1.4.3 无线长途传输的演进

1.无线长途传输技术的发展

1895年，马可尼在院子里进行无线电通信试验获得成功，通信距离为30m。

1896年，马可尼实现了3.2km远的无线电通信。

1901年，英国用风筝牵着的金属导线作为天线，实现了横跨大西洋的无线电传输。

1902年，亥维赛预言在大气上层存在能反射无线电信号的电离层，即肯涅利-亥维赛层。

1906年，德弗瑞斯特发明真空晶体管，是世界上第一种可放大信号的主动电子元件。

1916年，马可尼和富兰克林开始研究短波信号反射。

1921年，业余无线电爱好者发现了短波可以进行洲际通信后，科学家们发现了电离层。短波通信风行全球。

20世纪40年代到50年代产生了传输频带较宽，性能较稳定的微波通信，成为长距离大容量地面干线无线传输的主要手段，模拟调频传输容量高达2700路，也可同时传输高质量的彩色电视，而后逐步进入中容量乃至大容量数字微波传输。20世纪80年代中期以来，随着频率选择性色散衰落对数字微波传输中断影响的发现以及一系列自适应衰落对抗技术与高状态调制与检测技术的发展，使数字微波传输产生了一个革命性的变化。特别是20世纪80年代至20世纪90年代发展起来的一整套高速多状态的自适应编码调制解调技术与信号处理及信号检测技术的迅速发展，对现今的卫星通信，移动通信，全数字HDTV传输，起到了重要的作用。

1954年7月，美国海军利用月球表面对无线电波的反射进行了地球上两地电话的传输试验。并于1956年在华盛顿和夏威夷之间建立了通信业务。

1955年对流层散射通信在北美试验成功。

1980年代，美国海军学院就研制出一种用于海岛与海岸之间进行图像和数据交换的大气激光传输通信系统。这种系统具有8MHz的带宽，可以传送25路数据和一路视频信号。

20世纪80年代后期，随着同步数字系列（SDH）在传输系统中的推广应用，出现了N×155Mbit/s的SDH大容量数字微波通信系统。

1986年美国投入使用极低频电台，设备总跨度为258km，天线总长135km，天线的一头在威斯康星州，另一头在密歇根州。

1995年美国与日本进行了联合试验，实现了日本菊花-6卫星与美国大气观测卫星相距39000km间的双向自由空间激光通信。

1998年，巴西AVIBRAS宇航公司研制了一种便携式半导体激光大气通信系统。这是一种通过激光器联通线路的军用红外通信装置，其外形如同一架双筒望远镜，在上面安装了激光二极管和传声器。使用时，一方将双筒镜对准另一方即可实现通信，通信距离为1km，如果将光学天线固定下来，通信距离可达15km。

1998年，巴西AVIBRAS宇航公司研制了一种便携式半导体激光大气通信系统。这是一种通过激光器联通线路的军用红外通信装置，其外形如同一架双筒望远镜，在上面安装了激光二极管和传声器。使用时，一方将双筒镜对准另一方即可实现通信，通信距离为1km，如果将光学天线固定下来，通信距离可达15km。

2.雷达的出现

1842年，多普勒率先提出利用多普勒效应的多普勒式雷达。

1887年，赫兹在证实电磁波的存在时，发现电磁波在传播的过程中遇到金属物会被反射回来，就如同用镜子可以反射光一样。这实质上就是雷达的工作原理。不过，当时赫兹并没有想到利用这一原理来进行无线电通信试验。1888年，赫兹利用仪器成功产生无线电波。

1897年，汤普森展开对真空管内阴极射线的研究。

1897年夏天，在波罗的海的海面上，俄国科学家波波夫在“非洲号”巡洋舰和“欧洲号”练习船上直接进行5km的通信试验时，发现每当联络舰“伊林中尉号”在两舰之间通过时，通信就中断，波波夫在工作日记上记载了障碍物对电磁波传播的影响，并在试验记录中提出了利用电磁波进行导航的可能性。这可以说是雷达思想的萌芽。

1904年，侯斯美尔发明电动镜，利用了无线电波回声探测的装置，可防止海上船舶相撞。直到1922年，美国科学家根据波波夫的设想，在海上航道两侧安装了电磁波发射机和接收机，当有船只经过时，通过电波马上就可以测出。这就等于在海上设置了一道看不见的警戒线。不过这种装置仍然不能算是严格意义上的雷达。

1917年，沃森瓦特成功设计雷暴定位装置。

1922年，马可尼在美国电气及无线电工程师学会发表演说，题目是可防止船只相撞的平面角雷达。同年，美国泰勒和杨建议在两艘军舰上装备高频发射机和接收机以搜索敌舰。

1924年，英国阿普利顿和巴尼特通过电离层反射无线电波测量亥维赛层的高度。美国布莱尔和杜夫用脉冲波来测量亥维塞层。

1925年，伯烈特与杜武合作，第一次成功使用雷达，把从电离层反射回来的无线电短脉冲显示在阴极射线管上。

1946年，美国用雷达接收月球表面回波。

1931年，美国海军研究实验室利用拍频原理研制雷达，开始让发射机发射连续波，三年后改用脉冲波。

1934年，一批英国科学家在R.W.瓦特的领导下对地球大气层进行研究。有一天，一个偶然观察到的现象吸引了瓦特。它发现荧光屏上出现了一连串明亮的光点，但从亮度和距离分析，这些光点完全不同于被电离层反射回来的无线电回波信号。经过反复实验，他终于弄清，这些明亮的光点显示的正是被实验室附近一座大楼所反射的无线电回波信号。瓦特马上想到，在荧光屏上既然可以清楚地显示出被建筑物反射的无线电信号，那么活动的目标例如空中的飞机，不是也可以在荧光屏上得到反映吗？ 1935年研制成功第一部能用来探测飞机的雷达。后来，探测的目标又迅速扩展到船舶、海岸、岛屿、山峰、礁石、冰山，以及一切能够反射电磁波的物体。1935年2月26日，瓦特演示雷达的可行性，1935年4月，他取得英国空防雷达系统的专利。该系统是一种既能发射无线电波，又能接收反射波的装置，它能在很远的距离就探测到飞机的行动。这就是世界上第一台雷达。这台雷达能发出1.5cm的微波，因为微波比中波、短波的方向性都要好，遇到障碍后反射回的能量大，所以探测空中飞行的飞机性能好。1936年1月，W.瓦特在索夫克海岸架起了英国第一个雷达站。经过几次改进后，1938年，正式安装在泰晤士河口附近；这个200km长的雷达网，在第二次世界大战中给希特勒造成极大的威胁。

1935年，法国人古顿研制出用磁控管产生16cm波长的雷达，可以在雾天或黑夜发现其他船只。这是雷达和平利用的开始。

1937年，马可尼公司替英国加建20个链向雷达站。同年，美国第一个军舰雷达XAF试验成功。

1937年，瓦里安兄弟研制成高功率微波振荡器，又称速调管。

1939年，布特与兰特尔发明电子管，又称共振穴磁控管。

1941年，苏联最早在飞机上装备预警雷达。

1943年，美国麻省理工学院研制出机载雷达平面位置指示器，可将运动中的飞机拍摄下来，他还发明了可同时分辨几十个目标的微波预警雷达。

1947年，美国贝尔电话实验室研制出线性调频脉冲雷达。

20世纪50年代中期，美国装备了超距预警雷达系统，可以探寻超音速飞机。不久又研制出脉冲多普勒雷达。

1959年，美国通用电器公司研制出弹道导弹预警雷达系统，可发跟踪4900km远，966km高的导弹，预警时间为20min。

20世纪60年代，美国推出合成孔径雷达。

1964年，美国装置了第一个空间轨道监视雷达，用于监视人造地球卫星或空间飞行器。

1971年，加拿大的伊朱卡等3人发明全息矩阵雷达。与此同时，数字雷达技术在美国出现。

3.卫星及导航技术的发展

1945年10月，英国人A.C.克拉克提出静止卫星通信的设想。

1957年10月4日，苏联成功地发射了第一颗人造卫星“卫星1号”。它不仅标志着航天时代的开始，也意味着一个利用卫星进行通信的时代即将到来。

1958年12月，美国人利用“斯科尔”卫星进行录音带音响传输。

1960年8月，美国国防部把“回声1号”（Echo Ⅰ）卫星发射到距离地面高度约1600km的圆形轨道上，进行延迟中继通信试验。这是世界第一个“无源通信卫星”，因为这颗卫星上没有电源，故称之为“无源卫星”。它只能将信号反射回地面，被地面上的其他地点所接收到，从而实现通信。1960年10月，美利用“信使1B”卫星进行延迟中继通信。

1961年，苏联为执行“金星-1”探测计划，研制出第一代深空测控系统“冥王星”。20世纪70年代先后研制了第二代深空测控系统“土星-MC”、第三代深空无线电系统“量子-D”、第四代深空无线电系统“木星”。美国航空航天局1958年建成了深空网（DSN），用来沟通星际飞船执行任务的全球各地的网站，提供所有深空飞行任务通信。

1962年7月，美国国家航空宇航局（NASA）发射了“电星1号”。这颗卫星上装有无线电收发设备和电源，可对信号接收、处理、放大后再发射出去，大大提高了通信质量。这颗卫星在美国缅因州的安多弗站与英国的贡希利站和法国的普勒默—博多站之间成功地进行了横跨大西洋的电视转播和传送多路电话试验。

1962年8月，苏联进行东方3号、东方4号宇宙飞船间通信，以及宇宙电视试验。

1963年5月，美国发射了“西福特”铜针卫星。卫星进入轨道后把4亿个铜针均匀地撒在3600km高的轨道上造成一条人工的“电离层”。用来反射无线电信号供地面上两点之间的无线电通信。

1963年11月，美日利用“中继1号”卫星成功地进行了横跨太平洋的有源中继通信。

1964年8月，美国发射了“同步3号”（Syncom Ⅲ）卫星。这是世界上第一颗试验性静止卫星。10月，美国利用“同步3号”卫星向全世界转播了东京奥林匹克运动会的实况电视，轰动世界。

1965年4月，美国把“晨鸟”卫星送到大西洋上空的地球同步轨道上，该卫星后改名为“国际通信卫星—Ⅰ”。它可开通240路电话，几乎代替了大西洋海底电缆。并能24小时连续工作。从此，卫星通信进入了实用阶段。与此同时，苏联国内的通信卫星“闪电”则使用大椭圆轨道，其倾角为65°，远地点高度为4万km，近地点高度为480km。以此进行国内电视转播。

1966年10月至1967年9月，4颗“国际通信卫星——Ⅱ”升空，通信容量为400个双向话路，通信能力遍及环球。星体直径1.42m，高0.67m，重86kg，电源功率75W，寿命3年。

1968年9月至1970年7月，8颗“国际通信卫星—Ⅲ”升空，通信容量为1200个双向话路。星体直径1.42m，高1.04m，重152kg，电源功率为120W，寿命5年。

1971年1月至1975年5月，8颗“国际通信卫星——Ⅳ”升空，通信容量达5000个双向话路。星体直径2.38m，高2.28m，总高5.28m，重700kg，电源功率400W寿命7年。

1975年至1979年，2颗“国际通信卫星—ⅣA”升空，每颗有20个转发器，通信容量为6250个双向话路和2路彩色电视，寿命仍为7年。

20世纪70年代起研制出了中小容量（如8Mbit/s、34Mbit/s）的数字微波通信系统，这是通信技术由模拟向数字发展的必然结果。

1973年，摩托罗拉公司推出个人通信工具——移动手机，标志着无线电话通信进入普通人可使用的时代，此前的无线通信只能由军队、航空、航运、邮电等大型企业和部门掌握。1977年，美国海军提出了卫星-潜艇通信系统的方案，与美国国防研究远景规划局开始执行联合战略激光通信计划。

1980年至1984年，3颗“国际通信卫星—Ⅴ”升空，每颗有27个转发器，通信容量为12000个双向话路加2路彩色电视。第一次采用了三轴稳定和太阳电池板技术。电池功率为1742瓦，设计寿命7年。

1986年，开始发射“国际通信卫星—Ⅵ”，卫星重量为1689kg，频谱再用6次，有效带宽为3680MHz，具有34个转发器，可同时传送3万个双向话路加3路彩电。

20世纪90年代开始，“国际通信卫星—Ⅶ”升空，使用了大量的窄波束，并开发应用了5种新技术。该卫星可同时传送10万个双向话路加4路彩色电视。

2016年，航天科技集团提出鸿雁星座计划，将由60颗低轨道小卫星及全球数据业务处理中心组成，具有全天候、全时段及在复杂条件下的实时双向通信能力。在航天科技集团的2018年商业航天布局中，鸿雁星座的规模提升到了“300余颗低轨道小卫星”。工程具体将分3期建设，最终形成全球低轨移动互联网卫星系统。

2016年9月，航天科工集团提出“虹云工程”。虹云工程脱胎于航天科工之前提出的“福星计划”，计划发射156颗在1000km运行的低轨小卫星，组网构建一个星载宽带全球互联网络。

2018年12月，鸿雁、虹云首颗试验星发射成功。

4.卫星导航技术的发展

20世纪70年代，美国陆海空三军联合研制出新一代空间卫星导航定位系统GPS。经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座已布设完成。美国政府从2000年才开始放宽民间使用GPS系统的限制。图1-25为GPS卫星分布示意图，图1-26为GPS导航地图。

2003年5月26日，欧盟及欧洲航天局通过了伽利略计划的第一部分，包括于1999年从法国、德国、意大利及英国四国各自提出的不同概念，经四国的工程师将之整合而成的共同概念设计。2005年12月28日，格林尼治时间清晨5点19分，“伽利略”系统的首颗实验卫星“GIOVE-A”由俄罗斯“联盟-FG”火箭从哈萨克斯坦的拜科努尔航天中心发射升空。伽利略卫星导航正式运营时间被一再推迟，计划数量为30颗。

1982年至1995年间，苏联共发射了64颗GLONASS卫星定位系统卫星。

2000年10月31日，中国西昌卫星发射中心成功发射北斗导航试验卫星北斗-1A。到2012年10月25日，已发射的16颗北斗导航卫星组网运行，形成区域服务能力。根据计划，北斗卫星导航系统于2013年初向亚太大部分地区提供正式服务。预定2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统，规划相继发射5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。

2018年12月，我国的北斗三号卫星定位系统部署基本完成，正式对全球服务。

5.深空通信技术的发展

1980年起，美国海军以几乎每两年一次的频率，进行了6次海上大型蓝绿激光对潜通信试验，这些试验包括成功进行的12000m高空对水下300m深的潜艇的单工激光通信试验，以及在更高的天空、长续航时间的模拟无人驾驶飞机与以正常下潜深度和航速航行的潜艇间的双工激光通信可行性试验，证实了蓝绿激光通信能在天气不正常、大暴雨、海水浑浊等恶劣条件下正常进行。

进入21世纪以来，随着美国“机遇号”“勇气号”火星探测器成功登陆火星，“卡西尼号”探测器飞抵土星并成功释放“惠更斯号”探测器着陆土卫六，深空探测越来越成为人类关注的焦点。

6.深海通信技术的发展

1981年5月，美国通用电话电子公司用一架大型飞机在12000m左右的高度向水下潜艇发出一道短促而明亮的蓝绿色光束，进行了一次名为“蓝绿通信”的对潜通信试验。

2012年6月28日5时29分，“蛟龙”号在西太平洋的马里亚纳海沟进行了7062m下潜试验。所采用的高速数字化水声通信，可向母船传输文字、语音、图像，是“蛟龙”号的另一先进技术。即使水声通信出现故障，还有一套水声电话备用。这标志着我国深海通信取得新进展。