中华学生百科全书-第277章
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透电离层而跑到宇宙空间并一去不复返。所以，微波只能像光线一样直线传
播，这样一来，地球上的许多物体都会成为它的障碍。由于微波几乎没有多
少绕射能力，就连地球的弧度也能妨碍它的直线传播。为了使微波传送的更
远，通常的方法是把天线架的高些，即使这样，由于受地球表面的影响，一
个 40 米高的天线也只能保证微波在 50 公里的距离（即：发射天线到接收天
线之间的路径完全没有阻挡）范围内传播。为了实现长距离通信，就要每隔
50 公里左右设置一个中继站，把前一站送来的信号经过放大，然后再传送到
下一站，这样一站一站的转发，最终才到达目的地，如同体育比赛中的接力
赛跑一样。所以，微波通信有时也称为微波中继通信或微波接力通信。
微波通信具有许多优点，它的传输容量很大，可同时传输上万路的电话
或几套电视节目，所需要的功率却很小。由于微波基本不受昼夜季节的影响，
因而传输的信号比较稳定。此外，微波的方向性很好，所以它的保密性也比
一般的无线电短波通信好。目前，微波通信广泛地用来传输国内的电报、电
话、传真和电视等业务，北京中央电视台的节目就是这样一站一站地传送到
全国各地的，而在我国各大城市之间的电视传播也是采用这种线路来完成
的。
尽管微波通信是一种比较好的通信方式，但实际应用中并不十分理想，
主要原因是对中继距离和中继站的数目要求比较严格。由于在通信线路上每
隔 50 公里左右就要设一个中继站，所以随着通信距离的增加，所需中继站的
数目也要增加，而且很多微波中继站不可避免地设在山区，这就意谓着对中
继站中的各种通信设备的维护和管理要耗费大量的人力和物力。此外，微波
中继通信的最大问题是无法完成越洋的洲际通信。在波涛汹涌的大洋上，要
建立那么多的中继站，显然无论在技术上还是在经济上都是行不通的。而对
如何利用微波进行长距离通信这一现实生活中的实际问题，人们自然而然想
到了“越洋能手”——通信卫星。
卫星通信
卫星通信是本世纪最伟大的科学成就之一，它对整个人类社会的发展和
进步都产生了极为深刻的影响。1985 年，美国发射了世界上第一颗实验通信
卫星“斯科尔”号。接着，苏联和美国又于 1965 年分别将通信卫星“闪电 1
号”和“国际通信卫星 1 号”送放太空。从此，卫星给人类的通信带来了巨
大变革。由于通信卫星具有传输容量大，传输距离远，通信质量高，灵活性
大等优点，因而自第一颗卫星升空以来的 30 多年间，卫星通信有了日新月异
的发展，它极大地促进了世界各国间科学文化和经济信息的交流，大大推动
了人类的文明和进步。通信卫垦使地球变小了，使人们在洲际间的距离变近
了。今天，在地球周围的宇宙空间里，有许多通信卫星在绕地球转动，它们
担负着不同的任务，有专供气象观测的气象卫星，如中央电视台新闻联播之
后在天气预报中的气象云图就是由它提供的；有专为飞机和舰船进行导航的
导航卫星；有用于探测军事动态的军用卫星；还有勘测地球上森林、矿藏等
资源的地球资源卫星；而专门用于无线电通信的卫星叫做通信卫星。
卫星通信是利用人造卫星作为通信的中继站来转发无线电信号，在两个
或多个地面站之间进行的通信。在卫星通信系统中，地面站 A 把无线电信号
发射给卫星，卫星收到信号后，进行处理和放大，再转发给地面站 B。同样，
地面站 B 发出的信号也可以通过卫星转发到地面站 A，从而实现了卫星通信。
由于卫星高悬在空中，它的天线波能够“覆盖”地面很大一部分区域，因此，
在这块区域中的任何地方都能够接收到由卫星转发的无线电波，也就是说，
虽然只有一颗卫星，但分布在四面八方的地面站 A、B、C、D、E 都可以通过
这颗卫星相互通信，从而实现了人们盼望已久的跨洲越洋的通信。通信卫星
又是怎样转发无线信号的呢？如果地面站 A 要把某个用户的电话或电视信号
传输到地面站 B 去，首先地面站 A 要先把这些信号用频率很高的载波 f1 进行
调制，并由大功率放大器把它们放大到几百甚至上千瓦，然后用天线发向卫
星。由于信号在空间上万公里的传播过程中受到了很大的衰减，到达卫星时
的强度已变得很弱了，因此，为了保证转发给地面接收站 B 的信号有较好的
质量，还要在卫星上对所收到的信号进行变换，使原有的载波频率由 f1 转变
f2，然后再将这个频率交换之后的信号加以放大并转发给地面站 B。由于卫
星中转发器的发射功率比起地面站发射机要小得多，因此，地面上接收到的
卫星信号极其微弱，这就要求地面站接收系统的灵敏度必须很高。
通信卫星可以在离地球不同高度的轨道上运行，它在太空高速绕地球转
动时产生的离心力足以抵消地球的引力，因而卫星不会坠落。卫星离地球越
远，绕地球一周的时间就越长。当卫星被发射到地球赤道上空离地面 36000
公里左右时，绕地球一周时间为 24 小时，恰与地球自转一周的时间相同。这
时，我们从地面上看到的这颗卫星就好像在天空静止不动的一样。这种相对
地球静止的卫星叫做同步卫星，而它运行的轨道叫地球同步轨道。如果站在
地球同步轨道上观察地球的话，竟能看到整个地球表面积的三分之一还要
多，其最大跨度可达 18000 多公里。因此，只要在地球赤道上空等间隔地放
上三颗同步卫星，就可基本上覆盖整个地球，从而实现全球范围的通信了。
目前，已实际使用的航海移动通信系统就是利用位于大西洋、太平洋和印度
洋上空的三颗同步卫星实现的。经常在电视上为我们进行各类体育比赛实况
转播的亚洲 1 号通信卫星就是一颗高悬在印度洋上空的同步卫星。
目前，世界上越来越多的国家为建立自己独立的卫星通信系统竞相向地
球上空的同步轨道发射自己的通信卫星。30 多年来，全世界已经发射的航天
器达 3500 个之多，其中绝大多数是卫星。由于同步卫星数目的不断增加，
致使有限的地球同步轨道上挤满了通信卫星，特别是在欧洲、印度洋和美洲
的三个同步轨道弧段内，轨道不足的矛盾日益尖锐。此外，同步卫星也存在
一些缺点，它的造价和发射的费用十分昂贵，而且对于人烟稀少的两极地区
也不能达到有效覆盖，这部分地区的信号在长距离的传输途中变得十分微
弱，极容易被干扰，因而对卫垦地面站接收系统的要求很高。因此，世界各
国的科学家们在研究同步卫星通信技术的同时，也开展了对低轨道卫星通信
技术的研究。
（1）低轨道通信卫星
低轨道通信卫星在距地球表面不同高度、但低于地球同步卫星轨道的空
间中运行。这时，由于卫星绕地球旋转的时间快于地球本身的自转，而且地
面站又只能在短距离范围内才能和卫星通信，因此，在卫星绕地球一周内通
信的时间很短，卫星形成的覆盖地区在地球表面上很快移动，当卫星转到地
球背后时就法进行通信，而克服低轨道卫星通信这一缺点的方法是增加在轨
道上的卫星数量。目前，世界各国已经启用或正在研制的低轨道卫星通信系
统已有多种，其中有一种是由美国摩托罗拉公司正在研制的取名为“铱”的
全球卫星通信系统。这项宏伟的工程之所以取名为“铱”，是因为在该系统
中计划采用由低轨道上运行的 77 颗小型通信卫星组成一个“星系”，恰如化
学元素周期表中第 77 号元素“铱”（Iridium—Ir）原子有 77 颗电子绕核旋
转一样，由它们提供连续覆盖全球的卫星通信系统。这 77 颗小型卫星被分为
7 组，每组11 颗，分布在7 条环形极轨道上，组成环绕地球等间隔的 7 个面。
卫星环绕地球一周大约 100 分钟，所有卫星都朝同一个方向运转，越过地球
北极飞向南极上空，从而使整个地球表面都覆盖在内。因此，无论在地球的
任何地点，任何时间内，总有一颗卫星是在短距离范围之内，联合构成空间
数字通信网，可以处理语音与数据等多种信息。遍布天空的“铱”系统通信
卫星与陆地“蜂窝”无线移动通信网相互协调配合，使用户通过所持的便携
式无线电话机将信号直接发向最近的卫星，再经卫星之间的转发，最后把信
号传送到地面电话网中的接收用户，从而完成在全球范围内的个人通信。
“铱”系统中每颗通信卫星的体积小，直径约 1 米，宽 2 米左右，重量轻，
在轨重量为 320 千克左右。由于卫星运行的轨道低，距离地球表面只有 765
公里左右，比地球同步卫星的距离近的多，因此只用小型火箭便可以发射升
空，其造价和发射费用都比同步卫星低的多。
低轨道卫星移动通信系统的工作原理与前面介绍的“蜂窝”式移动通信
的原理相似。尽管每颗卫星所能覆盖的地域比同步卫星小得多，但比移动通
信中基地台所覆盖的面积却大多了。实际上，一颗低轨道卫星就相当于陆地
移动通信系统中的一个“基地台”，而形成覆盖区域的天线和无线电中继设
备都安在卫星上。不同的是，这个“基地台”不是建立在地面上，而是被倒
挂在天空中。地面站与空间卫星的联系，以及卫星与卫星间的联系是在“K”
频带上建立的；而卫星与地面移动台如车、船和手持移动电话机的人之间的
信息联系则建立在“L”频带之上的。
“铱”系统卫星通信计划的实施，实现了人们在地球上的任何地方，无
论陆地、空中和海洋，只要拨通一个电话号码便可与远隔千山万水的亲人通
话的目的。
（2）卫星导航
卫星导航是一种全球性、全天候、全自动和高精度的现代化通信系统，
它有着极大的应用价值和很广的应用范围，因而世界各国对此都给予了极大
的重视。美国国防部曾制定了一项长达 15 年的研制计划，这是一项集航天、
航空及现代通信为一体的长远规划，规模之庞大仅次于阿波罗航天计划。目
前，所完成的各项试验均得到了令人振奋的结果。例如，在直升机的假目着
陆中，导航卫星系统作为直升机的辅助导航设备，其着陆点偏离 X 形的标记
仅 0．9～1．2 米远；在一次飞机投弹试验中，飞机借助于卫星导航系统将普通
的炸弹投到了距目标误差只有 3～6 米的范围内；在航海导航试验中，舰船在
低能见度条件下通过了仅有 32．3 米的狭窄航道；而在 1980 年 4 月导航卫星
系统又将 14 架直升机正确引导到沙漠中，以营救被扣留的美国人质。
世界上第一颗试验型“子午仪”导航卫星是 1960 年发射升空的，利用“子
午仪”导航卫星来实现导航的基本思想来源于“多普勒效应”。1957 年，美
国应用物理实验室的两名科学家吉埃尔和怀芬伯奇在用无线地接收机跟踪苏
联第一颗人造卫星时，无意间发现了多普勒现象：由于卫星以每秒约 7．36
公里的速度绕地球均匀运转，因此，卫星与地面观测者之间便产生了相对运
动，当卫星以固定频率发射无线电波时，地面接收机所接收到的无线电频率
便发生了变化，这情景好像一列火车从你身边呼啸而过时，火车的声音发生
了变化一样。当卫星朝着接近地面接收机方向运行时，所接收到的信号频率
比卫星实际发射的频率要高；当卫星到达与地面接收机的距离最近时，接收
到的信号率与卫星实际发射的频率相同；当卫星朝着远离接收机的方向飞离
时，接收的信号频率又比卫星实际发出的频率低；这种信号频率的变化量就
叫做多普勒频移。研究人员们设想，在卫星轨道精确已知的情况下，如果在
地面上随时跟踪记录并测出卫星每次通过时的多普勒频移，将其储存起来，
经过计算机不就可以确定地面站的位置，从而确定飞机和舰船的航向了吗？
由于当时美国海军的核潜艇“北极星”号在茫茫大洋中游弋，急需知道自己
的准确位置，因而这一研究引起了美国政府的重视，并于 1958 年得到正式批
准。于是，研究人员根据这一思想，在 1964 年设计出了第一台“子午仪”卫
星导航系统交付海军使用，经过全球卫星导
