卫星通信原理
卫星是围绕另一个物体以数学上可预测的路径（称为轨道）移动的物体。通信卫星不过是太空中的微波中继站，可用于电信、无线电、电视以及互联网应用。
中继器是一种电路，可增加接收信号强度并重新传输信号。但在这里，这个中继器充当转发器，它改变了发射信号的频带，而不是接收信号的频带。
信号发送到空间的频率称为上行链路频率，而转发器发送信号的频率称为下行链路频率。
下图清楚地说明了这个概念。
现在，让我们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
易于安装新的电路
距离很容易覆盖，成本也不重要
广播可能性
地球的每个角落都被覆盖
用户可以控制网络
卫星通信 - 缺点
卫星通信具有以下缺点 −
初始成本（例如分段和发射成本）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。
用于电视广播，例如 DTH。
用于互联网应用，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。
用于研发部门，在许多领域。
用于军事应用和导航。
卫星在轨道上的方位取决于开普勒定律的三条定律。
开普勒定律
天文学家约翰尼斯·开普勒 (1571-1630) 提出了三条关于卫星运动的革命性定律。卫星绕其主星（地球）运行的轨道是椭圆。椭圆有两个焦点 - F1 和 F2，地球就是其中之一。
如果考虑从物体中心到其椭圆路径上某一点的距离，那么椭圆距离中心最远的点称为远地点，而椭圆距离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，"所有行星都以椭圆轨道绕太阳旋转，太阳是其焦点之一。"因此，卫星以地球作为其焦点之一，沿椭圆形轨道移动。
椭圆的半长轴表示为"a"，半短轴表示为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状差异的参数。
半长轴（a） −它是沿中心绘制的两个焦点之间的最长直径，它接触两个远地点（椭圆距离中心最远的点）。
半短轴 (b) − 它是通过中心绘制的最短直径，它接触两个近地点（椭圆距离中心最短的点）。
下图很好地描述了这些。
对于椭圆路径，偏心率始终应介于 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，而是会变成圆形路径。
开普勒第二定律
开普勒第二定律指出，"在相等的时间间隔内，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。
假设卫星在相同的时间间隔内覆盖 p1 和 p2 距离，那么在两种情况下覆盖的面积 B1 和 B2分别相等。
开普勒第三定律
开普勒第三定律指出："轨道周期的平方与两物体间平均距离的立方成正比。"
这可以用数学形式写成
$$T^{2}\:\alpha\:\:a^{3}$$
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 = 地球的地心引力常数，即 Μ = 3.986005 × 1014 m3/sec2
$$1 = \left ( \frac{2\pi}{T} ight )^{2}\frac{a^{3}}{\mu}$$
$$1 = n^{2}\frac{a^{3}}{\mu}\:\:\:\Rightarrow \:\:\:a^{3} = \frac{\mu}{n^{2}}$$
其中 n = 卫星每秒的平均运动（弧度）
卫星的轨道运行是借助这些开普勒定律计算出来的。
除此之外，还有一件重要的事情需要注意。卫星在绕地球旋转时，会受到来自地球的拉力，即引力。此外，它还会受到来自太阳和月亮的一些拉力。因此，有两种力作用于它。它们是 −
向心力 − 倾向于将沿轨迹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保持其在轨道上。
地球轨道
卫星发射到太空时，需要放置在特定的轨道上，以提供其旋转的特定方式，从而保持可达性并实现其目的，无论是科学、军事还是商业。分配给卫星的此类相对于地球的轨道称为地球轨道。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
低地球轨道
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。此轨道与侧真实日（即 23 小时 56 分钟）同步。此轨道可以具有倾角和偏心率。它可能不是圆形的。此轨道可以在地球两极倾斜。但从地球上观察时，它似乎是静止的。
同样的地球同步轨道，如果它是圆形的并且位于赤道平面上，则称为地球静止轨道。这些卫星位于地球赤道上方 35,900 公里（与地球同步相同）处，它们不断相对于地球方向（从西向东）旋转。这些卫星相对于地球被认为是静止的，因此得名。
地球静止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。旋转轴表示地球的运动。
注意 − 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) 卫星网络将在距离地球表面约 8000 英里的地方运行。从 MEO 卫星发射的信号传播距离更短。这意味着接收端的信号强度有所提高。这表明，接收端可以使用更小、更轻的接收终端。
由于信号往返卫星的距离更短，传输延迟更小。传输延迟可以定义为信号传输到卫星并返回接收站所需的时间。
对于实时通信，传输延迟越短，通信系统越好。例如，如果GEO卫星需要0.25秒完成一次往返，那么MEO卫星完成相同行程只需不到0.1秒。MEO在2 GHz及以上的频率范围内运行。
低地球轨道卫星
低地球轨道（LEO）卫星主要分为三类，即小LEO、大LEO和巨型LEO。 LEO 将在距地球表面 500 至 1000 英里处运行。
这个相对较短的距离将传输延迟减少到仅 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。大型 LEO 将在 2 GHz 或更高的范围内运行，而超级 LEO 将在 20-30 GHz 范围内运行。
与 超级 LEO 相关的更高频率意味着更多的信息承载能力，并产生了实时、低延迟视频传输方案的能力。
下图描绘了 LEO、MEO 和 GEO 的路径。
