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卫星电话

卫星电话是基于卫星通信系统来传输信息的通话器,也就是卫星中继通话器。卫星中继通话器是现代移动通信的产物,其主要功能是填补现有通信(有线通信、无线通信)终端无法覆盖的区域,为人们的工作提供更为健全的服务。现代通信中,卫星通信是无法被其他通信方式所替代的,现有常用通信所提供的所有通信功能,均已在卫星通信中得到应用。

经过近两年的努力,中国电信首次面向商用市场放号,我国进入到卫星移动通信的“手机时代”,填补了国内自主移动通信系统的空白,打破依赖国外卫星移动通信服务的现状。天通卫星覆盖范围广,通信能力强,服务无盲区。 

高轨道卫星(GEO)移动通信业务的特征来源于使用位于赤道上方35800

卫星移动通信业务可以提供两种普通的业务:一种为公共卫星中继通话器,另一种是专用卫星中继通话器,前者需要互联公用交换通话器网,使一个移动体呼叫世界上任一个固定通话器,后者只是在一移动台和它的调度员之间进行。这两种业务都可以传送通话器,寻呼和定位信息。这两种业务也可以结合起来形成特有的通信能力。 

该网络包括卫星,工作于L频段的移动台、工作于K频段的网络操作中心和关口地球站/交换机互连完成,它使用由网络操作中心经专用信令信道指配给移动台和关口站的射频信号。为了建立一个呼叫和确定接续路由,移动台拨叫终点地址通话器号码,同时也给出自己的号码。网络操作中心指配给该移动台一个L频段射频信道,并将相应的K频段信道指配给靠近固定通话器地址的关口站,在此产生通常的通话器信令,以建立呼叫。网络操作中心记录路由、主叫和通话时间以便计算。另一方面上的操作与此类似。在提供长途连接灵活接续能力上,关口站的重要性是值得注意的,可能需要成百上千个关口站。呼叫一旦建立,话音带内数据、分组消息、定位和寻呼等业务信息均可以传递,一个无线台可以完成所有这些功能。 

该系统包括卫星、移动台和位于用户建筑外的基站,该基站由简化的关口(无呼叫路由选择和长途互连设备),根据需要指配给系统一条或几条电路,它可以使用简单的“按下即谈话”操作,也可以使用更复杂的交换方式,以便将系统的时间指配给不同的用户用于不同的目的。每一个移动体可以使用单一无线台完成调度通话器、不同速率数据、分组消息以及寻呼、定位消息的传递。若该无线台可以调谐到上面所提到的公用卫星中继通话器信令信道,则它也可以具有无线公用通话器功能。 

自从1957年10月4日苏联成功发射了第一颗人造地球卫星以来,世界许多国家相继发射了各种用途的卫星。这些卫星广泛应用于科学研究,宇宙观测,气象观测,国际通信等许多领域。

1965年苏联发射了“闪电”(MOLNIYA)同步卫星,完成了苏联和东欧之间的区域性通信和电视广播。至此,经历了近20年的时间,完成了通信卫星的试验,并使卫星通信的实用价值得到了广泛的承认。

1964年8月成立了商用的卫星临时组织。1973年2月更名为国际通信卫星自治(INTELSAT)。这是一个国际性商用卫星通信机构,截止1986年已有112个国家参加该组织(包括中国),正在使用的国际通信卫星主要是INTELSAT卫星公司(COMSAT)发射的“晨鸟”(Early Bird),也成为“INTELSAT-Ⅰ”国际通信卫星。自此之后,先后发射了六代国际通信卫星-Ⅱ~Ⅶ。前四代已经完成了使命,正在运行的包括IS-Ⅴ-A,IS-Ⅵ,IS-Ⅶ。

1980年发射的Ⅴ号和1985年发射的Ⅴ-A号国际卫星是一种大容量国际商用卫星。有6颗Ⅴ号卫星在同时工作,用于沟通300多个地球站。该卫星载有七副通信天线。转发器共有27个,可同时传送12500路通话器和两路彩色电视信号。

1989年发射的Ⅵ号国际卫星是重量为1600公斤,有46个转发器,通信容量为24000条双向话路和3路电视,采用数字倍增设备后扩大为12万个话路。该卫星转发器不仅使用C波段(6/4GHz),而且在点波束处还使用Ku频段(14/11GHz)。

1992年发射的Ⅶ号国际通信卫星是为了替代于1993年到期的Ⅴ-A国际通信卫星而研制的。该卫星外形与Ⅴ-A卫星相似,也是三轴稳定,在轨精度达±0.01°。该星采用了许多新技术,包括:

1. 4个波束可按地面指令而指向地球上任何地区。

2. 可根据业务需要改变卫星全球波束,将其分配给C波段点波束,使转发器得到充分的利用。

3. C波段半球/区域载荷采用四重频率复用,C波段全球/点波束采用二重频率复用,Ku波段采用二重频率复用。

4. 同时采用空间波束隔离及极化隔离,使隔离度提高到27dB以上。全球波束覆盖区及极化隔离可达到35dB以上。

随着固定卫星业务的迅速发展,提出了移动卫星业务。移动通信卫星业务是指装载在飞机,舰船、汽车上的移动通信终端所用的同步卫星通信。应用最早的是海上移动卫星业务,1976年第一颗“海事卫星1号”(MARISAT-1)发射到大西洋上空。随后于1979年成立“国际海事卫星组织”(INMARSAT)。

广播卫星业务也可归入固定卫星业务。如加拿大的“通信技术卫星”(CTS),美国的“应用技术卫星”(ATS-6),苏联的“静止”卫星(STATSIONAR),日本的“日本广播卫星”(JBS)等。广播卫星业务是为了使用户能直接接收来自卫星转发等广播电视节目。包括由简易家庭用接收设备直接接收等“个体接收”和先由大型天线接收后再分送给一般用户等“集体接收”两种方式。

其他卫星业务包括无线电导航卫星(如美国海军导航卫星NNSS),地球探测卫星(如美国陆地卫星LANDSAT)、气象卫星(如美国NOAA卫星)、业余无线电卫星(如OSCAR),以及报时,标准频率,射电天文,宇宙开发、研究卫星等业务。

中国自1970年4月成功发射了第一颗卫星以来,已经先后发射了数十颗各种用途的卫星。1984年4月,发射了第一颗试验用“同步通信卫星”STW-1(即东方红二号)。1986年2月于中国西昌发射场,用长征3号火箭成功发射第二颗“实验通信卫星”STW-2。该卫星位于东经103°赤道上空(马六甲海峡南端),等经线贯穿中国昆明、成都、兰州等地。卫星高度35786公里。该同步卫星形状呈圆柱形,直径2.1米,总高度3.67米,轨道重量429公斤,太阳能电池功率为135瓦。卫星点波束天线直径1.22米,采用双自旋稳定方式。卫星有两个转发器,工作频率为6/4GHz。用于转播广播电视和传送通话器,设计容量为1000路通话器。预期寿命为3年。

1988年3月,又于西昌发射场,用长征3号火箭发射成功第一颗“实用通信卫星”,即“东二甲”卫星该星定点于东经87.5°赤道上空。1988年12月又发射了“东二甲-2”卫星,定点于110.5°E。“东三甲”卫星是“东二甲”卫星的改进型卫星。其天线改成椭圆波束,设计寿命延长为四年,加大了太阳能电池功率。转发器增加为4个,说明中国的卫星通信技术已经迈入国际领先领域。

由于移动天线终端尺寸小,在L频段每信道所需卫星辐射功率较固定卫星业务中相应的信道的功率为大,预计所需的卫星功率为3000W,天线直径约为5m,用多波束覆盖业务区。这就要使每个信号选定从单一K频段波束到所需L频段波束以及反向的接续路由。K频段被划分几段,每段对应L频段的一个特定的点波束。为解决以下两个难点: (1)每个L段上的业务无法精确预测,而且随时变化;

(2)国内业务和国际业务的分配很复杂,也使得卫星移动通信系统业务的陆地、海上、空中三个部分的分配很困难,以便与本波束内业务取得一致。但是,这里不存在L频段到L频段的路径。 

(1)卫星移动无线电台和天线

卫星移动无线电台和陆地移动无线电台的功能、复杂性。部件数量和类型很相似,只是卫星移动无线电台使用5kHz信道间隔而不是25或30kHz。电台话音、调度通话器、数据、消息分组、定位、寻呼等都属于该卫星中继通话器系统本身的功能,每个卫星移动电台都需要一个频率综合器,以便将他们调谐到所需的5kHz信道。该系统还采用专用信令信道,以免系统在公共安全紧急救援期间饱和,并为天线的指向调整提供参考。信令信道在移动台从一个卫星波束进入相邻卫星波束时,为波束转换提供幅度参考电平。

为获得满意的话音质量以及邻星的频率再用,需要约13dBi的高增益天线。天线的辐射图形可以是圆的或是椭圆的,在方位角上通过电动的机械方法实现调整。也可以通过圆形阵列的切换达到近13dBi的增益。

(2)关口站、基站

地球站工作于K频段,由于卫星移动通信服务的基本结构是每载波单信道,所以关口站必须自动按网控中心从信令信道传来的指令调谐到5kHz信道。基站需要频率合成器,可以工作在固定信道。这两种站都使用3.3m天线,但通信密度大的地区的关口站需要较大的天线。关口站应有足够的容量,以免阻塞;还要有足够备份以保证高的可用性。一个出故障的关口站将被旁路,这时呼叫由相邻的关口站临时转接。 

卫星通信系统是由空间部分——通信卫星和地面部分——通信地面站两大部分构成的。在这一系统中,通信卫星实际上就是一个悬挂在空中的通信中继站。它居高临下,视野开阔,只要在它的覆盖照射区以内,不论距离远近都可以通信,通过它转发和反射电报、电视、广播和数据等无线信号。

电视节目的转播与通话器传输相似。但是由于各国的电视制式标准不一样,在接收设备中还要有相应的制式转换设备,将电视信号转换为本国标准。电报、传真、广播、数据传输等业务也与通话器传输过程相似,不同的是需要在地面站中采用相应的终端设备。

随着航天技术日新月异的发展,通信卫星的种类也越来越多。按服务区域划分,有全球、区域和国内通信卫星。按用途分,有一般通信卫星、广播卫星、海事卫星、跟踪和数据中继卫星以及各种军用卫星。

卫星通信同常用的电缆通信、微波通信等相比,优点缺点如下:

远:是指卫星通信的距离远。俗话说,“站的高,看的远”,同步通信卫星可以“看”到地球最大跨度达一万八千余公里。在这个覆盖区内的任意两点都可以通过卫星进行通信,而微波通信一般是50公里左右设一个中继站,一颗同步通信卫星的覆盖距离相当于三百多个微波中继站;

多:指通信路数多、容量大。一颗现代通信卫星,可携带几个到几十个转发器,可提供几路电视和成千上万路通话器;

好:指通信质量好、可靠性高。卫星通信的传输环节少,不受地理条件和气象的影响,可获得高质量的通信信号;

活:指运用灵活、适应性强。它不仅可以实现陆地上任意两点间的通信,而且能实现船与船,船与岸上、空中与陆地之间的通信,它可以结成一个多方向、多点的立体通信网;

省:指成本低。在同样的容量、同样的距离下,卫星通信和其他的通信设备相比较,所耗的资金少,卫星通信系统的造价并不随通信距离的增加而提高,随着设计和工艺的成熟,成本还在降低;

高:指通信资费标准高于常用的电缆通信、微波通信,是其资费标准的十倍乃至几十倍;

差:指在大型建筑内或山体等物体遮盖住设备本身时通信信号无或闪烁不定;

慢:指在通话过程中有延时现象,导致接续不畅。

卫星移动通信系统的分类可按其应用来分,也可以按他们所采用的技术手段来分。

可分为海事卫星移动系统(MMSS)、航空卫星移

通信卫星的运行轨道有两种。一种是低或中高轨道。在这种轨道上运行的卫星相对于地面是运动的。它能够用于通信的时间短,卫星天线覆盖的区域也小,并且地面天线还必须随时跟踪卫星。另一种轨道是高达三万六千公里的同步定点轨道,即在赤道平面内的圆形轨道,卫星的运行周期与地球自转一圈的时间相同,在地面上看这种卫星好似静止不动,称为同步定点卫星。它的特点是覆盖照射面大,三颗卫星就可以覆盖地球的几乎全部面积,可以进行二十四小时的全天候通信。

按照该卫星所使用的频率范围将卫星划分为L波段卫星,Ka波段卫星等等。

随着航天技术日新月异的发展,通信卫星的种类也越来越多。按服务区域划分,有全球、区域和国内通信卫星。顾名思义,全球通信卫星是指服务区域遍布全球的通信卫星,这常常需要很多卫星组网形成。而区域卫星仅仅为某一个区域的通信服务。而国内卫星范围则更窄,仅限于国内使用,其实各种分类方式都是想将卫星的某一特性更强地体现出来,以便人们更好的区分各种卫星。

以卫星为基础的移动通信的应用和研制情况,大体上可分为3种情况:

(1) 卫星不动

已经广泛应用的Inmarsat以及正积极开发中的AMSC(美国),CELSAT(美国),MSS(加拿大)、Mobilesat(澳大利亚)等移动通信系统均属于这种情况。这些系统已经实现到车,船和飞机等移动体上的通信,实现到手机的通信指日可待。

(2) 卫星动终端不动

它是通过非同步轨道卫星实现到较大终端(例如移动通信网的基站)的通信,而以后再连接到手持机的用户。Calling(美国)系统大体上属于这种情况。移动用户通过关口站上的卫星进行通信也基本属于这种情况。

(3) 卫星动终端也动

当前提出来的大量中、低轨道系统(如铱星系统、全球星系统、奥迪赛系统)极化均属这种情况,他们的特征就是做到终端手持化,实现了卫星通信适应未来个人移动通信的需求。

自本世纪60年代以来,人类已经将数以百计的通信广播卫星送入高轨道(GEO),在实现国际远距离通信和电视传输方面,这些卫星一直担当主角。但是,高轨道(GEO)卫星也存在一些问题:

自由空间中,信号强度反比于传输距离的平方 高轨道(GEO)卫星距地球过远,需要有较大口径的通信天线。

在通话器通话中,这种时延会使人感到明显的不适应。在数据通信中,时延限制了反应速度,对于2001年台式超级计算机来说,半秒钟的时延意味着数亿字节的信息滞留在缓冲器中。

高轨道(GEO)卫星只有一条,相邻卫星的间隔又不可以过小,因为地球站天线分辨卫星的能力受限于天线口径的大小。在Ka频段(17~30GHz)为了能够分出2°间隔的卫星,地面站天线口径的合理尺寸应不小于66cm。按这样计算,高轨道(GEO)卫星只能提供180颗同轨道位置。这其中还包括了许多实用价值较差,处于大洋上空的位置。



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