衛(wèi)星通信第2章V3課件

1、1第二章第二章 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌道和通信衛(wèi)星組成衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌道和通信衛(wèi)星組成 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌道衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌道 衛(wèi)星和地球的幾何關(guān)系衛(wèi)星和地球的幾何關(guān)系衛(wèi)星星座和系統(tǒng)概念衛(wèi)星星座和系統(tǒng)概念 通信衛(wèi)星設(shè)計(jì)和有效載荷通信衛(wèi)星設(shè)計(jì)和有效載荷衛(wèi)星公用平臺(tái)和壽命衛(wèi)星公用平臺(tái)和壽命太陽(yáng)月球地球衛(wèi)星3不同高度不同高度不同傾斜角軌道平面上通信衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)不同傾斜角軌道平面上通信衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng) 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌道衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌道 4衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌道衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌道（續(xù)） 橢圓和圓形軌道橢圓和圓形軌道 衛(wèi)星與地球坐標(biāo)衛(wèi)星與地球坐標(biāo) 5由萬(wàn)有引力定律，可以導(dǎo)出衛(wèi)星相對(duì)于由萬(wàn)有引力定律，可以導(dǎo)出衛(wèi)星相對(duì)于地球運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程地球運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程 332122)

2、(rrrrmmgdtrd衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌道衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌道 （續(xù)）6衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌道衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌道 （續(xù)）7開(kāi)普勒第一定律開(kāi)普勒第一定律軌道定律軌道定律 衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)軌道一般是一個(gè)橢圓，地球衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)軌道一般是一個(gè)橢圓，地球的中心位于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。此定律的中心位于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。此定律用地心在一個(gè)焦點(diǎn)上的橢圓極坐標(biāo)，可用地心在一個(gè)焦點(diǎn)上的橢圓極坐標(biāo)，可以表示為：以表示為： )cos1 (erp8開(kāi)普勒第二定律開(kāi)普勒第二定律面積定律面積定律 衛(wèi)星的位置矢量衛(wèi)星的位置矢量r在單位時(shí)間內(nèi)掃過(guò)的面積一在單位時(shí)間內(nèi)掃過(guò)的面積一定。此定律的數(shù)學(xué)表示式導(dǎo)出為：定。此定律的數(shù)學(xué)表示式導(dǎo)出為： pdtrdrV為衛(wèi)星在軌道上

3、的瞬時(shí)速度。其中為衛(wèi)星在軌道上的瞬時(shí)速度。其中a為橢圓軌道的半為橢圓軌道的半長(zhǎng)軸，長(zhǎng)軸，r為衛(wèi)星到地心的距離。為衛(wèi)星到地心的距離。u為開(kāi)普勒常數(shù)，為開(kāi)普勒常數(shù)，u值為值為398601.58109m3/s221() (km/s)Vura910開(kāi)普勒第三定律開(kāi)普勒第三定律軌道周期定律軌道周期定律 衛(wèi)星圍繞地球運(yùn)動(dòng)一圈的周期衛(wèi)星圍繞地球運(yùn)動(dòng)一圈的周期T，與軌道與軌道的半長(zhǎng)軸的半長(zhǎng)軸a的的3/2次方成正比。次方成正比。2/32 aT 11衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度和軌道周期衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度和軌道周期 在橢圓軌道上衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)速度在橢圓軌道上衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)速度 對(duì)圓形軌道ar，公式可以簡(jiǎn)化為. )12(arVrV12靜止衛(wèi)星的

4、發(fā)射靜止衛(wèi)星的發(fā)射要使衛(wèi)星進(jìn)入運(yùn)行軌道，必須依靠運(yùn)載要使衛(wèi)星進(jìn)入運(yùn)行軌道，必須依靠運(yùn)載火箭。要想使衛(wèi)星繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)，還必須火箭。要想使衛(wèi)星繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)，還必須使衛(wèi)星的初始速度大于使衛(wèi)星的初始速度大于8km/s。但單級(jí)火但單級(jí)火箭的速度只能達(dá)到箭的速度只能達(dá)到2.5km/s，因此，發(fā)射因此，發(fā)射靜止衛(wèi)星必須采用帶有捆綁技術(shù)的三級(jí)靜止衛(wèi)星必須采用帶有捆綁技術(shù)的三級(jí)火箭，把幾支小火箭捆在大火箭的第一火箭，把幾支小火箭捆在大火箭的第一級(jí)上，用以提高發(fā)射的飛行速度，衛(wèi)星級(jí)上，用以提高發(fā)射的飛行速度，衛(wèi)星裝在第三級(jí)火箭的前端。裝在第三級(jí)火箭的前端。13發(fā)射衛(wèi)星的三級(jí)火箭發(fā)射衛(wèi)星的三級(jí)火箭示意圖示意圖15發(fā)射過(guò)

5、程發(fā)射過(guò)程一顆自旋穩(wěn)定的靜止衛(wèi)星的發(fā)射全部過(guò)程大體一顆自旋穩(wěn)定的靜止衛(wèi)星的發(fā)射全部過(guò)程大體可分為如下幾個(gè)階段?？煞譃槿缦聨讉€(gè)階段。 （1）進(jìn)入初始軌道）進(jìn)入初始軌道 開(kāi)始發(fā)射后，依次點(diǎn)燃三級(jí)火箭的一、二級(jí)火箭，開(kāi)始發(fā)射后，依次點(diǎn)燃三級(jí)火箭的一、二級(jí)火箭，把衛(wèi)星送到初始軌道。把衛(wèi)星送到初始軌道。16靜止衛(wèi)星的發(fā)射過(guò)程靜止衛(wèi)星的發(fā)射過(guò)程17軌道改變軌道改變GEO的發(fā)射過(guò)程有的發(fā)射過(guò)程有3次軌道改變次軌道改變n初始（停泊）軌道初始（停泊）軌道轉(zhuǎn)移軌道轉(zhuǎn)移軌道停泊軌道停泊軌道地球地球橢圓軌道18發(fā)射過(guò)程（續(xù)）發(fā)射過(guò)程（續(xù)） （2）進(jìn)入轉(zhuǎn)移軌道（第一次變軌）進(jìn)入轉(zhuǎn)移軌道（第一次變軌） 衛(wèi)星在初始軌道上只

6、飛行一小段，當(dāng)衛(wèi)星快要到達(dá)初衛(wèi)星在初始軌道上只飛行一小段，當(dāng)衛(wèi)星快要到達(dá)初始軌道與赤道平面的交點(diǎn)時(shí)，要點(diǎn)燃第三級(jí)火箭，以始軌道與赤道平面的交點(diǎn)時(shí)，要點(diǎn)燃第三級(jí)火箭，以使衛(wèi)星脫離初始軌道而進(jìn)入轉(zhuǎn)移軌道使衛(wèi)星脫離初始軌道而進(jìn)入轉(zhuǎn)移軌道20 （3）進(jìn)入漂移軌道（第二次變軌）進(jìn)入漂移軌道（第二次變軌） 衛(wèi)星在轉(zhuǎn)移軌道上運(yùn)行了幾圈，完成了上述各項(xiàng)準(zhǔn)備衛(wèi)星在轉(zhuǎn)移軌道上運(yùn)行了幾圈，完成了上述各項(xiàng)準(zhǔn)備工作后，當(dāng)再次到達(dá)遠(yuǎn)地點(diǎn)時(shí)，就要啟動(dòng)遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)工作后，當(dāng)再次到達(dá)遠(yuǎn)地點(diǎn)時(shí)，就要啟動(dòng)遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)，使衛(wèi)星進(jìn)入漂移軌道。機(jī)，使衛(wèi)星進(jìn)入漂移軌道。 （4）進(jìn)入靜止軌道（第三次變軌）進(jìn)入靜止軌道（第三次變軌） 衛(wèi)星在漂移

7、軌道上運(yùn)行時(shí)，離靜止衛(wèi)星定點(diǎn)位置是很衛(wèi)星在漂移軌道上運(yùn)行時(shí)，離靜止衛(wèi)星定點(diǎn)位置是很近的。近的。發(fā)射過(guò)程（續(xù)）發(fā)射過(guò)程（續(xù)）遠(yuǎn)地點(diǎn)的軌道變換遠(yuǎn)地點(diǎn)的軌道變換23衛(wèi)星上裝有通信用的定向天線，要求定衛(wèi)星上裝有通信用的定向天線，要求定向天線的波束應(yīng)指向地球中心或某覆蓋向天線的波束應(yīng)指向地球中心或某覆蓋區(qū)的中心。區(qū)的中心。 （1）角度慣性控制）角度慣性控制 角度慣性控制也叫角度慣性控制也叫自旋穩(wěn)定法自旋穩(wěn)定法，是早期靜止，是早期靜止衛(wèi)星常用的姿態(tài)控制方法。衛(wèi)星常用的姿態(tài)控制方法。n采用自旋穩(wěn)定法的衛(wèi)星，如采用自旋穩(wěn)定法的衛(wèi)星，如IS-，IS-等，等，衛(wèi)星的天線要安裝在一個(gè)平臺(tái)上。衛(wèi)星的天線要安裝在一個(gè)平

8、臺(tái)上。通信衛(wèi)星的姿態(tài)控制通信衛(wèi)星的姿態(tài)控制24（2）三軸穩(wěn)定法三軸穩(wěn)定法n 三軸穩(wěn)定法是指衛(wèi)星的姿態(tài)是由穩(wěn)定穿過(guò)三軸穩(wěn)定法是指衛(wèi)星的姿態(tài)是由穩(wěn)定穿過(guò)衛(wèi)星重心的三個(gè)軸來(lái)保證的。這三個(gè)軸分別衛(wèi)星重心的三個(gè)軸來(lái)保證的。這三個(gè)軸分別在衛(wèi)星軌道的切線、法線和軌道平面的垂線在衛(wèi)星軌道的切線、法線和軌道平面的垂線等三個(gè)方向上，分別對(duì)應(yīng)叫做滾動(dòng)軸、俯仰等三個(gè)方向上，分別對(duì)應(yīng)叫做滾動(dòng)軸、俯仰軸和偏航軸。軸和偏航軸。n三軸可以采用噴氣、慣性飛輪或電機(jī)等來(lái)直接分別三軸可以采用噴氣、慣性飛輪或電機(jī)等來(lái)直接分別控制每個(gè)軸保持穩(wěn)定?？刂泼總€(gè)軸保持穩(wěn)定。通信衛(wèi)星的姿態(tài)控制（續(xù)）通信衛(wèi)星的姿態(tài)控制（續(xù)）三軸穩(wěn)定法示意圖三軸穩(wěn)

9、定法示意圖26廣泛采用靜止軌道的原因廣泛采用靜止軌道的原因 大大地降低了建站所需的成本大大地降低了建站所需的成本多普勒頻移小多普勒頻移小 當(dāng)?shù)厍蛘咎炀€采用最小仰角為當(dāng)?shù)厍蛘咎炀€采用最小仰角為5 50 0時(shí)，靜時(shí)，靜止衛(wèi)星可以覆蓋幾乎止衛(wèi)星可以覆蓋幾乎 38% 38% 的地球表面的地球表面 29靜止軌道上衛(wèi)星的定位靜止軌道上衛(wèi)星的定位1. 遠(yuǎn)地點(diǎn)速度增量遠(yuǎn)地點(diǎn)速度增量)12(arV遠(yuǎn)地點(diǎn)速度遠(yuǎn)地點(diǎn)速度設(shè)設(shè) r = 42164.2km （H = 300km），），a = 24421.2kmVA = 1.65km/s同步軌道速度同步軌道速度VC = 3.07km/sV = VCVA = 1.46km

10、/s30靜止軌道上衛(wèi)星的定位（續(xù)）靜止軌道上衛(wèi)星的定位（續(xù)）2. 傾斜軌道的校正（在節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行）傾斜軌道的校正（在節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行）3. 靜止軌道上衛(wèi)星的定位精度靜止軌道上衛(wèi)星的定位精度 0.05 衛(wèi)星指向地心的偏離衛(wèi)星指向地心的偏離 0.231軌道平面取向和軌道參量軌道平面取向和軌道參量地心坐標(biāo)系地心坐標(biāo)系 地心地心O為原點(diǎn)為原點(diǎn) X軸指向春分點(diǎn)方向軸指向春分點(diǎn)方向 Z軸與地球的自轉(zhuǎn)軸重合，軸與地球的自轉(zhuǎn)軸重合， 指向北極點(diǎn)指向北極點(diǎn) X軸和軸和Y軸確定的平面軸確定的平面 與赤道平面重合與赤道平面重合 X、Y、Z軸構(gòu)成一個(gè)右手坐標(biāo)系軸構(gòu)成一個(gè)右手坐標(biāo)系 32軌道平面取向和軌道參量（續(xù)）軌道平面取向

11、和軌道參量（續(xù)）軌道參數(shù)軌道參數(shù) 在地心坐標(biāo)系中，為完整地描述任意時(shí)刻衛(wèi)星在在地心坐標(biāo)系中，為完整地描述任意時(shí)刻衛(wèi)星在空間中的位置，通常使用空間中的位置，通常使用2組組6個(gè)軌道參數(shù)個(gè)軌道參數(shù) 第一組參數(shù)定義了第一組參數(shù)定義了軌道的方位軌道的方位，用于確定衛(wèi)星相，用于確定衛(wèi)星相對(duì)于地球的位置對(duì)于地球的位置 第二組參數(shù)定義了第二組參數(shù)定義了軌道的幾何形狀軌道的幾何形狀和衛(wèi)星的和衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)特性特性，用于確定衛(wèi)星在軌道面內(nèi)的位置，用于確定衛(wèi)星在軌道面內(nèi)的位置33軌道平面取向和軌道參量（續(xù)）軌道平面取向和軌道參量（續(xù)）軌道參數(shù)軌道參數(shù)確定軌道平面方位的三個(gè)參數(shù)為：確定軌道平面方位的三個(gè)參數(shù)為： 右旋

12、升交點(diǎn)赤經(jīng)右旋升交點(diǎn)赤經(jīng)：赤道平面內(nèi)從春分點(diǎn)方向到：赤道平面內(nèi)從春分點(diǎn)方向到軌軌 道面交點(diǎn)線間的角度，按地球自轉(zhuǎn)方向度量道面交點(diǎn)線間的角度，按地球自轉(zhuǎn)方向度量 軌道傾角軌道傾角i：軌道平面與赤道平面間的夾角：軌道平面與赤道平面間的夾角 近地點(diǎn)幅角近地點(diǎn)幅角：軌道平面內(nèi)，升交點(diǎn)與近地點(diǎn)間：軌道平面內(nèi)，升交點(diǎn)與近地點(diǎn)間的的 夾角，從升交點(diǎn)按衛(wèi)星運(yùn)行方向度量夾角，從升交點(diǎn)按衛(wèi)星運(yùn)行方向度量34軌道平面取向和軌道參量（續(xù)）軌道平面取向和軌道參量（續(xù)）軌道參數(shù)軌道參數(shù)確定軌道平面幾何形狀和衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)特性的三個(gè)參數(shù)為：確定軌道平面幾何形狀和衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)特性的三個(gè)參數(shù)為： 軌道偏心率軌道偏心率e：反映了軌道面

13、的扁平程度，取值范圍：反映了軌道面的扁平程度，取值范圍0,1) ； 軌道半長(zhǎng)軸軌道半長(zhǎng)軸a：橢圓軌道中心到遠(yuǎn)地點(diǎn)的距離；：橢圓軌道中心到遠(yuǎn)地點(diǎn)的距離； 平均近點(diǎn)角平均近點(diǎn)角M或過(guò)近地點(diǎn)時(shí)間或過(guò)近地點(diǎn)時(shí)間tp ：通過(guò)平均近點(diǎn)角：通過(guò)平均近點(diǎn)角M或過(guò)或過(guò)近近 地點(diǎn)時(shí)間地點(diǎn)時(shí)間tp可以計(jì)算衛(wèi)星的真近點(diǎn)角可以計(jì)算衛(wèi)星的真近點(diǎn)角。 M和和tp滿足如下關(guān)滿足如下關(guān) 系式（式中系式（式中Ts為衛(wèi)星軌道周期）。為衛(wèi)星軌道周期）。2()psMttT3536軌道平面取向和軌道參量（續(xù)）軌道平面取向和軌道參量（續(xù)）圓軌道參數(shù)圓軌道參數(shù)對(duì)圓軌道，通常認(rèn)為軌道偏心率恒為對(duì)圓軌道，通常認(rèn)為軌道偏心率恒為0，近地點(diǎn)和升交點(diǎn)

14、重合，近地點(diǎn)和升交點(diǎn)重合，只需只需4個(gè)參數(shù)就可以完整描述衛(wèi)星在空間的位置：個(gè)參數(shù)就可以完整描述衛(wèi)星在空間的位置： 右旋升交點(diǎn)赤經(jīng)右旋升交點(diǎn)赤經(jīng)（上升節(jié)點(diǎn)右旋升仰角上升節(jié)點(diǎn)右旋升仰角 ） 軌道傾角軌道傾角i 軌道高度軌道高度h 初始時(shí)刻的真近點(diǎn)角初始時(shí)刻的真近點(diǎn)角（即初始幅角）（即初始幅角） 37軌道平面取向和軌道參量（續(xù)）軌道平面取向和軌道參量（續(xù)）典型圓形軌道典型圓形軌道eRTH322/38GEO外 范阿倫帶內(nèi) 范阿倫帶0051015202530500010000150002000025000300003500040000軌道高度與周期的關(guān)系軌道高度與周期的關(guān)系39外范外范阿倫帶阿倫帶外范外

15、范阿倫帶阿倫帶GEOMEOLEO按照衛(wèi)星軌道高度的分類(lèi)按照衛(wèi)星軌道高度的分類(lèi)41衛(wèi)星軌道計(jì)算常用參數(shù)衛(wèi)星軌道計(jì)算常用參數(shù)地球質(zhì)量地球質(zhì)量M = 5.9741024kg 萬(wàn)有引力常數(shù)萬(wàn)有引力常數(shù)G = 6.67210-11m3/kgs2開(kāi)卜勒常數(shù)開(kāi)卜勒常數(shù) =GM=3.98610-14m3/s2地球赤道平均半徑地球赤道平均半徑=6378.14km地球兩極平均半徑地球兩極平均半徑6356km地球平均半徑地球平均半徑6371km光速光速=299792.458km/s對(duì)地靜止軌道的平均半徑對(duì)地靜止軌道的平均半徑=42164.57km42衛(wèi)星和地球的幾何關(guān)系衛(wèi)星和地球的幾何關(guān)系單顆衛(wèi)星覆蓋特性計(jì)算單顆衛(wèi)

16、星覆蓋特性計(jì)算n單顆衛(wèi)星對(duì)地覆蓋的幾何關(guān)系如下圖所示單顆衛(wèi)星對(duì)地覆蓋的幾何關(guān)系如下圖所示 43地心角、仰角和星下角之間關(guān)系地心角、仰角和星下角之間關(guān)系 , )sin(sin)cos(cos211eeeeRRhEERhRE )cos(cos1tan)cos(sin211eeeeRRhERhR)sin(coscos1)(costan121eeeeRRhRhRE44由地球坐標(biāo)看星下角、仰角和地心角之由地球坐標(biāo)看星下角、仰角和地心角之間的關(guān)系間的關(guān)系 )cos(coscossinsincosSLSLSL)cos(coscosSLL45星地距離與覆蓋區(qū)半徑星地距離與覆蓋區(qū)半徑星地距離星地距離覆蓋區(qū)半徑覆

17、蓋區(qū)半徑ERhhRERRhRRhRdeeeeeeesin2sincos222222sineRX 46與時(shí)間的關(guān)系與時(shí)間的關(guān)系 由于非靜止衛(wèi)星相對(duì)一個(gè)固定地球站是由于非靜止衛(wèi)星相對(duì)一個(gè)固定地球站是移動(dòng)的，所以幾何關(guān)系隨時(shí)間變化。利移動(dòng)的，所以幾何關(guān)系隨時(shí)間變化。利用衛(wèi)星跟蹤的方程可以計(jì)算得隨時(shí)間變用衛(wèi)星跟蹤的方程可以計(jì)算得隨時(shí)間變化的距離和仰角。化的距離和仰角。 一顆最大仰角為一顆最大仰角為700的的MEO衛(wèi)星衛(wèi)星 和一顆最大仰角為和一顆最大仰角為400的的LEO衛(wèi)星衛(wèi)星在天上通過(guò)時(shí)，仰角隨時(shí)間改變時(shí)的圖形在天上通過(guò)時(shí)，仰角隨時(shí)間改變時(shí)的圖形 48衛(wèi)星的方位角、仰角和極化角衛(wèi)星的方位角、仰角和極

18、化角 如果一個(gè)地球站是處于這顆衛(wèi)星所覆蓋如果一個(gè)地球站是處于這顆衛(wèi)星所覆蓋的區(qū)域內(nèi)，它只需將它的天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，的區(qū)域內(nèi)，它只需將它的天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，就可以進(jìn)行通信。就可以進(jìn)行通信。 51按照地球站與星下點(diǎn)相對(duì)位置的不同，方按照地球站與星下點(diǎn)相對(duì)位置的不同，方位角位角A應(yīng)當(dāng)用下列關(guān)系式計(jì)算：應(yīng)當(dāng)用下列關(guān)系式計(jì)算：北半球地球站：衛(wèi)星在南偏東北半球地球站：衛(wèi)星在南偏東， ；衛(wèi)星在南偏西衛(wèi)星在南偏西， 。 南半球地球站：衛(wèi)星在北偏東南半球地球站：衛(wèi)星在北偏東， ； 衛(wèi)星在北偏西衛(wèi)星在北偏西， 0180AA0180AAAA 0360AA1tantansinSLLA52仰角的計(jì)算仰角的計(jì)算 )cos(cos

19、1)cos(costan21SLLeSLLrRE53極化角極化角 經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)推算，可以得出極化角與衛(wèi)星、經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)推算，可以得出極化角與衛(wèi)星、地球站的經(jīng)緯度，有下述關(guān)系：地球站的經(jīng)緯度，有下述關(guān)系： )tansin(tan1LLS衛(wèi)星的位置和地球站天線極化角的調(diào)整衛(wèi)星的位置和地球站天線極化角的調(diào)整 55最小仰角給定時(shí)最小仰角給定時(shí)一定高度衛(wèi)星的覆蓋面積一定高度衛(wèi)星的覆蓋面積 57覆蓋面積覆蓋面積覆蓋覆蓋 (或球冠或球冠) 面積可以用下列公式計(jì)算：面積可以用下列公式計(jì)算：).cos1 (2max2eRA1. 最小仰角給定時(shí)一定高度衛(wèi)星的覆蓋面積最小仰角給定時(shí)一定高度衛(wèi)星的覆蓋面積58最大距離最大距離

20、覆蓋面積的最大弧長(zhǎng)覆蓋面積的最大弧長(zhǎng)Lmax（即依靠這顆衛(wèi)星能即依靠這顆衛(wèi)星能進(jìn)行衛(wèi)星通信的最大距離）給出為進(jìn)行衛(wèi)星通信的最大距離）給出為:eRLmaxmax22. 高度高度H一定時(shí)用那顆衛(wèi)星能通信的最大距離一定時(shí)用那顆衛(wèi)星能通信的最大距離不同類(lèi)型軌道，在一些最小仰角情況下衛(wèi)星的覆蓋面積不同類(lèi)型軌道，在一些最小仰角情況下衛(wèi)星的覆蓋面積 60長(zhǎng)時(shí)延的影響和消除長(zhǎng)時(shí)延的影響和消除往返傳輸時(shí)延的計(jì)算和它對(duì)電話通信的往返傳輸時(shí)延的計(jì)算和它對(duì)電話通信的影響影響 長(zhǎng)時(shí)延消除的時(shí)延抵消器長(zhǎng)時(shí)延消除的時(shí)延抵消器長(zhǎng)時(shí)延對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊戦L(zhǎng)時(shí)延對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?1星蝕現(xiàn)象與日凌中斷星蝕現(xiàn)象與日凌中斷1. 日

21、蝕日蝕 )/2sin(4 .23)(0Tttie 2. 日凌中斷日凌中斷 地球赤道平面相對(duì)太陽(yáng)光方向的正弦變化地球赤道平面相對(duì)太陽(yáng)光方向的正弦變化傾斜角每年的周期性變化傾斜角每年的周期性變化一年中星蝕時(shí)間分布圖一年中星蝕時(shí)間分布圖 65衛(wèi)星星座和系統(tǒng)概念衛(wèi)星星座和系統(tǒng)概念一顆衛(wèi)星只能夠提供有限面積的業(yè)務(wù)。一顆衛(wèi)星只能夠提供有限面積的業(yè)務(wù)。為了擴(kuò)展覆蓋，一個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)可能要使為了擴(kuò)展覆蓋，一個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)可能要使用多顆衛(wèi)星。在這樣的系統(tǒng)中，所有衛(wèi)用多顆衛(wèi)星。在這樣的系統(tǒng)中，所有衛(wèi)星的組合稱之為星座。在一個(gè)星座中，星的組合稱之為星座。在一個(gè)星座中，通常衛(wèi)星具有相同的軌道類(lèi)型，但是也通常衛(wèi)星具有相同的軌道

22、類(lèi)型，但是也有某些系統(tǒng)，它是由不同軌道類(lèi)型的混有某些系統(tǒng)，它是由不同軌道類(lèi)型的混合組成的。合組成的。66非靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)的非靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)的軌道和高度選擇軌道和高度選擇衛(wèi)星軌道形狀和高度是確定完成對(duì)指定區(qū)域覆蓋所需的衛(wèi)星數(shù)衛(wèi)星軌道形狀和高度是確定完成對(duì)指定區(qū)域覆蓋所需的衛(wèi)星數(shù)量和系統(tǒng)特性的一個(gè)非常重要的因素量和系統(tǒng)特性的一個(gè)非常重要的因素 衛(wèi)星軌道的分類(lèi)：衛(wèi)星軌道的分類(lèi)：1）按形狀）按形狀l 橢圓軌道橢圓軌道l 圓軌道圓軌道2）按傾角）按傾角l 赤道軌道赤道軌道l 極軌道極軌道l 傾斜軌道傾斜軌道3）按高度）按高度l 低地球軌道（低地球軌道（LEO）l 中地球軌道（中地球軌道（MEO）l

23、靜止靜止/同步軌道（同步軌道（GEO/GSO）l 高橢圓軌道（高橢圓軌道（HEO） 67衛(wèi)星軌道按形狀分類(lèi)衛(wèi)星軌道按形狀分類(lèi) 橢圓軌道橢圓軌道通常只在衛(wèi)星相對(duì)地面運(yùn)通常只在衛(wèi)星相對(duì)地面運(yùn)動(dòng)速度較慢（即位于遠(yuǎn)地點(diǎn)附近）時(shí)才提動(dòng)速度較慢（即位于遠(yuǎn)地點(diǎn)附近）時(shí)才提供通信服務(wù)，因此更加適合于為特定的區(qū)供通信服務(wù)，因此更加適合于為特定的區(qū)域提供服務(wù)（特別是高緯度區(qū)域）域提供服務(wù)（特別是高緯度區(qū)域） 圓軌道圓軌道衛(wèi)星可以提供較均勻的覆蓋特衛(wèi)星可以提供較均勻的覆蓋特性，通常被提供較均勻的全球覆蓋的系統(tǒng)性，通常被提供較均勻的全球覆蓋的系統(tǒng)采用采用 68衛(wèi)星軌道按傾角分類(lèi)衛(wèi)星軌道按傾角分類(lèi)赤道軌道赤道軌道n傾角

24、為傾角為0，軌道上衛(wèi)星的運(yùn)行方向與地球自，軌道上衛(wèi)星的運(yùn)行方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同，且衛(wèi)星相對(duì)于地面的運(yùn)動(dòng)速度轉(zhuǎn)方向相同，且衛(wèi)星相對(duì)于地面的運(yùn)動(dòng)速度隨著衛(wèi)星高度的增加而降低。隨著衛(wèi)星高度的增加而降低。n當(dāng)軌道高度為當(dāng)軌道高度為35786 km時(shí)，衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度時(shí)，衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度與地球自轉(zhuǎn)的速度相同。如果此時(shí)軌道傾角與地球自轉(zhuǎn)的速度相同。如果此時(shí)軌道傾角為為0，則衛(wèi)星對(duì)地的運(yùn)動(dòng)速度為，則衛(wèi)星對(duì)地的運(yùn)動(dòng)速度為0，這種軌，這種軌道就是靜止（道就是靜止（Geostationary）軌道）軌道69衛(wèi)星軌道按傾角分類(lèi)（衛(wèi)星軌道按傾角分類(lèi)（續(xù)）同步軌道同步軌道n如果衛(wèi)星的傾角不為如果衛(wèi)星的傾角不為0，則衛(wèi)星仍然存

25、在對(duì)，則衛(wèi)星仍然存在對(duì)地的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這樣的軌道稱為地球同步地的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這樣的軌道稱為地球同步（Geosynchronous）軌道，其星下點(diǎn)軌跡）軌道，其星下點(diǎn)軌跡呈現(xiàn)出呈現(xiàn)出“8”字型。字型。70衛(wèi)星軌道按傾角分類(lèi)（衛(wèi)星軌道按傾角分類(lèi)（續(xù)） 極軌道極軌道n軌道面垂直于赤道平面，軌道傾角為軌道面垂直于赤道平面，軌道傾角為90，衛(wèi)星穿越地球的南北極衛(wèi)星穿越地球的南北極71衛(wèi)星軌道按傾角分類(lèi)（衛(wèi)星軌道按傾角分類(lèi)（續(xù)）傾斜軌道傾斜軌道 n順行順行傾斜軌道傾斜軌道傾角在傾角在0到到90之間，軌道上衛(wèi)之間，軌道上衛(wèi)星在赤道面上投影的運(yùn)行方向與地球自轉(zhuǎn)方星在赤道面上投影的運(yùn)行方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同向相同n

26、逆行傾斜軌道的傾角在逆行傾斜軌道的傾角在90到到180之間，軌道之間，軌道上衛(wèi)星在赤道面上投影的運(yùn)行方向與地球自上衛(wèi)星在赤道面上投影的運(yùn)行方向與地球自轉(zhuǎn)方向相反轉(zhuǎn)方向相反 72衛(wèi)星軌道按傾角分類(lèi)（衛(wèi)星軌道按傾角分類(lèi)（續(xù)）衛(wèi)星軌道按傾角分類(lèi)衛(wèi)星軌道按傾角分類(lèi)73衛(wèi)星軌道按按高度分類(lèi)衛(wèi)星軌道按按高度分類(lèi)各種軌道的可用高度范圍如下表各種軌道的可用高度范圍如下表軌道類(lèi)型軌道類(lèi)型可用高度（可用高度（km）LEO7002000MEO800020000GEO/GSO35786HEO遠(yuǎn)地點(diǎn)可達(dá)遠(yuǎn)地點(diǎn)可達(dá)4000074衛(wèi)星覆蓋衛(wèi)星覆蓋75全球覆蓋時(shí)衛(wèi)星和軌道平面的數(shù)目全球覆蓋時(shí)衛(wèi)星和軌道平面的數(shù)目 由地球表面面

27、積由地球表面面積 和一個(gè)六角和一個(gè)六角形面積形面積 ，可得出要求衛(wèi)星的最小數(shù)，可得出要求衛(wèi)星的最小數(shù)目目N為：為： 24eeRAhA )3(heAAN：重疊邊緣角：重疊邊緣角 76利用球冠的表面積利用球冠的表面積 ，并考慮并考慮21%面積的重疊，可以導(dǎo)出另一面積的重疊，可以導(dǎo)出另一個(gè)近似結(jié)果個(gè)近似結(jié)果N為：為：)cos1 (2max2eRA)cos1 (42. 2maxN全球覆蓋時(shí)衛(wèi)星和軌道平面的數(shù)目全球覆蓋時(shí)衛(wèi)星和軌道平面的數(shù)目 maxmax：最大地心角：最大地心角 不同軌道高度和最小仰角情況下，不同軌道高度和最小仰角情況下，一次到二次全球覆蓋時(shí)要求的衛(wèi)星數(shù)目一次到二次全球覆蓋時(shí)要求的衛(wèi)星數(shù)

28、目 378每個(gè)軌道平面提供兩顆衛(wèi)星用于赤道覆每個(gè)軌道平面提供兩顆衛(wèi)星用于赤道覆蓋，覆蓋的一段弧長(zhǎng)為蓋，覆蓋的一段弧長(zhǎng)為 。 因此，因此，在一個(gè)星座中要求軌道平面的最少數(shù)目在一個(gè)星座中要求軌道平面的最少數(shù)目P為：為： max3eRmax32eRP 全球覆蓋時(shí)衛(wèi)星和軌道平面的數(shù)目全球覆蓋時(shí)衛(wèi)星和軌道平面的數(shù)目 79Walker 星座星座Ballard 星座星座 Walker Delta星座星座 Ballard玫瑰（玫瑰（Rosette）星座）星座傾斜圓軌道星座傾斜圓軌道星座80傾斜圓軌道星座的基本特性傾斜圓軌道星座的基本特性 多個(gè)傾角和高度相同的軌道平面多個(gè)傾角和高度相同的軌道平面 各軌道平面具有

29、相同數(shù)量的衛(wèi)星各軌道平面具有相同數(shù)量的衛(wèi)星 各軌道平面內(nèi)衛(wèi)星在面內(nèi)均勻分布各軌道平面內(nèi)衛(wèi)星在面內(nèi)均勻分布 各軌道平面的右旋升交點(diǎn)在參考平面內(nèi)均勻分各軌道平面的右旋升交點(diǎn)在參考平面內(nèi)均勻分布布 相鄰軌道相鄰衛(wèi)星間存在確定的相位關(guān)系相鄰軌道相鄰衛(wèi)星間存在確定的相位關(guān)系傾斜圓軌道星座傾斜圓軌道星座81軌道傾角相同軌道傾角相同上升節(jié)點(diǎn)沿赤道均勻排列上升節(jié)點(diǎn)沿赤道均勻排列平面之間具有固定的平面偏移平面之間具有固定的平面偏移為描述星座情況還需要另外三個(gè)參數(shù)，典型地用三個(gè)為描述星座情況還需要另外三個(gè)參數(shù)，典型地用三個(gè)數(shù)字構(gòu)成的一個(gè)數(shù)字組來(lái)表示，稱為：數(shù)字構(gòu)成的一個(gè)數(shù)字組來(lái)表示，稱為：Walker 符號(hào)：符號(hào)

30、：N / P / F Walker傾斜星座傾斜星座82Delta星座標(biāo)識(shí)法星座標(biāo)識(shí)法Walker采用采用3個(gè)參數(shù)來(lái)描述個(gè)參數(shù)來(lái)描述Delta星座：星座：N/P/FlN 衛(wèi)星總數(shù)衛(wèi)星總數(shù)；lP 軌道面數(shù)量軌道面數(shù)量；lF 相位因子相位因子；lDelta星座星座按下式確定相鄰軌道相鄰衛(wèi)星的初始相位差按下式確定相鄰軌道相鄰衛(wèi)星的初始相位差 2/fF TWalker傾斜星座（續(xù)）傾斜星座（續(xù)）83Delta星座星座 Delta星座使用相鄰軌道面內(nèi)，相鄰衛(wèi)星的初始相位差來(lái)確星座使用相鄰軌道面內(nèi)，相鄰衛(wèi)星的初始相位差來(lái)確定星座中各衛(wèi)星的相對(duì)空間位置關(guān)系定星座中各衛(wèi)星的相對(duì)空間位置關(guān)系 相鄰軌道面相鄰衛(wèi)星相

31、位差的物理意義如下圖相鄰軌道面相鄰衛(wèi)星相位差的物理意義如下圖 Walker傾斜星座（續(xù)）傾斜星座（續(xù)）Walker 9/ 3/ 1星座星座 高度為高度為1414 km的全球星系統(tǒng)的全球星系統(tǒng) (Walker 48/ 8/ 1星座星座) 86Walker傾斜星座（續(xù)）傾斜星座（續(xù)）Walker的最優(yōu)的最優(yōu)Delta星座星座 NPFi ()min ()h (km)55143.769.22714366453.166.42033477555.760.31225588661.956.59374.299770.254.88374.2105257.152.27089.71111453.847.65344.4

32、123150.747.95442.11313558.443.84257.1147454.042.03824.3153153.542.13847.1需要指出，該表中的數(shù)據(jù)是由Walker手工計(jì)算得到的87Ballard傾斜星座傾斜星座*玫瑰星座玫瑰星座 Rosette星座中，衛(wèi)星的初始相位與其所在軌道星座中，衛(wèi)星的初始相位與其所在軌道面的右旋升交點(diǎn)赤經(jīng)（或經(jīng)度值）成一定的比例面的右旋升交點(diǎn)赤經(jīng)（或經(jīng)度值）成一定的比例關(guān)系關(guān)系 Ballard使用使用3個(gè)不變的方向角和一個(gè)時(shí)變的相個(gè)不變的方向角和一個(gè)時(shí)變的相位角來(lái)確定衛(wèi)星在運(yùn)行天球面上的瞬時(shí)位置位角來(lái)確定衛(wèi)星在運(yùn)行天球面上的瞬時(shí)位置88Ballar

33、d傾斜星座（續(xù)）傾斜星座（續(xù)） *Ballard的衛(wèi)星位置以及相互關(guān)系示意圖 2 /jjjjjijT為第 個(gè)軌道平面的右旋升交點(diǎn)為軌道面傾角為第 顆衛(wèi)星在軌道面內(nèi)的初始相位，從右旋升交點(diǎn)順衛(wèi)星運(yùn)行方向測(cè)量為衛(wèi)星在軌道平面內(nèi)的時(shí)變相位89Ballard傾斜星座（續(xù)）傾斜星座（續(xù)） *玫瑰星座標(biāo)識(shí)法Ballard采用3個(gè)參數(shù)來(lái)描述玫瑰星座: (N, P, m) N 代表星座的衛(wèi)星總數(shù)； P 代表星座的軌道面數(shù)量； m 稱為協(xié)因子協(xié)因子，確定了衛(wèi)星在軌道面內(nèi)的初始相位。 協(xié)因子m是一個(gè)非常重要的玫瑰星座參數(shù)，它不僅影響衛(wèi)星初始時(shí)刻在運(yùn)行天球上的分布，也影響衛(wèi)星組成的圖案在天球上的旋進(jìn)速度。 90Ba

34、llard傾斜星座（續(xù)）傾斜星座（續(xù)）*衛(wèi)星方向角與玫瑰星座參數(shù)的關(guān)系對(duì)衛(wèi)星總數(shù)為N，軌道面數(shù)量為P，每軌道面內(nèi)衛(wèi)星數(shù)量為S的玫瑰星座，衛(wèi)星的方向角具有如下的對(duì)稱形式： 2/0 1(0 1)/2/(2/)jjjjj PjNiimNSmmj PmSj NNP S91Ballard傾斜星座（續(xù)）傾斜星座（續(xù)） *協(xié)因子m的特性 協(xié)因子m可以是整數(shù)也可以是不可約分?jǐn)?shù)； 如果m是0到N1的整數(shù)，即意味著S1，表示星座中每一個(gè)軌道平面上只有一顆衛(wèi)星； 如果協(xié)因子m為不可約分?jǐn)?shù)，則一定以S為分母，表示星座中每一個(gè)軌道平面上有S顆衛(wèi)星。 92Ballard傾斜星座（續(xù)）傾斜星座（續(xù)） *最優(yōu)玫瑰星座參數(shù)NP

35、mi ()min ()h (km)T (hour)55143.6669.1526992.2816.9066453.1366.4220371.7712.1377555.6960.2612220.517.0388661.8656.529388.625.4999770.5454.818380.874.971010847.9351.536799.094.191111453.7947.625344.883.521231/4, 7/450.7347.905440.553.561313558.4443.764247.843.0414711/253.9841.963814.132.851531/5, 4/5,

36、 7/5, 13/553.5142.133852.392.8793極星座極星座軌道平面相對(duì)于赤道平面的傾角為軌道平面相對(duì)于赤道平面的傾角為90軌道穿越地球南北極上空軌道穿越地球南北極上空最早由美國(guó)科學(xué)家最早由美國(guó)科學(xué)家R.D.Lder提出提出D.C.Beste進(jìn)行了進(jìn)一步的分析和優(yōu)化進(jìn)行了進(jìn)一步的分析和優(yōu)化W.S.Adams和和L.Rider給出了目前被廣泛采用的優(yōu)化給出了目前被廣泛采用的優(yōu)化極軌道星座優(yōu)化設(shè)計(jì)方法極軌道星座優(yōu)化設(shè)計(jì)方法94極星座（續(xù)）極星座（續(xù)）衛(wèi)星覆蓋帶衛(wèi)星覆蓋帶(Street of Coverage) 覆蓋帶是基于同一軌道面內(nèi)多顆衛(wèi)星覆蓋帶是基于同一軌道面內(nèi)多顆衛(wèi)星的相鄰

37、重疊覆蓋特性，在地面上形成的的相鄰重疊覆蓋特性，在地面上形成的一個(gè)連續(xù)覆蓋區(qū)域一個(gè)連續(xù)覆蓋區(qū)域 覆蓋帶半（地心角）寬度覆蓋帶半（地心角）寬度c 式中，式中，為為單顆衛(wèi)星覆蓋的半地心角寬度，單顆衛(wèi)星覆蓋的半地心角寬度，S為每為每個(gè)軌道面內(nèi)的衛(wèi)星數(shù)量，個(gè)軌道面內(nèi)的衛(wèi)星數(shù)量，/S為衛(wèi)星之間的半地為衛(wèi)星之間的半地心角寬度心角寬度cosarccoscos(/ )cS95極星座（續(xù)）極星座（續(xù)） 極軌道星座極點(diǎn)觀察投影圖極軌道星座極點(diǎn)觀察投影圖 星座星座 星座軌道面間的經(jīng)度差不同星座軌道面間的經(jīng)度差不同 順行軌道面間的間隔較大順行軌道面間的間隔較大 逆行軌道面間的間隔較小逆行軌道面間的間隔較小96當(dāng)最后一

38、個(gè)軌道平面與第一個(gè)軌道平面當(dāng)最后一個(gè)軌道平面與第一個(gè)軌道平面相遇時(shí)，一定有一個(gè)軌道的鄰近軌道以相遇時(shí)，一定有一個(gè)軌道的鄰近軌道以相反方向旋轉(zhuǎn)。兩個(gè)相反方向旋轉(zhuǎn)軌道相反方向旋轉(zhuǎn)。兩個(gè)相反方向旋轉(zhuǎn)軌道之間的區(qū)域稱為接縫。之間的區(qū)域稱為接縫。 極星座（續(xù)）極星座（續(xù)）97極星座（續(xù)）極星座（續(xù)）相鄰軌道面覆蓋的幾何關(guān)系相鄰軌道面覆蓋的幾何關(guān)系 順行軌道面的衛(wèi)星之間保持固定順行軌道面的衛(wèi)星之間保持固定的空間相位關(guān)系的空間相位關(guān)系 逆行軌道面的衛(wèi)星之間的空間相逆行軌道面的衛(wèi)星之間的空間相位關(guān)系則是變化的位關(guān)系則是變化的 極軌道星座中順行和逆行軌道面極軌道星座中順行和逆行軌道面之間的經(jīng)度差之間的經(jīng)度差1和

39、和2滿足滿足 122cc 98極星座（續(xù)）極星座（續(xù)）極軌道星座的衛(wèi)星分布特性極軌道星座的衛(wèi)星分布特性l星座中的衛(wèi)星在天球上的分布不均勻星座中的衛(wèi)星在天球上的分布不均勻l赤道平面上最稀疏，相互間的間隔距離最大赤道平面上最稀疏，相互間的間隔距離最大l在兩極處最密集，相互間的間隔距離最小在兩極處最密集，相互間的間隔距離最小因此，在考慮極軌道星座對(duì)全球的覆蓋時(shí)，只需考慮對(duì)因此，在考慮極軌道星座對(duì)全球的覆蓋時(shí)，只需考慮對(duì)赤道實(shí)現(xiàn)連續(xù)覆蓋；在考慮對(duì)球冠區(qū)域的覆蓋時(shí)，只需考慮赤道實(shí)現(xiàn)連續(xù)覆蓋；在考慮對(duì)球冠區(qū)域的覆蓋時(shí)，只需考慮對(duì)球冠的最低緯度圈實(shí)現(xiàn)連續(xù)覆蓋。對(duì)球冠的最低緯度圈實(shí)現(xiàn)連續(xù)覆蓋。 99極星座（續(xù)

40、）極星座（續(xù)）極軌道星座實(shí)現(xiàn)全球覆蓋極軌道星座實(shí)現(xiàn)全球覆蓋極軌道星座實(shí)現(xiàn)全球覆蓋時(shí)，星座參數(shù)應(yīng)滿足方程極軌道星座實(shí)現(xiàn)全球覆蓋時(shí)，星座參數(shù)應(yīng)滿足方程相鄰軌道面相鄰衛(wèi)星之間的相位差相鄰軌道面相鄰衛(wèi)星之間的相位差 應(yīng)滿足應(yīng)滿足 12(1) (1)(1) cos(1)(1)arccoscos(/ )PPPcPPS /SS為每個(gè)軌道中的衛(wèi)星數(shù)目為每個(gè)軌道中的衛(wèi)星數(shù)目100極星座（續(xù)）極星座（續(xù)）極軌道星座實(shí)現(xiàn)極冠覆蓋極軌道星座實(shí)現(xiàn)極冠覆蓋極軌道星座實(shí)現(xiàn)全球覆蓋時(shí)，星座參數(shù)應(yīng)滿足方程極軌道星座實(shí)現(xiàn)全球覆蓋時(shí)，星座參數(shù)應(yīng)滿足方程式中，式中， 為極冠覆蓋區(qū)的最低緯度為極冠覆蓋區(qū)的最低緯度相鄰軌道面相鄰衛(wèi)星之間

41、的相位差與全球覆蓋時(shí)的相同相鄰軌道面相鄰衛(wèi)星之間的相位差與全球覆蓋時(shí)的相同(1)(1)cos cos(1)(1)arccoscoscos(/ )PPcPPS101給定最小仰角給定最小仰角Emin，按照地心角調(diào)整軌道按照地心角調(diào)整軌道高度，高度，可以由軌道平面數(shù)得出：可以由軌道平面數(shù)得出：.1)cos(/cosminminEERHe極星座極星座（續(xù)）（續(xù)）102在一個(gè)極星座中需要的衛(wèi)星數(shù)可以近似在一個(gè)極星座中需要的衛(wèi)星數(shù)可以近似用下式得出：用下式得出：)cos1 ( /4maxN)cos1 (42. 2maxN極星座極星座（續(xù)）（續(xù)）maxmax：最大地心角：最大地心角 VS103極星座（續(xù)）極

42、星座（續(xù)）近極軌道星座近極軌道星座 衛(wèi)星軌道平面與赤道平面的夾角為衛(wèi)星軌道平面與赤道平面的夾角為80100（除（除90）時(shí)）時(shí)的軌道的軌道 由于近極軌道星座的傾角接近由于近極軌道星座的傾角接近90，仍可以采用覆蓋帶分，仍可以采用覆蓋帶分析的方法，考慮在赤道區(qū)域連續(xù)覆蓋時(shí)的要求，采用解析方析的方法，考慮在赤道區(qū)域連續(xù)覆蓋時(shí)的要求，采用解析方法確定最優(yōu)星座參數(shù)。法確定最優(yōu)星座參數(shù)。 104極星座極星座（續(xù)）（續(xù)）近極軌道星座實(shí)現(xiàn)全球覆蓋 根據(jù)近極軌道的傾角特性，近極軌道星座中順行和逆行軌道面之間的經(jīng)度差 和 滿足： 相鄰軌道面相鄰衛(wèi)星之間的相位差 滿足112222arcsin(sin/sin )c

43、oscosarccos()siniii 121/arctan(cos( ) tan()Si105極星座極星座（續(xù)）（續(xù)）近極軌道星座實(shí)現(xiàn)全球覆蓋因此，在實(shí)現(xiàn)全球覆蓋時(shí)，近極軌道星座的參數(shù)應(yīng)滿足方程：22sinarccoscos/cos(/ )(1) arcsinsincos2 arccoscos/cos(/ )cosarccossinSPiSii106非同步極星座非同步極星座在在LEO系統(tǒng)中要使用大量衛(wèi)星，控制每系統(tǒng)中要使用大量衛(wèi)星，控制每顆衛(wèi)星的相位這時(shí)可能是困難的。為此，顆衛(wèi)星的相位這時(shí)可能是困難的。為此，可采用非同步可采用非同步LEO極星座。即只在同一極星座。即只在同一個(gè)軌道平面上控制衛(wèi)

44、星軌道相位，而對(duì)個(gè)軌道平面上控制衛(wèi)星軌道相位，而對(duì)不同軌道平面上的相位不進(jìn)行控制。不同軌道平面上的相位不進(jìn)行控制。107GEO、LEO、MEO和和HEO系統(tǒng)概念系統(tǒng)概念 GEO 軌道周期軌道周期Te = 23h 56m 4s軌道高度軌道高度H =35,786km34顆星覆蓋全球顆星覆蓋全球傳播延遲傳播延遲0.5s以上以上高增益天線高增益天線應(yīng)用應(yīng)用 INMARSAT-31082. HEO 軌道周期軌道周期T 12h軌道傾角軌道傾角i = 63.42顆以上星可全天覆蓋北極地區(qū)顆以上星可全天覆蓋北極地區(qū)跟蹤天線跟蹤天線應(yīng)用應(yīng)用 PENTRIAD109 3. LEO系統(tǒng)概念系統(tǒng)概念 LEO衛(wèi)星高度衛(wèi)

45、星高度7001500km，傾斜軌道或極軌道，傾斜軌道或極軌道往返延遲數(shù)十毫秒量級(jí)往返延遲數(shù)十毫秒量級(jí)單顆衛(wèi)星覆蓋范圍小單顆衛(wèi)星覆蓋范圍小星座系統(tǒng)要求的衛(wèi)星數(shù)目多（幾十顆）星座系統(tǒng)要求的衛(wèi)星數(shù)目多（幾十顆）應(yīng)用：應(yīng)用：nGlobalStar（48顆）顆）nIridium（77顆）顆）nTeledesic （288顆）顆）110 4. MEO系統(tǒng)概念（或系統(tǒng)概念（或ICO系統(tǒng)）系統(tǒng)）LEO和和GEO的折衷的折衷具有的高度具有的高度H 約在約在10000 km左右左右10-15顆衛(wèi)星達(dá)到全球覆蓋顆衛(wèi)星達(dá)到全球覆蓋 應(yīng)用：應(yīng)用：ICO （10顆）顆）112通信衛(wèi)星設(shè)計(jì)和有效載荷通信衛(wèi)星設(shè)計(jì)和有效載荷通

46、信衛(wèi)星設(shè)計(jì)考慮通信衛(wèi)星設(shè)計(jì)考慮1. 通信考慮通信考慮 n提供業(yè)務(wù)種類(lèi)（固定、移動(dòng)、提供業(yè)務(wù)種類(lèi)（固定、移動(dòng)、DTH廣播等）廣播等）n通信容量（轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬和衛(wèi)星通信容量（轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬和衛(wèi)星EIRP）n覆蓋面積覆蓋面積n技術(shù)限制技術(shù)限制113通信衛(wèi)星設(shè)計(jì)和有效載荷（續(xù)）通信衛(wèi)星設(shè)計(jì)和有效載荷（續(xù)）通信衛(wèi)星設(shè)計(jì)考慮通信衛(wèi)星設(shè)計(jì)考慮2. 環(huán)境條件環(huán)境條件 n萬(wàn)有引力萬(wàn)有引力n大氣壓力和溫度大氣壓力和溫度n空間粒子空間粒子n磁場(chǎng)磁場(chǎng)n其他作用力其他作用力117通信衛(wèi)星有效載荷通信衛(wèi)星有效載荷 商用通信衛(wèi)星商用通信衛(wèi)星n衛(wèi)星有效載荷衛(wèi)星有效載荷n公用平臺(tái)公用平臺(tái)(或稱公用艙或稱公用艙)通信衛(wèi)星的組成框圖通信

47、衛(wèi)星的組成框圖 1201.1.天線分系統(tǒng)天線分系統(tǒng) 天線類(lèi)型天線類(lèi)型n定向天線定向天線n全向天線全向天線 天線系統(tǒng)的選擇：取決于覆蓋區(qū)的大小和形狀天線系統(tǒng)的選擇：取決于覆蓋區(qū)的大小和形狀 衛(wèi)星的通信覆蓋區(qū)，通常用地面上相對(duì)下發(fā)天線衛(wèi)星的通信覆蓋區(qū)，通常用地面上相對(duì)下發(fā)天線波束中心，具有固定接收功率的輪廓線來(lái)表示。波束中心，具有固定接收功率的輪廓線來(lái)表示。 中星中星6號(hào)衛(wèi)星天線波束覆蓋圖號(hào)衛(wèi)星天線波束覆蓋圖 123星載天線星載天線 喇叭型天線喇叭型天線 拋物面反射型天線拋物面反射型天線 賦形天線賦形天線 相控陣列天線相控陣列天線 多波束天線多波束天線124全球波束全球波束喇叭天線喇叭天線形狀似喇

48、叭，如圓錐形、角錐形形狀似喇叭，如圓錐形、角錐形一般由圓錐喇叭天線加上一般由圓錐喇叭天線加上4545的反射板組成的反射板組成 輻射效率高輻射效率高天線方向性強(qiáng)天線方向性強(qiáng) 波束的半功率寬度約等于波束的半功率寬度約等于17.417.4，覆蓋衛(wèi)星，覆蓋衛(wèi)星對(duì)地球的整個(gè)視區(qū)對(duì)地球的整個(gè)視區(qū)星載天線星載天線 (2)126星載天線星載天線 (3)點(diǎn)波束天線點(diǎn)波束天線拋物面天線拋物面天線覆蓋面積小，一般為圓形，半功率波束寬度覆蓋面積小，一般為圓形，半功率波束寬度為幾度為幾度天線通常為前饋拋物面天線，饋源為喇叭天線通常為前饋拋物面天線，饋源為喇叭中心饋源和偏置饋源的拋物面反射天線中心饋源和偏置饋源的拋物面反

49、射天線雙極化通信衛(wèi)星天線雙極化通信衛(wèi)星天線 中心饋源的阻擋效應(yīng)中心饋源的阻擋效應(yīng)波束寬度與天線直徑的關(guān)系波束寬度與天線直徑的關(guān)系132 賦形天線賦形天線特定區(qū)域波束特定區(qū)域波束多個(gè)饋源，一個(gè)反射面多個(gè)饋源，一個(gè)反射面饋源的相對(duì)位置、饋電幅度和相位可調(diào)饋源的相對(duì)位置、饋電幅度和相位可調(diào)通過(guò)修改反射器形狀通過(guò)修改反射器形狀，產(chǎn)生多個(gè)不同指向的點(diǎn)波束產(chǎn)生多個(gè)不同指向的點(diǎn)波束也可利用多個(gè)饋源從不同方向經(jīng)反射器反射產(chǎn)生多也可利用多個(gè)饋源從不同方向經(jīng)反射器反射產(chǎn)生多波束的組合波束的組合提高覆蓋區(qū)的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)提高覆蓋區(qū)的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)星載天線星載天線 (4)對(duì)覆蓋區(qū)賦形對(duì)覆蓋區(qū)賦形136 相控陣列天線和多波束天線相

50、控陣列天線和多波束天線可組成線陣、平面陣、圓環(huán)陣、圓柱陣和球形陣可組成線陣、平面陣、圓環(huán)陣、圓柱陣和球形陣輻射單元的數(shù)目、相對(duì)位置、強(qiáng)度和相位可調(diào)、輻射單元的數(shù)目、相對(duì)位置、強(qiáng)度和相位可調(diào)、可控可控輻射特性是各單元發(fā)射場(chǎng)的復(fù)矢量之和輻射特性是各單元發(fā)射場(chǎng)的復(fù)矢量之和可以不改變天線的物理位置實(shí)現(xiàn)波束位置的移動(dòng)可以不改變天線的物理位置實(shí)現(xiàn)波束位置的移動(dòng) 星載天線星載天線 (5)多波束衛(wèi)星天線的典型方框圖多波束衛(wèi)星天線的典型方框圖INTELSAT第第7代衛(wèi)星多波束天線覆蓋圖代衛(wèi)星多波束天線覆蓋圖 1392. 星載轉(zhuǎn)發(fā)器星載轉(zhuǎn)發(fā)器一般衛(wèi)星上的通信分系統(tǒng)有多個(gè)衛(wèi)星轉(zhuǎn)一般衛(wèi)星上的通信分系統(tǒng)有多個(gè)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器

51、，這種信道化的方法，既有利于降發(fā)器，這種信道化的方法，既有利于降低通過(guò)同一個(gè)功率放大器的載波數(shù)目，低通過(guò)同一個(gè)功率放大器的載波數(shù)目，從而減小交調(diào)噪聲；也便于衛(wèi)星上功率從而減小交調(diào)噪聲；也便于衛(wèi)星上功率放大器的制造。放大器的制造。1402. 星載轉(zhuǎn)發(fā)器星載轉(zhuǎn)發(fā)器 (2)小容量衛(wèi)星小容量衛(wèi)星n星載轉(zhuǎn)發(fā)器星載轉(zhuǎn)發(fā)器12個(gè)個(gè)n功率功率 1000瓦瓦中容量通信衛(wèi)星中容量通信衛(wèi)星n星載轉(zhuǎn)發(fā)器星載轉(zhuǎn)發(fā)器24個(gè)個(gè)n功率在功率在10003000瓦瓦大容量通信衛(wèi)星大容量通信衛(wèi)星n轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)器48個(gè)個(gè)n功率在功率在30007000瓦瓦超大容量通信衛(wèi)星超大容量通信衛(wèi)星n轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)器48個(gè)個(gè)n功率在功率在7000瓦以上

52、瓦以上1412. 星載轉(zhuǎn)發(fā)器星載轉(zhuǎn)發(fā)器 (3)l最大的通信衛(wèi)星平臺(tái)上可裝最大的通信衛(wèi)星平臺(tái)上可裝150個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器l東方紅四號(hào)（鑫諾六號(hào)）東方紅四號(hào)（鑫諾六號(hào)）l 24個(gè)個(gè)C波段轉(zhuǎn)發(fā)器波段轉(zhuǎn)發(fā)器l 8個(gè)個(gè)Ku波段轉(zhuǎn)發(fā)器波段轉(zhuǎn)發(fā)器l 1個(gè)個(gè)S波段轉(zhuǎn)發(fā)器波段轉(zhuǎn)發(fā)器l 工作壽命為工作壽命為15年年142轉(zhuǎn)發(fā)器由轉(zhuǎn)發(fā)器由輸入設(shè)備輸入設(shè)備、調(diào)制設(shè)備調(diào)制設(shè)備、本振設(shè)備本振設(shè)備、放大放大設(shè)備設(shè)備和和發(fā)射設(shè)備發(fā)射設(shè)備組成，可以轉(zhuǎn)發(fā)兩地或多地的電組成，可以轉(zhuǎn)發(fā)兩地或多地的電報(bào)、電話、數(shù)據(jù)、傳真、電視、廣播等多類(lèi)業(yè)務(wù)報(bào)、電話、數(shù)據(jù)、傳真、電視、廣播等多類(lèi)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)器接收來(lái)自地面的無(wú)線電波，經(jīng)過(guò)放大后，轉(zhuǎn)發(fā)器接收

53、來(lái)自地面的無(wú)線電波，經(jīng)過(guò)放大后，變換頻率再向地面發(fā)射，相當(dāng)于一個(gè)微波中繼站變換頻率再向地面發(fā)射，相當(dāng)于一個(gè)微波中繼站轉(zhuǎn)發(fā)器的數(shù)量越多，衛(wèi)星的通信能力就越大。轉(zhuǎn)發(fā)器的數(shù)量越多，衛(wèi)星的通信能力就越大。2. 星載轉(zhuǎn)發(fā)器星載轉(zhuǎn)發(fā)器 (4)1432. 星載轉(zhuǎn)發(fā)器星載轉(zhuǎn)發(fā)器(5) 彎管式轉(zhuǎn)發(fā)器（透明轉(zhuǎn)發(fā)器）彎管式轉(zhuǎn)發(fā)器（透明轉(zhuǎn)發(fā)器）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單性能可靠性能可靠適用于衛(wèi)星有效載荷和電源功率嚴(yán)重受限的情適用于衛(wèi)星有效載荷和電源功率嚴(yán)重受限的情況況 數(shù)字處理轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)字處理轉(zhuǎn)發(fā)器載波處理轉(zhuǎn)發(fā)器載波處理轉(zhuǎn)發(fā)器比特流處理轉(zhuǎn)發(fā)器比特流處理轉(zhuǎn)發(fā)器全基帶處理轉(zhuǎn)發(fā)器全基帶處理轉(zhuǎn)發(fā)器144（一）彎管式轉(zhuǎn)發(fā)器（一）彎管式轉(zhuǎn)發(fā)

54、器 （透明轉(zhuǎn)發(fā)器）（透明轉(zhuǎn)發(fā)器）星載微波轉(zhuǎn)發(fā)器功能圖星載微波轉(zhuǎn)發(fā)器功能圖彎管式轉(zhuǎn)發(fā)器方框圖彎管式轉(zhuǎn)發(fā)器方框圖輸入去復(fù)接器輸入去復(fù)接器原理框圖原理框圖固態(tài)高功率放大器固態(tài)高功率放大器 (SSPA) 原理圖原理圖 INTELSAT-6代衛(wèi)星有效載荷原理框圖代衛(wèi)星有效載荷原理框圖 150（二）（二） 再生型轉(zhuǎn)發(fā)器再生型轉(zhuǎn)發(fā)器（數(shù)字處理轉(zhuǎn)發(fā)器）（數(shù)字處理轉(zhuǎn)發(fā)器）再生型轉(zhuǎn)發(fā)器的基本部件，除對(duì)信號(hào)進(jìn)再生型轉(zhuǎn)發(fā)器的基本部件，除對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和頻率變換外，還提供解調(diào)、基行放大和頻率變換外，還提供解調(diào)、基帶信號(hào)處理和交換、重新調(diào)制的功能，帶信號(hào)處理和交換、重新調(diào)制的功能，如下圖所示。如下圖所示。 再生型轉(zhuǎn)發(fā)器的

55、原理框圖再生型轉(zhuǎn)發(fā)器的原理框圖 152星上處理和交換的功能星上處理和交換的功能波束間、載波間交換，如射頻交換、中頻波束間、載波間交換，如射頻交換、中頻交換或基帶交換交換或基帶交換調(diào)制方式的變換，如上行調(diào)制方式的變換，如上行PSKPSK，下行，下行DPSKDPSK多址方式的變換，如上行多址方式的變換，如上行FDMAFDMA，下行，下行TDMATDMA速率變換，如將低速上行信道變換成高速速率變換，如將低速上行信道變換成高速的下行信道的下行信道星上再生，如星上解調(diào)星上再生，如星上解調(diào)/ /再調(diào)制，解碼再調(diào)制，解碼/ /再再編碼等編碼等153星上處理和交換的功能星上處理和交換的功能 (2)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)和基

56、帶處理，如信令處理、路由存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)和基帶處理，如信令處理、路由選擇、信息壓縮和重新組幀選擇、信息壓縮和重新組幀星上智能網(wǎng)控星上智能網(wǎng)控星間鏈路星間鏈路抗干擾保護(hù)，如自適應(yīng)天線調(diào)零，可控點(diǎn)抗干擾保護(hù)，如自適應(yīng)天線調(diào)零，可控點(diǎn)波束，轉(zhuǎn)發(fā)器放大特性的智能控制波束，轉(zhuǎn)發(fā)器放大特性的智能控制154數(shù)字處理轉(zhuǎn)發(fā)器分類(lèi)數(shù)字處理轉(zhuǎn)發(fā)器分類(lèi) 載波處理轉(zhuǎn)發(fā)器載波處理轉(zhuǎn)發(fā)器 比特流處理轉(zhuǎn)發(fā)器比特流處理轉(zhuǎn)發(fā)器 全基帶處理轉(zhuǎn)發(fā)器全基帶處理轉(zhuǎn)發(fā)器155載波處理轉(zhuǎn)發(fā)器載波處理轉(zhuǎn)發(fā)器以載波為單位直接對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行處理以載波為單位直接對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行處理具有星上載波交換能力具有星上載波交換能力比特流處理轉(zhuǎn)發(fā)器比特流處理轉(zhuǎn)發(fā)器增加了

57、解調(diào)和再調(diào)制功能增加了解調(diào)和再調(diào)制功能可能包括譯碼和重編碼設(shè)備、解擴(kuò)設(shè)備等可能包括譯碼和重編碼設(shè)備、解擴(kuò)設(shè)備等全基帶處理轉(zhuǎn)發(fā)器全基帶處理轉(zhuǎn)發(fā)器具有星上再生能力具有星上再生能力具有基帶信號(hào)處理和交換能力具有基帶信號(hào)處理和交換能力解調(diào)、譯碼、存儲(chǔ)、交換、重組幀、重編碼和重調(diào)制等解調(diào)、譯碼、存儲(chǔ)、交換、重組幀、重編碼和重調(diào)制等三種數(shù)字處理轉(zhuǎn)發(fā)器的特點(diǎn)比較三種數(shù)字處理轉(zhuǎn)發(fā)器的特點(diǎn)比較156SS-TDMA轉(zhuǎn)發(fā)器的組成轉(zhuǎn)發(fā)器的組成l 星上交換的星上交換的TDMA轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)器 通路時(shí)段上行 下行波束 波束上行 下行波束 波束上行 下行波束 波束上行 下行波束 波束T11 22 13 44 3T21 32 2

58、3 14 4T31 42 33 24 1T41 12 43 34 2交換矩陣示意圖交換矩陣示意圖INTELSAT VI 衛(wèi)星的覆蓋圖和采用微波交換矩陣的衛(wèi)星的覆蓋圖和采用微波交換矩陣的SS-TDMA星上交換示意圖星上交換示意圖SWZ解調(diào)解調(diào)再調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)器結(jié)構(gòu)再調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)器結(jié)構(gòu)l 解調(diào)解調(diào)-再調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)器再調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)器l 星載路由器星載路由器提供波束形成的轉(zhuǎn)發(fā)器提供波束形成的轉(zhuǎn)發(fā)器161轉(zhuǎn)發(fā)器的轉(zhuǎn)發(fā)器的EIRP和和G/TEIRP和和G/T是轉(zhuǎn)發(fā)器射頻部分最重要的兩個(gè)指標(biāo)，是轉(zhuǎn)發(fā)器射頻部分最重要的兩個(gè)指標(biāo)，除了決定于除了決定于HPA輸出功率和輸出功率和LNA的等效噪聲溫度的等效噪聲溫度以外，還與星載天線的增益相關(guān)。天線增益以外，還與星載天線的增益相關(guān)。天線增益G與與半功率波束寬