衛星電話:衛星中繼通話器-中文百科頻道

原理

高軌道衛星（GEO）移動通信業務的特征來源于使用位于赤道上方358km的對地同步衛星開展通信業務的條件。在這個高度上，一顆衛星幾乎可以複蓋整個半球，形成一個區域性通信系統，該系統可以為其衛星複蓋範圍内的任何地點提供服務，例如美國一顆衛星就可以複蓋美國大陸的連續部分，如阿拉斯加、夏威夷、波多黎各幾百海裡的近海地區。在GEO衛星系統中，隻需要一個國内交換機對呼叫進行選路，信令和撥号方式比較簡單，任何移動用戶都可以被呼叫，無需知道其所在地點。同時，移動呼叫可以在任何方便的地點落地，不需要昂貴的長途接續，衛星通信費用與距離無關，它與提供本地業務的陸地系統的費用相近。當衛星對地面台站的仰角較大的時候（如在美國本土經度範圍内，衛星對地面的仰角一般在20°～56°之間），移動天線具有朝上指向的波束，可以與地面的反射區分開，這樣就可以幾乎完全避免在陸地系統中常見的深度多徑衰落。衛星信号因其仰角大，僅僅穿過樹冠，從而使由枝葉引起的衰減降到隻有幾dB。

發展曆程

自從1957年10月4日蘇聯成功發射了第一顆人造地球衛星以來，世界許多國家相繼發射了各種用途的衛星。這些衛星廣泛應用于科學研究，宇宙觀測，氣象觀測，國際通信等許多領域。

1958年12月美國宇航局（NASA）發射了“斯科爾”（SCORE）廣播試驗衛星，進行磁帶錄音信号的傳輸。1960年8月，又發射了“回聲”（ECHO）無源發射衛星，首次完成了有源延遲中繼通信。1962年7月美國通話器電報公司AT&T發射了“電星一号”（TELESTAR-1）低軌道通信衛星，在6GHz/4GHz實現了橫跨大西洋的通話器、電視、傳真和數據的傳輸，奠定了商用衛星通信的技術基礎。

1965年蘇聯發射了“閃電”（MOLNIYA）同步衛星，完成了蘇聯和東歐之間的區域性通信和電視廣播。至此，經曆了近20年的時間，完成了通信衛星的試驗，并使衛星通信的實用價值得到了廣泛的承認。

1964年8月成立了商用的衛星臨時組織。1973年2月更名為國際通信衛星自治（INTELSAT）。這是一個國際性商用衛星通信機構，截止1986年已有112個國家參加該組織（包括中國），目前正在使用的國際通信衛星主要是INTELSAT衛星公司（COMSAT）發射的“晨鳥”（EarlyBird），也成為“INTELSAT-Ⅰ”國際通信衛星。自此之後，先後發射了六代國際通信衛星-Ⅱ~Ⅶ。前四代已經完成了使命，現在正在運行的包括IS-Ⅴ-A，IS-Ⅵ，IS-Ⅶ。

1980年發射的Ⅴ号和1985年發射的Ⅴ－A号國際衛星是一種大容量國際商用衛星。有6顆Ⅴ号衛星在同時工作，用于溝通300多個地球站。該衛星載有七副通信天線。轉發器共有27個，可同時傳送12500路通話器和兩路彩色電視信号。

1989年發射的Ⅵ号國際衛星是重量為1600公斤，有46個轉發器，通信容量為24000條雙向話路和3路電視，采用數字倍增設備後擴大為12萬個話路。該衛星轉發器不僅使用C波段（6/4GHz），而且在點波束處還使用Ku頻段（14/11GHz）。

1992年發射的Ⅶ号國際通信衛星是為了替代于1993年到期的Ⅴ－A國際通信衛星而研制的。該衛星外形與Ⅴ－A衛星相似，也是三軸穩定，在軌精度達±0.01°。該星采用了許多新技術，包括：

1、4個波束可按地面指令而指向地球上任何地區。

2、可根據業務需要改變衛星全球波束，将其分配給C波段點波束，使轉發器得到充分的利用。

3、C波段半球/區域載荷采用四重頻率複用，C波段全球/點波束采用二重頻率複用，Ku波段采用二重頻率複用。

4、同時采用空間波束隔離及極化隔離，使隔離度提高到27dB以上。全球波束複蓋區及極化隔離可達到35dB以上。

其他業務

随着固定衛星業務的迅速發展，提出了移動衛星業務。移動通信衛星業務是指裝載在飛機，艦船、汽車上的移動通信終端所用的同步衛星通信。應用最早的是海上移動衛星業務，1976年第一顆“海事衛星1号”（MARISAT-1）發射到大西洋上空。随後于1979年成立“國際海事衛星組織”（INMARSAT）。

廣播衛星業務也可歸入固定衛星業務。如加拿大的“通信技術衛星”（CTS），美國的“應用技術衛星”（ATS-6），蘇聯的“靜止”衛星（STATSIONAR），日本的“日本廣播衛星”（JBS）等。廣播衛星業務是為了使用戶能直接接收來自衛星轉發等廣播電視節目。包括由簡易家庭用接收設備直接接收等“個體接收”和先由大型天線接收後再分送給一般用戶等“集體接收”兩種方式。

其他衛星業務包括無線電導航衛星（如美國海軍導航衛星NNSS），地球探測衛星（如美國陸地衛星LANDSAT）、氣象衛星（如美國NOAA衛星）、業餘無線電衛星（如OSCAR），以及報時，标準頻率，射電天文，宇宙開發、研究衛星等業務。

中國曆程

中國自1970年4月成功發射了第一顆衛星以來，已經先後發射了數十顆各種用途的衛星。1984年4月，發射了第一顆試驗用“同步通信衛星”STW-1（即東方紅二号）。1986年2月于中國西昌發射場，用長征3号火箭成功發射第二顆“實驗通信衛星”STW-2。該衛星位于東經103°赤道上空（馬六甲海峽南端），等經線貫穿中國昆明、成都、蘭州等地。衛星高度35786公裡。該同步衛星形狀呈圓柱形，直徑2.1米，總高度3.67米，軌道重量429公斤，太陽能電池功率為135瓦。衛星點波束天線直徑1.22米，采用雙自旋穩定方式。衛星有兩個轉發器，工作頻率為6/4GHz。用于轉播廣播電視和傳送通話器，設計容量為1000路通話器。預期壽命為3年。

1988年3月，又于西昌發射場，用長征3号火箭發射成功第一顆“實用通信衛星”，即“東二甲”衛星該星定點于東經87.5°赤道上空。1988年12月又發射了“東二甲－2”衛星，定點于110.5°E。“東三甲”衛星是“東二甲”衛星的改進型衛星。其天線改成橢圓波束，設計壽命延長為四年，加大了太陽能電池功率。轉發器增加為4個，說明中國的衛星通信技術已經邁入國際領先領域。

系統組成

空間系統

由于移動天線終端尺寸小，在L頻段每信道所需衛星輻射功率較固定衛星業務中相應的信道的功率為大，預計所需的衛星功率為3000W，天線直徑約為5m，用多波束複蓋業務區。這就要使每個信号選定從單一K頻段波束到所需L頻段波束以及反向的接續路由。K頻段被劃分幾段，每段對應L頻段的一個特定的點波束。為解決以下兩個難點：（1）每個L段上的業務無法精确預測，而且随時變化；（2）國内業務和國際業務的分配很複雜，也使得衛星移動通信系統業務的陸地、海上、空中三個部分的分配很困難，以便與本波束内業務取得一緻。但是，這裡不存在L頻段到L頻段的路徑。

地面系統

衛星移動無線電台和天線

衛星移動無線電台和陸地移動無線電台的功能、複雜性。部件數量和類型很相似，隻是衛星移動無線電台使用5kHz信道間隔而不是25或30kHz。電台話音、調度通話器、數據、消息分組、定位、尋呼等都屬于該衛星中繼通話器系統本身的功能，每個衛星移動電台都需要一個頻率綜合器，以便将他們調諧到所需的5kHz信道。該系統還采用專用信令信道，以免系統在公共安全緊急救援期間飽和，并為天線的指向調整提供參考。信令信道在移動台從一個衛星波束進入相鄰衛星波束時，為波束轉換提供幅度參考電平。

為獲得滿意的話音質量以及鄰星的頻率再用，需要約13dBi的高增益天線。天線的輻射圖形可以是圓的或是橢圓的，在方位角上通過電動的機械方法實現調整。也可以通過圓形陣列的切換達到近13dBi的增益。

關口站、基站

地球站工作于K頻段，由于衛星移動通信服務的基本結構是每載波單信道，所以關口站必須自動按網控中心從信令信道傳來的指令調諧到5kHz信道。基站需要頻率合成器，可以工作在固定信道。這兩種站都使用3.3m天線，但通信密度大的地區的關口站需要較大的天線。關口站應有足夠的容量，以免阻塞；還要有足夠備份以保證高的可用性。一個出故障的關口站将被旁路，這時呼叫由相鄰的關口站臨時轉接。

通信衛星

基本原理

衛星通信系統是由空間部分——通信衛星和地面部分——通信地面站兩大部分構成的。在這一系統中，通信衛星實際上就是一個懸挂在空中的通信中繼站。它居高臨下，視野開闊，隻要在它的複蓋照射區以内，不論距離遠近都可以通信，通過它轉發和反射電報、電視、廣播和數據等無線信号。

通信衛星工作的基本原理如圖所示。從地面站1發出無線電信号，這個微弱的信号被衛星通信天線接收後，首先在通信轉發器中進行放大，變頻和功率放大，最後再由衛星的通信天線把放大後的無線電波重新發向地面站2，從而實現兩個地面站或多個地面站的遠距離通信。舉一個簡單的例子：如北京市某用戶要通過衛星與大洋彼岸的另一用戶打通話器，先要通過長途通話器局，由它把用戶通話器線路與衛星通信系統中的北京地面站連通，地面站把通話器信号發射到衛星，衛星接到這個信号後通過功率放大器，将信号放大再轉發到大西洋彼岸的地面站，地面站把通話器信号取出來，送到受話人所在的城市長途通話器局轉接用戶。

電視節目的轉播與通話器傳輸相似。但是由于各國的電視制式标準不一樣，在接收設備中還要有相應的制式轉換設備，将電視信号轉換為本國标準。電報、傳真、廣播、數據傳輸等業務也與通話器傳輸過程相似，不同的是需要在地面站中采用相應的終端設備。

随着航天技術日新月異的發展，通信衛星的種類也越來越多。按服務區域劃分，有全球、區域和國内通信衛星。按用途分，有一般通信衛星、廣播衛星、海事衛星、跟蹤和數據中繼衛星以及各種軍用衛星。

優點缺點

衛星通信同現在常用的電纜通信、微波通信等相比，優點缺點如下：

遠：是指衛星通信的距離遠。俗話說，“站的高，看的遠”，同步通信衛星可以“看”到地球最大跨度達一萬八千餘公裡。在這個複蓋區内的任意兩點都可以通過衛星進行通信，而微波通信一般是50公裡左右設一個中繼站，一顆同步通信衛星的複蓋距離相當于三百多個微波中繼站；

多：指通信路數多、容量大。一顆現代通信衛星，可攜帶幾個到幾十個轉發器，可提供幾路電視和成千上萬路通話器；

好：指通信質量好、可靠性高。衛星通信的傳輸環節少，不受地理條件和氣象的影響，可獲得高質量的通信信号；

活：指運用靈活、适應性強。它不僅可以實現陸地上任意兩點間的通信，而且能實現船與船，船與岸上、空中與陸地之間的通信，它可以結成一個多方向、多點的立體通信網；

省：指成本低。在同樣的容量、同樣的距離下，衛星通信和其他的通信設備相比較，所耗的資金少，衛星通信系統的造價并不随通信距離的增加而提高，随着設計和工藝的成熟，成本還在降低；

高：指通信資費标準高于常用的電纜通信、微波通信，是其資費标準的十倍乃至幾十倍；

差：指在大型建築内或山體等物體遮蓋住設備本身時通信信号無或閃爍不定；

慢：指在通話過程中有延時現象，導緻接續不暢。

問題

自本世紀60年代以來，人類已經将數以百計的通信廣播衛星送入高軌道（GEO），在實現國際遠距離通信和電視傳輸方面，這些衛星一直擔當主角。但是，高軌道（GEO）衛星也存在一些問題：

距地球過遠

自由空間中，信号強度反比于傳輸距離的平方高軌道（GEO）衛星距地球過遠，需要有較大口徑的通信天線。

信号時延

在通話器通話中，這種時延會使人感到明顯的不适應。在數據通信中，時延限制了反應速度，對于2001年台式超級計算機來說，半秒鐘的時延意味着數億字節的信息滞留在緩沖器中。

軌道資源緊張

高軌道（GEO）衛星隻有一條，相鄰衛星的間隔又不可以過小，因為地球站天線分辨衛星的能力受限于天線口徑的大小。在Ka頻段（17～30GHz）為了能夠分出2°間隔的衛星，地面站天線口徑的合理尺寸應不小于66cm。按這樣計算，高軌道（GEO）衛星隻能提供180顆同軌道位置。這其中還包括了許多實用價值較差，處于大洋上空的位置。

價格

目前Thuraya，銥星和Globalstar的舊式衛星電話售價約為200美元，但新型衛星電話的價格十分昂貴。備受歡迎的銥星9505A發布于2001年，但目前的售價仍高達1100美元。由于一種衛星電話隻能工作在一個特定網絡下并無法切換，因此設備的價格明顯受到網絡服務質量的影響。如果某一服務商的網絡出現了故障，該公司的衛星電話價格立刻會下降。而一旦某一公司發射了新的衛星，該公司衛星電話的售價又會立即大幅上漲。同樣地，當通話費用降低時，電話的售價就會提高。

目前最貴的衛星電話終端要數Inmarsat的bgan（BroadbandGlobalAreaNetwork）終端，其售價往往高達數千美元。但這類設備在提供語音通話的同時，還可以提供寬帶網絡服務。

随着國内衛星電話的發展，将會大幅降低價格，我們拭目以待。

區号

衛星電話往往擁有獨立的國際電話區号。

Inmarsat衛星電話的區号為+870至+874。過去，不同的Inmarsat衛星所擁有的區号是不同的。但從2008年開始，所有衛星的區号将不再區分。

近地軌道系統的衛星電話使用+881。銥星的區号是+8816和+8817；Globalstar被分配到的是+8818和+8819，但除了巴西的經銷商外，其他地區售出的Globalstar衛星電話均使用美國電話号碼。更小規模的區域性衛星電話網絡均使用+882。這一區号除衛星電話外還提供給其他通信設備。

通話費用

從衛星電話撥打電話的費用在每分鐘0.15美元到2美元不等，但由固定電話或普通移動電話撥打衛星電話的價格則十分昂貴，其中撥給Inmarsat和銥星價格最高，每分鐘的費率為3至14美元。接聽電話的一方不需付費，除非兩者之間有特殊的反向收費協議。而不同網絡之間的衛星電話通話價格更為驚人，每分鐘的花費最高可達15美元。

衛星電話撥打固定電話的費用一般在0.8至1.5美元之間，但在一些通話不是很繁忙的區域往往會有優惠。Globalstar目前正向用戶提供在2010年之前均有效的無限通話套餐——這在衛星電話行業幾乎是聞所未聞的。但是Globalstar的網絡效果極差，而且可能出錯。

所有衛星電話網絡均提供預付費套餐，價值在10美元至5000美元之間。

應該根據我國全民的收入情況确定費用。

應用領域

一、特别适合應用的區域：海洋、高山、沙漠、孤島、冰川、極地等邊遠偏僻、通信不發達的區域。

二、特别适合應用的領域：石油勘探、工業控制、地質調查、工程勘察、科考探險、海洋、陸地環境監測、災害監測預報、海事緊急救援、船舶安全報警系統（ssas）、車船的定位跟蹤、搶險救災、突發事件處理、應急通信、應急救援指揮等。

三、特别适合應用的監測：石油管線、輸氣管線、海洋浮标、海洋燈塔、地質災害監測，水文監測，地震監測、森林防火監測。

四、特别适合應用的場所：陸地車輛、海事船舶、無人值守站。

在災害中的使用

當遇到一些災害性事故時，極大的通話流量往往會使絕大多數的移動電話網絡超負荷從而癱瘓，而這正是最需要移動電話網絡的時候。這一情況在911事件、2006年夏威夷地震、2003年美加大停電、卡特裡娜飓風和密西西比河大橋坍塌事故中都曾出現。同時，地面的信号基站和天線也可能在自然災害中受損而引起網絡癱瘓。而衛星電話就不會受自然災害的破壞，并在災害中起到決定性的作用。但于此同時，由于單顆通訊衛星複蓋的面積極廣，而通話頻道有限，衛星電話網絡本身在災害事故中還是會有堵塞的傾向。