无线通信 - 卫星

卫星是一个绕着另一个物体旋转的物体。例如，地球是太阳的卫星，月球是地球的卫星。

通信卫星是太空中用于电信、无线电和电视信号的微波中继站。通信卫星处理来自一个地球站的数据，将其转换为另一种形式，然后发送到第二个地球站。

卫星的工作原理

地球上的两个站点想通过无线广播进行通信，但距离太远而无法使用传统方法。这两个站点可以使用中继站进行通信。一个地球站将信号传输到卫星。

上行链路频率是地面站与卫星通信的频率。卫星转发器转换信号并将其发送到第二个地球站，这称为下行链路频率。第二个地球站也以相同的方式与第一个地球站通信。

卫星通信的优点如下：

卫星通信的缺点如下：

卫星通信的过程始于地球站。这是一个设计用于发送和接收来自绕地球轨道运行的卫星信号的装置。地球站以高功率、高频（GHz 范围）信号的形式向卫星发送信息。

卫星接收并转发信号回地球，然后由卫星覆盖区域内的其他地球站接收。卫星足迹是指从卫星接收有用强度信号的区域。

从地球站到卫星通过信道的传输系统称为上行链路。从卫星到地球站通过信道的系统称为下行链路。

通常用于通信的卫星频段是C 波段、Ku 波段和Ka 波段。C 波段和 Ku 波段是当今卫星常用的频谱。

需要注意的是，频率和波长之间存在反比关系，即频率增加，波长减小，这有助于理解天线直径和传输频率之间的关系。随着波长的增加，需要更大的天线（卫星天线）来收集信号。

卫星发射到太空后，需要放置在特定的轨道上以提供特定的旋转方式，以便保持可访问性并实现其科学、军事或商业目的。分配给卫星相对于地球的这些轨道称为地球轨道。这些轨道上的卫星是地球轨道卫星。

重要的地球轨道类型包括：

地球同步轨道卫星是指放置在地球上方 22,300 英里高度的卫星。该轨道与恒星日（即 23 小时 56 分钟）同步。该轨道可能具有倾角和偏心率。它可能不是圆形的。该轨道可以倾斜于地球的两极。但从地球上观察时，它看起来是静止的。

如果相同的地球同步轨道是圆形的并且位于赤道平面内，则称为地球静止轨道。这些卫星放置在地球赤道上方 35,900 公里（与地球同步轨道相同）处，它们相对于地球的方向（西向东）不断旋转。这些卫星相对于地球被认为是静止的，因此名称也由此而来。

地球静止轨道卫星用于天气预报、卫星电视、卫星无线电和其他类型的全球通信。

上图显示了地球同步轨道和地球静止轨道之间的区别。旋转轴表示地球的运动。

这里主要需要注意的是，每个地球静止轨道都是地球同步轨道。但并非每个地球同步轨道都是地球静止轨道。

中地球轨道 (MEO) 卫星网络将在地球表面上方约 8000 英里的距离运行。从 MEO 卫星传输的信号传播的距离较短。这意味着接收端的信号强度得到改善。这表明接收端可以使用更小、更轻的接收终端。

由于信号到卫星和从卫星到接收站的传播距离较短，因此传输延迟较小。传输延迟可以定义为信号到达卫星并返回接收站所需的时间。

对于实时通信，传输延迟越短，通信系统越好。例如，如果 GEO 卫星往返需要 0.25 秒，则 MEO 卫星完成相同行程所需的时间不到 0.1 秒。MEO 的工作频率范围为 2 GHz 及以上。

LEO 卫星主要分为三类：小型 LEO、大型 LEO 和巨型 LEO。LEO 将在地球表面上方 500 至 1000 英里的距离运行。

这种相对较短的距离将传输延迟减少到仅 0.05 秒。这进一步减少了对灵敏且笨重的接收设备的需求。小型 LEO 将在 800 MHz (0.8 GHz) 范围内运行。大型 LEO 将在 2 GHz 或更高范围内运行，巨型 LEO 在 20-30 GHz 范围内运行。

与巨型 LEO相关的较高频率转化为更大的信息承载能力，并产生实时、低延迟视频传输方案的能力。

实验性 HALE 平台基本上是携带通信设备的高效轻型飞机。这将充当超低地球轨道地球同步卫星。

这些飞行器将由电池和太阳能或高效涡轮发动机的组合提供动力。HALE 平台将在仅 70,000 英尺的高度提供小于 0.001 秒的传输延迟，甚至为非常轻便的手持接收设备提供更好的信号强度。

这里可能会出现一个问题，即在同步轨道上存在超过200 颗卫星，我们如何防止它们相互碰撞或尝试使用太空中相同的地理位置？为了解决这个问题，国际电信联盟 (ITU) 等国际监管机构和美国联邦通信委员会 (FCC) 等国家政府组织指定了地球同步轨道上通信卫星可以定位的位置。

这些位置以经度度数表示，称为轨道槽。由于对轨道槽的需求巨大，FCC 和 ITU 已逐步将所需的间距减少到 C 波段和 Ku 波段卫星仅 2 度。

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