第6章卫星移动通信系统

第6章卫星移动通信系统2大纲卫星移动通信系统概述卫星运动规律与轨道参数非静止轨道卫星星座设计卫星星际链路特性卫星移动通信系统网络结构卫星移动通信系统频率规划典型卫星移动通信系统介绍3卫星移动通信系统概述卫星移动通信系统发展过程第一代卫星移动通信系统：模拟信号技术·1976年，由3颗静止卫星构成的MARISAT系统成为第1个提供海事移动通信服务的卫星系统（舰载地球站40W发射功率，天线直径1.2米）·1982年，Inmarsat-A成为第1个海事卫星移动电话系统第二代卫星移动通信系统：数字传输技术·1988年，Inmarsat-C成为第1个陆地卫星移动数据通信系统·1993年，Inmarsat-M和澳大利亚的Mobilesat成为第1个数字陆地卫星移动电话系统支持公文包大小的终端·1996年，Inmarsat-3可支持便携式的膝上型电话终端第三代卫星移动通信系统：手持终端·1998年，铱（Iridium）系统成为首个支持手持终端的全球低轨卫星移动通信系统·2003年以后，集成了卫星通信子系统的全球移动通信系统（UMTS/IMT-2000）4卫星移动通信系统概述续1卫星与地面移动通信系统的比较卫星移动通信系统地面移动通信系统易于快速实现大范围的完全覆盖覆盖范围随地面基础设施的建设而持续增长全球通用多标准，难以全球通用频率利用率低频率利用率高（蜂窝小区小）遮蔽效应使得通信链路恶化提供足够的链路余量以补偿信号衰落适合于低人口密度、有限业务量的农村环境适用于该人口密度、大业务量的城市环境5卫星运动规律与轨道参数开普勒三定理►第一定理（1602年）小物体（卫星）在围绕大物体（地球）运动时的轨道是一个椭圆，并以大物体的质心作为一个焦点►第二定理（1605年）小物体（卫星）在轨道上运动时，在相同的时间内扫过的面积相同►第三定理（1618年）小物体（卫星）的运动周期的平方与椭圆轨道半长轴的立方成正比关系6卫星运动规律与轨道参数续1开普勒定理的图形描述OCrbaaea(1+e)a(1-e)Re远地点近地点(a)(b)O7卫星运动规律与轨道参数续2卫星轨道形状参数►偏心率e：决定了椭圆轨道的扁平程度，当e=0时，椭圆轨道退化为圆轨道►轨道半长轴a：远地点与椭圆轨道中心C的距离►轨道半短轴b：近地点与椭圆轨道中心C的距离►e、a和b满足关系21(/)eba8卫星运动规律与轨道参数续3卫星轨道形状参数►半焦距：地心与椭圆轨道中心的距离►r：卫星到地心的瞬时距离，对椭圆轨道是个时变量，对圆轨道可看作常数►远地点(apogee)：地心与椭圆轨道中心的距离►近地点(perigee)：地心与椭圆轨道中心的距离maxmin(1)(1)Raerraerrae半焦距远地点近地点9卫星运动规律与轨道参数续4卫星轨道的极坐标表达式卫星椭圆轨道的极坐标表达式为式中：θ是瞬时卫星-地心连线与地心-近地点连线的夹角，是卫星在轨道面内相对于近地点的相位偏移量；p=a(1-e2)为椭圆半焦弦。2(1)1cos1cosaepree10卫星运动规律与轨道参数续5卫星的轨道速度和周期根据机械能守恒原理可以推出：►椭圆轨道上卫星的瞬时速度和轨道周期►圆轨道上卫星的瞬时速度和轨道周期321(/)2()aVkmsTsra卫星卫星＝（）＝3(Re)(/)2()hVkmsTsr卫星卫星＝＝11卫星运动规律与轨道参数续6例6.1某采用椭圆轨道的卫星，近地点高度（近地点到地球表面的距离）为1000km，远地点高度为4000Km。在地球平均半径为6378.137km的情况下，求该卫星的轨道周期T。解：根据图6-1(a)可知，长轴为远地点和近地点之间的直线距离，在半长轴为a，地球半径为Re，近地点高度为hp和远地点高度为ha时，有：所以，半长轴a=8878.137km，由此可计算轨道周期：22Re26378.1371000400017,756.274kmpaahh328325.1703()aTs＝12卫星运动规律与轨道参数续7地心坐标系►地心O为原点►X轴指向春分点方向►Z轴与地球的自转轴重合，指向北极点►X轴和Y轴确定的平面与赤道平面重合►X、Y、Z轴构成一个右手坐标系O升交点降交点交点线春分点方向XYZ赤道平面i近地点v轨道平面13卫星运动规律与轨道参数续8轨道参数►在地心坐标系中，为完整地描述任意时刻卫星在空间中的位置，通常使用2组6个轨道参数►第一组参数定义了轨道的方位，用于确定卫星相对于地球的位置►第二组参数定义了轨道的几何形状和卫星的运动特性，用于确定卫星在轨道面内的位置14卫星运动规律与轨道参数续9轨道参数确定轨道平面方位的三个参数为：►右旋升交点赤经Ω：赤道平面内从春分点方向到轨道面交点线间的角度，按地球自转方向度量►轨道倾角i：轨道平面与赤道平面间的夹角►近地点幅角ω：轨道平面内，升交点与近地点间的夹角，从升交点按卫星运行方向度量15卫星运动规律与轨道参数续10轨道参数确定轨道平面几何形状和卫星的运动特性的三个参数为：►轨道偏心率e：反映了轨道面的扁平程度，取值范围[0,1)；►轨道半长轴a：椭圆轨道中心到远地点的距离；►平均近点角M或过近地点时间tp：通过平均近点角M或过近地点时间tp可以计算卫星的真近点角ν。M和tp满足如下关系式（式中Ts为卫星轨道周期）。2()psMttT16卫星运动规律与轨道参数续11圆轨道参数对圆轨道，通常认为轨道偏心率恒为0，近地点和升交点重合，只需4个参数就可以完整描述卫星在空间的位置：►右旋升交点赤经Ω►轨道倾角i►轨道高度h►初始时刻的真近点角ν（即初始幅角）17卫星运动规律与轨道参数续12卫星在圆轨道平面内的定位►对圆轨道，以升交点代替近地点作为面内相位参考点►卫星以近似恒定的速度Vs飞行，因此瞬时卫星与升交点间的夹角θVt卫星18卫星运动规律与轨道参数续13卫星在椭圆轨道平面内的定位►由于椭圆轨道上卫星的在轨飞行速度是时变的，因此确定卫星在轨道内的位置的方法相对复杂►通常采用右侧所示几何方法来间接计算卫星的瞬时真近点角►图中，E称为偏心近点角，θ是真近点角OCEa轨道平面轨道平面的外接圆卫星飞行方向r19卫星运动规律与轨道参数续14卫星在椭圆轨道平面内的定位►根据开普勒第二定理，可以推导偏心近点角E与平均近点角M之间满足关系上式通常称为开普勒方程（Kepler’sequation），在偏心率e≠0时没有理论解，通常使用数值方法（如牛顿迭代法和线性迭代法）来计算E的值sinMEeE20卫星运动规律与轨道参数续15牛顿迭代法►迭代公式►迭代终止条件其中ε为允许的最大误差►使用数值方法计算出瞬时的偏心近点角E后，可以通过高斯方程计算真近点角θ：►通过如下方程计算瞬时卫星到地心的距离r1sin1sinkkkkkkkMEeEMMEEeE1kkMM12arctan(tan)12eEe(1cos)raeE21卫星运动规律与轨道参数续16卫星星下点轨迹►卫星的星下点指卫星－地心连线与地球表面的交点►星下点随时间在地球表面上的变化路径称为星下点轨迹►星下点轨迹是最直接地描述卫星运动规律的方法►由于卫星在空间沿轨道绕地球运行，而地球又在自转，因此卫星运行一圈后，其星下点一般不会再重复前一圈的运行轨迹22卫星运动规律与轨道参数续17卫星星下点轨迹►假定0时刻，卫星经过其右升交点，则卫星在任意时刻t（0）的星下点经度（用λs表示）和纬度（用φs表示）由以下方程组确定：0180(18090)()arctan(costan)0(9090)180(90180)()arcsin(sinsin)sestitti23卫星运动规律与轨道参数续18卫星星下点轨迹►一颗轨道高度为13892km，轨道倾角60º，初始位置（0ºE，0ºN）的卫星24小时的星下点轨迹如下图所示纬度经度24卫星运动规律与轨道参数续19单颗卫星覆盖特性计算►单颗卫星对地覆盖的几何关系如下图所示ReOd星地h+ReEx星下点观察点观察点地平线25卫星运动规律与轨道参数续20单颗卫星覆盖特性计算►E：观察点对卫星的仰角，以观察点的地平线为参考，可取值范围为[-90º,90º]►α：卫星和观察点间的地心角，可取值范围为[0º,180º]►β：卫星的半视角（或半俯角），可取值范围为[0º,90º]►d：卫星到观察点的距离►X：卫星覆盖区的半径►Re：地球平均半径►h：是卫星轨道高度26卫星运动规律与轨道参数续21单颗卫星覆盖特性计算►卫星和观察点间的地心角►当观察点和卫星的地理位置以经纬度坐标形式给出时，以(λu，φu)表示观察点的瞬时经纬度，(λs，φs)表示卫星的瞬时经纬度，则两者所夹的地心角由下式确定ReRearccoscosarcsinsinReRehEEharccossin()sin()cos()cos()cos()ususus27卫星运动规律与轨道参数续22单颗卫星覆盖特性计算►卫星的半视角►观察点的仰角ReResinarcsincosarctanRe(Re)RecosEhh(Re)cosReRearctanarccossin(Re)sinRehhEh28卫星运动规律与轨道参数续23单颗卫星覆盖特性计算►星地距离►覆盖区半径22222Re(Re)2Re(Re)cos=Resin2ReResindhhEhhEResinX29卫星运动规律与轨道参数续24单颗卫星覆盖特性计算►观察点的最小仰角Emin：系统的一个给定指标。根据Emin和卫星轨道高度h便可以计算卫星的最大覆盖地心角、最小星下点视角和最大星地传输距离，从而确定卫星的瞬时覆盖区的直径和面积、覆盖区内不同地点的卫星天线辐射增益和边沿覆盖区的最大传输损耗等30卫星运动规律与轨道参数续25单颗卫星覆盖特性计算►仰角E＝10º时，地心角α和卫星半视角β随卫星轨道高度h的变化情况如右图►地心角随轨道高度的增加而增大，卫星半视角随轨道高度的增加而减小，静止轨道卫星的地心角约72º，星下半视角约8.5º00.20.40.60.811.21.41.61.822.22.42.62.833.23.43.6x10401020304050607080()角度卫星轨道高度（km）地心角半视角31卫星运动规律与轨道参数续26单颗卫星覆盖特性计算►仰角E＝10º时，星地距离d随卫星轨道高度h的变化情况如右图►星地距离随轨道高度的增加而增大，静止轨道卫星的最大星地距离约为41000km00.61.21.82.433.6x1040.511.522.533.54x104(km)星地距离卫星轨道高度（km）32卫星运动规律与轨道参数续27例6.2：已知某卫星的轨道高度为1450km，系统允许的最小接入仰角为10º，试计算该卫星能够提供的最长连续服务时间。解：假设卫星恰好经过观察点上空。随着卫星运动，观察点的仰角经历从最小接入值增大到最大值90º再减小到最小接入值的过程。该过程中卫星能够提供最长连续的服务，此期间卫星运动扫过的地心角为：2αmax。卫星的最大覆盖地心角：卫星的在轨运动角速度所以，最长连续服务时间max6378.137arccoscos101026.6414506378.137433398601.582/9.1210/0.0522/(Re)(14506378.137)STradssh卫星maxmax2/1020.6917minSts33卫星运动规律与轨道参数续28非静止轨道卫星系统