航天技術帶來的通信革命：地球同步軌道通信衛星緣何誕生

2020-08-28 科學鴿

今天人類通信網絡在立足於地面光纜網之外，還有一大「高速公路」，就是衛星鏈路了，到了今天地球被各種大小通信衛星覆蓋，近地軌道的星座衛星也變得越來越熱門，但是論最為重要的當屬同步軌道通信衛星了，它如一盞盞相對於地表靜止的路燈，向下穩定覆蓋著信號。

大型通信衛星

為什麼要同步軌道通信衛星？

同步衛星是在赤道上空35786公裡跟隨地球旋轉的衛星，由於與地球的自轉同步，也稱之為&34;；也因為它們的軌道性質，它們通常用於通信、氣象與導航。在同步衛星出現以前，地面的無線通信主要靠高塔，靠大氣反射，才能繞過地表障礙物，實現遠程通信，比如電視臺的節目信號除了依靠有線網絡外，還要依靠電視塔發出信息，相信很多家庭中都裝過大鍋小鍋接收天線。

衛星的典型軌道

為了避免高山或高層建築的阻擋，電視塔要建造得很高：比如我們國內的東方明珠電視塔高達468米，日本634米的東京晴空塔，但是就算依靠大氣反射，傳輸距離也是有限的。

理念的提出

最早提出同步衛星設想的是英國科幻作家阿瑟·克拉克，可能很多人不太了解這名作家，但是提到《2001：太空漫遊》就很令人熟知了，這部電影正是由他的一部科幻作品改編而來的。早在1945年，克拉克就曾大膽地提出建立空中無線電信號轉播臺的設想，他以&34;為題，寫出一篇小文投寄到《無線電世界》雜誌發表；在當時，克拉克的想法似乎大膽得不可思議，曾被認為是異想天開，在一片嘲笑之後，很快就被人淡忘了。20年之後，克拉克的設想成真了！這個設想由休斯公司來實現，正是萊昂納多演的《飛行家》現實人物霍華德·休斯創辦的公司，但具體實現由哈羅德·羅森來。

地球同步軌道衛星運行圖

在第二次世界大戰期間，哈羅德·羅森在美國海軍擔任無線電通信和雷達技術員，戰後繼續上學，1947年在杜蘭大學取得電氣工程學士學歷，1948年在加州理工學院獲得碩士學位，三年後取得博士學位。在讀研究生時，他就開始在雷神公司工作開發了早期的防空飛彈，在雷達和飛彈制導與控制領域進行了許多創新；1956年加入休斯飛機公司之後，在他從事機載雷達的開發工作，在通信技術界，技術難度最高的就是去研究雷達了，他在休斯公司負責信號轉換器、跟蹤天線系統的設計，逐漸成為信息工程研發的帶頭人。

創想成為現實

蘇聯發射第一顆人造衛星後，羅森被調入休斯公司的空間部，成為同步衛星研究組的領頭人，同時兼任休斯航空公司空間工程部的副主任；貝爾實驗室在當時的世界領先的通信雜誌上發表論文《通過衛星進行越洋通信》，作者認為：搭載現有通信設備的話，靜止軌道衛星太重了，無法由當時可用的火箭發射。而且，即使可以發射對地靜止衛星，系統複雜性也使它們達到足夠長的使用壽命以及在商業上可行性。羅森在閱讀論文後不認同作者觀點，他認為由于貝爾實驗室主要是為地面應用設計通信設備，因此它沒有動力來減輕通信設備重量，所以拿貝爾實驗室的設備做太空通信可能不適合。

羅森想到，如果他在自旋穩定的衛星上使用自旋相位脈衝，他將擁有一個簡單，壽命長的控制系統以及衛星的輕型電子設備。1960年他召集了一群休斯公司的小夥伴們將這個想法轉化為實用的靜止衛星通信系統的設計，做了一個直徑76釐米，高38釐米，重11.3千克的自旋穩定的偶極天線，重量輕，體積小，可以輕鬆裝到衛星平臺上了。1961年8月，他們開始製作真正的衛星，但是當年發射的首星Syncom 1因為電子故障而失敗了，直到1963年第二顆同步軌道衛星Syncom 2才發射成功。Syncom 2能夠中繼電視傳輸，NASA進行了語音、電傳打字和傳真測試，1963年8月23日美國總統約翰·甘迺迪在一條船上使用這顆衛星的中繼服務奈及利亞總理阿布巴卡·巴萊瓦打了個電話。

Syncom 2同步軌道實驗星

不過Syncom 2算不上真正的同步軌道通信衛星，她只是一顆實驗星，真正意義上人類第一顆同步軌道通信衛星是她的妹妹Syncom 3，1964年8月19日，Syncom 3號在德爾塔D運載火箭的託舉下在卡納維拉爾 角搭載升空，這顆同步通信衛星獲得了巨大的成功，它跨越太平洋把1964年日本東京奧運會的實時畫面轉到了美國，引起了世界的轟動，雖然Syncom 2已經在1963年11月22日跨美國和日本實驗性轉播了廣播電視。奧運會後，美國第一顆商用同步衛星晨鳥號(EarlyBird)再度升空，它被定位在西經28度，專門用於跨大西洋遠程通信。

後繼者Syncom 4號衛星

從那之後，在同步軌道衛星巨大現實價值的促進下，航天大國分別開始發展自己的同步軌道通信衛星，而締造第一枚同步軌道通信衛星的羅森繼續在自己的專業內研究，發表論文一百多篇，獲得美國專利31個，在通信工程方面貢獻非凡，1976年，瑞典國王卡爾十六世親自為羅森頒發愛立信國際獎，今天人們將哈羅德·羅森尊稱為通信衛星之父、地球靜止軌道衛星之父。

同步軌道通信衛星的發展

同步軌道衛星性能遠遠超越了地面電視塔，我國火箭發射的美國&34;同步通信衛星便可以覆蓋中、日、印等在內的18個國家；相較於地面信號高塔這種方式的造價也便宜很多，尤其是對於國土面積的國家來說，性價比尤其高，得益於技術的不斷發展，現在的地球同步軌道通信衛星進入高通量、重型化、長壽命時代；性能出色且設計壽命達到15年，十分省心。

而地面如果修建轉播信號塔，運行管理維護成本將十分高昂；當在沙漠、高原等惡劣的地理環境中建造中繼站，不只是建設成本高昂，且修建難度也難以想像。在這條軌道上，截止今天已經發射了一千兩百多顆衛星，它們退休後，將利用最後的燃料進行軌道抬升，不再影響後輩們工作。

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