（4）不存在星蚀和日凌影响导致的通信中断现象及轨位资源紧张的情况。
LEO卫星通信的特点如下。
（1）单颗卫星覆盖范围小，因此往往需要多颗卫星组成星座才能提供连续服务，整个系统庞大且复杂。
（2）星地距离近，通信时延小，且方便实现地面终端的小型化。
MEO卫星轨道介于HEO和LEO之间，因此MEO卫星的诸多特性介于HEO卫星和LEO卫星之间。
每颗通信卫星都是由卫星平台和有效载荷两部分组成的。其中，卫星平台是各类卫星的基本组件，为整颗卫星（及其有效载荷）提供必要的电力，并实现卫星的跟踪、遥测、姿态控制、轨道控制、热控等功能；有效载荷决定卫星的用途。通信卫星的有效载荷就是指专门用于完成通信业务的部分，用于接收地球站的信号、变频并放大后发射回地球站。通信卫星的有效载荷一般又分为转发器和通信天线。
1.1.3.1 卫星平台
卫星平台也称为服务舱，一般分为以下几个分系统：电源分系统、姿态轨道控制分系统、推进分系统、温控分系统和跟踪遥测指令分系统。各分系统的简要组成和主要功能如下。
（1）电源分系统为整颗卫星提供足够的电能，主要包括太阳能电池和蓄电池。常用的蓄电池有镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池。大功率通信卫星也有采用原子能电池的。
（2）姿态轨道控制分系统是姿态控制分系统和轨道控制分系统的总称，简称姿轨控分系统或控制分系统。该分系统由各种传感器（地球传感器、太阳传感器、陀螺仪等）、姿态轨道处理器（计算机）和执行机构（喷嘴、动量轮等）组成。卫星轨道控制包括变轨控制、轨道保持、返回控制和轨道交会等功能，其目标是保持卫星在预定的轨道上飞行，如GEO卫星要保持与地球的相对位置“固定不变”。通信卫星的天线需要保持对准预定的地球区域，通信卫星的姿态控制就是要使卫星上的固定天线始终指向预定的地球表面位置。卫星姿态控制包括姿态稳定和姿态机动两部分。
（3）推进分系统是卫星轨道和姿态控制的执行机构，是利用卫星自身携带的“工质”（通常是火箭燃料），依靠反推力在真空条件下改变卫星的轨道、姿态和运动速度的整套装置。当卫星发射定轨后，影响卫星工作寿命的主要因素不是电子器件的寿命，而是推进分系统燃料的储量。
（4）温控分系统也称为热控分系统。卫星工作的空间热环境非常极端，体现在两个方面：一方面是温度的差异很大，面向太阳的一面可能非常热，而面向深空的一面可能非常冷；另一方面是这种冷热会快速变化。卫星上的电子元器件和设备只能在一定的温度范围内工作，且对温度及温度变化的要求各不相同，因此卫星的热控就非常重要了。热控分系统的主要任务就是保证卫星上的全部元器件和设备的温度及温度变化都维持在设计要求的范围内。热控手段主要有被动和主动两种。常用的被动手段有使用热控涂层和热包覆，实现恒温和绝热，或者使用热管对有关部件进行热补偿或热传导。主动手段主要是使用加热器、恒温箱等加热装置对需要进行温度维持的部位进行加热。
（5）跟踪遥测指令分系统分为跟踪和遥测两部分，其中，跟踪部分用来向地球站发送信标信号，以便地球站跟踪卫星；遥测部分用来实现与地面测控站的通信，接收来自地面测控站的卫星控制指令，转发给其他分系统实施卫星控制，并给地面测控站发送有关卫星姿态和各部件工作状态的数据。
1.1.3.2 通信天线及波束
发射天线的作用是将射频电信号变成同样频率的电磁波辐射出去，接收天线的作用则相反。通常的天线都设计成具有方向性的，只在特定的方向上辐射/接收电磁波，因此就会形成天线增益（详见1.1.5节的介绍）。
通信卫星上的天线有两类：一类是用于地面测控站与卫星之间传送遥控、遥测指令数据，以及发射信标的信号天线，这类天线的要求比较单一；另一类是用于转发器收发地球站射频信号的通信天线。本节只介绍通信天线。
通信卫星上的通信天线因辐射/接收信号的方向性而形成“波束”，在波束内的地球站才能收到卫星转发的电磁波，也只有在波束内的地球站发送的电磁波才能被卫星接收。大多数情况下，接收和发送的波束是一致的。当一个卫星的通信天线对着地球时，地球表面处于波束内的区域就称为波束覆盖区。根据波束覆盖区的大小和形状，可以把通信天线分为全球波束天线、点波束天线和赋形波束天线（各波束示意见图1.2）。各种波束的定义如下。
全球波束：根据几何原理，同步卫星对地球的整个视区是地球表面的1/3，因此能够覆盖地球表面1/3的波束称为全球波束。
点波束：波束越窄，覆盖区面积就越小，覆盖区明显小于地球表面1/3的波束称为区域波束，而覆盖区很小（比如直径为数百千米）的波束就称为点波束，且点波束覆盖区一般都为圆形。有些点波束会设计成可以“移动”的，即波束的朝向可以根据业务需要调整，以改变覆盖区。
赋形波束：通信卫星可能是只为某个特定国家服务的，而一个国家的地域往往不是圆形或接近圆形的，圆形的波束会覆盖太多的“国外”区域，造成浪费，因此就出现了赋形波束。赋形波束覆盖区的轮廓接近“国界”或特定区域（但不太可能刚刚好），如主要覆盖中国国土区域的波束。
图1.2 全球波束、赋形波束与点波束示意
1.1.3.3 转发器
通信卫星是专门用于转发信号的有源人造地球卫星，因此转发器是通信卫星的核心部件。卫星转发器可以分为透明转发器和处理转发器两类。
透明转发器的功能组成如图1.3所示。来自接收天线的地球站信号是非常微弱的，需要利用低噪声放大器对弱信号进行适当放大，然后进行变频和高功率放大后通过发射天线发回地球站。其中变频是必需的，接收到的信号不能放大后就直接转发出去，收发同频会造成极大的自相干扰，使地球站无法正常工作。以Ku频段的卫星转发器为例，其接收到载频为14GHz的上行信号以后，要将信号变换成载频为12GHz的下行信号后再发出去。因为转发器接收到来自地面的信号后，除低噪声放大、变频和高功率放大外，不对信号做任何其他的加工处理，只改变了载频和信号的大小，不改变调制方式、信号带宽和信号中叠加的噪声等，使工作频带内的任何信号都“透明地”通过，所以这类最简单的转发器称为透明转发器。
图1.3 透明转发器的功能组成
处理转发器则不仅要转发信号，还要对信号进行除变频和放大以外的其他处理。其功能组成如图1.4所示，一般要先将射频信号变换到中频，再将信号解调（类似地球站中的接收功能），恢复出基带信号后再进行处理。经过处理的基带信号又进行调制、变频、放大后通过天线发回地面（类似地球站中的发送支路）。
图1.4 处理转发器的功能组成
处理转发器的星上处理功能各式各样，要根据转发器的功能而定。最简单的一类星上处理功能是，信号处理单元是“直通”电路，整个转发器实现的是数字信号的解调再生，使得上行链路的噪声干扰还没达到影响解调的程度就被转发器上的解调过程“清零”了，上行链路的噪声与下行链路的噪声不会叠加累积，从而减少接收站的解调误码。还有许多复杂的星上处理方式，如在不同的转发器之间进行转发，或者将上行FDMA信号变为下行TDMA信号等，限于篇幅，本节不做一一详述。