卫星通信系统与卫星通信技术分析

万戬 范津铭 王风禄

摘要：2011年10月25日，我国成功实现了首次星地激光链路试验，我国后续将陆续开展星间和深空探测激光通信试验，预计在2020年左右将陆续实现卫星光通信技术的工程化应用，从现在的技术的更新和市场需求等方面来看，假如卫星通信技术能到达到實际运用的程度，那么必然将会最新应用在军事领域，并且将会在某种程度上影响全球范围内的军事力量的均衡。基于此背景，本文论述了卫星光通信系统的组成及其关键技术和卫星通信的优势。

关键词：卫星通信系统;卫星通信技术

1 卫星通信系统组成

1.1 通信卫星

通信卫星通过对无线电信号进行转发，来实现其通信过程。根据其轨道的不同，它一般被分为大椭圆轨道通信卫星、低轨道通信卫星、中轨道通信卫星和地球静止轨道通信卫星。

1.2 卫星地面站

相对于高空运行的通信卫星而言，通常也采用数字信号传输的地面基站系统来进行地面信号的传输，即卫星地面站。基于其通信容量大、覆盖范围广等特点，一般采用地面站来进行应急资源的调度，应急救援的指挥，指挥命令的传达，以及民众通信等，但地面站的成本相对较高，部署难度大，且其后期的维护和重组等工作较为复杂。

1.3 卫星通信车

卫星通信车主要通过卫星信号的传输链路来进行一定范围内通信信息传输过程，它拥有齐全的通信设备，是将数字信息传输系统、超短波电台等多种通讯设备集成为一体。基于其机动性强、使用灵活的优点，以及其通讯容量较小、覆盖范围有限、受交通影响限制等缺点，卫星通讯车存在无法发挥其作用的现象。

1.4 卫星通信便携站

与通信车相同，便携站也是通过卫星信号的传输链路来实现其通信过程。基于其使用方便灵活、机动性强等优点，常应用于应急通信设备，但又由于其功率的限制，并不能满足大容量、大范围内的应急通信需求。

1.5 卫星电话

基于其便于携带、使用方便灵活通信稳定等特点，通常采用卫星电话来进行救灾指令的及时有效地传达过程。但由于终端设备会给予其使用限制，卫星电话并不能大范围的普及使用。

2当前主要的卫星通信技术

2.1 调制解调技术

卫星通信过程中，以OQPSK、QPSK和π/4DQPSK等为其主要的调制方式，而转发器资源的紧缺及高速数据传输的需求使至16APSK、16QAM、8PSK等高阶调制方式得到了快速的发展和有效的应用。以APSK为例，它的工作过程主要即为对幅度进行预失真法的非线性矫正，而不影响相位特性，使之在透明转发这种高阶调制信号时的功率效率不明显降低。

格形编码调制（TCM）将信道编码与调制融合在一起，因而几乎不付出频带效率和功率效率降低的代价即可获取较高的编码增益，但由于对其拥有相对复杂的译码，因此其与外码的关联过程则不太容易实现。采用一种多载波调制方式——正交频分复用（OFDM）技术。由于该技术抗多径衰落能力强而在地面蜂窝网第四代（4G）、第五代（5G）移动通信中成为不可或缺的技术，在卫星与地面基站相结合的移动数字电视广播系统中已成功应用 OFDM，并已形成了国际标准和我国国家标准。

2.2 纠错编码技术

各种通信信息传输的误比特率（BER）都有最高限度要求，一般系统不会设计为在传输和解调后所得数据的 BER 就能达到上述要求，因为这会严重浪费发射功率。而采用纠错编码（即信道编码）技术与调制相结合，只需付出很小的频带效率代价就能使 BER 降低若干个数量级。

并行级联形式的Turbo码和低密度奇偶效验码（LDPC）[5]是目前较为先进的信道编码算法，两者均有两个突出特点：一是都结合了比特交织技术，能有效地纠正突发错误;二是译码门限比卷积码更低，而且能在较高的码率下获得较大的编码增益。

2.3 扩频通信技术

星通信信道开放性的特点带来的隐蔽性差、抗干扰能力弱等缺点，可采用扩频技术克服，因此扩频通信主要用于隐蔽通信和抗干扰军事通信。

扩频的基本工作方式主要有跳变频率（FH，）、线性调频、直接序列扩频（DSSS）和跳变时间4种[7]。我国已实现的 FH 系统跳频范围可达 2 GHz，跳速达上万跳/秒。

2.4 阵列天线技术与卫星蜂窝网技术

由于卫星链路传播衰减很大，例如GEO卫星C、Ku、Ka 频段链路的衰减都在 200dB 左右，需要采用高增益天线，天线的尺寸和成本往往成为重要障碍，例如基于GEO卫星Ku频段透明转发器的宽带移动通信，其“动中通”天线的成本相当于通信终端其余部分总成本的6～10倍。

频率资源有限是大力发展卫星通信应用的一个瓶颈。采用多个LEO卫星构成卫星群星座，每颗卫星都装备MBA便可形成大量的蜂窝小区，动态地覆盖整个地球表面，可使频率资源重复利用。例如，铱星系统66颗卫星、每星48个波束，形成3168个蜂窝小区动态地覆盖全球表面。

2.5 卫星通信的优势

相对于微波中继通信及其他通信方式而言，卫星通信有自身独特的优点：

1）卫星通信辐射的面积较大，可以更远距离通信：地球同步轨道（GEO）卫星与地面的距离是 35 860 km，其只需要依靠一个卫星进行中继转发，远距离通信就能到达一万多公里的通信效果。

2）可将其广播性与多址连接技术合构成庞大的通信网：在一颗卫星所覆盖的区域内，不必依赖显式的交换，只需利用卫星中继传输和多址/复用技术就能构成拥有许多地面用户的大型通信网。

3）灵活可靠：卫星通信站在地里空间上容易建立，对地理条件没苛刻的要求，平地可建设，山区也可以建设;它的通信终端携带方便，飞机、汽车，甚至个人都可以;建站花费的时间成本小;通信卫星在发生突发事件、自然灾害或战时不易被摧毁。

4）信息容量大、传输稳定：卫星通信信道在微波频率范围内进行工作，其有着非常丰富的频率资源，传输损耗也十分稳定，甚至能精确的估算出来。

5）适合远距离通信。因为卫星通信设备的成本不会随通信距离逐渐增加而增多，有相对的经济优势。