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1衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成及工作過程

1.1衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成衛(wèi)星通信系統(tǒng)由兩段組成，即地面段和空間段。

1.1.1空間段空間段包括通信衛(wèi)星以及地面用于衛(wèi)星控制和監(jiān)測的設(shè)施，即衛(wèi)星控制中心，及其跟蹤、遙測和指令站，能源裝置等。

1.1.2地面段地面段包括所有的地球站，這些地球站通常通過一個地面網(wǎng)絡(luò)連接到終端用戶設(shè)備，或直接連接終端用戶設(shè)備。地球站的主要功能是將發(fā)射的信號傳送到衛(wèi)星，再從衛(wèi)星接收信號。地球站根據(jù)服務(wù)類型，大致可分為用戶站、關(guān)口站和服務(wù)站3類。

1.2衛(wèi)星通信系統(tǒng)的工作過程衛(wèi)星通信系統(tǒng)地球站中各個已調(diào)載波的發(fā)射或接收通路經(jīng)過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)，可以組成多條單跳或雙跳的雙工或單工衛(wèi)星通信線路，整個通信系統(tǒng)的通信任務(wù)就是分別利用這些線路來實(shí)現(xiàn)的。單跳單工的衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行通信時，地面用戶發(fā)出的基帶信號經(jīng)過地面通信網(wǎng)絡(luò)傳送到地球站。在地球站，通信設(shè)備對基帶信號進(jìn)行處理使其成為已調(diào)射頻載波后發(fā)送到衛(wèi)星。衛(wèi)星作為中繼站，接收此系統(tǒng)中所有地球站用上行頻率發(fā)來的已調(diào)射頻載波，然后進(jìn)行放大和變頻，用下行頻率發(fā)送到接收地球站。接收地球站對接收到的已調(diào)射頻載波進(jìn)行處理，解調(diào)出基帶信號，再通過地面網(wǎng)絡(luò)傳送給用戶。為了避免上下行信號互相干擾，上下行頻率一般使用不同的頻譜，盡量保持足夠大的間隔，以增加收發(fā)信號的隔離度。

2衛(wèi)星通信所使用的頻率

衛(wèi)星通信所用的頻率大多是C頻段和Ku頻段，但是由于業(yè)務(wù)量急劇增加，這兩個頻段乃至1—10GHz的頻段都顯得過于擁擠，所以必須開發(fā)更高的頻段。現(xiàn)已開發(fā)出Ka（26—40GHz）頻段，其帶寬是3—4GHz，遠(yuǎn)大于上述兩個頻段。

3衛(wèi)星通信的基本參數(shù)

3.1有效全向輻射功率：也稱等效全向輻射功率，其定義為發(fā)射機(jī)發(fā)出的功率與天線增益的乘積。

3.2噪聲系數(shù)和等效噪聲溫度：噪聲系數(shù)，定義為接收機(jī)的輸入信噪比與輸出信噪比的比值，它用來表示接收機(jī)噪聲性能的好壞。根據(jù)噪聲理論，電子元器件內(nèi)部的電子熱運(yùn)動和電子不規(guī)則的運(yùn)動都將產(chǎn)生噪聲，而且溫度越高，噪聲越大。所以接收機(jī)的噪聲可用等效噪聲溫度來衡量。等效噪聲溫度是假設(shè)接收機(jī)輸入端接一等效電阻，該電阻在一定溫度下與該系統(tǒng)實(shí)際產(chǎn)生的噪聲溫度相同的熱噪聲。

3.3載噪比：衛(wèi)星通信線路中的載波功率與噪聲功率之比，是決定衛(wèi)星通信線路性能的最基本的參數(shù)之一。

3.4地球站的品質(zhì)因數(shù)，定義為接收機(jī)天線增益與接收端系統(tǒng)噪聲溫度之比。

3.5衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器飽和通量密度：表示衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的靈敏度，其基本含義是，為使衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器單載波飽和工作，在其接收天線的單位面積上應(yīng)輸入的功率。

3.6門限載噪比：為保證用戶接收到的話音、圖像和數(shù)據(jù)的質(zhì)量達(dá)到一定要求，接收機(jī)所必須得到的最低載噪比，也是門限載噪比的含義。

4衛(wèi)星通信與互聯(lián)網(wǎng)

互聯(lián)網(wǎng)是全球最大的多媒體商用網(wǎng)絡(luò)、信息庫和數(shù)字媒體?；ヂ?lián)網(wǎng)和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展使得所有信息內(nèi)容都在網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)，特別是數(shù)字音視頻技術(shù)使得可以在互聯(lián)網(wǎng)上看電視聽廣播[3]。由于衛(wèi)星通信具有三維無縫覆蓋能力、遠(yuǎn)程通信、廣播特性、按需分配帶寬，以及支持移動性的能力，成為互聯(lián)網(wǎng)擺脫自身諸多問題的一個重要途徑，也是向全球用戶提供寬帶綜合互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的最佳選擇[4]?；谛l(wèi)星的互聯(lián)網(wǎng)是衛(wèi)星直播、數(shù)字音視頻、互聯(lián)網(wǎng)的有機(jī)結(jié)合，作為一個開放、寬頻、實(shí)時廣播的網(wǎng)絡(luò)平臺，可以提供以下服務(wù)。

4.1寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入，可根據(jù)使用者的需求，通過地面網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星線路回傳。

4.2多媒體服務(wù)，比如網(wǎng)頁內(nèi)容投遞、內(nèi)容鏡像、緩存、數(shù)字電視、商務(wù)電視、流式音視頻、軟件分發(fā)(更新)、遠(yuǎn)程教學(xué)、信息商亭等。

4.3交互式應(yīng)用，如視頻點(diǎn)播、網(wǎng)上學(xué)習(xí)、網(wǎng)上游戲等。衛(wèi)星通信與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合能夠帶來很多益處，同時也應(yīng)注意到，衛(wèi)星系統(tǒng)和現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)地面基礎(chǔ)設(shè)施之間的結(jié)合存在著互操作性問題，再設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)基于衛(wèi)星的互聯(lián)網(wǎng)時還存在許多技術(shù)挑戰(zhàn)。

5衛(wèi)星通信與導(dǎo)航定位系統(tǒng)

該系統(tǒng)是以人造衛(wèi)星為導(dǎo)航臺的星基無線定位系統(tǒng)，其基本作用是向各類用戶和運(yùn)動平臺實(shí)時提供準(zhǔn)確、連續(xù)的位置、速度和時間信息。目前該技術(shù)已基本取代無線電導(dǎo)航、天文測量和大地測量，成為普遍采用的導(dǎo)航定位技術(shù)。擁有此技術(shù)及能力，國家就會在政治、軍事和經(jīng)濟(jì)等諸多領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，因此世界各大國不惜花巨資發(fā)展這一技術(shù)。1958年美國為解決北極星核潛艇在深海航行和執(zhí)行任務(wù)中的精確定位問題，開始研究軍用導(dǎo)航衛(wèi)星，命名為“子午儀計(jì)劃”，從1960年起就取消了無線電導(dǎo)航，第二代導(dǎo)航系統(tǒng)即———GPS(GlobalPositioningSyitem)便應(yīng)運(yùn)而生。俄羅斯的GLONASS(GlobalNavigationSatelliteSystem)是繼GPS之后又一全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，歐盟與歐空局也開發(fā)了新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)———伽利略（Galileo）系統(tǒng)，習(xí)慣上稱其為3G（GPSGLONASSGalileo）系統(tǒng)。我國的導(dǎo)航定位技術(shù)始于GPS，從2000年10月開始，我國發(fā)射了多顆導(dǎo)航衛(wèi)星，命名為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，現(xiàn)已覆蓋我國及周邊地區(qū)，預(yù)計(jì)2020年前后覆蓋全球。

6衛(wèi)星與激光通信

衛(wèi)星與激光通信是利用激光光束作為信息載體在衛(wèi)星間或衛(wèi)星與地面間進(jìn)行通信。經(jīng)過多年探索，衛(wèi)星激光通信已取得突破性進(jìn)展，逐步成為開發(fā)太空、利用廣闊的宇宙空間資源提供大容量、高數(shù)據(jù)率、低功耗通信的最佳方案，對于國防及商業(yè)應(yīng)用都具有極大的價(jià)值。其原理是信息電信號通過調(diào)制加載在光波上，通信雙方通過初定位和調(diào)整以及光束的捕獲、瞄準(zhǔn)和跟蹤建立起光通信鏈路，然后在真空和大氣中傳播信息。其組成有激光光源子系統(tǒng)、光發(fā)射/接收子系統(tǒng)、APT子系統(tǒng)和其他一些輔助系統(tǒng)，其工作過程如下：

6.1發(fā)射過程。使用不同的激光器，產(chǎn)生信號光和信標(biāo)光。經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)對激光進(jìn)行光束準(zhǔn)直后，具備了合適的發(fā)射角，2束光由合束器合成1束光，然后經(jīng)分光片、精對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)和天線發(fā)射出去。

6.2接收過程。接收到的光經(jīng)過天線和分光片后，信標(biāo)光一部分到達(dá)粗對準(zhǔn)探測器，由粗對準(zhǔn)控制器控制和驅(qū)動電路控制粗對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，完成粗對準(zhǔn)和捕獲；信標(biāo)光另一部分經(jīng)精對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)、分光片、分束片到達(dá)精跟中蹤探測器，由精對準(zhǔn)控制器控制精對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，完成雙方的精確對準(zhǔn)和跟蹤。信號光由信號光探測器檢測。

7衛(wèi)星與量子通信

衛(wèi)星搭載量子通信技術(shù)，能夠使人們借助外太空的衛(wèi)星平臺，建立星地高效自由空間量子信道，實(shí)現(xiàn)量子保密通信、星地量子糾纏分發(fā)、量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。我國擬在近期發(fā)射量子通信衛(wèi)星，在衛(wèi)星平臺應(yīng)用量子技術(shù)的能力將達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

7.1星地量子通信通過自動跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)在高速相對運(yùn)動的地面站和衛(wèi)星終端之間建立高效穩(wěn)定的量子信道，地面站隨機(jī)發(fā)送H/V和+/-四種偏振狀態(tài)的單光子信號；接收端接收量子信號，并隨機(jī)選擇H/V或+/-基矢對單光子信號進(jìn)行測量；測量到足夠的量子比特后，接收端將通過經(jīng)典信道通知發(fā)射端其每次測量所用的基矢，拋棄所用基矢不一致的測量結(jié)果；接收端再將基矢選擇一致的測量結(jié)果取一部分在經(jīng)典信道公布出來供發(fā)射端校驗(yàn)。通過這一過程就可以在星地之間建立安全的量子密鑰。

7.2星地糾纏分發(fā)將糾纏光源放在衛(wèi)星上，通過搭載在衛(wèi)星平臺上的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)和自動跟瞄系統(tǒng)同時與兩個地面站之間建立量子信道。將糾纏光子對的兩個光子分別發(fā)送給兩個地面站，兩站在滿足類空間隔條件下分別對糾纏光子對進(jìn)行獨(dú)立測量，觀測量子糾纏現(xiàn)象。

7.3星地量子隱形傳態(tài)地面量子信源產(chǎn)生一對糾纏光子，其中一個光子通過地面發(fā)射端傳輸給衛(wèi)星，另一個放入量子存儲器中存儲起來?？臻g量子通信平臺將接收到的光子態(tài)和未知量子態(tài)進(jìn)行聯(lián)合Bell態(tài)測量，同時將測量結(jié)果通過經(jīng)典信道傳輸給地面系統(tǒng)。地面系統(tǒng)將另一個糾纏光子從量子存儲器中讀出來，并根據(jù)空間量子通信平臺的測量結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的幺正變換，從而得到空間量子通信平臺的未知量子態(tài)。

通過利用空間平臺中轉(zhuǎn)，我們可以在地球上的任意兩點(diǎn)之間建立量子信道。在傳輸過程中，光子的傳輸距離可達(dá)數(shù)萬公里甚至更遠(yuǎn)。只要能夠?qū)崿F(xiàn)將糾纏光傳出大氣層，配合星載平臺技術(shù)和光束精確定位技術(shù)，就可實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的量子通信系統(tǒng)。衛(wèi)星通信是通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和航天技術(shù)相結(jié)合的重要成果，在國際通信、國內(nèi)通信、國防通信、移動通信以及廣播電視領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，已成為最強(qiáng)有力的現(xiàn)代通信手段之一。

作者：劉旭生單位：鶴壁無線電四廠工程中心