衛(wèi)星通信系統(tǒng)概述

第6章衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)2006.082021/5/91大綱衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)概述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù)非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)衛(wèi)星星際鏈路特性衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)頻率規(guī)劃典型衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)介紹2021/5/92衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)概述衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展過程第一代衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)：模擬信號(hào)技術(shù)

·1976年，由3顆靜止衛(wèi)星構(gòu)成的MARISAT系統(tǒng)成為第1個(gè)提供海事移動(dòng)通信服務(wù)的衛(wèi)星系統(tǒng)（艦載地球站40W發(fā)射功率，天線直徑1.2米）

·1982年，Inmarsat-A成為第1個(gè)海事衛(wèi)星移動(dòng)電話系統(tǒng)第二代衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)：數(shù)字傳輸技術(shù)

·1988年，Inmarsat-C成為第1個(gè)陸地衛(wèi)星移動(dòng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

·1993年，Inmarsat-M和澳大利亞的Mobilesat成為第1個(gè)數(shù)字陸地衛(wèi)星移動(dòng)電話系統(tǒng)支持公文包大小的終端

·1996年，Inmarsat-3可支持便攜式的膝上型電話終端第三代衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)：手持終端

·1998年，銥（Iridium）系統(tǒng)成為首個(gè)支持手持終端的全球低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)

·2003年以后，集成了衛(wèi)星通信子系統(tǒng)的全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（UMTS/IMT-2000）2021/5/93衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)概述續(xù)1衛(wèi)星與地面移動(dòng)通信系統(tǒng)的比較衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)地面移動(dòng)通信系統(tǒng)易于快速實(shí)現(xiàn)大范圍的完全覆蓋覆蓋范圍隨地面基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)而持續(xù)增長(zhǎng)全球通用多標(biāo)準(zhǔn)，難以全球通用頻率利用率低頻率利用率高（蜂窩小區(qū)小）遮蔽效應(yīng)使得通信鏈路惡化提供足夠的鏈路余量以補(bǔ)償信號(hào)衰落適合于低人口密度、有限業(yè)務(wù)量的農(nóng)村環(huán)境適用于該人口密度、大業(yè)務(wù)量的城市環(huán)境2021/5/94衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù)開普勒三定理

?第一定理（1602年） 小物體（衛(wèi)星）在圍繞大物體（地球）運(yùn)動(dòng)時(shí)的軌道是一個(gè)橢圓，并以大物體的質(zhì)心作為一個(gè)焦點(diǎn)

?第二定理（1605年）

小物體（衛(wèi)星）在軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，在相同的時(shí)間內(nèi)掃過的面積相同

?第三定理（1618年） 小物體（衛(wèi)星）的運(yùn)動(dòng)周期的平方與橢圓軌道半長(zhǎng)軸的立方成正比關(guān)系

2021/5/95衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)1開普勒定理的圖形描述2021/5/96衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)2衛(wèi)星軌道形狀參數(shù)

?偏心率e：決定了橢圓軌道的扁平程度，當(dāng)e=0時(shí)，橢圓軌道退化為圓軌道 ?軌道半長(zhǎng)軸a

：遠(yuǎn)地點(diǎn)與橢圓軌道中心C的距離 ?軌道半短軸b：近地點(diǎn)與橢圓軌道中心C的距離 ?e、a和b滿足關(guān)系2021/5/97衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)3衛(wèi)星軌道形狀參數(shù)

?半焦距：地心與橢圓軌道中心的距離 ?r：衛(wèi)星到地心的瞬時(shí)距離，對(duì)橢圓軌道是個(gè)時(shí)變量，對(duì)圓軌道可看作常數(shù) ?遠(yuǎn)地點(diǎn)(apogee)：地心與橢圓軌道中心的距離 ?近地點(diǎn)(perigee)：地心與橢圓軌道中心的距離

2021/5/98衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)4衛(wèi)星軌道的極坐標(biāo)表達(dá)式 衛(wèi)星橢圓軌道的極坐標(biāo)表達(dá)式為 式中：θ是瞬時(shí)衛(wèi)星-地心連線與地心-近地點(diǎn)連線的夾角，是衛(wèi)星在軌道面內(nèi)相對(duì)于近地點(diǎn)的相位偏移量；p=a(1-e2)為橢圓半焦弦。2021/5/99衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)5衛(wèi)星的軌道速度和周期 根據(jù)機(jī)械能守恒原理可以推出：

?

橢圓軌道上衛(wèi)星的瞬時(shí)速度和軌道周期

?

圓軌道上衛(wèi)星的瞬時(shí)速度和軌道周期2021/5/910衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)6

例6.1某采用橢圓軌道的衛(wèi)星，近地點(diǎn)高度（近地點(diǎn)到地球表面的距離）為1000km，遠(yuǎn)地點(diǎn)高度為4000Km。在地球平均半徑為6378.137km的情況下，求該衛(wèi)星的軌道周期T。

解：根據(jù)圖6-1(a)可知，長(zhǎng)軸為遠(yuǎn)地點(diǎn)和近地點(diǎn)之間的直線距離，在半長(zhǎng)軸為a，地球半徑為Re，近地點(diǎn)高度為hp和遠(yuǎn)地點(diǎn)高度為ha時(shí)，有：

所以，半長(zhǎng)軸a=8878.137km，由此可計(jì)算軌道周期：2021/5/911衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)7地心坐標(biāo)系 ?地心O為原點(diǎn) ?X軸指向春分點(diǎn)方向 ?Z軸與地球的自轉(zhuǎn)軸重合，指向北極點(diǎn) ?X軸和Y軸確定的平面與赤道平面重合 ?X、Y、Z軸構(gòu)成一個(gè)右手坐標(biāo)系2021/5/912衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)8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)星在空間中的位置，通常使用2組6個(gè)軌道參數(shù)

?第一組參數(shù)定義了軌道的方位，用于確定衛(wèi)星相對(duì)于地球的位置

?第二組參數(shù)定義了軌道的幾何形狀和衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)特性，用于確定衛(wèi)星在軌道面內(nèi)的位置2021/5/913衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)9軌道參數(shù)

確定軌道平面方位的三個(gè)參數(shù)為：

?右旋升交點(diǎn)赤經(jīng)Ω：赤道平面內(nèi)從春分點(diǎn)方向到軌道面交點(diǎn)線間的角度，按地球自轉(zhuǎn)方向度量

?軌道傾角i：軌道平面與赤道平面間的夾角

?近地點(diǎn)幅角ω：軌道平面內(nèi)，升交點(diǎn)與近地點(diǎn)間的夾角，從升交點(diǎn)按衛(wèi)星運(yùn)行方向度量2021/5/914衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)10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：

?軌道偏心率e：反映了軌道面的扁平程度，取值范圍[0,1)；

?軌道半長(zhǎng)軸a：橢圓軌道中心到遠(yuǎn)地點(diǎn)的距離；

?平均近點(diǎn)角M或過近地點(diǎn)時(shí)間tp

：通過平均近點(diǎn)角M或過近地點(diǎn)時(shí)間tp可以計(jì)算衛(wèi)星的真近點(diǎn)角ν。M和tp滿足如下關(guān)系式（式中Ts為衛(wèi)星軌道周期）。2021/5/915衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)11圓軌道參數(shù)

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)重合，只需4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)Ω

?軌道傾角i

?軌道高度h

?初始時(shí)刻的真近點(diǎn)角ν（即初始幅角）2021/5/916衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)12衛(wèi)星在圓軌道平面內(nèi)的定位

?對(duì)圓軌道，以升交點(diǎn)代替近地點(diǎn)作為面內(nèi)相位參考點(diǎn)

?衛(wèi)星以近似恒定的速度Vs飛行，因此瞬時(shí)衛(wèi)星與升交點(diǎn)間的夾角θ

2021/5/917衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)13衛(wèi)星在橢圓軌道平面內(nèi)的定位

?由于橢圓軌道上衛(wèi)星的在軌飛行速度是時(shí)變的，因此確定衛(wèi)星在軌道內(nèi)的位置的方法相對(duì)復(fù)雜

?通常采用右側(cè)所示幾何方法來間接計(jì)算衛(wèi)星的瞬時(shí)真近點(diǎn)角

?圖中，E稱為偏心近點(diǎn)角，θ是真近點(diǎn)角2021/5/918衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)14衛(wèi)星在橢圓軌道平面內(nèi)的定位

?根據(jù)開普勒第二定理，可以推導(dǎo)偏心近點(diǎn)角E與平均近點(diǎn)角M之間滿足關(guān)系 上式通常稱為開普勒方程（Kepler’sequation），在偏心率e≠0時(shí)沒有理論解，通常使用數(shù)值方法（如牛頓迭代法和線性迭代法）來計(jì)算E的值2021/5/919衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)15牛頓迭代法

?迭代公式

?迭代終止條件 其中ε為允許的最大誤差

?使用數(shù)值方法計(jì)算出瞬時(shí)的偏心近點(diǎn)角E后，可以通過高斯方程計(jì)算真近點(diǎn)角θ：

?通過如下方程計(jì)算瞬時(shí)衛(wèi)星到地心的距離r

2021/5/920衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)16衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡

?衛(wèi)星的星下點(diǎn)指衛(wèi)星－地心連線與地球表面的交點(diǎn)

?星下點(diǎn)隨時(shí)間在地球表面上的變化路徑稱為星下點(diǎn)軌跡

?星下點(diǎn)軌跡是最直接地描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律的方法

?由于衛(wèi)星在空間沿軌道繞地球運(yùn)行，而地球又在自轉(zhuǎn)，因此衛(wèi)星運(yùn)行一圈后，其星下點(diǎn)一般不會(huì)再重復(fù)前一圈的運(yùn)行軌跡

2021/5/921衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)17衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡

?假定0時(shí)刻，衛(wèi)星經(jīng)過其右升交點(diǎn)，則衛(wèi)星在任意時(shí)刻t（>0）的星下點(diǎn)經(jīng)度（用λs表示）和緯度（用φs表示）由以下方程組確定：2021/5/922衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)18衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡

?一顆軌道高度為13892km，軌道傾角60o，初始位置（0oE，0oN）的衛(wèi)星24小時(shí)的星下點(diǎn)軌跡如下圖所示2021/5/923衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)19單顆衛(wèi)星覆蓋特性計(jì)算

?單顆衛(wèi)星對(duì)地覆蓋的幾何關(guān)系如下圖所示2021/5/924衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)20單顆衛(wèi)星覆蓋特性計(jì)算

?E：觀察點(diǎn)對(duì)衛(wèi)星的仰角，以觀察點(diǎn)的地平線為參考，可取值范圍為[-90o,90o]

?α：衛(wèi)星和觀察點(diǎn)間的地心角，可取值范圍為[0o,180o]

?β：衛(wèi)星的半視角（或半俯角），可取值范圍為[0o,90o]

?d：衛(wèi)星到觀察點(diǎn)的距離

?X：衛(wèi)星覆蓋區(qū)的半徑

?Re：地球平均半徑

?h：是衛(wèi)星軌道高度2021/5/925衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)21單顆衛(wèi)星覆蓋特性計(jì)算

?衛(wèi)星和觀察點(diǎn)間的地心角

?當(dāng)觀察點(diǎn)和衛(wèi)星的地理位置以經(jīng)緯度坐標(biāo)形式給出時(shí)，以(λu，φu)表示觀察點(diǎn)的瞬時(shí)經(jīng)緯度，(λs，φs)表示衛(wèi)星的瞬時(shí)經(jīng)緯度，則兩者所夾的地心角由下式確定2021/5/926衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)22單顆衛(wèi)星覆蓋特性計(jì)算

?衛(wèi)星的半視角

?觀察點(diǎn)的仰角

2021/5/927衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)23單顆衛(wèi)星覆蓋特性計(jì)算

?星地距離

?覆蓋區(qū)半徑

2021/5/928衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)24單顆衛(wèi)星覆蓋特性計(jì)算

?觀察點(diǎn)的最小仰角Emin：系統(tǒng)的一個(gè)給定指標(biāo)。根據(jù)Emin和衛(wèi)星軌道高度h便可以計(jì)算衛(wèi)星的最大覆蓋地心角、最小星下點(diǎn)視角和最大星地傳輸距離，從而確定衛(wèi)星的瞬時(shí)覆蓋區(qū)的直徑和面積、覆蓋區(qū)內(nèi)不同地點(diǎn)的衛(wèi)星天線輻射增益和邊沿覆蓋區(qū)的最大傳輸損耗等2021/5/929衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)25單顆衛(wèi)星覆蓋特性計(jì)算

?仰角E＝10o時(shí)，地心角α和衛(wèi)星半視角β隨衛(wèi)星軌道高度h的變化情況如右圖

?地心角隨軌道高度的增加而增大，衛(wèi)星半視角隨軌道高度的增加而減小，靜止軌道衛(wèi)星的地心角約72o，星下半視角約8.5o

2021/5/930衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)26單顆衛(wèi)星覆蓋特性計(jì)算

?仰角E＝10o時(shí)，星地距離d隨衛(wèi)星軌道高度h的變化情況如右圖

?星地距離隨軌道高度的增加而增大，靜止軌道衛(wèi)星的最大星地距離約為41000km2021/5/931衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)27

例6.2：已知某衛(wèi)星的軌道高度為1450km，系統(tǒng)允許的最小接入仰角為10o，試計(jì)算該衛(wèi)星能夠提供的最長(zhǎng)連續(xù)服務(wù)時(shí)間。 解：假設(shè)衛(wèi)星恰好經(jīng)過觀察點(diǎn)上空。隨著衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)，觀察點(diǎn)的仰角經(jīng)歷從最小接入值增大到最大值90o再減小到最小接入值的過程。該過程中衛(wèi)星能夠提供最長(zhǎng)連續(xù)的服務(wù)，此期間衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)掃過的地心角為：2αmax。 衛(wèi)星的最大覆蓋地心角： 衛(wèi)星的在軌運(yùn)動(dòng)角速度 所以，最長(zhǎng)連續(xù)服務(wù)時(shí)間2021/5/932衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)28非靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)的軌道和高度選擇

?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)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：

1）按形狀：橢圓軌道和圓軌道

2）按傾角：赤道軌道、極軌道和傾斜軌道

3）按高度：低地球軌道（LEO）、中地球軌道（MEO）、靜止/同步軌道（GEO/GSO）和高橢圓軌道（HEO）

2021/5/933衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)29衛(wèi)星軌道按形狀分類

?橢圓軌道通常只在衛(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）

?圓軌道衛(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)采用2021/5/934衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)30衛(wèi)星軌道按傾角分類

?赤道軌道：傾角為0o，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)速度隨著衛(wèi)星高度的增加而降低。當(dāng)軌道高度為35786km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)軌道傾角為0o，則衛(wèi)星對(duì)地的運(yùn)動(dòng)速度為0，這種軌道就是靜止（Geostationary）軌道；如果衛(wèi)星的傾角不為0o，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（Geosynchronous）軌道，其星下點(diǎn)軌跡呈現(xiàn)出“8”字型。2021/5/935衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)31衛(wèi)星軌道按傾角分類

?極軌道的軌道面垂直與赤道平面，軌道傾角為90o，衛(wèi)星穿越地球的南北極

?傾斜軌道又可以根據(jù)衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)方向和地球自轉(zhuǎn)方向的差別分為順行和逆行軌道

?順行傾斜軌道傾角在0o到90o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)方向相同

?逆行傾斜軌道的傾角在90o到180o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)方向相反

2021/5/936衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)32衛(wèi)星軌道按傾角分類2021/5/937衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)33衛(wèi)星軌道按高度分類

?各種軌道的可用高度范圍如下表軌道類型可用高度（km）LEO700～2000MEO8000～20000GEO/GSO35786HEO遠(yuǎn)地點(diǎn)可達(dá)400002021/5/938衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)342021/5/939非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)衛(wèi)星星座的定義 具有相似的類型和功能的多顆衛(wèi)星，分布在相似的或互補(bǔ)的軌道上，在共享控制下協(xié)同完成一定的任務(wù)2021/5/940非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)續(xù)1星座設(shè)計(jì)時(shí)的基本考慮

?用戶仰角應(yīng)盡可能大

?信號(hào)的傳輸延時(shí)應(yīng)盡可能低

?衛(wèi)星有效載荷的能量消耗要盡可能低

?如果系統(tǒng)采用星際鏈路，則面內(nèi)和面間的星際鏈路干擾必須限制在可以接收的范圍內(nèi)

?多重覆蓋問題2021/5/941非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)續(xù)2極軌道星座設(shè)計(jì)方法

?當(dāng)衛(wèi)星軌道平面相對(duì)于赤道平面的傾角為90o時(shí)，軌道穿越地球南北極上空，稱這種類型的軌道為極軌道。

?利用圓極軌道星座實(shí)現(xiàn)全球單重覆蓋的思想最早由美國(guó)科學(xué)家R.D.Lüder提出；D.C.Beste在Lüder的工作基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步的分析和優(yōu)化；W.S.Adams和L.Rider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。2021/5/942非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)續(xù)3衛(wèi)星覆蓋帶(StreetofCoverage)

?覆蓋帶是基于同一軌道面內(nèi)多顆衛(wèi)星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

?覆蓋帶半（地心角）寬度c

式中，α為單顆衛(wèi)星覆蓋的半地心角寬度，S為每個(gè)軌道面內(nèi)的衛(wèi)星數(shù)量，π/S為衛(wèi)星之間的半地心角寬度2021/5/943非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)續(xù)4

極軌道星座極點(diǎn)觀察投影圖

?π星座

?星座軌道面間的經(jīng)度差不同

?順行軌道面間的間隔較大

?逆行軌道面間的間隔較小2021/5/944非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)續(xù)5相鄰軌道面覆蓋的幾何關(guān)系

?順行軌道面的衛(wèi)星之間保持固定的空間相位關(guān)系

?逆行軌道面的衛(wèi)星之間的空間相位關(guān)系則是變化的

?極軌道星座中順行和逆行軌道面之間的經(jīng)度差?1和?2滿足2021/5/945非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)續(xù)6極軌道星座的衛(wèi)星分布特性

由于極軌道星座的特殊軌道結(jié)構(gòu)（90o傾角，所有軌道面交于南北極點(diǎn)），星座中的衛(wèi)星在天球上的分布是不均勻的：衛(wèi)星在赤道平面上最稀疏，相互間的間隔距離最大；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)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。2021/5/946非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)續(xù)7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 相鄰軌道面相鄰衛(wèi)星之間的相位差應(yīng)滿足2021/5/947非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)續(xù)8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 式中，為極冠覆蓋區(qū)的最低緯度 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2021/5/948非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)續(xù)9近極軌道星座

?衛(wèi)星軌道平面與赤道平面的夾角為80o～100o（除90o）時(shí)的軌道

?由于近極軌道星座的傾角接近90o，因此，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，采用解析方法確定最優(yōu)星座參數(shù)。2021/5/949非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)續(xù)10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2021/5/950非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)續(xù)11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：2021/5/951非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)續(xù)12傾斜圓軌道星座設(shè)計(jì)WalkerDelta星座Ballard玫瑰（Rosette）星座2021/5/952非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)續(xù)13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

?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

?各軌道平面的右旋升交點(diǎn)在參考平面內(nèi)均勻分布

?相鄰軌道相鄰衛(wèi)星間存在確定的相位關(guān)系2021/5/953非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)續(xù)14Delta星座

?Delta星座使用相鄰軌道面內(nèi)，相鄰衛(wèi)星的初始相位差來確定星座中各衛(wèi)星的相對(duì)空間位置關(guān)系

?相鄰軌道面相鄰衛(wèi)星相位差的物理意義如下圖2021/5/954非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)續(xù)15Delta星座標(biāo)識(shí)法

Walker采用3個(gè)參數(shù)來描述Delta星座：T/P/F。

?

T代表星座的衛(wèi)星總數(shù)；

?

P

代表星座的軌道面數(shù)量；

?

F稱為相位因子，

?Delta星座按下式確定相鄰軌道相鄰衛(wèi)星的初始相位差2021/5/955非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)續(xù)16

例6.3已知某星座的Delta標(biāo)識(shí)為：9/3/1:10355:43，假設(shè)初始時(shí)刻星座的第一個(gè)軌道面的升交點(diǎn)赤經(jīng)為0o，面上第一顆衛(wèi)星位于（0oE,0oN），試確定星座各衛(wèi)星的軌道參數(shù)。 解：根據(jù)Delta星座特性，可知星座多個(gè)軌道面的右旋升交點(diǎn)在赤道平面內(nèi)均勻分布，每個(gè)軌道面內(nèi)的衛(wèi)星在面內(nèi)均勻分布，再根據(jù)相位因子F

可以確定各衛(wèi)星的軌道參數(shù)：

?相鄰軌道面的升交點(diǎn)經(jīng)度差：360o/3=120o；

?面內(nèi)衛(wèi)星的相位差：360o/(9/3)=120o；

?相鄰軌道面相鄰衛(wèi)星的相位差：360o×1/9=40o；2021/5/956非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)續(xù)17

例6.3(續(xù))

再根據(jù)第一顆衛(wèi)星的初始位置，可以得到所有衛(wèi)星的初始軌道參數(shù)如下表軌道面衛(wèi)星編號(hào)升交點(diǎn)赤經(jīng)（o）初始幅角（o）1SAT1-100SAT1-20120SAT1-302402SAT2-112040SAT2-2120160SAT2-31202803SAT3-124080SAT3-2240200SAT3-32403202021/5/957非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)續(xù)18Walker的最優(yōu)Delta星座

TPFi(o)αmin

(o)h(km)55143.769.22714366453.166.42033477555.760.31225588661.956.59374.299770.254.88374.2105257.152.27089.71111453.847.65344.4123150.747.95442.11313558.443.84257.1147454.042.03824.3153153.542.13847.1需要指出，該表中的數(shù)據(jù)是由Walker手工計(jì)算得到的2021/5/958非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)續(xù)19玫瑰星座

?Rosette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）成一定的比例關(guān)系

?Ballard使用3個(gè)不變的方向角和一個(gè)時(shí)變的相位角來確定衛(wèi)星在運(yùn)行天球面上的瞬時(shí)位置2021/5/959非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)續(xù)20Ballard的衛(wèi)星位置以及相互關(guān)系示意圖2021/5/960非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)續(xù)21玫瑰星座標(biāo)識(shí)法

Ballard采用3個(gè)參數(shù)來描述玫瑰星座:(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，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。2021/5/961非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)續(xù)22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：2021/5/962非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)續(xù)23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N－1的整數(shù)，即意味著S＝1，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。

2021/5/963非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)續(xù)24最優(yōu)玫瑰星座的優(yōu)化準(zhǔn)則 ?Ballard優(yōu)化策略：最壞觀察點(diǎn)的最大地心角最小化準(zhǔn)則 ?任一時(shí)刻地球表面上的最壞觀察點(diǎn)是某3顆衛(wèi)星的星下點(diǎn)所構(gòu)成的球面三角形的中心，該點(diǎn)到3顆衛(wèi)星星下點(diǎn)的地心角距離相同 ?為保證星座的全球覆蓋，衛(wèi)星的最小覆蓋地心角αmin必須大于或等于最壞觀察點(diǎn)與衛(wèi)星間的最大地心角2021/5/964非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)續(xù)25最優(yōu)玫瑰星座參數(shù)NPmi(o)αmin

(o)h(km)T(hour)55143.6669.1526992.2816.9066453.1366.4220371.7712.1377555.6960.2612220.517.0388661.8656.529388.625.4999770.5454.818380.874.971010847.9351.536799.094.191111453.7947.625344.883.521231/4,7/450.7347.905440.553.561313558.4443.764247.843.0414711/253.9841.963814.132.851531/5,4/5,7/5,13/553.5142.133852.392.872021/5/965非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)續(xù)26玫瑰星座與Delta星座的等價(jià)性 ?Ballard在其研究結(jié)果中指出：玫瑰星座與Walker的Delta星座是等價(jià)的

?玫瑰星座的協(xié)因子m和Delta星座的相位因子F可以相互轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)F和m之間滿足關(guān)系2021/5/966非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)續(xù)27

例6.4ICO星座的Delta標(biāo)識(shí)為10/2/0，試寫出其等價(jià)的玫瑰星座標(biāo)識(shí)。 解：已知軌道面數(shù)量P=2，每軌道面衛(wèi)星數(shù)量S=10/2=5，相位因子F=0，有

根據(jù)玫瑰星座特性，協(xié)因子m的分子部分取值應(yīng)不等于0并且小于星座衛(wèi)星數(shù)量（即0<2n<10），可以判定n的可能取值為1、2、3和4。 所以，協(xié)因子為：

ICO星座的玫瑰星座標(biāo)識(shí)為：（10,2,（2/5,4/5,6/5,8/5））

2021/5/967非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)續(xù)28共地面軌跡星座的特性 ?包含多個(gè)軌道高度和傾角相同軌道面； ?每軌道面一顆衛(wèi)星； ?所有衛(wèi)星沿不變得地面軌跡運(yùn)行； ?適合于實(shí)現(xiàn)區(qū)域覆蓋衛(wèi)星通信系統(tǒng)。2021/5/968非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)續(xù)29共地面軌跡星座的參數(shù)約束關(guān)系 ?由圖可見，如果衛(wèi)星j從當(dāng)前位置運(yùn)行到其升交點(diǎn)λj用去的時(shí)間和地球自轉(zhuǎn)?λ用去的時(shí)間相同，則衛(wèi)星j和衛(wèi)星i具有相同的星下點(diǎn)軌跡 ?因此，共地面軌跡星座中相鄰軌道面衛(wèi)星應(yīng)滿足2021/5/969非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)續(xù)30共地面軌跡星座的參數(shù)約束關(guān)系 ?為維持地面軌跡的不變性，共地面軌跡星座通常采用回歸或準(zhǔn)回歸軌道 ?回歸/準(zhǔn)回歸軌道的周期可通過下式確定。式中，M為回歸周期，N為回歸周期內(nèi)衛(wèi)星繞地球旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)。 由此可知采用回歸/準(zhǔn)回歸軌道衛(wèi)星的在軌角速度與地球自轉(zhuǎn)的角速度之間滿足關(guān)系2021/5/970非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)續(xù)31共地面軌跡星座的參數(shù)約束關(guān)系 ?綜上可推出：采用回歸/準(zhǔn)回歸軌道的共地面軌跡星座中，相鄰軌道面間的升交點(diǎn)經(jīng)度差?λ和相鄰衛(wèi)星間的相位差?ω滿足簡(jiǎn)單的線性關(guān)系： ?

必須注意，此處的衛(wèi)星間相位差?ω

與Delta星座所定義的衛(wèi)星間相位差?ωf不同：?ω是按逆衛(wèi)星運(yùn)行方向測(cè)量得到，而?ωf則是順衛(wèi)星運(yùn)行方向測(cè)量得到，因此它們之間滿足2π互補(bǔ)關(guān)系2021/5/971非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)續(xù)32共地面軌跡星座的編碼標(biāo)識(shí)方法 可以仿照Walker對(duì)Delta星座的標(biāo)識(shí)方法，將共地面軌跡星座的各參數(shù)標(biāo)識(shí)為 其中：

?T為星座中衛(wèi)星數(shù)量，也即軌道面數(shù)量； ??λ為星座中相鄰軌道面間的升交點(diǎn)經(jīng)度差； ?N/M稱為調(diào)相因子，確定了相鄰軌道面相鄰衛(wèi)星間的相位差?ω和?ωf，以及衛(wèi)星軌道高度h； ?i為星座中所有軌道面的傾角。2021/5/972非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)續(xù)32共地面軌跡星座與Delta星座的等價(jià)性 ?Delta星座中相鄰軌道面的經(jīng)度差和相鄰軌道面相鄰衛(wèi)星的相位差分別為

?要使得Delta星座與共地面軌跡星座等價(jià)，則首先要滿足T=P（即每軌道面一顆衛(wèi)星），再結(jié)合前頁(yè)的等式，可以推出 由于T和F均是整數(shù)，Delta星座與共地面軌跡星座等價(jià)時(shí)，必然采用回歸軌道（M＝1）。2021/5/973非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)續(xù)33共地面軌跡星座與Delta星座的等價(jià)性?最終，可以確定參數(shù)T、F和N之間滿足關(guān)系式?Delta星座T/T/(T-N)與共地面軌跡星座T/(2π/T)/N

是等價(jià)的。2021/5/974非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)續(xù)34

例6.5試確定與共地面軌跡星座6/60/2:20184:28.5o等價(jià)的Delta星座參數(shù)。

解：根據(jù)共地面軌跡星座標(biāo)識(shí)方法可知：

?星座衛(wèi)星數(shù)量T=6；

?回歸周期內(nèi)衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)圈數(shù)N=2。

根據(jù)Delta星座與共地面軌跡星座的等價(jià)關(guān)系式可知等價(jià)的Delta星座標(biāo)識(shí)為：2021/5/975非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)續(xù)35太陽(yáng)同步軌道

?由于地球的偏平度和內(nèi)部密度的不均勻性，將引起軌道平面圍繞地球極軸旋轉(zhuǎn)，所以軌道面的右旋升交點(diǎn)經(jīng)度將在赤道平面上自西向東漂移，產(chǎn)生所謂軌道平面的“進(jìn)動(dòng)”，進(jìn)動(dòng)的平均角速度為：

式中：Re為地球半徑，e為軌道偏心率，h為瞬時(shí)衛(wèi)星距離地球表面的高度，i為軌道傾角。2021/5/976非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)續(xù)36太陽(yáng)同步軌道

?地球在一年時(shí)間（365.25天）內(nèi)繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)360o，公轉(zhuǎn)的平均角速度為360o/365.25=0.9856o/天。

?如果選擇合適的軌道參數(shù)，使得軌道面進(jìn)動(dòng)的平均角速度與地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的平均角速度相同，這樣的軌道稱為太陽(yáng)同步軌道。

?由于太陽(yáng)同步軌道與地球有相同的旋轉(zhuǎn)平均角速度，使得軌道平面始終與太陽(yáng)保持固定的幾何關(guān)系。2021/5/977非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)續(xù)37太陽(yáng)同步軌道

?軌道平面與太陽(yáng)間幾乎固定的幾何關(guān)系表征在：軌道平面與黃道面的交線與地心-日心連線的夾角保持固定的一個(gè)角度θ

?這種固定的空間幾何關(guān)系使得太陽(yáng)同步軌道的衛(wèi)星總是在相同的本地時(shí)（LST）經(jīng)過某一區(qū)域的上空2021/5/978非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)續(xù)38太陽(yáng)同步軌道

?圓太陽(yáng)同步軌道的軌道高度和軌道傾角之間的制約關(guān)系

?根據(jù)上式可知： ①由于cosi的取值始終為負(fù)，因此傾角i的取值范圍為(90o,180o]，所以太陽(yáng)同步軌道一定是逆行軌道； ②由|cosi|=4.773×10-15×(h+Re)3.5≤1，可知圓軌道太陽(yáng)同步軌道的高度是受限的，最高高度為5974.9km。

2021/5/979非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)續(xù)39太陽(yáng)同步軌道星座

?由于太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星總是在相同的本地時(shí)間通過同一區(qū)域上空，因而廣泛地使用于對(duì)地觀察和監(jiān)測(cè)衛(wèi)星系統(tǒng)中，以提供在幾乎相同的日照條件下對(duì)相同地區(qū)的觀測(cè)結(jié)果。

?在實(shí)際的觀察和監(jiān)測(cè)衛(wèi)星系統(tǒng)中，衛(wèi)星的軌道高度通常低于1000km（如加拿大的RADARSAT1衛(wèi)星高度為798km、美國(guó)的Landsat7衛(wèi)星高度為705km里），其低軌道特性為地球觀測(cè)提供優(yōu)良的觀測(cè)條件和軌道條件2021/5/980非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)續(xù)40太陽(yáng)同步軌道星座

?太陽(yáng)同步軌道也能夠用于實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，如由288顆衛(wèi)星構(gòu)成的Teledesic系統(tǒng)2021/5/981衛(wèi)星星際鏈路在衛(wèi)星之間建立星際通信鏈路（激光鏈路或毫米波鏈路），每顆衛(wèi)星將成為空間網(wǎng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，使通信信號(hào)能不依賴于地面通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，提高傳輸?shù)男屎拖到y(tǒng)的獨(dú)立性，對(duì)于組建全球性通信網(wǎng)將是十分方便和靈活的。星際鏈路的特性的描述

?仰角的時(shí)變特性天線的動(dòng)態(tài)指向特性

?方位角的時(shí)變特性天線的動(dòng)態(tài)指向特性

?星間距離的時(shí)變特性功率的動(dòng)態(tài)控制特性2021/5/982衛(wèi)星星際鏈路續(xù)1相同軌道高度衛(wèi)星間的星際鏈路

?同一軌道平面內(nèi)的軌內(nèi)星際鏈路（Intra-OrbitISL）：同一軌道面內(nèi)的兩顆衛(wèi)星能夠基本保持不變的相對(duì)位置，軌內(nèi)星際鏈路的星間距離、方位角和仰角變化很小，建立相對(duì)容易

?不同軌道平面之間的軌間星際鏈路（Inter-OrbitISL）：由于不同軌道面內(nèi)兩顆衛(wèi)星存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)，軌間星際鏈路的方位角、仰角和星間距離一般隨時(shí)間而變化，建立相對(duì)比較困難

2021/5/983衛(wèi)星星際鏈路續(xù)2星際鏈路的仰角和距離計(jì)算?根據(jù)右圖所示的幾何關(guān)系容易推出2021/5/984衛(wèi)星星際鏈路續(xù)3已知衛(wèi)星位置時(shí)的仰角計(jì)算

?如果兩顆衛(wèi)星的瞬時(shí)經(jīng)緯度位置已知，分別以（λs1，φs1）和（λs2，φs2）表示，則衛(wèi)星所夾的地心角為 根據(jù)前頁(yè)的式子可以確定衛(wèi)星間的仰角和距離2021/5/985衛(wèi)星星際鏈路續(xù)4

例6.6某一星座采用的軌道高度為1414km。某一時(shí)刻，衛(wèi)星A的位置為（0oE，20oN），衛(wèi)星B的位置為（50oE，15oS），問在最小余隙為50km時(shí)，衛(wèi)星A和B間能否建立星際鏈路？如果能，此時(shí)星際鏈路的仰角是多少？ 解：根據(jù)已知條件可以計(jì)算該星座衛(wèi)星能夠建立星際鏈路時(shí)對(duì)應(yīng)的最大地心角： 在已知兩顆衛(wèi)星瞬時(shí)經(jīng)緯度坐標(biāo)位置時(shí)，可計(jì)算星間的地心角：

因?yàn)棣?lt;αmax，所以衛(wèi)星間可以建立星際鏈路，此時(shí)星際鏈路的仰角和距離為：2021/5/986衛(wèi)星星際鏈路續(xù)5已知衛(wèi)星軌道參數(shù)時(shí)的仰角計(jì)算

?對(duì)于星座系統(tǒng)而言，更多時(shí)候給出的是衛(wèi)星的軌道參數(shù)（包括軌道高度、仰角、升交點(diǎn)赤經(jīng)和初始幅角等）

?根據(jù)Ballard的衛(wèi)星位置以及相互關(guān)系表征方法（圖6-15），可以確定衛(wèi)星i對(duì)j的地心角距離Rij（即衛(wèi)星間的地心角α）：2021/5/987衛(wèi)星星際鏈路續(xù)6星際鏈路的方位角計(jì)算 ?方位角的度量以衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)到衛(wèi)星連線方向。 ?根據(jù)Ballard的衛(wèi)星位置以及相互關(guān)系表征方法（圖6-15），t時(shí)刻衛(wèi)星i對(duì)j的方位角ψij由下式確定

通過下標(biāo)位置互換可以獲得計(jì)算j對(duì)i的方位角ψji的公式2021/5/988衛(wèi)星星際鏈路續(xù)7星際鏈路性能隨軌道高度的變化2021/5/989衛(wèi)星星際鏈路續(xù)8星際鏈路性能隨軌道高度的變化 ?方位角的變化周期與衛(wèi)星軌道周期相同；仰角和星間距離的變化周期為衛(wèi)星軌道周期的一半 ?在其他軌道參數(shù)不變的情況下，增加軌道高度將降低方位角和仰角的變化速度，可以改善星載天線的捕獲、鎖定和跟蹤性能；但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致星間距離增大，將會(huì)提高對(duì)發(fā)射功率的要求。2021/5/990衛(wèi)星星際鏈路續(xù)9星際鏈路性能隨軌道傾角的變化2021/5/991衛(wèi)星星際鏈路續(xù)10星際鏈路性能隨軌道傾角的變化 ?在其他軌道參數(shù)不變的情況下，增加軌道傾角將有利于減小星間距離，節(jié)省發(fā)射功率；但會(huì)增加方位角和仰角的變化速度，對(duì)星載天線捕獲、鎖定和跟蹤性能的要求增加。2021/5/992衛(wèi)星星際鏈路續(xù)11星際鏈路性能與升交點(diǎn)經(jīng)度差的關(guān)系2021/5/993衛(wèi)星星際鏈路續(xù)12星際鏈路性能與升交點(diǎn)經(jīng)度差的關(guān)系 ?衛(wèi)星軌道間升交點(diǎn)經(jīng)度差的變化不會(huì)影響方位角、仰角和星間距離取值的周期特性，但會(huì)影響它們?nèi)≈档拇笮∫约叭≈档膭?dòng)態(tài)變化范圍。方位角、仰角和星間距離的取值大小以及取值的動(dòng)態(tài)變化范圍均隨著升交點(diǎn)經(jīng)度差的增大而增加。 ?當(dāng)面內(nèi)衛(wèi)星數(shù)量一定時(shí)，衛(wèi)星軌道面間的間隔越小，星際鏈路的實(shí)現(xiàn)越容易2021/5/994衛(wèi)星星際鏈路續(xù)13星際鏈路性能與初始輻角差的關(guān)系2021/5/995衛(wèi)星星際鏈路續(xù)14星際鏈路性能與初始輻角差的關(guān)系 ?減小衛(wèi)星間的初始幅角差雖然可以減小星間距離，但會(huì)增加方位角和仰角的動(dòng)態(tài)變化范圍，增加指向的變化速度，對(duì)星載天線的捕獲、鎖定和跟蹤性能要求提高。2021/5/996衛(wèi)星星際鏈路續(xù)15不同軌道高度衛(wèi)星間的星際鏈路

?據(jù)圖，容易推出衛(wèi)星的仰角滿足關(guān)系式

?可見：軌道高度較高的衛(wèi)星將始終有負(fù)的仰角值，而高度較低的衛(wèi)星的仰角則可正可負(fù)2021/5/997衛(wèi)星星際鏈路續(xù)16不同軌道高度衛(wèi)星間的星際鏈路

?在計(jì)算出衛(wèi)星所夾地心角后，可以根據(jù)余弦公式計(jì)算瞬時(shí)星間距離

?不同軌道高度衛(wèi)星間的最大星間地心角αmax和最長(zhǎng)的星際鏈路距離Dsmax

2021/5/998衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)2021/5/999衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)續(xù)1ETSI建議的衛(wèi)星個(gè)人通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)2021/5/9100衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)續(xù)2ETSI建議的衛(wèi)星個(gè)人通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

?結(jié)構(gòu)（a）中，空間段采用透明轉(zhuǎn)發(fā)器，系統(tǒng)依賴于地面網(wǎng)絡(luò)來連接信關(guān)站，衛(wèi)星沒有建立星際鏈路的能力，移動(dòng)用戶間的呼叫傳輸延時(shí)至少等于非靜止軌道衛(wèi)星兩跳的傳輸延時(shí)加上信關(guān)站間的地面網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)。全球星系統(tǒng)采用該結(jié)構(gòu)方案為移動(dòng)用戶提供服務(wù)。2021/5/9101衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)續(xù)3ETSI建議的衛(wèi)星個(gè)人通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

?結(jié)構(gòu)（b）同樣沒有采用星際鏈路，使用靜止軌道衛(wèi)星提供信關(guān)站之間的連接。靜止衛(wèi)星的使用減少了系統(tǒng)對(duì)地面網(wǎng)絡(luò)的依賴，但會(huì)帶來數(shù)據(jù)的長(zhǎng)距離傳輸。該結(jié)構(gòu)中，移動(dòng)用戶間的呼叫傳輸延時(shí)至少等于非靜止軌道衛(wèi)星兩跳的傳輸延時(shí)加上靜止軌道衛(wèi)星一跳的傳輸延時(shí)。2021/5/9102衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)續(xù)4ETSI建議的衛(wèi)星個(gè)人通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

?結(jié)構(gòu)（c）使用了星際鏈路來實(shí)現(xiàn)相同軌道結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星進(jìn)行互連。系統(tǒng)仍然需要信關(guān)站來完成一些網(wǎng)絡(luò)功能，但對(duì)其的依賴性已經(jīng)下降。移動(dòng)用戶間的呼叫傳輸延時(shí)是變化的，依賴于在衛(wèi)星和星際鏈路構(gòu)成的空中骨干網(wǎng)絡(luò)路由選擇。銥系統(tǒng)采用該結(jié)構(gòu)方案為移動(dòng)用戶提供服務(wù)。2021/5/9103衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)續(xù)5ETSI建議的衛(wèi)星個(gè)人通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

?結(jié)構(gòu)（d）中使用了雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的混合星座結(jié)構(gòu)。非靜止軌道衛(wèi)星使用星際鏈路進(jìn)行互連，使用軌間鏈路（IOL：Inter-OrbitLinks）與靜止軌道數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星互連。移動(dòng)用戶間的呼叫傳輸延時(shí)等于兩個(gè)非靜止軌道衛(wèi)星半跳的延時(shí)加上非靜止軌道衛(wèi)星到靜止軌道衛(wèi)星的一跳的延時(shí)。在該結(jié)構(gòu)中，為保證非靜止軌道衛(wèi)星的全球性互連，需要至少3顆靜止軌道中繼衛(wèi)星。2021/5/9104衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)續(xù)6系統(tǒng)空間段

?空間段提供網(wǎng)絡(luò)用戶與信關(guān)站之間的連接；

?空間段由1個(gè)或多個(gè)衛(wèi)星星座構(gòu)成，每個(gè)星座又涉及到一系列軌道參數(shù)和獨(dú)立的衛(wèi)星參數(shù)；

?空間段軌道參數(shù)通常根據(jù)指定覆蓋區(qū)規(guī)定的服務(wù)質(zhì)量（QoS）要求，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最初階段便確定；

?空間段的設(shè)計(jì)可采用多種方法，取決于軌道類型和星上有效載荷所采用的技術(shù)。2021/5/9105衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)續(xù)7系統(tǒng)地面段

?通常包括：信關(guān)站（也稱為固定地球站FES）、網(wǎng)絡(luò)控制中心（NCC）和衛(wèi)星控制中心（SCC）

?用戶信息管理系統(tǒng)（CIMS）是負(fù)責(zé)維護(hù)信關(guān)站配置數(shù)據(jù)，完成系統(tǒng)計(jì)費(fèi)、生成用戶賬單并記錄呼叫詳情的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，與信關(guān)站、網(wǎng)絡(luò)控制中心和衛(wèi)星控制中心協(xié)同工作

?可以將網(wǎng)絡(luò)控制中心、衛(wèi)星控制中心和用戶信息管理系統(tǒng)合在一起稱為控制段

2021/5/9106衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)續(xù)8系統(tǒng)地面段——信關(guān)站

?信關(guān)站通過本地交換提供系統(tǒng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)（空間段）到地面現(xiàn)有核心網(wǎng)絡(luò)（如公用電話交換網(wǎng)PSTN和公用地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)PLMN）的固定接入點(diǎn)

?衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)與地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（如GSM和CDMA網(wǎng)絡(luò)）的集成帶來了一些附加的問題，必須在信關(guān)站中解決2021/5/9107衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)續(xù)9系統(tǒng)地面段——網(wǎng)絡(luò)控制中心

?又稱為網(wǎng)絡(luò)管理站（NMS），與用戶信息管理系統(tǒng)CIMS相連，協(xié)同完成衛(wèi)星資源的管理、網(wǎng)絡(luò)管理和控制相關(guān)的邏輯功能，按照功能又可以劃分為網(wǎng)絡(luò)管理功能組和呼叫控制功能組。 ?網(wǎng)絡(luò)管理功能組的主要任務(wù)包括：管理呼叫通信流的整體概況；系統(tǒng)資源管理和網(wǎng)絡(luò)同步；運(yùn)行和維護(hù)（OAM）功能；站內(nèi)信令鏈路管理；擁塞控制；提供對(duì)用戶終端試運(yùn)行的支持 ?呼叫控制功能組的主要任務(wù)包括：公共信道信令功能；移動(dòng)呼叫發(fā)起端的信關(guān)站選擇；定義信關(guān)站的配置

2021/5/9108衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)續(xù)10系統(tǒng)地面段——衛(wèi)星控制中心

?負(fù)責(zé)監(jiān)視衛(wèi)星星座的性能，控制衛(wèi)星的軌道位置。與衛(wèi)星有效載荷相關(guān)的特殊呼叫控制功能也能夠由衛(wèi)星控制中心來完成，按照功能又可以劃分為衛(wèi)星控制功能組和呼叫控制功能組 ?衛(wèi)星控制功能組的主要任務(wù)包括：產(chǎn)生和分發(fā)星歷；產(chǎn)生和傳送對(duì)衛(wèi)星有效載荷和公用艙的命令；接收和處理遙測(cè)信息；傳輸波束指向命令；產(chǎn)生和傳送變軌操作命令；執(zhí)行距離校正 ?呼叫控制功能組完成移動(dòng)用戶到移動(dòng)用戶呼叫的實(shí)時(shí)交換2021/5/9109衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)續(xù)11系統(tǒng)用戶段

?用戶段由各種用戶終端組成；

?主要分為兩個(gè)主要的類別：移動(dòng)（Mobile）終端和便攜（Portable）終端

2021/5/9110衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)頻率規(guī)劃衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)可以工作于多個(gè)頻段頻段的選取主要取決于系統(tǒng)提供的服務(wù)類型衛(wèi)星移動(dòng)通信業(yè)務(wù)頻率分配是先后通過87年和92年的世界無線電行政大會(huì)（WARC-87、92），95、97和2000年世界無線電大會(huì)（WRC-95、97、2000）分配2021/5/9111衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)頻率規(guī)劃續(xù)1WARC-87分配的MSS頻譜頻率（MHz）傳輸方向業(yè)務(wù)類型1530.0-1533.0↓LMSS和MMSS1533.0-1544.0↓MMSS和低速率LMSS1545.0-1555.0↓AMSS（可公用）1555.0-1559.0↓LMSS1626.5-1631.5↑MMSS和低速率LMSS1631.5-1634.5↑LMSS和MMSS1634.5-1645.5↑MMSS和低速率LMSS1646.5-1656.5↑AMSS（可公用）1656.5-1660.5↑LMSS2021/5/9112衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)

頻率規(guī)劃續(xù)2WARC-92為全球3個(gè)頻率區(qū)域分配了NGEO衛(wèi)星移動(dòng)通信業(yè)務(wù)和衛(wèi)星無線定位業(yè)務(wù)（RDSS）的使用頻段，包括VHF、UHF，L和S波段2021/5/9113衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)頻率規(guī)劃續(xù)3WRC-95考慮了C、Ku和Ka多個(gè)頻段。并對(duì)Ka頻段的衛(wèi)星移動(dòng)通信饋送鏈路頻段和NGEO的FSS（固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)）頻段進(jìn)行了分配若干大LEO和MEO系統(tǒng)的用戶業(yè)務(wù)和饋送鏈路頻段如下表IridiumGlobalstarNewICOConstellationEllipso上行用戶鏈路MHz）1616-1626.51610-1626.51985-20152483.5-25001610-1626.5下行用戶鏈路MHz）1616-1626.52483.5-25002170-22001610-1626.52483.5-2500上行饋送鏈路GHz）29.1-29.35.091-5.2505.150-5.2505.091-5.25015.45-15.65下行饋送鏈路GHz）19.4-19.66.875-7.0556.975-7.0756.924-7.0756.875-7.0752021/5/9114衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)頻率規(guī)劃續(xù)4WRC-2000在衛(wèi)星移動(dòng)通信和GEOFSS方面頻率規(guī)劃包括

?關(guān)于IMT-2000衛(wèi)星部分的問題，會(huì)議充分考慮到IMT-2000衛(wèi)星應(yīng)用與其他非IMT-2000的業(yè)務(wù)間共用性研究沒有完成，因此決定由各國(guó)主管部門自愿考慮使用這些頻段，其中包括1610~1626.5/2483.5~2500MHz頻段

?關(guān)于在1~3GHz頻段，會(huì)議決定開展包括可能用于MSS的1518~1525MHz、1683~1690MHz頻段與現(xiàn)有業(yè)務(wù)的共用研究，為MSS頻率的劃分做準(zhǔn)備

?關(guān)于NGEOFSS的問題：1）為保護(hù)GEOFSS和GEOBSS（靜止衛(wèi)星廣播業(yè)務(wù)）系統(tǒng)對(duì)來自多個(gè)NGEOFSS系統(tǒng)的總干擾不超過規(guī)定要求，操作NGEOFSS的主管部門應(yīng)采取相應(yīng)措施（包括對(duì)自身系統(tǒng)的修改）。當(dāng)其總干擾超過規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，NGEOFSS系統(tǒng)主管部門應(yīng)采取一切必要手段減少總的干擾電平，直至達(dá)到要求為止。2）原劃分給FSS的12.2~12.5GHz頻段，規(guī)定其只能用于國(guó)內(nèi)或區(qū)域性子系統(tǒng)的限制被取消2021/5/9115典型衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)介紹銥（Iridium）系統(tǒng)

?第一個(gè)全球覆蓋的LEO衛(wèi)星蜂窩系統(tǒng)，支持話音、數(shù)據(jù)和定位業(yè)務(wù)

?由于采用了星際鏈路，系統(tǒng)可以在不依賴于地面通信網(wǎng)的情況下支持地球上任何位置用戶之間的通信。

?銥系統(tǒng)于上世紀(jì)八十年代末由Motorola推出，九十年代初開始開發(fā)，耗資37億美元，于1998年11月開始商業(yè)運(yùn)行

?“銥”公司于2000年3月宣告破產(chǎn)。目前，美國(guó)國(guó)防部出資維持銥系統(tǒng)的運(yùn)行2021/5/9116典型衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)介紹續(xù)1銥系統(tǒng)空間段

?銥系統(tǒng)星座最初的設(shè)計(jì)由77顆LEO衛(wèi)星組成，它與銥元素的77個(gè)電子圍繞原子核運(yùn)行類似，系統(tǒng)因此得名

?實(shí)際星座包括66顆衛(wèi)星，它們分布在6個(gè)圓形的、傾角86.4o的近極軌道平面上，面間間隔27o，軌道高度780km

?每個(gè)軌道平面上均勻分布11顆衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星的重量為689kg，衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命5~8年。

2021/5/9117典型衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)介紹續(xù)2銥系統(tǒng)空間段

?“銥”星座中的每顆衛(wèi)星提供48個(gè)點(diǎn)波束，在地面形成48個(gè)蜂窩小區(qū)，在最小仰角8.2o的情況下，每個(gè)小區(qū)直徑為600km，每顆衛(wèi)星的覆蓋區(qū)直徑約4700km，星座對(duì)全球地面形成無縫蜂窩覆蓋，如圖所示

?每顆衛(wèi)星的一個(gè)點(diǎn)波束支持80個(gè)信道，單顆衛(wèi)星可提供3840個(gè)信道2021/5/9118典型衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)介紹續(xù)3銥系統(tǒng)空間段部署過程

?從1997年5月5日到1999年6月12日的2年期間，共有88顆銥系統(tǒng)衛(wèi)星發(fā)射到軌道中，其中前1年發(fā)射了72顆

?3種運(yùn)載火箭被用于發(fā)射這88顆衛(wèi)星，其中11枚美國(guó)波音公司的德爾塔2型（DeltaII）火箭發(fā)射了55顆，3枚俄羅斯質(zhì)子（Proton）火箭發(fā)射了21顆，7枚中國(guó)的長(zhǎng)征2型（2C/SD）火箭發(fā)射了14顆。2021/5/9119典型衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)介紹續(xù)4銥系統(tǒng)空間段

?銥系統(tǒng)是目前唯一使用了系統(tǒng)內(nèi)ISL的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)2021/5/9120典型衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)介紹續(xù)5銥系統(tǒng)地面段

?銥系統(tǒng)的地面段包括信關(guān)站、用戶終端和遙測(cè)、跟蹤和控制站（TT&C）

?由于銥系統(tǒng)采用了星際鏈路，因此只需在全球設(shè)置少數(shù)幾個(gè)信關(guān)站即可。考慮到國(guó)家和地區(qū)的主權(quán)和經(jīng)濟(jì)利益，實(shí)際上系統(tǒng)按照國(guó)家和地域差別在全球設(shè)置了共12個(gè)信關(guān)站，分別位于美國(guó)阿利桑那州坦佩、泰國(guó)的曼谷、俄羅斯的莫斯科、日本東京、韓國(guó)漢城、巴西里約熱內(nèi)盧、意大利羅馬、印度孟買、中國(guó)北京、臺(tái)灣地區(qū)臺(tái)北、沙特的吉達(dá)，外加一個(gè)美軍專用關(guān)口站在夏威夷。2021/5/9121典型衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)介紹續(xù)6銥系統(tǒng)地面段

?用戶終端有手持機(jī)、車載臺(tái)和半固定終端3種類型。系統(tǒng)手持機(jī)設(shè)計(jì)為雙模終端，手機(jī)重量和體積比目前蜂窩電話略大，能夠支持地面蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)的多種標(biāo)準(zhǔn)（如GSM、PDC，D-AMPS或CDMA），既適用于銥系統(tǒng)，又適用于本地地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)。2021/5/9122典型衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)介紹續(xù)7銥系統(tǒng)通信鏈路

?用戶鏈路，L頻段，1621.35~1626.5MHz，時(shí)分雙工模式；

?饋送鏈路，Ka頻段，上行29.1~29.4GHz；下行19.3~19.6GHz；

?星際鏈路，Ka頻段，為23.18~23.38GHz。2021/5/9123典型衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)介紹續(xù)8全球星（Globalstar）系統(tǒng)

?全球星系統(tǒng)由美國(guó)勞拉空間和通信公司和Qualcomm公司提出，與銥系統(tǒng)提出的時(shí)間差不多

?1996年11月，全球星系統(tǒng)獲得了美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)頒發(fā)的運(yùn)營(yíng)證書

?全球星系統(tǒng)是以支持話音業(yè)務(wù)為主的全球低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，總投資逾26億美元

?系統(tǒng)沒有采用星際鏈路，系統(tǒng)用戶將通過衛(wèi)星鏈路接入地面公用網(wǎng)，在地面網(wǎng)的支持下實(shí)現(xiàn)全球衛(wèi)星移動(dòng)通信2021/5/9124典型衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)介紹續(xù)9全球星系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

?空間段

?地面段

?用戶段2021/5/9125典型衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)介紹續(xù)10全球星空間段

?采用傾斜軌道星座，包括48顆衛(wèi)星

?均勻分布在8個(gè)傾角52o的軌道平面上

?軌道高度1414公里

?相鄰軌道相鄰衛(wèi)星間的相位差7.5o2021/5/9126典型衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)介紹續(xù)11全球星系統(tǒng)衛(wèi)星瞬時(shí)的分布和對(duì)地覆蓋情況2021/5/9127典型衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)介紹續(xù)12全球星系統(tǒng)空間段部署過程

?全球星系統(tǒng)從1998年5月第一次發(fā)射4顆衛(wèi)星開始，到2000年初共發(fā)射了48顆工作衛(wèi)星和4顆備用衛(wèi)星入軌

?1999年9月，全球星系統(tǒng)經(jīng)歷了一次災(zāi)難性的發(fā)射，這次發(fā)射失敗共導(dǎo)致系統(tǒng)損失了12顆衛(wèi)星，因而也推遲了系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)開始時(shí)間

?有兩種運(yùn)載火箭被用于發(fā)射這52顆衛(wèi)星，其中7枚波音公司的德爾塔2型（DeltaII）火箭發(fā)射了28顆，6枚SoyuzIkar火箭發(fā)射了24顆2021/5/9128典型衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)介紹續(xù)13全球星用戶鏈路特性

?全球星衛(wèi)星的L/S頻段天線為有源相控陣天線，在地面形成16個(gè)點(diǎn)波束覆蓋區(qū)，如下圖所示

?用戶鏈路采用FDD雙工方式：上行L頻段，下行S頻段2021/5/9129典型衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)介紹續(xù)