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地球同步轨道上观察地球的话，竟能看到整个地球表面积的三分之一还要
多，其最大跨度可达 18000 多公里。因此，只要在地球赤道上空等间隔地放
上三颗同步卫星，就可基本上覆盖整个地球，从而实现全球范围的通信了。
目前，已实际使用的航海移动通信系统就是利用位于大西洋、太平洋和印度
洋上空的三颗同步卫星实现的。经常在电视上为我们进行各类体育比赛实况
转播的亚洲 1 号通信卫星就是一颗高悬在印度洋上空的同步卫星。
目前，世界上越来越多的国家为建立自己独立的卫星通信系统竞相向地
球上空的同步轨道发射自己的通信卫星。30 多年来，全世界已经发射的航天
器达 3500 个之多，其中绝大多数是卫星。由于同步卫星数目的不断增加，
致使有限的地球同步轨道上挤满了通信卫星，特别是在欧洲、印度洋和美洲
的三个同步轨道弧段内，轨道不足的矛盾日益尖锐。此外，同步卫星也存在
一些缺点，它的造价和发射的费用十分昂贵，而且对于人烟稀少的两极地区
也不能达到有效覆盖，这部分地区的信号在长距离的传输途中变得十分微
弱，极容易被干扰，因而对卫垦地面站接收系统的要求很高。因此，世界各
国的科学家们在研究同步卫星通信技术的同时，也开展了对低轨道卫星通信
技术的研究。
（1）低轨道通信卫星
低轨道通信卫星在距地球表面不同高度、但低于地球同步卫星轨道的空
间中运行。这时，由于卫星绕地球旋转的时间快于地球本身的自转，而且地
面站又只能在短距离范围内才能和卫星通信，因此，在卫星绕地球一周内通
信的时间很短，卫星形成的覆盖地区在地球表面上很快移动，当卫星转到地
球背后时就法进行通信，而克服低轨道卫星通信这一缺点的方法是增加在轨
道上的卫星数量。目前，世界各国已经启用或正在研制的低轨道卫星通信系
统已有多种，其中有一种是由美国摩托罗拉公司正在研制的取名为“铱”的
全球卫星通信系统。这项宏伟的工程之所以取名为“铱”，是因为在该系统
中计划采用由低轨道上运行的 77 颗小型通信卫星组成一个“星系”，恰如化
学元素周期表中第 77 号元素“铱”（Iridium—Ir）原子有 77 颗电子绕核旋
转一样，由它们提供连续覆盖全球的卫星通信系统。这 77 颗小型卫星被分为
7 组，每组11 颗，分布在7 条环形极轨道上，组成环绕地球等间隔的 7 个面。
卫星环绕地球一周大约 100 分钟，所有卫星都朝同一个方向运转，越过地球
北极飞向南极上空，从而使整个地球表面都覆盖在内。因此，无论在地球的
任何地点，任何时间内，总有一颗卫星是在短距离范围之内，联合构成空间
数字通信网，可以处理语音与数据等多种信息。遍布天空的“铱”系统通信
卫星与陆地“蜂窝”无线移动通信网相互协调配合，使用户通过所持的便携
式无线电话机将信号直接发向最近的卫星，再经卫星之间的转发，最后把信
号传送到地面电话网中的接收用户，从而完成在全球范围内的个人通信。
“铱”系统中每颗通信卫星的体积小，直径约 1 米，宽 2 米左右，重量轻，
在轨重量为 320 千克左右。由于卫星运行的轨道低，距离地球表面只有 765
公里左右，比地球同步卫星的距离近的多，因此只用小型火箭便可以发射升
空，其造价和发射费用都比同步卫星低的多。
低轨道卫星移动通信系统的工作原理与前面介绍的“蜂窝”式移动通信
的原理相似。尽管每颗卫星所能覆盖的地域比同步卫星小得多，但比移动通
信中基地台所覆盖的面积却大多了。实际上，一颗低轨道卫星就相当于陆地
移动通信系统中的一个“基地台”，而形成覆盖区域的天线和无线电中继设
备都安在卫星上。不同的是，这个“基地台”不是建立在地面上，而是被倒
挂在天空中。地面站与空间卫星的联系，以及卫星与卫星间的联系是在“K”
频带上建立的；而卫星与地面移动台如车、船和手持移动电话机的人之间的
信息联系则建立在“L”频带之上的。
“铱”系统卫星通信计划的实施，实现了人们在地球上的任何地方，无
论陆地、空中和海洋，只要拨通一个电话号码便可与远隔千山万水的亲人通
话的目的。
（2）卫星导航
卫星导航是一种全球性、全天候、全自动和高精度的现代化通信系统，
它有着极大的应用价值和很广的应用范围，因而世界各国对此都给予了极大
的重视。美国国防部曾制定了一项长达 15 年的研制计划，这是一项集航天、
航空及现代通信为一体的长远规划，规模之庞大仅次于阿波罗航天计划。目
前，所完成的各项试验均得到了令人振奋的结果。例如，在直升机的假目着
陆中，导航卫星系统作为直升机的辅助导航设备，其着陆点偏离 X 形的标记
仅 0．9～1．2 米远；在一次飞机投弹试验中，飞机借助于卫星导航系统将普通
的炸弹投到了距目标误差只有 3～6 米的范围内；在航海导航试验中，舰船在
低能见度条件下通过了仅有 32．3 米的狭窄航道；而在 1980 年 4 月导航卫星
系统又将 14 架直升机正确引导到沙漠中，以营救被扣留的美国人质。
世界上第一颗试验型“子午仪”导航卫星是 1960 年发射升空的，利用“子
午仪”导航卫星来实现导航的基本思想来源于“多普勒效应”。1957 年，美
国应用物理实验室的两名科学家吉埃尔和怀芬伯奇在用无线地接收机跟踪苏
联第一颗人造卫星时，无意间发现了多普勒现象：由于卫星以每秒约 7．36
公里的速度绕地球均匀运转，因此，卫星与地面观测者之间便产生了相对运
动，当卫星以固定频率发射无线电波时，地面接收机所接收到的无线电频率
便发生了变化，这情景好像一列火车从你身边呼啸而过时，火车的声音发生
了变化一样。当卫星朝着接近地面接收机方向运行时，所接收到的信号频率
比卫星实际发射的频率要高；当卫星到达与地面接收机的距离最近时，接收
到的信号率与卫星实际发射的频率相同；当卫星朝着远离接收机的方向飞离
时，接收的信号频率又比卫星实际发出的频率低；这种信号频率的变化量就
叫做多普勒频移。研究人员们设想，在卫星轨道精确已知的情况下，如果在
地面上随时跟踪记录并测出卫星每次通过时的多普勒频移，将其储存起来，
经过计算机不就可以确定地面站的位置，从而确定飞机和舰船的航向了吗？
由于当时美国海军的核潜艇“北极星”号在茫茫大洋中游弋，急需知道自己
的准确位置，因而这一研究引起了美国政府的重视，并于 1958 年得到正式批
准。于是，研究人员根据这一思想，在 1964 年设计出了第一台“子午仪”卫
星导航系统交付海军使用，经过全球卫星导航试验获得成功，并于 1967 年正
式对民用部门开放。
第一代卫星导航系统问世后，经过 20 多年的研制和改进，又一代新型的
卫星导航系统于 1989 年投入使用。这种由 18 颗卫星组成的新的导航系统运
用了当今世界上最先进的科学技术，具有为地球上处于任何位置的飞机、船
舶、各种车辆以及旅游在外的各国游客们提供全天候的、连续的、实用的高
精度三维导航能力。新的导航系统通同时接收来自几个卫星的无线电信号，
使定位精度达到 15 米的范围之内，它的工作原理仿效了机场航运控制管理中
使用的“罗兰”导航系统，通过测量运动目标与几个导航站的距离差来确定
目标的方位。例如，在飞机或海船上的导航系统收到由两个不同地点的导航
站 A 和 B 同时发出的无线电信号，若信号经过的两条路径长短不同时，到达
目标的时间就有先后，通过这个时间差可计算出 A、B 两站相绎目标的距离
差，利用所得的距离差便可绘制出一组双曲线。然后，再利用第三个导航站
C 对目标发出的无线电信号，计算出 B、C 两个导航站对目标的距离差，这样
又可绘制出另一组双曲线，若目标处在这两组曲线的某一交点上，就能确定
运动目标所处的位置了。与“罗兰”导航系统不同的是，在新的卫星导航系
统中，目标发出的无线电信号至少要被 4 颗以上的卫星接收，并由此绘制出
三组以上的曲面。这些曲面的交点，就是目标所在的三维空间位置。
新的卫星导航全球定位系统是由空间导航卫星、地面控制站网和用户设
备三部分组成。在距地球表面 2 万公里高的中高度轨道上，18 颗导航卫星配
置在 6 条轨道上，每条轨道上均匀分布着 3 颗卫星，其环绕地球运行一周约
需 12 小时。这样，地球上的用户在任何地点都能同时“看”到至少 6 颗卫星，
从而保证了系统所具有的全球覆盖和三维导航的能力。地面控制网在对卫星
运行进行跟踪、遥测、遥控的同时，不断地修正卫星运行的各种参数，并根
据需要向卫星发送更新的导航数据。
（3）全球定位卫星系统
美国洛克威尔航空航天与电子公司专为美国军方提供了一种先进的全球
定位系统，这种系统的接收机只比袖珍电子计算器稍厚一点点。它在收到系
列军用通信卫星发出的信号后的几秒钟内便可完成定位的运算，从而确定地
球上任何一处范围在 100 米内的所在位置，士兵在行军中随身携带，即使在
茫茫荒野也能辨明方向，其情景正如本书一开头所描述的那个场面一样。在
这种全球定位系统中的每颗卫星连续不断地重复发射数字信号，作为本卫星
的标识信号。在地面接收机的内部电路中存储着所有卫星的重复信号模式，
并由机内的石英钟给出该模式的定时。当接收机的微型天线收到来自卫星的
信号后，通过与本机内存储的卫星信号模式进行比较，便可计算出信号从卫
星传播过来所用的时间。此外，在接收机中还存储着每一颗卫星在任一时间
的定位信息，经过与其它卫星进行了距离比较之后，就可确定用户接收机当
前所在的位置。目前，美国军方已将 16 颗这样的军用卫星送上了轨道，卫星
轨道的分布使在地球表面任一时间内的任何位置上都有 3～4 颗卫星可提供
接收信息。美国军方在 1993 年把全部 24 颗卫星都送上了太空。这种全球定
位系统在 1991 年初的海湾战争中发挥了巨大的作用，大约 8000 只全球定位
系统接收机提供给美军使用，特别是美军的战车和快速反应部队第 82 空降师
的伞兵都配备了它。这样，士兵不仅在茫茫沙漠中不会迷失方向，而且可为
那些深入对方腹地潜伏的侦察部队提供与大本营的随时联系，并及时为武装
直升机的军中支援提供准确的地理位置，使部队的伤亡人数大大降低。
（4）全球搜索救援系统
利用通信卫星而建立的全球搜索救援系统是近年来为解救因飞机失事和
船舶遇难的幸存者所建立起来的一种专用的全球定位系统。自 1982 年苏联率
先发射了用于搜索救援的人�