谢邀，这个问题太大，论文都很难涵盖全，写本书到挺合适。
不存在在不同轨道上都通用且快速有效的双向通信方式，这个原因异常简单，天线的增益是有方向的，地面站也是固定在地球的某个位置上，卫星的天线也不会一直指向地球，通常能用于通信的窗口是非常短的。
而且不同的轨道上使用的波段也不同，根据不同的卫星要求，从L、S、C、K、Ku、Ka波段的通信都存在。
现在的卫星通信基本上有三种，第一种是卫星之间的通信，第二种是星地之间直接通信，第三种通过中继卫星实现的星地通信，三种各自有适用的范围。
早期的深空探测器，比如旅行者一号：
中间的白色“锅”就是用来和地球通信的天线，直径3.7m，在卫星里已经算大了，然后在地球上放了一个37m的天线作为接收天线，通信波段是C波段（当年C段还没现在这么挤），这种方式只能等到天线对准地球的时候发射才能有效果，但所幸太空中信道质量相对来说还不错。
后来美国发射了火星探测车到火星，用探测车直接回传数据比较困难，于是美国利用在火星轨道上的奥德赛卫星作为中继，将信号传回地面，这就是第三种方式。
这种应用在地球轨道上也有，统称数据中继卫星，比如美国的TDRS，中国的天链，日本的DRTS，苏联也有，宇宙XXXX（记不得了……），这类卫星中有相当一部分未公开的是军用的，查不到数据。
这种卫星是通过接受高频段的卫星信号然后本地恢复，放大，传回地球，一般会几颗卫星形成星座覆盖全球，这是比较接近通用的星地通信方式，但是经过中继，效率就很难保证，而且这种系统目前兼容别国系统还比较麻烦，未来有IPoS的计划，但短期还没执行。
而且星载设备因为对抗辐射要求较高，而且卫星能提供的功率有限，和地面设备的性能相比还差一些，但由于太空中的信道质量非常稳定，可以用较高的载频点对点传输数据。
没有数据中继卫星之前，NASA使用了STDN网络配合地球站和部分测量船、测量飞机实地航天通信，理论上STDN实现良好通信要在全球布站，所以后来NASA选择了卫星中继。
后来有人（NASA）提出了自己的宇航通信的架构：
在通信协议方面，和平常协议的差别还是比较大的，宇航通信目前还停留在比较接近通信网而不是IP网络的阶段，地面的骨干网络数据层多半还是ATM，以及DVB和HDLC等协议，网络层根据情况，近空一般是IP，深空是基于SCPS的一种协议，传输层类似，近地使用TCP，深空使用SCPS-TP，应用层协议和平常的差不多，FTP、SMTP等都有。这部分可以参考CCSDS。
> http://public.ccsds.org/default.aspx
调制技术需要根据当时的科技能力、具体的系统需求来决定，早年间的调制方式以BPSK和QPSK为主，今年来以QAM和MSK技术为主，多载波通信技术目前是MQAM-OFDM为主，现在需求比较大的近地宽带卫星通信一般也会采用MIMO技术，基本上现代移动通信中遇到的问题在卫星通信中都会出现，有些问题（比如雨衰）还会更严重一些。
— 完 —
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【知乎日报】
你都看到这啦，快来点我嘛 Σ(▼□▼メ)
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