1、永不消逝的電波地球外的中繼編者按中繼通信，通俗來說就是電波的接力賽跑，是延伸通信距離的一種有效方式。1945年戰(zhàn)爭的硝煙剛剛在世界散去，大多數(shù)人還在為下個月的生活發(fā)愁時，英國皇家空軍的一位雷達技師，卻將全部精力專注于空中馳騁的無線電波，他的名字叫A.C.克拉克。克拉克提出了用人造星體來實現(xiàn)無線電中繼的設想，并撰寫了一篇論文發(fā)表在當年10月號的無線世界雜志上。題目正是今天本文的標題一一地球外的中繼。只過了十幾年。這個設想就變成了現(xiàn)實，讓真正意義上的全球通信成為了可能。早期的探索1957年10月，蘇聯(lián)發(fā)射了世界上第一顆人造衛(wèi)星。這個只有836千克重的小家伙攜帶了一個功率僅1瓦的發(fā)射機，在20005

2、和40002兆赫茲的頻率上發(fā)射03秒時長的單音脈沖。雖然在地面的接收機中只能聽到“滴、滴、滴”的聲音，但這著實是人類第一次聆聽大氣層以外的聲音了。1958年圣誕節(jié)前，美國發(fā)射的首顆通信試驗衛(wèi)星搭載了一個磁帶錄音機，向全世界廣播了艾森豪威爾總統(tǒng)的圣誕致辭一一“這是美利堅合眾國總統(tǒng)在講話。仰仗科學進步的奇跡，我的聲音通過在外層空間運行的衛(wèi)星來到您的身邊。我只想傳達一個簡單的信息：通過這獨一無二的方式向您和全人類表明，美國對世界和平與人類親善的愿望無處不在。”雖然是衛(wèi)星向全世界的第一次錄音廣播，但有幸直接收聽到它的人為數(shù)甚少，因為衛(wèi)星發(fā)射功率小，對地面接收機的靈敏度要求頗高。不過絕大多數(shù)美國人依舊在

3、反復播送的新聞節(jié)目中聆聽了這段講話，所以說這次衛(wèi)星上的廣播試驗，其政治意義遠大于實際意義。要實現(xiàn)通信中繼，必須具備兩個要素：首先要同時具備收發(fā)兩項功能，只有把收到的弱信號放大再發(fā)出去，才能實現(xiàn)接力；其次要有持續(xù)的能源供應。但是蘇美首次發(fā)射的這兩顆衛(wèi)星有一個共同點：哥倆都是“聾子”一一只有發(fā)射機，沒有接收機。而且當時還沒有太陽能電池，只能依靠自身的電池供電。蘇聯(lián)的“人造地球衛(wèi)星一號”在“滴滴滴”響了22天之后沒了聲音，艾森豪威爾的講話也只在大氣層外堅持了差不多一周。既要規(guī)避這兩個技術缺陷，又要完成通信中繼的歷史使命，最終促使美國航空航天總署啟動了人類首個使用衛(wèi)星做中繼通信載體的“回聲”計劃。前面

4、已經介紹過，地球大氣外層存在“電離層”，短波通信就是利用電離層反射來實現(xiàn)遠距離通信的。但與短波不同的是，電離層對于超短波和微波來說是“透明”的。可以反射超短波和微波的是金屬，但茫茫太空中又有何金屬可尋呢?“回聲”計劃就是以人造衛(wèi)星作為反射體，來實現(xiàn)地球上兩點間的中繼通信。“回聲”衛(wèi)星實際上是一個巨大的氣球，由一層僅127微米厚的鍍鋁聚酯薄膜制成（如今這種薄膜在超市里茶葉、餅干等食物的包裝中隨處可見，但在當時可是實打實的高新技術）。在火箭中，這些薄膜是折疊存放的，一旦被送入預定軌道，薄膜內包裹的升華劑就會迅速變?yōu)闅怏w充滿整個衛(wèi)星，最終在2分鐘內膨脹成一個直徑305米的大氣球。“回聲”計劃的第一顆

5、衛(wèi)星本來應該在1960年5月13日發(fā)射升空，那是一個星期五，也是西方人避之不及的“黑色星期五”。很不幸，搭載“回聲”1號的“德爾塔”火箭發(fā)生了故障，發(fā)射以失敗告終。于是，NASA的工程師們不得不重新組裝一顆新的衛(wèi)星一一“回聲”-1A,并于同年8月12日將其送入1600千米高的圓形軌道。1964年，又發(fā)射了一顆更大的“回聲”2號，直徑達到41米。利用這顆衛(wèi)星，美國首次實現(xiàn)了與蘇聯(lián)的衛(wèi)星中繼越洋通信。因為“回聲”衛(wèi)星只能反射電波而不能將其放大，所以在地面接收到的信號強度微乎其微。此后，美國也停止了這種無源衛(wèi)星中繼系統(tǒng)的試驗，這兩個閃閃發(fā)亮的大氣球在到達使用壽命后，雙雙墜入大氣層燒毀，而裝有強力放大

6、器的有源衛(wèi)星開始嶄露頭角。最早配置轉發(fā)器的衛(wèi)星是美國在1960年10月發(fā)射的“信使”比。它具有每秒55000比特的傳送速率，試驗期間成功進行了圣經和圖像的傳輸。但是在升空17天后，地面站失去了與“信使”比的聯(lián)絡。它的后繼者是貝爾實驗室的“電星”1號，首次實現(xiàn)了橫跨大西洋的電視信號轉播。在“電星”成功的基礎上，美國于1962年發(fā)射了“中繼”1號，在次年向日本和西歐進行電視轉播時，意外地將肯尼迪遇刺的畫面進行了現(xiàn)場直播。不同的運行軌道前面提到的幾種衛(wèi)星的軌道高度都在1000千米上下，屬于近地軌道的范疇。近地軌道上的衛(wèi)星繞地球一周只需要幾小時到十幾小時，如果我們從地面上觀察的話，這些衛(wèi)星只要幾個小時

7、就會消失在地平線以下。這就意味著兩個通信對象“共視”衛(wèi)星的時間很短，如果一顆衛(wèi)星結束凌空時，下一顆衛(wèi)星還沒有“趕到”，中繼通信就會中斷。增加衛(wèi)星的數(shù)量，組成龐大的衛(wèi)星通信網可以解決這個問題。但此舉不僅需要發(fā)射多顆衛(wèi)星，還需要建立完善的測控網來保障衛(wèi)星的正常運行，耗費甚大。那么能不能讓衛(wèi)星始終“掛”在天上一個位置不動呢?答案是肯定的。在距地球36000千米的軌道上，衛(wèi)星的運行周期剛好是24小時，也就是說，衛(wèi)星環(huán)繞地球的速度與地球自轉的角速度相等，這個軌道就是地球同步軌道。如果衛(wèi)星在赤道平面上的同步軌道運行，在地球上來看，這顆衛(wèi)星就是靜止不動的，所以赤道上空36000千米的軌道稱為靜止軌道。最早提

8、出利用靜止軌道上的衛(wèi)星來實現(xiàn)中繼通信的，是本文開頭提到的A.C.克拉克一一來自英國的科幻作家。他在地球外的中繼衛(wèi)星能給出全球范圍的無線電覆蓋嗎這篇著名的論文中，詳細論證了衛(wèi)星通信的可行性，探討了衛(wèi)星通信中所涉及到的具體技術問題，比如衛(wèi)星通信的頻段、衛(wèi)星的覆蓋、衛(wèi)星天線、衛(wèi)星功率以及衛(wèi)星能源等問題。克拉克因為這一預見性的構想獲得了1994年諾貝爾獎提名，國際天文協(xié)會也將同步軌道命名為“克拉克軌道”。靜止軌道衛(wèi)星的覆蓋范圍很大，單顆衛(wèi)星可覆蓋地球表面約40的地區(qū)，3顆等間距分布的衛(wèi)星可覆蓋全球。而且，地球站的設備也比較簡單，不需要復雜的跟蹤設備，因為只要把拋物面天線“瞄準”某一方向后固定就可以了。

9、1963年，美國分別發(fā)射了兩顆地球同步衛(wèi)星一一“辛康”1號和“辛康”2號，但都因為技術故障沒有達到百分之百的成功。次年8月，“辛康”3號由“德爾塔”D型運載火箭成功送入了東經180赤道上空的靜止軌道。“辛康”3號先后完成了電話、廣播、電報、電視和電傳等一系列試驗，并成功轉播了1964年東京奧運會。1965年8月6日，“國際通信衛(wèi)星1號”（綽號“晨鳥”）發(fā)射升空，作為首個投入商業(yè)運營的通信衛(wèi)星，標志著衛(wèi)星中繼通信技術已經走向成熟。從圖片中我們可以看出，“晨鳥”的體積與“回聲”的差距有多大。但是，同步衛(wèi)星通信也存在不足：信號要經歷7200080000千米的“長途跋涉”。電波的速度是每秒30萬千米，

10、僅這段路程就要耗費024秒，再加上電路接續(xù)和信號處理所用的時間，通信會有明顯的時延，這也就是我們在看新聞里主播和海外記者進行連線時，為什么反應總會慢半拍的原因。如果時延過大，還會引起回波干擾，也就是A端發(fā)送的信息經過衛(wèi)星放大轉發(fā)后又被A端自己接收，這會導致通話時總能在話筒中聽到自己的聲音。另外，靜止軌道位于赤道面，所以衛(wèi)星的波束無法覆蓋接近兩極的高緯度地區(qū)，這也是蘇聯(lián)并不熱衷于同步通信衛(wèi)星的原因之一。由于地理位置的原因，地球同步衛(wèi)星對于蘇聯(lián)的作用并不大，所以俄國人選擇了一種特殊的大橢圓軌道。這種軌道的平面是一個拉得很長的橢圓，近地點比較低，只有幾百千米，而遠地點非常高，達到40000千米，比地

11、球同步軌道還要高。這樣一來，衛(wèi)星通過近地點的時間就非常短，幾乎是一掠而過，而通過遠地點的時間很長，相對于地球運動得很緩慢，便于地球站跟蹤。蘇聯(lián)1965年發(fā)射的“閃電”通信衛(wèi)星就選擇了這樣的大橢圓軌道，近地點在南半球，遠地點在北半球，這樣就可以保證衛(wèi)星有三分之二的時間位于北半球上空，對于極地地區(qū)的通信非常有利。這一軌道也被命名為“閃電”軌道。耳熟能詳?shù)耐ㄐ拧懊餍恰蔽覀兤綍r的生活似乎與衛(wèi)星電話離得太遠，大多數(shù)時候是在電視中看到它們一閃即逝的鏡頭。接下來為大家介紹的兩個衛(wèi)星系統(tǒng)，想必都是大家耳熟能詳?shù)摹Ｋ鼈円粋€使用地球靜止軌道，一個使用近地軌道，是當今世界上應用最廣泛的商業(yè)通信衛(wèi)星系統(tǒng)。要知道，美國

12、國防部的衛(wèi)星通信服務，有80是由商業(yè)衛(wèi)星提供的。海事衛(wèi)星海事衛(wèi)星是由“國際海事衛(wèi)星組織”（INMARSAT）運營的，目前已覆蓋全球98的陸地和所有海洋，能夠向全球的陸、海、空用戶提供保密話音通信、數(shù)據傳輸和視頻會議等業(yè)務類型。海事衛(wèi)星系統(tǒng)的空間段由4顆靜止軌道衛(wèi)星構成，分別覆蓋太平洋（衛(wèi)星定位于東經178）、印度洋（東經65）、大西洋東區(qū)（西經16）和大西洋西區(qū)（西經54）。系統(tǒng)的網控中心設在倫敦，負責監(jiān)測、協(xié)調和控制網絡內所有衛(wèi)星的操作運行，包括對衛(wèi)星姿態(tài)、燃料消耗情況、星上工作環(huán)境參數(shù)和設備工作狀態(tài)的監(jiān)測，同時對各地球站的運行情況進行監(jiān)督，并協(xié)助網絡協(xié)調站對有關運行事務進行協(xié)調。由于海事衛(wèi)

13、星使用的L頻段波束較寬，使得尋星、對星非常方便迅捷。而Ku波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)的波束很窄，雖然通信容量大，但是動中通的天線制造成本高昂，應用困難。一套Ku波段動中通天線和終端售價可達到200萬人民幣。而一套海事衛(wèi)星動中通天線和終端售價只有Ku波段的1/5。在突發(fā)事件應用中，海事衛(wèi)星系統(tǒng)可以保持行進中的視頻圖像、數(shù)據通信，在扎營后可以快速建立通信樞紐，這也是在搶險救災和新聞現(xiàn)場經常能看到海事衛(wèi)星電話的原因。“銥”星前文已經提到過，覆蓋全球的衛(wèi)星通信，靜止軌道衛(wèi)星是最經濟的選擇，因為只要發(fā)射3顆就能覆蓋除兩極以外地區(qū)。但是，靜止軌道高度太高，信號損耗嚴重，致使終端的功率和天線尺寸也都要做得大一些，而且

14、天線的仰角低，不利于身處山區(qū)和兩極地區(qū)的用戶使用。摩托羅拉公司在1987年提出了一個雄心勃勃的計劃一一不惜代價，用低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)覆蓋全球。該系統(tǒng)計劃由77顆衛(wèi)星組成，正好是“銥”原子的電子數(shù)，所以系統(tǒng)被命名為“銥”星。說到底，“銥”星系統(tǒng)實際上是把手機的基站搬到了天上，確保任何時刻都會有一顆衛(wèi)星在通話者上方，終端的操作使用和手機幾乎沒有區(qū)別。只要你的頭頂上能看到天空，就可以撥打“銥”星電話。相對于地球同步衛(wèi)星36000千米的軌道高度，“銥”星系統(tǒng)的衛(wèi)星則在地表上方485千米處運行，其信號傳輸距離縮短了98，從而使能耗大為降低。由于初期的慘淡經營，摩托羅拉的“銥”星曾在上世紀末瀕臨破產。但就在這一關鍵時刻，美國國防部終于出手與其簽訂了為期5年、每年3600萬