不同傾斜角軌道平面上通信衛(wèi)星的運(yùn)動21衛(wèi)星運(yùn)動軌道課件

1、 2章 衛(wèi)星運(yùn)動軌道和通信衛(wèi)星組成 2.1 衛(wèi)星運(yùn)動軌道 2.2 衛(wèi)星和地球的幾何關(guān)系2.3 衛(wèi)星星座和系統(tǒng)概念 2.4 通信衛(wèi)星設(shè)計和有效載荷2.5 衛(wèi)星公用平臺和壽命圖2-1 不同高度不同傾斜角軌道平面上通信衛(wèi)星的運(yùn)動 2.1衛(wèi)星運(yùn)動軌道 2.1.1 橢圓和圓形軌道 圖2-2 衛(wèi)星與地球坐標(biāo) 由萬有引力定律，可以導(dǎo)出衛(wèi)星相對于地球運(yùn)動的運(yùn)動方程 軌道定律 衛(wèi)星的運(yùn)動軌道一般是一個橢圓，地球的中心位于橢圓的一個焦點(diǎn)上。此定律用地心在一個焦點(diǎn)上的橢圓極坐標(biāo)，可以表示為： 圖2-3 衛(wèi)星的運(yùn)動軌道及符號意義 面積定律 衛(wèi)星的位置矢量r在單位時間內(nèi)掃過的面積一定。此定律的數(shù)學(xué)表示式導(dǎo)出為： 軌道周

2、期定律 衛(wèi)星圍繞地球運(yùn)動一圈的周期T，與軌道的半長軸a的2/3次方成正比。 2.1.2衛(wèi)星運(yùn)動速度和軌道周期 在轉(zhuǎn)移軌道上衛(wèi)星的運(yùn)動速度 對圓形軌道ar，公式可以簡化為. 由轉(zhuǎn)移軌道改變?yōu)橥杰壍?轉(zhuǎn)變的方法是將軌道遠(yuǎn)地點(diǎn)調(diào)整到適當(dāng)距離時，再次啟動火箭發(fā)動機(jī)，讓衛(wèi)星得到加速度，離開原來的橢圓形轉(zhuǎn)移軌道，沿著以地心為圓心以rA為半徑的圓形軌道運(yùn)動。從同步軌道轉(zhuǎn)移到靜止軌道 如同步軌道是在赤道平面上，衛(wèi)星運(yùn)行方向與地球表面旋轉(zhuǎn)方向相同，則從地球上任一點(diǎn)看那顆衛(wèi)星都是靜止不動的，這種軌道就是靜止軌道。 廣泛采用靜止軌道的原因 大大地降低了建站所需的成本多普勒頻移小 當(dāng)?shù)厍蛘咎炀€采用最小仰角為50時，

3、靜止衛(wèi)星可以覆蓋幾乎38 % 的地球表面。 2.1.3 靜止軌道上衛(wèi)星的定位1. 遠(yuǎn)地點(diǎn)速度增量2. 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 2.1.4 軌道平面取向和軌道參量傾角 上升節(jié)點(diǎn)右旋升仰角 近地點(diǎn)幅角 2.2 衛(wèi)星和地球的幾何關(guān)系圖2-12 在平面STO上的幾何圖形 地心角、仰角、和星下角之間關(guān)系 , 由地球坐標(biāo)看星下角、仰角、和地心角之間的關(guān)系 與時間的關(guān)系 由于非靜止衛(wèi)星相對一個固定地球站是移動的，所以幾何關(guān)系隨時間變化。利用衛(wèi)星跟蹤的方程可以計算得隨時間變化的距離和仰角。 圖2-13 一顆最大仰角為700的MEO衛(wèi)星、 和一顆最大仰角為400的LEO衛(wèi)

4、星在天上通過時，仰角隨時間改變時的圖形 2.2.2 從地球站看向衛(wèi)星的方位角、仰角和極化角 如果一個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準(zhǔn)衛(wèi)星，就可以進(jìn)行通信。 圖2-14 北半球地球站：衛(wèi)星在南偏東， ；衛(wèi)星在南偏西， 。 南半球地球站：衛(wèi)星在北偏東， ； 衛(wèi)星在北偏西， 按照地球站與星下點(diǎn)相對位置的不同，方位角A應(yīng)當(dāng)用下列關(guān)系式計算：仰角的計算 極化角 經(jīng)過數(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： 圖2-15 衛(wèi)星的位置和地球站天線極化角的調(diào)整 2.2.3 最小仰角給定時一定高度衛(wèi)星的覆蓋面積 圖2-16 1. 最小仰角給定時一定高度衛(wèi)星的覆蓋面積覆蓋

5、 (或球冠) 面積可以用下列公式計算：2. 高度H一定時用那顆衛(wèi)星能通信的最大距離覆蓋面積的最大弧長Lmax（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:圖2-17 不同類型軌道，在一些最小仰角情況下衛(wèi)星的覆蓋面積 2.2.4 長時延的影響和消除往返傳輸時延的計算，和它對電話通信的影響 長時延消除的時延抵消器長時延對高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?.2.5 星蝕現(xiàn)象與日凌中斷1. 日蝕 2. 日凌中斷 地球赤道平面相對太陽光方向的正弦變化傾斜角每年的周期性變化圖2-21 一年中星蝕時間分布圖 2.3 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)。為了擴(kuò)展覆蓋，一個衛(wèi)星系統(tǒng)可能要使用多顆衛(wèi)星。在這

6、樣的系統(tǒng)中，所有衛(wèi)星的組合稱之為星座。在一個星座中，通常衛(wèi)星具有相同的軌道類型，但是也有某些系統(tǒng)，它是由不同軌道類型的混合組成的。全球覆蓋時衛(wèi)星和軌道平面的數(shù)目 由地球表面面積 和一個六角形面積 ，可得出要求衛(wèi)星的最小數(shù)目N為： 利用球冠的表面積 ，并考慮21%面積的重疊，可以導(dǎo)出另一個近似結(jié)果N為：圖2-22 不同軌道高度和最小仰角情況下，一次到二次全球覆蓋時要求的衛(wèi)星數(shù)目 每個軌道平面提供兩顆衛(wèi)星用于赤道覆蓋，覆蓋的一段弧長為 因此，在一個星座中要求軌道平面的最少數(shù)目P為： 為描述星座情況還需要另外三個參數(shù)，典型地用三個數(shù)字構(gòu)成的一個數(shù)字組來表示，稱為：Walker 符號：N / P /

7、F 2.3.1 Walker傾斜星座圖2-23 Walker 9/ 3/ 1星座 圖2-24 高度為1414 km的全球星系統(tǒng) (Walker 48/ 8/ 1星座) 當(dāng)最后一個軌道平面與第一個軌道平面相遇時，一定有一個軌道的鄰近軌道以相反方向旋轉(zhuǎn)。兩個相反方向旋轉(zhuǎn)軌道之間的區(qū)域稱為接縫。 2.3.2 極星座圖2-26 相同旋轉(zhuǎn)方向軌道,接縫處相反旋轉(zhuǎn)方向的軌道；和軌道平面之間的角度 全球覆蓋條件可以用公式表示為：為了達(dá)到給定的最小仰角Emin，按照地心角調(diào)整軌道高度，它可以由平面數(shù)得出：在一個極星座中需要的衛(wèi)星數(shù)可以近似用下式得出：2.3.3 非同步極星座在LED系統(tǒng)中要使用大量衛(wèi)星，控制每

8、顆衛(wèi)星的相位這時可能是困難的。為此，可采用非同步LEO極星座。即只在同一個軌道平面上控制衛(wèi)星軌道相位，而對不同軌道平面上的相位不進(jìn)行控制。2.3.4 GEO、LEO、MEO、和HEO系統(tǒng)概念 2. LEO系統(tǒng)概念GEO衛(wèi)星用于移動通信的主要缺點(diǎn)是長的信號傳播時延。為了克服這個缺點(diǎn)，可以使用低軌道衛(wèi)星。 3. MEO系統(tǒng)概念（或ICO系統(tǒng)）LEO和MEO之間的折衷是中地球軌道（MEO）衛(wèi)星，具有的高度H 約在10000 km左右，可以用10-15顆衛(wèi)星達(dá)到全球覆蓋。 2.4 通信衛(wèi)星設(shè)計和有效載荷 2.4.1 通信衛(wèi)星設(shè)計考慮1. 通信考慮 2. 環(huán)境條件 2.4.2 通信衛(wèi)星壁有效載荷 一般的

9、商用通信衛(wèi)星，主要由衛(wèi)星有效載荷和公用平臺(或稱公用艙)兩部分組成，如圖2-30所示。 圖2-30 通信衛(wèi)星的組成框圖 1.天線分系統(tǒng) 衛(wèi)星上使用的天線有定向天線和全向天線 天線系統(tǒng)的選擇決定于地面覆蓋區(qū)的大小和形狀。 衛(wèi)星的通信覆蓋區(qū)，通常用地面上相對下發(fā)天線波束中心，具有固定接收功率的輪廓線來表示。 圖2-31 中星6號衛(wèi)星天線波束覆蓋圖 圖2-33 INTELSAT第7代衛(wèi)星多波束天線覆蓋圖 圖2-34 雙極化通信衛(wèi)星天線 2. 一般通信分系統(tǒng) 透明型衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器一般衛(wèi)星上的通信分系統(tǒng)有多個衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，這種信道化的方法，既有利于降低通過同一個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)

10、星上功率放大器的制造。圖2-36 輸入去復(fù)接器原理框圖圖2-37 固態(tài)高功率放大器 (SSPA) 原理圖 圖2-38 INTELSAT-6代衛(wèi)星有效載荷原理框圖 3. 近年來發(fā)展的通信分系統(tǒng) 再生型轉(zhuǎn)發(fā)器再生型轉(zhuǎn)發(fā)器的基本部件，除對信號進(jìn)行放大和頻率變換外，還提供解調(diào)、基帶信號處理和交換、和重新調(diào)制的功能，如圖2-39所示。 圖2-39 再生型轉(zhuǎn)發(fā)器的原理框圖 4.星上處理再生型轉(zhuǎn)發(fā)器的兩個實例(1) ITALSAT衛(wèi)星(2) ACTS衛(wèi)星 (3) 第二代再生型轉(zhuǎn)發(fā)器 2.5 衛(wèi)星公用平臺和壽命 2.5.1 衛(wèi)星公用平臺 公用平臺的主要任務(wù)是在衛(wèi)星整個工作期間，保證通信有效載荷能可靠地運(yùn)行。它

11、的組成決定于：衛(wèi)星有效載荷的要求；空間環(huán)境的特征和影響；推進(jìn)裝置的性能和所加的限制。公用平臺由多個分系統(tǒng)組成，它使得有效載荷能夠能夠正常地運(yùn)行。 1. 姿態(tài)和軌道控制分系統(tǒng)姿態(tài)和軌道控制分系統(tǒng)的主要功能，是保持準(zhǔn)確的衛(wèi)星位置和通信天線指向；在轉(zhuǎn)移軌道和靜止軌道運(yùn)行時，控制衛(wèi)星的飛行動作，保持軌道運(yùn)動的穩(wěn)定性。 圖2-42 衛(wèi)星坐標(biāo)系統(tǒng)上定義的側(cè)航、滾動、俯仰軸 圖2-43 圖2-44 衛(wèi)星姿態(tài)控制：(a) 固定地球傳感技術(shù) 圖2-44 衛(wèi)星姿態(tài)控制：(b) 太陽傳感器 2. 推進(jìn)器分系統(tǒng)由推進(jìn)器組成的反應(yīng)控制分系統(tǒng)，功能是提供所需的推進(jìn)力，以執(zhí)行衛(wèi)星速度和姿態(tài)控制等飛行動作。 (a) 推進(jìn)器裝置原理圖 (b) 自旋穩(wěn)定衛(wèi)星上的推進(jìn)器裝置外形 圖2-45 (c) 推進(jìn)器裝置示意圖 3. 電源分系統(tǒng)圖2-46 (a) 電源分系統(tǒng)的組成 圖2-46 (b) 不同衛(wèi)星電池陣重量對直流功率的關(guān)系比較。 (c) 太陽能電池輸出直流功率隨時間的變化情況 4. 遙測、指令和單音定位分系統(tǒng)圖2-47 (a) 遙測分系統(tǒng)的主要元件 圖2-47 (b)