什么是无线卫星通信？
无线卫星通信，简而言之，就是利用人造地球卫星作为中继站，来转发无线电波，从而实现两个或多个地球站（地面、空中或海上）之间的通信。
它本质上是一种“空中基站”，但其覆盖范围、服务能力和应用场景远超传统地面基站，可以把它想象成挂在天上的、永不掉线的超级路由器和信号塔。
核心组成部分
一个完整的卫星通信系统通常由以下五个部分构成：
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空间段
- 卫星平台：提供卫星所需的能源（太阳能板）、姿态控制、轨道维持和热控等支持系统，确保卫星在太空中稳定运行。
- 有效载荷：这是卫星的核心，负责处理和转发信号，最主要的部分是转发器，它接收来自地球站的微弱上行信号，进行放大、变频，然后以足够的功率向指定区域发射下行信号。
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地面段
（图片来源网络，侵删）- 卫星地球站：也称为“地面站”或“信关站”，是连接卫星通信网络与地面公共电信网络（如互联网、电话网）的桥梁。
- 组成部分：
- 天线：通常是大型高增益抛物面天线，用于精确地对准卫星，收发信号。
- 高功率放大器：将上行信号功率放大到足够强度，以克服空间损耗。
- 低噪声放大器：在接收下行信号时，将极其微弱的信号进行初步放大，同时尽可能减少自身引入的噪声。
- 调制解调器：负责将数字信号调制成适合在无线信道中传输的射频信号，以及将接收到的射频信号解调成数字信号。
- 终端设备：用户侧的设备，如卫星电话、卫星调制解调器、机载/船载终端等。
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用户段
指最终使用卫星通信服务的用户终端,个人卫星电话、家庭/企业用的卫星上网“小锅盖”、车载/机载/船载终端等。
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测控系统
负责对卫星进行跟踪、遥测和指令控制，它监控卫星的运行状态（遥测），并向卫星发送指令（如调整姿态、开关转发器等），确保卫星在预定轨道上正常工作。
（图片来源网络，侵删） -
卫星网络管理系统
整个卫星通信网络的“大脑”，负责管理网络资源（如频率、带宽、功率），分配信道，监控网络运行状态，并进行故障诊断和维护。
关键技术
卫星通信技术发展至今,涌现了许多关键创新：
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轨道技术
- 地球静止轨道：卫星位于赤道上空约 35,786公里 的高度，与地球自转周期相同，因此相对于地面是静止的，这是最成熟的轨道，优点是地面天线可以固定对准，无需跟踪，缺点是存在高延迟（约250毫秒）和高纬度地区覆盖不佳的问题，主要用于传统卫星电视、广播和部分宽带服务。
- 非静止轨道：包括低地球轨道 和中地球轨道。
- LEO (Low Earth Orbit)：高度通常在 500-2000公里，代表是星链，优点是延迟极低（约20-50毫秒，接近地面光纤），信号损耗小，可以提供高速率宽带，缺点是需要大量卫星组网才能实现全球覆盖，技术复杂，成本高。
- MEO (Medium Earth Orbit)：高度在 10,000公里 左右，性能介于GEO和LEO之间，延迟适中，例如铱星和全球星系统就部分使用了MEO轨道。
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多址技术
- 指多个地球站如何共享卫星的转发器资源,实现同时通信，主要技术有：
- FDMA (频分多址)：给每个用户分配固定的频率带宽。
- TDMA (时分多址)：所有用户在同一个频率上，但分配不同的时隙。
- CDMA (码分多址)：给每个用户分配一个独特的编码，所有用户在同一时间、同一频率上发射，但接收端通过解码分离信号。
- SDMA (空分多址)：利用卫星天线或地面天线的波束成形技术，形成多个空间上隔离的“点波束”，在同一频率上为不同区域服务，极大提升了频谱效率。
- 指多个地球站如何共享卫星的转发器资源,实现同时通信，主要技术有：
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频率与频段
- 卫星通信使用微波频段,因为其穿透电离层能力强、带宽宽，常用的频段有：
- C波段 (4-8 GHz)：雨衰小，可靠性高，但天线尺寸较大。
- Ku波段 (12-18 GHz)：天线尺寸较小，便于个人用户，但雨衰影响比C波段明显。
- Ka波段 (26-40 GHz)：可用带宽极宽，能提供极高的数据速率，但雨衰问题最严重，需要复杂的抗雨衰技术。
- V波段 (40-75 GHz)：未来更高频段，带宽潜力巨大，但技术挑战也最大。
- 卫星通信使用微波频段,因为其穿透电离层能力强、带宽宽，常用的频段有：
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抗雨衰技术
- Ka及以上频段的信号在穿过雨层时,会被雨滴吸收和散射，导致信号急剧衰减（即雨衰），解决方法包括：
- 上行功率控制：根据雨量动态调整地面站的发射功率。
- 自适应编码调制：在信号质量下降时，自动切换到更抗干扰但速率较低的编码和调制方式。
- 分集技术：如使用不同频率或极化方式的信号路径。
- Ka及以上频段的信号在穿过雨层时,会被雨滴吸收和散射，导致信号急剧衰减（即雨衰），解决方法包括：
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星上处理与交换
- 传统卫星是“弯管”式转发器，简单放大和变频信号，现代卫星，特别是LEO星座，具备星上处理能力，可以直接在卫星上完成信号的解调、路由和交换，大大降低了端到端的延迟，提高了网络灵活性和效率。
主要应用场景
卫星通信的应用已经渗透到社会经济的方方面面：
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宽带互联网接入
- 农村及偏远地区覆盖：为光纤和4G/5G网络无法通达的地区提供高速上网服务（如星链、OneWeb）。
- 航空和航海互联网：为飞机、邮轮、货轮提供机上/船上网服务。
- 应急通信：在地震、洪水等自然灾害导致地面通信中断时，迅速恢复通信。
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移动通信
- 卫星电话：提供全球范围内的语音和低速数据服务，适用于探险、航海、野外作业等场景（如铱星、海事卫星Inmarsat）。
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广播电视
- 卫星电视：向家庭、有线电视前端站传输电视信号。
- 卫星广播：向广大地区单向分发音频、视频和数据内容。
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政府与军事
- 保密通信：提供高安全性、抗干扰的指挥通信链路。
- 情报、监视与侦察：通过卫星传感器获取图像和信号情报。
- 导航定位：GPS、北斗、伽利略等全球导航卫星系统本身就是一种特殊的卫星通信应用。
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物联网与数据采集
为分布广泛的传感器、监测设备（如气象站、油井、管道）提供可靠的数据回传通道。
未来趋势
卫星通信正处在一个前所未有的黄金发展期,未来趋势非常明确：
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巨型低轨星座的崛起
- 以SpaceX的星链、OneWeb、亚马逊的柯伊伯计划为代表的巨型LEO星座，正在重塑全球通信格局，它们的目标是提供低延迟、高速率、全球覆盖的宽带服务，直接与地面5G竞争并互补。
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与5G/6G的深度融合
- 5G NTN (Non-Terrestrial Network)：3GPP等标准组织正在制定将卫星网络纳入5G标准的规范，实现卫星与地面蜂窝网络的无缝切换和协同服务。
- 6G愿景：6G将把空天地海一体化通信网络作为核心目标，卫星通信是实现全球无缝覆盖和极致延迟的关键一环。
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高通量卫星
采用多点波束、频率复用和先进星上处理技术，单颗卫星的容量可达传统卫星的数十倍甚至上百倍，显著降低单位带宽成本。
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软件定义卫星与网络虚拟化
通过软件定义卫星的功能和网络架构,使其具备极高的灵活性和可重构性，能够根据业务需求动态分配资源，像“云”一样提供服务。
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激光通信技术
- 卫星间和卫星与地面站之间采用激光进行通信,相比微波，具有带宽极高、功耗更低、体积更小、抗干扰能力更强的优点，是未来高速星际链路和地面回传的关键技术。
无线卫星通信技术已经从过去服务于少数特殊领域的“贵族”技术，演变为今天驱动全球数字化连接的“基础设施”，随着LEO星座的部署、与5G的融合以及新技术的不断涌现，卫星通信将在消除数字鸿沟、提供无处不在的连接、支持万物互联等方面扮演越来越重要的角色，成为未来信息社会不可或缺的空中脊梁。
