衛星通信系統與衛星通信技術分析

萬戩 范津銘 王風祿

摘要：2011年10月25日，我國成功實現了首次星地激光鏈路試驗，我國后續將陸續開展星間和深空探測激光通信試驗，預計在2020年左右將陸續實現衛星光通信技術的工程化應用，從現在的技術的更新和市場需求等方面來看，假如衛星通信技術能到達到實際運用的程度，那么必然將會最新應用在軍事領域，并且將會在某種程度上影響全球范圍內的軍事力量的均衡。基于此背景，本文論述了衛星光通信系統的組成及其關鍵技術和衛星通信的優勢。

關鍵詞：衛星通信系統;衛星通信技術

1 衛星通信系統組成

1.1 通信衛星

通信衛星通過對無線電信號進行轉發，來實現其通信過程。根據其軌道的不同，它一般被分為大橢圓軌道通信衛星、低軌道通信衛星、中軌道通信衛星和地球靜止軌道通信衛星。

1.2 衛星地面站

相對于高空運行的通信衛星而言，通常也采用數字信號傳輸的地面基站系統來進行地面信號的傳輸，即衛星地面站。基于其通信容量大、覆蓋范圍廣等特點，一般采用地面站來進行應急資源的調度，應急救援的指揮，指揮命令的傳達，以及民眾通信等，但地面站的成本相對較高，部署難度大，且其后期的維護和重組等工作較為復雜。

1.3 衛星通信車

衛星通信車主要通過衛星信號的傳輸鏈路來進行一定范圍內通信信息傳輸過程，它擁有齊全的通信設備，是將數字信息傳輸系統、超短波電臺等多種通訊設備集成為一體。基于其機動性強、使用靈活的優點，以及其通訊容量較小、覆蓋范圍有限、受交通影響限制等缺點，衛星通訊車存在無法發揮其作用的現象。

1.4 衛星通信便攜站

與通信車相同，便攜站也是通過衛星信號的傳輸鏈路來實現其通信過程。基于其使用方便靈活、機動性強等優點，常應用于應急通信設備，但又由于其功率的限制，并不能滿足大容量、大范圍內的應急通信需求。

1.5 衛星電話

基于其便于攜帶、使用方便靈活通信穩定等特點，通常采用衛星電話來進行救災指令的及時有效地傳達過程。但由于終端設備會給予其使用限制，衛星電話并不能大范圍的普及使用。

2當前主要的衛星通信技術

2.1 調制解調技術

衛星通信過程中，以OQPSK、QPSK和π/4DQPSK等為其主要的調制方式，而轉發器資源的緊缺及高速數據傳輸的需求使至16APSK、16QAM、8PSK等高階調制方式得到了快速的發展和有效的應用。以APSK為例，它的工作過程主要即為對幅度進行預失真法的非線性矯正，而不影響相位特性，使之在透明轉發這種高階調制信號時的功率效率不明顯降低。

格形編碼調制（TCM）將信道編碼與調制融合在一起，因而幾乎不付出頻帶效率和功率效率降低的代價即可獲取較高的編碼增益，但由于對其擁有相對復雜的譯碼，因此其與外碼的關聯過程則不太容易實現。采用一種多載波調制方式——正交頻分復用（OFDM）技術。由于該技術抗多徑衰落能力強而在地面蜂窩網第四代（4G）、第五代（5G）移動通信中成為不可或缺的技術，在衛星與地面基站相結合的移動數字電視廣播系統中已成功應用 OFDM，并已形成了國際標準和我國國家標準。

2.2 糾錯編碼技術

各種通信信息傳輸的誤比特率（BER）都有最高限度要求，一般系統不會設計為在傳輸和解調后所得數據的 BER 就能達到上述要求，因為這會嚴重浪費發射功率。而采用糾錯編碼（即信道編碼）技術與調制相結合，只需付出很小的頻帶效率代價就能使 BER 降低若干個數量級。

并行級聯形式的Turbo碼和低密度奇偶效驗碼（LDPC）[5]是目前較為先進的信道編碼算法，兩者均有兩個突出特點：一是都結合了比特交織技術，能有效地糾正突發錯誤;二是譯碼門限比卷積碼更低，而且能在較高的碼率下獲得較大的編碼增益。

2.3 擴頻通信技術

星通信信道開放性的特點帶來的隱蔽性差、抗干擾能力弱等缺點，可采用擴頻技術克服，因此擴頻通信主要用于隱蔽通信和抗干擾軍事通信。

擴頻的基本工作方式主要有跳變頻率（FH，）、線性調頻、直接序列擴頻（DSSS）和跳變時間4種[7]。我國已實現的 FH 系統跳頻范圍可達 2 GHz，跳速達上萬跳/秒。

2.4 陣列天線技術與衛星蜂窩網技術

由于衛星鏈路傳播衰減很大，例如GEO衛星C、Ku、Ka 頻段鏈路的衰減都在 200dB 左右，需要采用高增益天線，天線的尺寸和成本往往成為重要障礙，例如基于GEO衛星Ku頻段透明轉發器的寬帶移動通信，其“動中通”天線的成本相當于通信終端其余部分總成本的6～10倍。

頻率資源有限是大力發展衛星通信應用的一個瓶頸。采用多個LEO衛星構成衛星群星座，每顆衛星都裝備MBA便可形成大量的蜂窩小區，動態地覆蓋整個地球表面，可使頻率資源重復利用。例如，銥星系統66顆衛星、每星48個波束，形成3168個蜂窩小區動態地覆蓋全球表面。

2.5 衛星通信的優勢

相對于微波中繼通信及其他通信方式而言，衛星通信有自身獨特的優點：

1）衛星通信輻射的面積較大，可以更遠距離通信：地球同步軌道（GEO）衛星與地面的距離是 35 860 km，其只需要依靠一個衛星進行中繼轉發，遠距離通信就能到達一萬多公里的通信效果。

2）可將其廣播性與多址連接技術合構成龐大的通信網：在一顆衛星所覆蓋的區域內，不必依賴顯式的交換，只需利用衛星中繼傳輸和多址/復用技術就能構成擁有許多地面用戶的大型通信網。

3）靈活可靠：衛星通信站在地里空間上容易建立，對地理條件沒苛刻的要求，平地可建設，山區也可以建設;它的通信終端攜帶方便，飛機、汽車，甚至個人都可以;建站花費的時間成本小;通信衛星在發生突發事件、自然災害或戰時不易被摧毀。

4）信息容量大、傳輸穩定：衛星通信信道在微波頻率范圍內進行工作，其有著非常豐富的頻率資源，傳輸損耗也十分穩定，甚至能精確的估算出來。

5）適合遠距離通信。因為衛星通信設備的成本不會隨通信距離逐漸增加而增多，有相對的經濟優勢。