衛星通訊原理
衛星是一個圍繞另一個天體以數學上可預測的路徑（稱為軌道）執行的天體。通訊衛星只不過是太空中一個微波中繼站，有助於電信、無線電和電視以及網際網路應用。
中繼器是一種電路，它會增強接收到的訊號並重新傳輸。但在這裡，此中繼器充當轉發器，它將傳輸訊號的頻段從接收到的頻段更改。
將訊號傳送到太空的頻率稱為上行鏈路頻率，而轉發器傳送訊號的頻率稱為下行鏈路頻率。
下圖清楚地說明了這一概念。
現在，讓我們看看衛星通訊的優點、缺點和應用。
衛星通訊 - 優點
衛星通訊有許多優點，例如 -
靈活性
安裝新電路方便
輕鬆覆蓋距離，成本無關緊要
廣播可能性
覆蓋地球的每個角落
使用者可以控制網路
衛星通訊 - 缺點
衛星通訊具有以下缺點 -
初始成本（例如分段和發射成本）過高。
頻率擁塞
干擾和傳播
衛星通訊 - 應用
衛星通訊在以下領域得到應用 -
在廣播中。
在電視廣播中，例如DTH。
在網際網路應用中，例如為資料傳輸提供網際網路連線、GPS應用、網際網路衝浪等。
用於語音通訊。
用於許多領域的研發部門。
在軍事應用和導航中。
衛星在其軌道上的方向取決於三個定律，稱為開普勒定律。
開普勒定律
天文學家約翰內斯·開普勒（1571-1630）提出了 3 條關於衛星運動的革命性定律。衛星圍繞其主星（地球）執行的路徑為橢圓。橢圓有兩個焦點 - F1 和 F2，地球是其中之一。
如果考慮從物體中心到其橢圓路徑上某一點的距離，則橢圓離中心最遠點稱為遠地點，橢圓離中心最近點稱為近地點。
開普勒第一定律
開普勒第一定律指出：“每個行星都沿橢圓軌道繞太陽執行，太陽位於其一個焦點上。”因此，衛星沿以地球為一個焦點的橢圓路徑執行。
橢圓的長半軸用“a”表示，短半軸用b表示。因此，該系統的偏心率 e 可以寫成 -
$$e = \frac{\sqrt{a^{2}-b^{2}}}{a}$$
偏心率 (e) - 它是一個引數，定義了橢圓形狀與圓形形狀的差異。
長半軸 (a) - 它是在中心沿兩個焦點繪製的最長直徑，與兩個遠地點（橢圓離中心最遠點）相切。
短半軸 (b) - 它是在中心繪製的最短直徑，與兩個近地點（橢圓離中心最近點）相切。
這些在下圖中得到了很好的描述。
對於橢圓路徑，始終希望偏心率介於 0 和 1 之間，即 0 < e < 1，因為如果e變為零，路徑將不再是橢圓形，而是會變成圓形路徑。
開普勒第二定律
開普勒第二定律指出：“在相等的時間間隔內，衛星覆蓋的面積相對於地球中心相等。”
可以透過檢視下圖來理解。
假設衛星在相同的時間間隔內覆蓋p1和p2距離，則在這兩種情況下分別覆蓋的面積B1和B2相等。
開普勒第三定律
開普勒第三定律指出：“軌道的週期時間的平方與兩個天體之間平均距離的立方成正比。”
這可以用數學方式寫成
$$T^{2}\:\alpha\:\:a^{3}$$
這意味著
$$T^{2} = \frac{4\pi ^{2}}{GM}a^{3}$$
其中 $\frac{4\pi ^{2}}{GM}$ 是比例常數（根據牛頓力學）
$$T^{2} = \frac{4\pi ^{2}}{\mu}a^{3} $$
其中 μ = 地球的地球中心引力常數，即 Μ = 3.986005 × 1014 m3/sec2
$$1 = \left ( \frac{2\pi}{T} \right )^{2}\frac{a^{3}}{\mu}$$
$$1 = n^{2}\frac{a^{3}}{\mu}\:\:\:\Rightarrow \:\:\:a^{3} = \frac{\mu}{n^{2}}$$
其中n = 衛星的平均運動，單位為弧度/秒
衛星的軌道執行是藉助這些開普勒定律計算出來的。
除此之外，還有一件重要的事情需要注意。衛星繞地球執行時，會受到地球的引力。此外，它還會受到太陽和月球的一些引力。因此，它受到兩個力的作用。它們是 -
向心力 - 傾向於將沿軌跡路徑運動的物體拉向自身的力稱為向心力。
離心力 - 傾向於將沿軌跡路徑運動的物體推離其位置的力稱為離心力。
因此，衛星必須平衡這兩個力才能保持在軌道上。
地球軌道
當衛星發射到太空時，需要將其放置在某個軌道上，為其旋轉提供特定的方式，以便保持可訪問性併發揮其科學、軍事或商業用途。這些分配給衛星的軌道相對於地球稱為地球軌道。這些軌道上的衛星是地球軌道衛星。
地球軌道的常見型別有 -
地球同步軌道
中地球軌道
低地球軌道
地球同步軌道衛星
地球同步軌道 (GEO) 衛星是指放置在地球上方 22,300 英里高度的衛星。該軌道與恆星日（即 23 小時 56 分鐘）同步。此軌道可能具有傾角和偏心率。它可能不是圓形的。該軌道可以傾斜於地球的兩極。但從地球上觀察時，它看起來是靜止的。
如果相同的地球同步軌道是圓形的並且位於赤道平面內，則稱為地球靜止軌道。這些衛星放置在地球赤道上方 35,900 公里（與地球同步軌道相同）的高度，並且它們相對於地球的方向（西到東）不斷旋轉。這些衛星被認為相對於地球是靜止的，因此名稱也暗示了這一點。
地球靜止軌道衛星用於天氣預報、衛星電視、衛星廣播和其他型別的全球通訊。
下圖顯示了地球同步軌道和地球靜止軌道的區別。旋轉軸表示地球的運動。
注意 - 每個地球靜止軌道都是地球同步軌道。但並非每個地球同步軌道都是地球靜止軌道。
中地球軌道衛星
中地球軌道 (MEO) 衛星網路將在地球表面約 8000 英里的距離上執行。從 MEO 衛星傳輸的訊號傳播的距離較短。這轉化為接收端增強的訊號強度。這表明在接收端可以使用更小、更輕的接收終端。
由於訊號到衛星和從衛星到接收站的傳播距離較短，因此傳輸延遲較小。傳輸延遲可以定義為訊號到達衛星並返回接收站所需的時間。
對於即時通訊，傳輸延遲越短，通訊系統越好。例如，如果 GEO 衛星往返需要 0.25 秒，那麼 MEO 衛星完成相同行程需要不到 0.1 秒。MEO 在 2 GHz 及以上頻率範圍內工作。
低地球軌道衛星
低地球軌道 (LEO) 衛星主要分為三類，即小型 LEO、大型 LEO 和巨型 LEO。LEO 將在地球表面上方 500 到 1000 英里的距離上執行。
這種相對較短的距離將傳輸延遲縮短至僅 0.05 秒。這進一步減少了對靈敏且笨重的接收裝置的需求。小型 LEO 將在 800 MHz（0.8 GHz）範圍內執行。大型 LEO 將在 2 GHz 或更高頻率範圍內執行，而巨型 LEO 在 20-30 GHz 頻率範圍內執行。
與巨型 LEO相關的較高頻率轉化為更大的資訊承載能力，併產生即時、低延遲影片傳輸方案的能力。
下圖描繪了 LEO、MEO 和 GEO 的路徑。
