卫星通信原理

卫星是一个围绕另一个物体沿着数学上可预测的路径（称为轨道）移动的物体。通信卫星只不过是太空中的微波中继站，有助于电信、广播、电视以及互联网应用。

中继器是一种增强接收信号强度并重新传输信号的电路。但在这里，这个中继器充当转发器，它改变接收信号的传输信号的频带。

信号发送到空间的频率称为上行频率，而转发器发送信号的频率称为下行频率。

下图清楚地说明了这个概念。

现在，让我们来看看卫星通信的优点、缺点和应用。

卫星通信 - 优点

卫星通信有很多优点，例如 -

灵活性
易于安装新电路
距离很容易覆盖，成本并不重要
广播的可能性
地球的每一个角落都被覆盖
用户可以控制网络

卫星通信 - 缺点

卫星通信有以下缺点 -

分段和发射成本等初始成本太高。
频率拥塞
干扰和传播

卫星通信 - 应用

卫星通信在以下领域得到应用 -

在无线电广播中。
在电视广播中，例如 DTH。
在互联网应用中，例如提供互联网连接进行数据传输、GPS应用、互联网冲浪等。
用于语音通信。
对于许多领域的研究和开发部门。
在军事应用和导航中。

卫星在其轨道上的方向取决于称为开普勒定律的三个定律。

开普勒定律

天文学家约翰内斯·开普勒（Johannes Kepler，1571-1630）提出了关于卫星运动的 3 条革命性定律。卫星绕其主卫星（地球）运行的路径是椭圆形。椭圆有两个焦点 - F1和F2，地球是其中之一。

如果考虑物体中心到其椭圆路径上一点的距离，则椭圆距中心最远的点称为远地点，椭圆距中心最短的点称为近地点。

开普勒^第一定律

开普勒第一^定律指出，“每颗行星都以椭圆轨道围绕太阳旋转，太阳是其焦点之一。” 因此，卫星沿椭圆路径移动，地球作为其焦点之一。

椭圆的长半轴表示为“ a ”，短半轴表示为b。因此，该系统的偏心率 e 可以写为 -

$$e = \frac{\sqrt{a^{2}-b^{2}}}{a}$$

偏心率 (e) - 它是定义椭圆形状与圆形形状差异的参数。
半长轴 (a) - 它是沿中心连接两个焦点绘制的最长直径，它接触两个远地点（椭圆距中心最远的点）。
短半轴 (b) - 穿过中心绘制的最短直径，接触近地点（椭圆距中心的最短点）。

下图很好地描述了这些。

对于椭圆路径，偏心率总是希望在 0 和 1 之间，即 0 < e < 1，因为如果e变为零，路径将不再是椭圆形，而是将转换为圆形路径。

开普勒^第二定律

开普勒第二^定律指出：“在相同的时间间隔内，卫星覆盖的面积相对于地球中心是相等的。”

看下图就可以理解了。

假设卫星在同一时间间隔内覆盖p1和p2距离，则两种情况下分别覆盖的面积B1和B2相等。

开普勒^第三定律

开普勒第三^定律指出：“轨道周期时间的平方与两个天体之间平均距离的立方成正比。”

这可以在数学上写成

$$T^{2}\:\alpha\:\:a^{3}$$

这意味着

$$T^{2} = \frac{4\pi ^{2}}{GM}a^{3}$$

其中 $\frac{4\pi ^{2}}{GM}$ 是比例常数（根据牛顿力学）

$$T^{2} = \frac{4\pi ^{2}}{\mu}a^{3} $$

其中μ=地球地心引力常数，即μ=3.986005×10 ¹⁴ m ³ /sec ²

$$1 = \left ( \frac{2\pi}{T} \right )^{2}\frac{a^{3}}{\mu}$$

$$1 = n^{2}\frac{a^{3}}{\mu}\:\:\:\Rightarrow \:\:\:a^{3} = \frac{\mu}{n^ {2}}$$

其中n = 卫星的平均运动（以弧度每秒为单位）

卫星的轨道功能是在开普勒定律的帮助下计算的。

除了这些之外，还有一件重要的事情必须注意。卫星绕地球公转时，受到地球的拉力，即万有引力。此外，它还受到太阳和月亮的一些拉力。因此，有两种力量作用在其上。他们是 -

向心力- 倾向于将沿轨迹路径移动的物体拉向自身的力称为向心力。
离心力- 倾向于将沿轨迹路径移动的物体推离其位置的力称为离心力。

因此，卫星必须平衡这两种力才能使其保持在轨道上。

地球轨道

卫星发射到太空时，需要放置在一定的轨道上，为其公转提供特定的方式，以保持可达性并服务于其科学、军事或商业目的。分配给卫星的相对于地球的此类轨道称为地球轨道。这些轨道上的卫星是地球轨道卫星。

重要的地球轨道类型是 -

地球同步地球轨道
中地球轨道
近地轨道

地球同步地球轨道卫星

地球同步地球轨道 (GEO)卫星位于距地球 22,300 英里的高度。该轨道与一侧真实日（即23小时56分钟）同步。该轨道可以有倾角和偏心率。它可能不是圆形的。该轨道可以在地球两极倾斜。但从地球上观察时，它看起来是静止的。

同样的地球同步轨道，如果是圆形且在赤道平面内，则称为地球静止轨道。这些卫星放置在地球赤道上方 35,900 公里（与同步地球同步）处，并且它们相对于地球方向（从西向东）持续旋转。这些卫星被认为相对于地球是静止的，因此顾名思义。

地球静止地球轨道卫星用于天气预报、卫星电视、卫星广播和其他类型的全球通信。

下图显示了地球同步轨道和地球静止轨道之间的区别。自转轴表示地球的运动。

注- 每个地球静止轨道都是地球同步轨道。但每个地球同步轨道都不是地球静止轨道。

中地球轨道卫星

中地球轨道 (MEO)卫星网络的轨道运行距离地球表面约 8000 英里。MEO 卫星传输的信号传输距离较短。这意味着接收端信号强度的提高。这表明接收端可以采用更小、更轻的接收终端。

由于信号往返卫星的距离较短，因此传输延迟较小。传输延迟可以定义为信号传输到卫星并返回到接收站所需的时间。

对于实时通信来说，传输延迟越短，通信系统越好。例如，如果 GEO 卫星需要 0.25 秒来完成一次往返，那么 MEO 卫星需要不到 0.1 秒来完成相同的行程。MEO 的工作频率范围为 2 GHz 及以上。

近地轨道卫星

低地球轨道（LEO）卫星主要分为三类，即小型LEO、大型LEO和巨型LEO。LEO 的轨道运行距离距地球表面 500 至 1000 英里。

这种相对较短的距离将传输延迟降低至仅 0.05 秒。这进一步减少了对敏感且笨重的接收设备的需求。小型 LEO 将在 800 MHz (0.8 GHz) 范围内运行。Big LEO 将在 2 GHz 或以上范围内运行，而 Mega-LEO 将在 20-30 GHz 范围内运行。

与Mega-LEO相关的更高频率转化为更多的信息承载能力，并产生实时、低延迟视频传输方案的能力。

下图描述了LEO、MEO和GEO的路径。