第6章 移动卫星通信系统(上)：卫星星座设计

1第6章卫星星座设计卫星通信2概要6.1引言6.2卫星星座设计6.3星际链路6.4系统体系结构36.1引言卫星移动/宽带通信的发展起源1945ArthurC.Clarke的科学幻想论文：地球外的中继1957Sputnik：第一颗人造卫星，前苏联1960Echo:第一颗反射式卫星1964SYNCOMIII：第一颗GEO卫星1965INTELSATI：第一颗商用GEO卫星(EarlyBirdI)第一代：模拟技术1976第一代移动通信卫星：MARISAT的3颗GEO卫星提供海事通信服务，舰载站的发射功率为40W，天线为1.2米1982Inmarsat-A：第一个海事移动卫星电话系统46.1引言续1卫星移动/宽带通信的发展第二代：数字传输技术1988Inmarsat-C：第一个陆地移动卫星数据通信系统1993Inmarsat-Mandmobilesat(Australia)：第一代数字陆地移动卫星电话系统1996Inmarsat-3：支持膝上型终端的移动卫星电话系统第三代：手持系统1998Iridium：第一个支持手持终端的全球性低轨移动卫星通信系统2003集成了卫星通信子系统的全球移动通信系统(UMTS/IMT-2000)宽带卫星系统：Internet和多媒体通信2000ASTRA：支持高速Internet接入2001Spaceway,EuroSkyWay,SkyBridge,Teledesic等：支持固定、便携或移动多媒体通信的宽带卫星通信系统56.1引言续2地面和卫星移动通信系统的比较地面移动通信系统卫星移动通信系统覆盖范围随地面基础设施的建设而持续增长易于快速实现大范围的完全覆盖多标准，难以全球通用全球通用蜂窝小区小，频率利用率高频率利用率低提供足够的链路余量以补偿信号衰落遮蔽效应使得通信链路恶化适合于人口密度高，业务量密集的城市环境适合于低人口密度、业务量有限的农村环境66.2卫星星座设计卫星星座的定义具有相似的类型和功能的多颗卫星，分布在相似的或互补的轨道上，在共享控制下协同完成一定的任务设计基本出发点以最少数量的卫星实现对指定区域的覆盖,并且提供更好的服务76.2卫星星座设计续1卫星星座选择仰角要尽可能高(衰减小)传输延时尽可能小星上设备的电能消耗尽可能少如果系统采用星际链路，则面内和面间的星际链路干扰必须限制在可以接收的范围内对不同国家、不同类型的服务，轨位的分配需要遵循相应的规章制度多重覆盖问题以支持特定业务(GPS定位)或提供有QoS保证的业务86.2卫星星座设计续2卫星星座类型极/近极轨道星座倾斜圆轨道星座(主要有Walker的Delta星座和Ballard的Rosette星座)共地面轨迹星座赤道轨道星座混合轨道星座96.2卫星星座设计续3极轨道星座在极轨道星座中：每个轨道面有相同的倾角和相同数量的卫星，所有卫星具有相同的轨道高度轨道倾角为固定的90º，因此所有轨道平面在南北极形成两个交叉点星座卫星在高纬度地区密集，在低纬度地区稀疏顺行轨道平面间的间隔和逆行轨道平面间的不同106.2卫星星座设计续4极轨道星座卫星覆盖带(StreetofCoverage)半覆盖宽度式中S是每轨道面的卫星数量SatelliteflyingdirectioncoverageedgeofsatelliteStreetofcoveragesub-satellitepointcs/mincosarccos[]cos(/)RearccoscosRecSElh指的都是弧度116.2卫星星座设计续5极轨道星座顺行/逆行轨道面和‘缝隙(seam)’π星座由于存在逆向飞行现象，星座第一个和最后一个轨道面间的间隔小于其它相邻轨道面间的间隔1211111112co-rotatingorbitscounter-rotatingOrbits(seam)126.2卫星星座设计续6极轨道星座相邻轨道面的几何覆盖关系122/ccS顺行轨道面间的升交点经度差逆行轨道面间的升交点经度差相邻轨道面相邻卫星间相位差Co-rotatingorbitsCounter-rotatingorbitss/2c1c22ccc136.2卫星星座设计续7极轨道星座全球覆盖条件122cc12(1)(1)(1)cos(1)(1)arccoscos(/)PPPcPPScosarccos[]cos(/)cSP：轨道面数量146.2卫星星座设计续8极轨道星座单重全球覆盖星座参数PSα(º)∆1(º)h(km),El=10º2366.7104.520958.62457.698.410127.12553.296.57562.43542.366.13888.53638.764.33136.53736.563.22738.64730.848.31917.24828.947.61694.44927.647.01550.65924.238.01214.651023.037.71116.351122.237.41044.361119.931.4868.0156.2卫星星座设计续9极轨道星座球冠覆盖条件Equatorφ-φ(1)(1)coscos(1)(1)arccoscoscos(/)PPcPPS166.2卫星星座设计续9极轨道星座球冠覆盖条件17极轨道星座球冠覆盖条件(1)(1)coscos(1)(1)arccoscoscos(/)PPcPPS186.2卫星星座设计续10极轨道星座30º以上单重球冠覆盖星座参数PSα(º)∆1(º)h(km),El=10º2364.1111.816549.52453.4103.17650.02548.198.75508.33539.968.43373.53635.866.02631.53733.364.52252.64728.949.61692.94826.848.51466.24926.347.81318.25922.638.81077.8196.2卫星星座设计续11近极轨道星座倾角接近但不等于90º，即80-100º覆盖带设计方法仍然适用极轨道星座的设计方程需要进行扩展，加入倾角因素，以适用于近极轨道在两极上空的干扰比较严重，因此有时采用近极轨星座206.2卫星星座设计续12近极轨道星座近极轨道星座中，顺行和逆行轨道面间的升交点经度差和分别为式中，和分别对应极轨道星座顺行和逆行轨道面间的升交点经度差112222arcsin(sin/sin)coscosarccos()siniii1212i：轨道倾角216.2卫星星座设计续13近极轨道星座全球覆盖方程22sin{arccos[cos/cos(/)]}(1)arcsinsincos{2arccos[cos/cos(/)]}cosarccossinSPiSii226.2卫星星座设计续14近极轨道星座考虑到倾角的影响，近极轨道星座中相邻轨道相邻卫星间的相位差满足1/arctan(cos()tan())Si236.2卫星星座设计续15近极轨道星座倾角85º的单重全球覆盖近极轨道星座参数PSα(º)∆1(º)(º)h(km),EL=10°2366.7682104.6850103.825221063.89282457.807998.919097.395110251.51752553.589296.392393.98777743.22573542.164865.788866.28033862.02743638.554063.998764.45113111.37363736.313162.886463.31702716.65674730.711848.110548.35511908.45744828.836147.362247.60051686.66064927.525246.839147.07291541.86495924.128037.910938.08161209.859051022.988537.531737.70001110.405651122.133937.247337.41391039.416361119.863831.282031.4151864.89261246.2卫星星座设计续16倾斜圆轨道星座倾斜圆轨道星座特征：由高度和倾角相同的圆轨道组成，轨道面升交点在参考平面内均匀分布，卫星在每个轨道平面内均匀分布两类经典设计方法Walker的Delta星座Ballard的玫瑰(Rosette)星座两种方法是等效的256.2卫星星座设计续17倾斜圆轨道星座倾斜圆轨道星座的命名NWalkerDeltaConstellationBallardRosetteConstellationRAANN266.2卫星星座设计续18WalkerDelta星座相邻轨道面相邻卫星的相位差概念Orbit1Orbit2EquatorωfSatelliteflyingdirectionSatelliteflyingdirection276.2卫星星座设计续19WalkerDelta星座星座标识法Delta星座可以用一个3元参数组完整描述T/P/FT：星座卫星总数P：轨道平面数量F：相位因子，取值0到P-1相位因子确定相邻轨道面相邻卫星间的相位差2fFT286.2卫星星座设计续20例6.1某Delta星座标识为9/3/1:10355:43。假设初始时刻，星座第一颗卫星位于(0ºE,0ºN)。计算所有星座卫星的初始参数。解:星座相邻轨道面的升交点经度差为360º/3=120º轨道面内相邻卫星间的相位差为360º/(9/3)=120º相邻轨道面相邻卫星间的相位差为360º/9×1=40º轨道高度轨道倾角296.2卫星星座设计续21例子6.1续卫星的初始参数如下表轨道序号卫星序号升交点经度(º)初始弧角(º)1SAT1-100SAT1-20120SAT1-302402SAT2-112040SAT2-2120160SAT2-31202803SAT3-124080SAT3-2240200SAT3-3240320升交点是轨道面的特性，因此具有相同轨道升交点的卫星经度并不相同，除极轨卫星外。306.2卫星星座设计续22WalkerDelta星座最优Delta星座TPFi(º)αmin(º)h(km),El=10º55143.769.22714366453.166.42033477555.760.31225588661.956.59374.299770.254.88374.2105257.152.27089.71111453.847.65344.4123150.747.95442.11313558.443.84257.1147454.042.03824.3153153.542.13847.131Walker星座的设计：由英国人Walker最先提出的一种全球星座设计方法。设计要求是保证全球各地的用户在任何时候都能以某个最小仰角看到所要求数量（n颗）的卫星，即为n重覆盖。WalkerDelta星座小结32Walker星座被公认为最佳的全球覆盖星座，也是目前世界上用得最为广泛的一种全球覆盖星座设计方法；Walker星座设计还可以设计出只针对某个纬度带进行覆盖的地带性卫星星座；在Walker等人的基础之上，A.H.Ballard提出了玫瑰星座设计，其效果几乎与walker星座相同；336.2卫星星座设计续23Ballard玫瑰星座玫瑰星座的特性：圆轨道所有轨道的高度和倾角相同轨道面升交点在参考平面内均匀分布卫