这是一部浓缩的卫星发展史。更完整的历史发展脉络可以在作者的另一本著作《卫星应用手册》[施普林格出版社（Springer），第二版，2017]中找到。目前，我们正处在一个进入新的技术竞争领域的分岔口，并可能由此开拓新的全球市场。这是一场豪赌，不仅是对卫星通信而言，对其他依赖于金融市场支持来推动创新的新航天应用及新航天系统的兴起而言也是如此。

在20世纪60年代，就如何提供可行的卫星通信服务得出了两项重要的技术结论。首先，1960年发射的大气球实验卫星（ECHO，回声卫星）证实，使用被动反射面作为卫星来反射电子信号的效率太低，在经济上不适合用于商业服务。其次，1963年发射的“辛康-2”（Syncom 2）和“辛康-3”（Syncom 3）卫星证实，人们可以成功地将一颗卫星送入GEO，并让其在这条非常高的轨道上运行，其轨道高度几乎是地球到月球距离的1/10。GEO 的独特性使地面上的固定地球站不需要安装昂贵和快速跟踪装置就可实现对通信卫星的跟踪。

第一颗用于商业卫星通信的卫星是“早鸟”卫星（也称Intelsat 1卫星），这是一颗GEO 卫星，是休斯飞机公司（已被波音公司收购）制造的“同步卫星”（辛康卫星）的扩大版。这个小型沙滩排球大小的卫星只能提供240 条电话线路或一个低质量的黑白电视频道。作为第一个商业通信卫星，它的功率有限，有一个低增益的斜波束天线，缺乏精确的地球指向能力，而且只限于C 波段使用。卫星功率和性能方面的诸多限制需要这些大型地面站配备极其昂贵的设施，这些设施往往耗资数百万美元。此外，这些地面站的大口径天线都装有高性能低噪声放大器。他们还需要40～60 人的全天候工作人员。

在随后的几年里，卫星的尺寸和性能都有所增长。卫星变得更复杂、性能和功率更高。这些越来越大的卫星不仅能够重复使用C 频段的频率，还能重复使用其他更高频段的频率。随着时间的推移，商业卫星使用的频段不断上升，包括Ku 频段、Ka 频段和最近的Q/V 频段。这些通信卫星大部分部署在GEO 上，以便使地面天线系统能始终指向卫星，而不需要随卫星的移动而不断进行跟踪。

过去几十年中，在卫星设计领域的技术创新使卫星的性能提高了上千倍，所能发送的电话线路、数据和电视频道也增加了数千倍。主要收获如下。

（1）卫星功率显著增加（例如，大型太阳能电池阵列和更大的电池）。

（2）星载高增益更大孔径天线可以持续指向地球，并安装用于精确的天线波束指向。

（3）实现可用频率复用的极化技术。

（4）复杂的馈电系统，允许从高增益反射器产生大量光束。这就允许进行更多的频率复用和聚焦波束天线以限制波束能量的扩散，从而使能量聚集到特定的位置。

（5）在更高的可用频率访问更宽的频段等。

所有这些努力都旨在提高卫星的功率，使卫星能够访问更多的无线电频谱，以及通过对数字通信信号进行编码来增加信号的复杂性。这些数字复杂性技术将有助于提高在可用频段的信息传输效率。所有这些技术创新还意味着降低成本、减小天线尺寸和简化用户的地面天线。

在过去的几十年里，通过密集的频率复用和使用更多频段，我们看到了功能越来越强大的卫星和越来越多的可用光谱。当这些优势叠加在一起，就相当于可用于全球卫星通信的无线电频谱增加了数百倍。

复杂的数字编码技术极大地提高了卫星的运行效率，这种编码技术允许更多信息通过可用的频谱传送。实际上，卫星运行和设计效率的提高促使地面天线变得更小、成本降低，甚至实现卫星运行的完全自动化，从而不再需要为地面站配备工作人员。数字卫星通信使用编码技术使每赫兹带宽能发送更多信息或数据，从而最大限度地提高了效率。在此期间，提高卫星通信效率的最大障碍是卫星的发射成本居高不下，从而阻碍了成本效益的提高。(www.daowen.com)

经过数十年的技术进步，发展出了更高效、更经济的卫星，同时也降低了地面系统的成本和规模。这种趋势被称为“技术反转”。这意味着天空中会出现越来越多复杂和功能强大的卫星，它们可以通过频率复用接入更多的无线电频谱，从而减小地面天线系统的大小，降低成本。简而言之，这些卫星体积更大、功率更强、成本更高，从而使地面设备变得更小、成本更低。如图2.1（a）和图2.1（b）所示，卫星功率、天线增益和吞吐量大幅提高。

图2.1　微小的“早鸟”和巨大的“史诗”（Epic）卫星（图片由国际通信卫星公司提供）

（a）“早鸟”卫星；（b）“史诗”卫星

随着地面系统规模的缩小，其数量却大大增加了，从一个国家一个大型地面站发展到遍布全球的数百万个小型卫星地面系统。卫星的制造和发射成本增加了10 倍，甚至100 倍。然而，随之而来的是用户终端的成本急剧降低，并在全球范围内推广低成本天线。整个系统成本在天基系统增加和地面系统降低之间保持了平衡。

这些地面系统的天线实际上已经缩小到甚小孔径天线。地面系统的成本从数百万美元降至几千美元，电视接收终端甚至降到几百美元，最终导致用于移动通信的手持设备和只用于接收信号的最小的卫星电视天线，在某些情况下小得像麦片粥碗一样大小。这些小型碟形天线还能从高功率直播卫星接收多个电视频道。从1965年到20世纪90年代，技术反转的主要趋势如图2.2所示。

图2.2　20世纪60年代早期的小型GEO 卫星发展到具有大型多波束天线的大功率卫星（减小了地面天线的尺寸，降低了成本）（图片由作者提供）

①1 磅约等于0.45 kg。②1 ft=0.304 8 m。

这种趋势使地面站从30 m 高的增益天线缩小到甚小孔径天线（Very Small Aperture Terminals，VSAT），甚至是现在的手持设备，如图2.3（a）、图2.3（b）和图2.3（c）所示。

图2.3　增益天线、甚小孔径天线、手持设备

（a）20世纪60年代的巨型地球站（图片由Comara 提供）；（b）20世纪90年代的VSAT小型终端（图片由休斯公司提供）；（c）今天的卫星电话（图片由铱星公司提供）