卫星通信大家都不陌生，远洋作业、野外探险、应急救援这些场景里，手机没信号了就靠卫星电话。但卫星通信到底是怎么工作的？为什么有的卫星在天上一动不动，有的却在不停跑？这几年炒得很热的低轨卫星星座（比如星链）跟传统卫星通信有什么不一样？今天把卫星通信系统的原理和技术演进捋一遍。

先说最基础的：卫星通信就是把卫星当成一个空中的中继站，地面站A把信号发给卫星，卫星放大转发给地面站B，实现远距离通信。这个原理看着简单，但卫星选什么轨道、用什么频段、怎么组网，里面的讲究就多了。最早的通信卫星用的是地球同步轨道（GEO），就是在赤道上空35786公里的高度，卫星的公转周期跟地球自转一样，所以从地面看卫星是固定在天上不动的。同步轨道卫星的好处是覆盖范围大，三颗卫星就能覆盖全球大部分地区，而且地面站不用跟踪卫星，对准一个方向就行。

但同步轨道卫星有个天生的缺点：距离太远了。信号从地面到卫星再回来，单程要走约7万多公里，延迟大概250毫秒，来回就是500毫秒。打电话还好，上网打游戏就觉得卡了。而且同步轨道只有一条，能放的卫星数量有限，轨道位置和频率资源都很紧张。另外同步卫星体积大、造价高、发射成本也高，一颗同步通信卫星动辄几亿甚至十几亿美元。

为了解决延迟和容量的问题，这几年低轨卫星星座（LEO）火了起来。低轨卫星的高度一般在500到2000公里之间，信号往返延迟只有几十毫秒，跟地面光纤差不多。低轨卫星的缺点是覆盖范围小，一颗卫星只能覆盖地球表面一小块区域，所以得用大量卫星组成星座，靠卫星之间接力来实现全球覆盖。星链目前已经发了几千颗卫星，计划最终要发到4万多颗。低轨卫星还有个特点就是卫星跟地面有相对运动，卫星会快速划过天空，所以地面终端需要能跟踪卫星，或者在不同卫星之间切换。

卫星通信的频段选择也很关键。常用的有L波段（1-2GHz）、S波段（2-4GHz）、C波段（4-8GHz）、Ku波段（12-18GHz）、Ka波段（26-40GHz）。频率越低，穿透能力越强，受天气影响越小，但带宽小；频率越高，带宽越大，但雨衰严重，下雨的时候信号衰减大。早期的卫星通信用C波段，抗雨衰好但天线大；后来Ku波段普及，天线可以做小一点，适合家用卫星电视；现在的高通量卫星（HTS）和低轨星座大量用Ka波段，带宽大但对天线和算法要求高。

低轨卫星星座对终端的要求比同步卫星高。同步卫星的终端只要对准一个固定方向就行，低轨卫星的终端要么用相控阵天线电子扫描跟踪卫星，要么用机械转动的天线。相控阵天线没有机械运动，跟踪快、可靠性高，但成本贵；机械天线便宜但跟踪慢、容易坏。另外低轨卫星切换频繁，终端要在卫星飞过头顶的几分钟内完成通信，然后切换到下一颗卫星，切换过程中不能断连，这对协议和算法的要求很高。

卫星通信目前主要的应用场景：一是海洋、航空、偏远地区这些地面网络覆盖不到的地方；二是应急通信，地震、洪水把地面基站毁了，卫星通信能快速恢复；三是政府和军队的专用通信；四是这几年发展起来的卫星互联网，给全球提供宽带接入。随着低轨星座的建设和成本下降，卫星通信的价格会越来越亲民，普通用户也能用得起卫星宽带。不过短期内卫星通信还是地面网络的补充，不可能替代5G和光纤。