永不消逝的电波地球外的中继

1、永不消逝的电波地球外的中继编者按中继通信，通俗来说就是电波的接力赛跑，是延伸通信距离的一种有效方式。1945年战争的硝烟刚刚在世界散去，大多数人还在为下个月的生活发愁时，英国皇家空军的一位雷达技师，却将全部精力专注于空中驰骋的无线电波，他的名字叫A.C.克拉克。克拉克提出了用人造星体来实现无线电中继的设想，并撰写了一篇论文发表在当年10月号的无线世界杂志上。题目正是今天本文的标题一一地球外的中继。只过了十几年。这个设想就变成了现实，让真正意义上的全球通信成为了可能。早期的探索1957年10月，苏联发射了世界上第一颗人造卫星。这个只有836千克重的小家伙携带了一个功率仅1瓦的发射机，在20005

2、和40002兆赫兹的频率上发射03秒时长的单音脉冲。虽然在地面的接收机中只能听到“滴、滴、滴”的声音，但这着实是人类第一次聆听大气层以外的声音了。1958年圣诞节前，美国发射的首颗通信试验卫星搭载了一个磁带录音机，向全世界广播了艾森豪威尔总统的圣诞致辞一一“这是美利坚合众国总统在讲话。仰仗科学进步的奇迹，我的声音通过在外层空间运行的卫星来到您的身边。我只想传达一个简单的信息：通过这独一无二的方式向您和全人类表明，美国对世界和平与人类亲善的愿望无处不在。”虽然是卫星向全世界的第一次录音广播，但有幸直接收听到它的人为数甚少，因为卫星发射功率小，对地面接收机的灵敏度要求颇高。不过绝大多数美国人依旧在

3、反复播送的新闻节目中聆听了这段讲话，所以说这次卫星上的广播试验，其政治意义远大于实际意义。要实现通信中继，必须具备两个要素：首先要同时具备收发两项功能，只有把收到的弱信号放大再发出去，才能实现接力；其次要有持续的能源供应。但是苏美首次发射的这两颗卫星有一个共同点：哥俩都是“聋子”一一只有发射机，没有接收机。而且当时还没有太阳能电池，只能依靠自身的电池供电。苏联的“人造地球卫星一号”在“滴滴滴”响了22天之后没了声音，艾森豪威尔的讲话也只在大气层外坚持了差不多一周。既要规避这两个技术缺陷，又要完成通信中继的历史使命，最终促使美国航空航天总署启动了人类首个使用卫星做中继通信载体的“回声”计划。前面

4、已经介绍过，地球大气外层存在“电离层”，短波通信就是利用电离层反射来实现远距离通信的。但与短波不同的是，电离层对于超短波和微波来说是“透明”的。可以反射超短波和微波的是金属，但茫茫太空中又有何金属可寻呢?“回声”计划就是以人造卫星作为反射体，来实现地球上两点间的中继通信。“回声”卫星实际上是一个巨大的气球，由一层仅127微米厚的镀铝聚酯薄膜制成（如今这种薄膜在超市里茶叶、饼干等食物的包装中随处可见，但在当时可是实打实的高新技术）。在火箭中，这些薄膜是折叠存放的，一旦被送入预定轨道，薄膜内包裹的升华剂就会迅速变为气体充满整个卫星，最终在2分钟内膨胀成一个直径305米的大气球。“回声”计划的第一颗

5、卫星本来应该在1960年5月13日发射升空，那是一个星期五，也是西方人避之不及的“黑色星期五”。很不幸，搭载“回声”1号的“德尔塔”火箭发生了故障，发射以失败告终。于是，NASA的工程师们不得不重新组装一颗新的卫星一一“回声”-1A,并于同年8月12日将其送入1600千米高的圆形轨道。1964年，又发射了一颗更大的“回声”2号，直径达到41米。利用这颗卫星，美国首次实现了与苏联的卫星中继越洋通信。因为“回声”卫星只能反射电波而不能将其放大，所以在地面接收到的信号强度微乎其微。此后，美国也停止了这种无源卫星中继系统的试验，这两个闪闪发亮的大气球在到达使用寿命后，双双坠入大气层烧毁，而装有强力放大

6、器的有源卫星开始崭露头角。最早配置转发器的卫星是美国在1960年10月发射的“信使”比。它具有每秒55000比特的传送速率，试验期间成功进行了圣经和图像的传输。但是在升空17天后，地面站失去了与“信使”比的联络。它的后继者是贝尔实验室的“电星”1号，首次实现了横跨大西洋的电视信号转播。在“电星”成功的基础上，美国于1962年发射了“中继”1号，在次年向日本和西欧进行电视转播时，意外地将肯尼迪遇刺的画面进行了现场直播。不同的运行轨道前面提到的几种卫星的轨道高度都在1000千米上下，属于近地轨道的范畴。近地轨道上的卫星绕地球一周只需要几小时到十几小时，如果我们从地面上观察的话，这些卫星只要几个小时

7、就会消失在地平线以下。这就意味着两个通信对象“共视”卫星的时间很短，如果一颗卫星结束凌空时，下一颗卫星还没有“赶到”，中继通信就会中断。增加卫星的数量，组成庞大的卫星通信网可以解决这个问题。但此举不仅需要发射多颗卫星，还需要建立完善的测控网来保障卫星的正常运行，耗费甚大。那么能不能让卫星始终“挂”在天上一个位置不动呢?答案是肯定的。在距地球36000千米的轨道上，卫星的运行周期刚好是24小时，也就是说，卫星环绕地球的速度与地球自转的角速度相等，这个轨道就是地球同步轨道。如果卫星在赤道平面上的同步轨道运行，在地球上来看，这颗卫星就是静止不动的，所以赤道上空36000千米的轨道称为静止轨道。最早提

8、出利用静止轨道上的卫星来实现中继通信的，是本文开头提到的A.C.克拉克一一来自英国的科幻作家。他在地球外的中继卫星能给出全球范围的无线电覆盖吗这篇著名的论文中，详细论证了卫星通信的可行性，探讨了卫星通信中所涉及到的具体技术问题，比如卫星通信的频段、卫星的覆盖、卫星天线、卫星功率以及卫星能源等问题。克拉克因为这一预见性的构想获得了1994年诺贝尔奖提名，国际天文协会也将同步轨道命名为“克拉克轨道”。静止轨道卫星的覆盖范围很大，单颗卫星可覆盖地球表面约40的地区，3颗等间距分布的卫星可覆盖全球。而且，地球站的设备也比较简单，不需要复杂的跟踪设备，因为只要把抛物面天线“瞄准”某一方向后固定就可以了。

9、1963年，美国分别发射了两颗地球同步卫星一一“辛康”1号和“辛康”2号，但都因为技术故障没有达到百分之百的成功。次年8月，“辛康”3号由“德尔塔”D型运载火箭成功送入了东经180赤道上空的静止轨道。“辛康”3号先后完成了电话、广播、电报、电视和电传等一系列试验，并成功转播了1964年东京奥运会。1965年8月6日，“国际通信卫星1号”（绰号“晨鸟”）发射升空，作为首个投入商业运营的通信卫星，标志着卫星中继通信技术已经走向成熟。从图片中我们可以看出，“晨鸟”的体积与“回声”的差距有多大。但是，同步卫星通信也存在不足：信号要经历7200080000千米的“长途跋涉”。电波的速度是每秒30万千米，

10、仅这段路程就要耗费024秒，再加上电路接续和信号处理所用的时间，通信会有明显的时延，这也就是我们在看新闻里主播和海外记者进行连线时，为什么反应总会慢半拍的原因。如果时延过大，还会引起回波干扰，也就是A端发送的信息经过卫星放大转发后又被A端自己接收，这会导致通话时总能在话筒中听到自己的声音。另外，静止轨道位于赤道面，所以卫星的波束无法覆盖接近两极的高纬度地区，这也是苏联并不热衷于同步通信卫星的原因之一。由于地理位置的原因，地球同步卫星对于苏联的作用并不大，所以俄国人选择了一种特殊的大椭圆轨道。这种轨道的平面是一个拉得很长的椭圆，近地点比较低，只有几百千米，而远地点非常高，达到40000千米，比地

11、球同步轨道还要高。这样一来，卫星通过近地点的时间就非常短，几乎是一掠而过，而通过远地点的时间很长，相对于地球运动得很缓慢，便于地球站跟踪。苏联1965年发射的“闪电”通信卫星就选择了这样的大椭圆轨道，近地点在南半球，远地点在北半球，这样就可以保证卫星有三分之二的时间位于北半球上空，对于极地地区的通信非常有利。这一轨道也被命名为“闪电”轨道。耳熟能详的通信“明星”我们平时的生活似乎与卫星电话离得太远，大多数时候是在电视中看到它们一闪即逝的镜头。接下来为大家介绍的两个卫星系统，想必都是大家耳熟能详的。它们一个使用地球静止轨道，一个使用近地轨道，是当今世界上应用最广泛的商业通信卫星系统。要知道，美国

12、国防部的卫星通信服务，有80是由商业卫星提供的。海事卫星海事卫星是由“国际海事卫星组织”（INMARSAT）运营的，目前已覆盖全球98的陆地和所有海洋，能够向全球的陆、海、空用户提供保密话音通信、数据传输和视频会议等业务类型。海事卫星系统的空间段由4颗静止轨道卫星构成，分别覆盖太平洋（卫星定位于东经178）、印度洋（东经65）、大西洋东区（西经16）和大西洋西区（西经54）。系统的网控中心设在伦敦，负责监测、协调和控制网络内所有卫星的操作运行，包括对卫星姿态、燃料消耗情况、星上工作环境参数和设备工作状态的监测，同时对各地球站的运行情况进行监督，并协助网络协调站对有关运行事务进行协调。由于海事卫

13、星使用的L频段波束较宽，使得寻星、对星非常方便迅捷。而Ku波段卫星通信系统的波束很窄，虽然通信容量大，但是动中通的天线制造成本高昂，应用困难。一套Ku波段动中通天线和终端售价可达到200万人民币。而一套海事卫星动中通天线和终端售价只有Ku波段的1/5。在突发事件应用中，海事卫星系统可以保持行进中的视频图像、数据通信，在扎营后可以快速建立通信枢纽，这也是在抢险救灾和新闻现场经常能看到海事卫星电话的原因。“铱”星前文已经提到过，覆盖全球的卫星通信，静止轨道卫星是最经济的选择，因为只要发射3颗就能覆盖除两极以外地区。但是，静止轨道高度太高，信号损耗严重，致使终端的功率和天线尺寸也都要做得大一些，而且

14、天线的仰角低，不利于身处山区和两极地区的用户使用。摩托罗拉公司在1987年提出了一个雄心勃勃的计划一一不惜代价，用低轨道卫星系统覆盖全球。该系统计划由77颗卫星组成，正好是“铱”原子的电子数，所以系统被命名为“铱”星。说到底，“铱”星系统实际上是把手机的基站搬到了天上，确保任何时刻都会有一颗卫星在通话者上方，终端的操作使用和手机几乎没有区别。只要你的头顶上能看到天空，就可以拨打“铱”星电话。相对于地球同步卫星36000千米的轨道高度，“铱”星系统的卫星则在地表上方485千米处运行，其信号传输距离缩短了98，从而使能耗大为降低。由于初期的惨淡经营，摩托罗拉的“铱”星曾在上世纪末濒临破产。但就在这一关键时刻，美国国防部终于出手与其签订了为期5年、每年3600万