书城科普读物为了地球领导权——人造卫星
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第9章 超豪华神经——通信卫星(1)

美国民众突然听到艾森豪威尔总统的卫星讲话,兴奋不已。天哪,卫星能模仿总统讲话!1959年1月21日,“斯科瑞”卫星重返地球大气层烧毁。“斯科瑞”卫星的应用更广泛地证明了卫星的军事意义。它也体现了一个卫星的无线电中继系统与实际操作能力。

通信卫星是太空中的邮局,是镶嵌在空中的一颗珍珠。地球上的通信站,简称地面站。通信卫星主要有3种通信方式:地面站—卫星;卫星—卫星;地面站—卫星—地面站。通信卫星上的转发器和天线,接收地面站发送的信号,然后发射回另一个地面站或转发给其他卫星。通信卫星部署在高轨道、中轨道和低轨道上,卫星—卫星之间的通信称为星间通信。

卫星是怎样进行两个地点的通信的呢?如地面站有很大的发射天线,发送电话、电报、传真、数据和电视等信号;通信卫星上的接收天线收到微弱的信号后,通过转发器进行放大、变频,再通过发射天线把信号发射回地面,另一个地面站接收信号,实现两个地点的通信。

通信卫星种类最多。根据轨道分为静止轨道通信卫星和低轨道通信卫星。根据通信特点分为国际通信卫星、国内通信卫星、中继通信卫星、海事通信卫星、移动通信卫星、军事通信卫星等。根据用途分为用于电话、卫星电话、手机、数据传输的电信卫星;用于互联网的宽带多媒体卫星、互联网卫星、手机卫星;用于广播电视的广播卫星、电视卫星、直播卫星、高清电视卫星以及已经研制成功的立体电视卫星。

“风语战士”的密码

在许多著名的历史事件中,密码破译的成功都起到了极其重要的作用。密码保密和破译都有其重要地位和意义。自从20世纪60年代通信卫星上天,密码学也飞上了太空。密码学成为卫星通信的护身符。

密码学是研究编制密码和破译密码的科学技术,是一门综合性的尖端技术科学。研究密码变化的客观规律,应用于编制密码以保守通信秘密的,称为编码学;应用于破译密码以获取通信情报的,称为破译学,总称密码学。密码学与语言学、数学、电子学、声学、信息论、计算机科学等有着广泛而密切的联系。各国都集中了最优秀的哲学家、数学家、计算机学家、逻辑学家、仿真学家等,为自己国家的通信卫星进行密码编制,同时研究敌对方卫星的破译技术与艺术。随着卫星通信技术的发展,对语音、图像、数据等都可实施加密、解密的密码通信。

太空中的“风语战士”,不但有通信卫星、广播电视卫星、军事通信卫星等通信卫星,连导航卫星、气象卫星、侦察卫星、预警卫星等各种卫星也都加入到了“风语战士”的行列,在太空组成一道密不透风的黑幕、看不见摸不着的黑屏。

静止轨道通信卫星

静止轨道通信卫星运行在克拉克提出的地球静止轨道上。卫星在赤道纬度0°的圆轨道,围绕地球同步运行,高度约36000千米,可覆盖地球40%的面积。

在静止轨道上运行的卫星从地面上看好像一点都不动,所以称为地球静止轨道卫星。其实这种卫星并不是真的不动,只是卫星沿与地球自转相同的方向运转,而且环绕地球飞行一圈的时间和地球的自转周期相同,所以在地球上看卫星就好像是不动的。

目前大多数的通信卫星都是采用克拉克静止轨道。它可以定点在赤道某一个地区的上空,使卫星天线指向固定的地区,从而实现两地的连续通信。如果在地球静止轨道上每隔120°放置3颗卫星的话,就能实现除两极以外的全球通信。也就是说,可以利用3颗等间隔放置的地球静止轨道卫星实现全球通信。

低轨道通信卫星

低轨道通信卫星离地球近、路径短,能克服地球静止轨道卫星存在的种种缺陷。不过,低轨道通信卫星飞得低、信号覆盖地面面积小,为了覆盖全球,需要用较多颗卫星组成系统才能进行全球通信。

低轨道通信卫星主要用于移动通信,可为卫星手机,卫星电话,车载、船载、飞机等移动电话在任何时间、任何地点提供全球通信服务,十分方便,通信质量也好。美国摩托罗拉公司的“铱星”卫星移动通信系统有66颗卫星,分布在6条高度为780千米的轨道上,信号覆盖全球,包括南北两极。

美国“全球星”卫星系统由48颗低轨道通信卫星组成星座。“全球星”卫星系统除南北极在全球范围提供无缝隙覆盖、低价的卫星移动通信业务,包括话音、传真、数据、短信息、定位等。“全球星”任何个人几乎在全球范围内任何地点、任何时间与任何人以任何方式通信,即所谓的全球个人通信。“全球星”号称一机在手,联通全球。

海事通信卫星

远洋货轮、庞大的油轮和豪华邮轮,航行在茫茫的海洋里。它们怎样与外面联络呢?怎么在移动中通信呢?海事通信卫星是专门为海洋上的舰船提供通信服务的卫星。轮船通过海事通信卫星,可以打电话、发传真、上互联网等。据设计,3颗第四代海事通信卫星就可覆盖全球。

2005年3月11日,第四代海事通信卫星在美国肯尼迪航天中心发射升空。这颗当时世界最大、最先进的商用通信卫星,由欧洲著名宇航防务集团公司制造,卫星重6吨,太阳能帆板翼展45米。

军事通信卫星

卫星的发展充满了火药味。先进的卫星技术首先应用于军事,从军事通信卫星的发展,人们已经遥遥看到未来通信卫星的曙光。历史的经验证明,一项先进的卫星技术,从军用转为民用只需5年的时间,甚至更短。

军事通信卫星是军事强国的象征。因此,美国将军事通信卫星称为美军的神经。现在,美军大型军事通信卫星有20多颗,其中有国防通信卫星、特高频后继卫星、宽带填隙卫星,正在研发的有先进极高频卫星、机动用户目标卫星和转型军事通信卫星等。

先进的军事通信卫星常采用抗核加固、抗干扰、极高频、自适应天线调零、扩展调频、跳频、交叉链路、星上信号处理和核能源等新技术,具有保密性强、灵活机动、抗干扰等优点,并能减少对地面站的依赖。

美国每年花费100多亿美元发展军事通信卫星,淋漓尽致地将各种最先进的技术集成到卫星上。

会说话的蜘蛛网——国防通信卫星

国防通信卫星是美国用于军事的通信卫星,归属美国国防部。在两次伊拉克战争、科索沃战争和阿富汗战争中,几乎所有的美军坦克、飞机、军车及精确制导炸弹和导弹都通过卫星传输、接受作战指令。美军说:“我们太依赖通信卫星了。不论飞机被击落,还是对作战效果进行评估,我们对战场形势的反应速度都取决于卫星。”美国空军司令部宣称,自2003年第二次海湾战争结束以来,美军对卫星传输的需求增加了10倍。没有军用通信卫星,现今美军的指挥和作战几乎玩不转。

美军1966年至1992年共发射了三代57颗国防通信卫星,9颗失败。第三代国防通信卫星重1.2吨,设计寿命10年。一般由6颗国防通信卫星组成星座,4颗为工作星,2颗为备用星,被称为“会说话的蜘蛛网”。国防通信卫星与美国海军的舰队通信卫星、美国空军的空军通信卫星一起为美军提供立体通信,组成一个庞大的太空通信系统。美军的航空母舰、“捕食者”无人机、“阿帕奇”直升机、三角洲特种部队、第82空降师、第101空中突击师都在国防通信卫星的信息下,奔赴全球各个战场。

超豪华神经——特高频后继卫星

2000年以来,美国国防部就开始追求快速的卫星广播平台——“全球广播系统”。它利用静止轨道卫星,采用Ka频段宽带广播,地面覆盖范围大,传送的数据特高频后继卫星 量大,传送速度高,实时性好,信息丰富。

“全球广播系统”相当于直播卫星,有更强的战术应用和多点广播能力。“全球广播系统”不只是一个传声筒,它既有广播功能,又有点播功能。这两种功能可为军队及时提供所需信息,可极大提高联合作战部队的战斗力,增加信息传递速度,使得大型作战文件的传输由过去几小时变为现在几秒钟。巡航导弹在发射前的最后一分钟也可进行最终目标修正,因为作战命令用“全球广播系统”可在一分钟内送达。美国国防部将“全球广播系统”称为超豪华神经系统。军队通过便携式、移动式终端,飞机、军舰、潜艇、坦克、装甲车、导弹、火箭,甚至智能制导的大炮都能随时随地得到各类大量信息,从而大大提高信息保障能力,掌握战争的主动权。