海事卫星通信系统简介
魏铭 王明月 张德慧
摘 要：随着科技的不断发展，卫星通信技术不断成熟，广泛用于各个领域各个行业，为人们的生产生活带来了诸多便利，本文简述了卫星通信技术的组成、原理、优劣势和分类，就典型代表卫星光通信来表述卫星通信的重要性。
关键词：卫星通信
一、卫星通信系统基础
1、组成与原理
卫星通信是指利用卫星作为中继站转发或反射无线电波，以此来实现两个或多个地球站（或手持终端）之间或地球站与航天器之间通信的一种通信方式。
微波具有与光波相似的视距传输特性，也就是说两个通信站之间不能有遮挡。由于地球的曲率影响，地球上两个微波通信站之间通信距离大约50km，因此要实现更远的通信距离，就必须用多个微波通信站来中继。中继站的功能主要是转发信号，通过一站一站地接力，实现超视距或远距离通信，这种通信方式叫地面微波中继通信。卫星通信可以理解为一种特殊的微波中继通信，它利用外层空间的通信卫星作为中继站。
卫星通信系统中通信卫星和地球站是重要组成部分，是实现卫星通信网络中各节点之间信息传输的两个重要环节。为保证系统的正常运行，还必须配置跟踪遥测指令系统和监控管理系统。监测管理系统的任务是在业务开通前对通信卫星和地球站进行各项通信参数的测定；业务开通后，对卫星和地球站的各项通信参数进行监视和管理。卫星跟踪遥测指令系统的任务是对卫星进行准确和可靠的跟踪测量，控制卫星准确进入定点位置；卫星正常运行后，还要对它进行轨道修正、位置保持和姿态保持等控制。
2、特点
优势：1）卫星通信覆盖区域大，通信距离远
对于同步轨道上的卫星，距地面的轨道高度约为36000km，只需一个卫星就能完成1万多千米的远距离通信。
2）卫星通信具有多址联接特性
在卫星通信中，卫星所覆盖的区域内，所有地球站都能利用这颗卫星进行相互间的通信。这种同时实现多方向多个地球站之间的相互联系特性即为多址联接特性。
3）卫星通信机动灵活
卫星通信的建立不受地理条件的限制，无论是现代化的大城市，还是边远落后的山区、岛屿；无论是飞机、汽车、舰船甚至个人，只要需要，都可以随时利用卫星通信，且建站迅速、组网灵活。
4）卫星通信频带宽，通信容量大
卫星通信采用微波频段，且一颗卫星上可设置多个转发器，系统的实际可用带宽达几十吉赫。
5）卫星通信线路稳定、质量好
卫星通信的电波主要在大气层以外的自由空间传播，电波在自由空间传播十分稳定，因此卫星通信受气候和气象变化的影响比较小，而且通常只经过卫星一次转送，噪声影响小，通信质量好。
6）卫星通信的成本与距离无关
在卫星通信中，通信线路的造价不随通信距离增加而增加，特别适合于远距离的通信。
问题：1）卫星通信需要高可靠、长寿命的通信卫星
实现卫星通信必须有高可靠、长寿命的通信卫星，由于一个通信卫星内要装几万个电子元件和机械零件，为了提高通信卫星的可靠性和寿命，必须选用宇航级的元器件，并做大量的寿命和可靠性试验。
2）卫星通信要求地球站和卫星有大功率发射机、高灵敏度接收机和高增益天线
由于地球站与卫星相距遥远，传输损耗比较大，到达地面或到达卫星的信号都非常弱。为了适应这个特点，在地球站及卫星上都必须配置高增益天线、大功率发射机、高灵敏度接收机。
3）卫星通信有较大的信号延迟和回声干扰
无线电波在自由空间的传播速度等于光速，即30万km/s，，当利用静止卫星通信时，信号从地球站发射经过卫星转发到另一地球站，单程就达80000；；双向通信时，往返约160000km，这时电波传播需要约0.5s的时间，因此，信号有较大的时间延迟。在终端二、四线转换处，如平衡网络不平衡，对发话人就形成了回声干扰，即发话人过0.5s左右后会听到自己的讲话，会有很不自然的感觉，。
4）两极地区为通信盲区，高纬度地区通信效果不佳
虽然在静止轨道上均匀配置三颗卫星几乎就可以覆盖全球，但在南北两极地区还是存在一定的盲区，而且在高纬度地区由于通信仰角比较低，会对通信效果造成一定的影响。利用极轨卫星、倾斜轨道或椭圆轨道卫星可以有效解决高纬度地区及两极地区的通信问题，但带来的问题是地球站天线跟踪系统复杂、有效通信时间比较短。
二、卫星光通信系统
1、组成：
原理卫星光通信系统主要由两个构成光通信链路的光通信终端组成，光通信終端是卫星光通信系统中进行光信号收发的光端机。光终端的基本组成通常包括光源模块、光信号收发模块、瞄准捕获跟踪模块、调制解调模块、终端控制模块等，根据需要，还可能包括二次电源模块、热控模块等。
2、优势：
1）通信容量大。卫星光通信由于载波频率高，一般采用850nm、1550nm等波段激光，载波频率一般至少在200THz左右，比微波通信频率高3～5个数量级，因此通信容量很大。目前正在研究的有10Gbit/s以上的系统。2）通信距离远。由于激光发射光束窄，方向性好，因此能量集中，随通信距离增加而功率密度衰减速度较小。激光波束的发散角通常在毫弧度、甚至微弧度量级，比微波波束发散角小3～5个数量级。卫星光通信最远距离可以达到200万km，非常适合深空通信。3）终端尺寸小，重量轻。由于光波长短，在同样功能的情况下，光学天线的尺寸比微波、毫米波通信天线的尺寸要小很多。目前研制的光天线口径一般30cm以下。4）抗干扰能力强。 目前太空随着人造卫星数量的增加，空间电磁环境越来越复杂，但光通信使用频段不同，且波束较窄，传统的微波信号难以对其形成干扰。5）保密性好，抗截获能力强。由于通信光波束发散角小，因此非合作方很难对通信链路进行侦听，即使对方截获也能及时察觉而采取措施。6）可用于水下通信。海水对波长450～550nm内的蓝、绿激光的衰减比对其他波段信号的衰减要小很多，被称为“水下窗口”，使得飞机对潜艇、卫星对潜艇的激光通信成为可能。
3、发展与应用
卫星光通信（激光星间链路）具有重要的应用前景。可应用于低轨道卫星与高轨道卫星间（LE0-GEO）通信链路、高轨道卫星与高轨道卫星间（GEO-GEO）通信链路、低轨道卫星与低轨道卫星间（LEO-LEO）通信链路、空间与地面（GEO- Ground）通信链路，也可应用于深空探测、载人航天空间站的通信，尤其是近年来发展的低轨道小卫星星座更迫切需要用光实现链路。可以预见，在不远的将来，由于用光实现了卫星链路，将给卫星通信领域带来巨大变化。
各个国家对其的研究也从不懈怠。20世纪70年代初，美国开始了激光空间通信系统的初步研究，近几年重点进行了月地激光通信演示验证计划。欧洲航天局在同一时期开始的20余年里，对卫星激光通信的相关技术，进行了有步骤的、周密细致的研究，并制定了一系列的阶段性研究计划。在我国，2011年11月，哈尔滨工业大学研制的激光通信终端成功进行了“海洋二号”海洋动力环境监测卫星与地面间的星地激光通信实验，实现了中国首次星地告诉直接探测激光通信，最高通信数据率为504Mb/s，为中国卫星光通信系统实用化打下了基础。总体说来，我国卫星光通信的发展虽然还基本处于起步阶段，但已逐渐开始从实验室研究向实际工程应用转化。
结束语：在信息化进程飞速发展的今天，在日常信息交流、气象地震预报、环境监测等诸多方面，卫星通信已于我们息息相关，在国防上更加是不可或缺的一员。大力推动宽带卫星通信技术的发展，构建自主可控的星地一体宽带卫星通信网络具有迫切的现实意义。相信不远的将来，我国也一定会在此领域有一番成就，卫星通信的应用将更加普及广泛。
参考文献：
[1]潘申富.宽带卫星通信技术.国防工业出版社.2015
[2]马晶.卫星光通信.国防工业.2015
