衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

1第6章衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)衛(wèi)星通信2概要6.1引言6.2衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)6.3星際鏈路6.4系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)36.1引言衛(wèi)星移動(dòng)/寬帶通信的發(fā)展起源1945ArthurC.Clarke的科學(xué)幻想論文：地球外的中繼1957Sputnik：第一顆人造衛(wèi)星，前蘇聯(lián)1960Echo:第一顆反射式衛(wèi)星1964SYNCOMIII：第一顆GEO衛(wèi)星1965INTELSATI：第一顆商用GEO衛(wèi)星

(EarlyBirdI)第一代：模擬技術(shù)1976第一代移動(dòng)通信衛(wèi)星：MARISAT的3顆GEO衛(wèi)星提供海事通信服務(wù)，艦載站的發(fā)射功率為40W，天線為1.2米1982Inmarsat-A：第一個(gè)海事移動(dòng)衛(wèi)星電話系統(tǒng)46.1引言續(xù)1衛(wèi)星移動(dòng)/寬帶通信的發(fā)展第二代:數(shù)字傳輸技術(shù)第二代:數(shù)字傳輸技術(shù)第二代:數(shù)字傳輸技術(shù)第二代:數(shù)字傳輸技術(shù)第二代:數(shù)字傳輸技術(shù)第二代:數(shù)字傳輸技術(shù)第二代:數(shù)字傳輸技術(shù)第二代:數(shù)字傳輸技術(shù)第二代:數(shù)字傳輸技術(shù)第二代:數(shù)字傳輸技術(shù)第二代:數(shù)字傳輸技術(shù)第二代:數(shù)字傳輸技術(shù)第二代:數(shù)字傳輸技術(shù)第二代:數(shù)字傳輸技術(shù)第二代:數(shù)字傳輸技術(shù)第二代:數(shù)字傳輸技術(shù)第二代:數(shù)字傳輸技術(shù)56.1引言續(xù)2地面和衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的比較地面移動(dòng)通信系統(tǒng)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)覆蓋范圍隨地面基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)而持續(xù)增長(zhǎng)易于快速實(shí)現(xiàn)大范圍的完全覆蓋多標(biāo)準(zhǔn)，難以全球通用全球通用蜂窩小區(qū)小，頻率利用率高頻率利用率低提供足夠的鏈路余量以補(bǔ)償信號(hào)衰落遮蔽效應(yīng)使得通信鏈路惡化適合于人口密度高，業(yè)務(wù)量密集的城市環(huán)境適合于低人口密度、業(yè)務(wù)量有限的農(nóng)村環(huán)境66.2衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)衛(wèi)星星座的定義具有相似的類(lèi)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)設(shè)計(jì)基本出發(fā)點(diǎn)以最少數(shù)量的衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)對(duì)指定區(qū)域的覆蓋76.2衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

續(xù)1衛(wèi)星星座選擇仰角要盡可能高傳輸延時(shí)盡可能小星上設(shè)備的電能消耗盡可能少如果系統(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)對(duì)不同國(guó)家、不同類(lèi)型的服務(wù),軌位的分配需要遵循相應(yīng)的規(guī)章制度多重覆蓋問(wèn)題以支持特定業(yè)務(wù)(GPS定位)或提供有QoS保證的業(yè)務(wù)86.2衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

續(xù)2衛(wèi)星星座類(lèi)型極/近極軌道星座傾斜圓軌道星座(主要有Walker的Delta星座和Ballard的Rosette星座)共地面軌跡星座赤道軌道星座混合軌道星座96.2衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

續(xù)3極軌道星座在極軌道星座中:每個(gè)軌道面有相同的傾角和相同數(shù)量的衛(wèi)星，所有衛(wèi)星具有相同的軌道高度軌道傾角為固定的90o，因此所有軌道平面在南北極形成兩個(gè)交叉點(diǎn)星座衛(wèi)星在高緯度地區(qū)密集，在低緯度地區(qū)稀疏順行軌道平面間的間隔和逆行軌道平面間的不同106.2衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

續(xù)4極軌道星座衛(wèi)星覆蓋帶(StreetofCoverage)半覆蓋寬度

式中S是每軌道面的衛(wèi)星數(shù)量116.2衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

續(xù)5極軌道星座順行/逆行軌道面和‘縫隙(seam)’π星座由于存在逆向飛行現(xiàn)象, 星座第一個(gè)和最后一個(gè) 軌道面間的間隔小于其 它相鄰軌道面間的間隔126.2衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

續(xù)6極軌道星座相鄰軌道面的幾何覆蓋關(guān)系136.2衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

續(xù)7極軌道星座全球覆蓋條件146.2衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

續(xù)8極軌道星座單重全球覆蓋星座參數(shù)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衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

續(xù)9極軌道星座球冠覆蓋條件166.2衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

續(xù)10極軌道星座30o以上單重球冠覆蓋星座參數(shù)PSα(o)?1(o)h(km),El=10o2364.1111.816549.52453.4103.17650.02548.198.75508.33539.968.43373.53635.866.02631.53733.364.52252.64728.949.61692.94826.848.51466.24926.347.81318.25922.638.81077.8176.2衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

續(xù)11近極軌道星座傾角接近但不等于90o,即80-100o覆蓋帶設(shè)計(jì)方法仍然適用極軌道星座的設(shè)計(jì)方程需要進(jìn)行擴(kuò)展,加入傾角因素,以適用于近極軌道186.2衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

續(xù)12近極軌道星座近極軌道星座中,順行和逆行軌道面間的升交點(diǎn)經(jīng)度差和分別為 式中,和分別對(duì)應(yīng)極軌道星座順行和逆行軌道面間的升交點(diǎn)經(jīng)度差196.2衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

續(xù)13近極軌道星座全球覆蓋方程206.2衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

續(xù)14近極軌道星座考慮到傾角的影響,近極軌道星座中相鄰軌道相鄰衛(wèi)星間的相位差滿足216.2衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

續(xù)15近極軌道星座傾角85o的單重全球覆蓋近極軌道星座參數(shù)PSα(o)?1(o)

(o)h(km),EL=10°2366.7682104.6850103.825221063.89282457.807998.919097.395110251.51752553.589296.392393.98777743.22573542.164865.788866.28033862.02743638.554063.998764.45113111.37363736.313162.886463.31702716.65674730.711848.110548.35511908.45744828.836147.362247.60051686.66064927.525246.839147.07291541.86495924.128037.910938.08161209.859051022.988537.531737.70001110.405651122.133937.247337.41391039.416361119.863831.282031.4151864.8926226.2衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

續(xù)16傾斜圓軌道星座傾斜圓軌道星座特征:由高度和傾角相同的圓軌道組成，軌道面升交點(diǎn)在參考平面內(nèi)均勻分布，衛(wèi)星在每個(gè)軌道平面內(nèi)均勻分布兩類(lèi)經(jīng)典設(shè)計(jì)方法Walker的Delta星座Ballard的玫瑰(Rosette)星座兩種方法是等效的236.2衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

續(xù)17傾斜圓軌道星座傾斜圓軌道星座的命名246.2衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

續(xù)18WalkerDelta星座相鄰軌道面相鄰衛(wèi)星的相位差概念256.2衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

續(xù)19WalkerDelta星座星座標(biāo)識(shí)法Delta星座可以用一個(gè)3元參數(shù)組完整描述T/P/FT:星座衛(wèi)星總數(shù)P:軌道平面數(shù)量F:相位因子，取值0到P-1相位因子確定相鄰軌道面相鄰衛(wèi)星間的相位差266.2衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

續(xù)20 例6.1某Delta星座標(biāo)識(shí)為9/3/1:10355:43。假設(shè)初始時(shí)刻,星座第一顆衛(wèi)星位于(0oE,0oN)。計(jì)算所有星座衛(wèi)星的初始參數(shù)。 解: 星座相鄰軌道面的升交點(diǎn)經(jīng)度差為360o/3=120o 軌道面內(nèi)相鄰衛(wèi)星間的相位差為360o/(9/3)=120o 相鄰軌道面相鄰衛(wèi)星間的相位差為360o/9×1=40o軌道高度軌道傾角276.2衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

續(xù)21

例子6.1

續(xù)

衛(wèi)星的初始參數(shù)如下表軌道序號(hào)衛(wèi)星序號(hào)升交點(diǎn)經(jīng)度(o)初始弧角(o)1SAT1-100SAT1-20120SAT1-302402SAT2-112040SAT2-2120160SAT2-31202803SAT3-124080SAT3-2240200SAT3-3240320286.2衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

續(xù)22WalkerDelta星座最優(yōu)Delta星座TPFi(o)αmin

(o)h(km),El=10o55143.769.22714366453.166.42033477555.760.31225588661.956.59374.299770.254.88374.2105257.152.27089.71111453.847.65344.4123150.747.95442.11313558.443.84257.1147454.042.03824.3153153.542.13847.1296.2衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

續(xù)23Ballard玫瑰星座玫瑰星座的特性:圓軌道所有軌道的高度和傾角相同軌道面升交點(diǎn)在參考平面內(nèi)均勻分布衛(wèi)星在軌道面內(nèi)均勻分布衛(wèi)星在軌道面內(nèi)的初始相位與該軌道面的升交點(diǎn)角成正比306.2衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

續(xù)24Ballard玫瑰星座玫瑰星座中,衛(wèi)星在天球表面的位置 可用3個(gè)固定的方位角和1個(gè)時(shí)變的相 位角來(lái)確定λj為第j顆衛(wèi)星所在軌道平面的升交點(diǎn)角度ij為第j顆衛(wèi)星所在軌道平面的傾角γj為第j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x=2πt/T為衛(wèi)星的時(shí)變相位316.2衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

續(xù)25Ballard玫瑰星座星座標(biāo)識(shí) 玫瑰星座也可可以用3元參數(shù)組來(lái)表征(N,P,m) N:星座衛(wèi)星總數(shù) P:軌道平面數(shù)量 m:協(xié)因子，影響衛(wèi)星在天球上的初始分布以及星座圖案在天球面上的推移速度326.2衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

續(xù)26Ballard玫瑰星座對(duì)N顆衛(wèi)星均勻分布于P個(gè)軌道平面上的玫瑰星座,衛(wèi)星的方位角滿足

如果m是整數(shù),意味著星座每軌道面僅有一顆衛(wèi)星；如果m是一個(gè)不可約分?jǐn)?shù),意味著每個(gè)軌道平面上有S=N/P顆衛(wèi)星,且m的分母值為S336.2衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

續(xù)27Ballard玫瑰星座星座優(yōu)化技術(shù) 可以證明,3顆衛(wèi)星(i,j,k)在天球上構(gòu)成的球面三角形的中心位置為最壞觀察點(diǎn)位置346.2衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

續(xù)28Ballard玫瑰星座最優(yōu)玫瑰星座NPmi(o)αmin

(o)h(km),El=10oT(hour)55143.6669.1526992.2816.9066453.1366.4220371.7712.1377556.6960.2612220.517.0388661.8656.529388.626.4999770.5454.818380.874.971010847.9351.536799.094.191111453.7947.625344.883.521231/4,7/450.7347.905440.553.561313558.4443.764247.843.0414711/253.9841.963814.132.851531/5,4/5,7/5,13/553.5142.133852.392.87356.2衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

續(xù)29Ballard玫瑰星座玫瑰星座與Delta星座的等價(jià)關(guān)系

Delta星座的相位因子F與玫瑰星座額達(dá)協(xié)因子m滿足如下關(guān)系 即相位因子F是協(xié)因子m與S(每軌道面衛(wèi)星數(shù)量)乘積的模P(軌道平面數(shù)量)余數(shù)366.2衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

續(xù)30 例6.2NewICO星座系統(tǒng)采用表示為10/2/0的Delta星座結(jié)構(gòu)。給出星座的等價(jià)玫瑰星座參數(shù)。 解：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，因此 因?yàn)?則n的可能取值為1、2、3和4 m的可能取值為2/5.4/5.6/5和8/5 NewICO系統(tǒng)的玫瑰星座標(biāo)識(shí)為(10,2,(2/5,4/5,6/5,8/5))376.2衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

續(xù)31

例6.2續(xù)衛(wèi)星編號(hào)λj

γj

m=2/5m=4/5m=6/5m=8/5SAT100000SAT218072144216288SAT3014428872216SAT418021672288144SAT5028821614472SAT61800000SAT7072144216288SAT818014428872216SAT9021672288144SAT1018028821614472386.2衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

續(xù)32共地面軌跡星座共地面軌跡星座是一類(lèi)特殊的星座,星座中所有衛(wèi)星沿相同的地面軌跡運(yùn)動(dòng)共地面軌跡星座的軌道面升交點(diǎn)在赤道平面內(nèi)的分布不一定是均勻的星座中的衛(wèi)星在特定服務(wù)區(qū)域的上空相對(duì)密集,從而提升區(qū)域覆蓋性能396.2衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

續(xù)33共地面軌跡星座為保證衛(wèi)星i和衛(wèi)星j有相同的地面軌跡,需要滿足以下關(guān)系式中s是衛(wèi)星的飛行角速度406.2衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

續(xù)34共地面軌跡星座雖然星座的所有衛(wèi)星沿相同的地面軌跡飛行,但地球的自轉(zhuǎn)仍可能導(dǎo)致地面軌跡沿著赤道移動(dòng)為使得地面軌跡與地面保持相對(duì)固定的狀態(tài),共地面軌跡星座應(yīng)該采用回歸(recursive)或準(zhǔn)回歸(quasi-recursive)軌道回歸/準(zhǔn)回歸軌道是衛(wèi)星的星下點(diǎn)軌跡在M個(gè)恒星日,圍繞地球旋轉(zhuǎn)L圈后重復(fù)的軌道（M和L都是整數(shù)）416.2衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

續(xù)35共地面軌跡星座

回歸/準(zhǔn)回歸軌道的軌道周期Ts

衛(wèi)星在軌角速度

因?yàn)?/p>

有

和

γa之間滿足簡(jiǎn)單的線性關(guān)系426.2衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

續(xù)36共地面軌跡星座436.2衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

續(xù)37赤道軌道星座N顆衛(wèi)星在特定高度的赤道軌道面上均勻分布446.2衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

續(xù)38混合軌道星座Orbcomm系統(tǒng)3個(gè)傾角45o的軌道平面,每軌道面8顆衛(wèi)星,軌道高度均為825km傾角70o和108o的軌道平面各1個(gè),每軌道面2顆衛(wèi)星,軌道高度均為780km,軌道面升交點(diǎn)經(jīng)度差180o1個(gè)赤道軌道面,8顆衛(wèi)星,軌道高度780km456.2衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

續(xù)39混合軌道星座Ellipso系統(tǒng)BOREALISTM子系統(tǒng)包含10顆衛(wèi)星,分布在2個(gè)傾角為116.6o的橢圓軌道上,遠(yuǎn)地點(diǎn)和近地點(diǎn)高度分別為7605km和633kmCONCORDIATM子系統(tǒng)是一個(gè)包含7顆衛(wèi)星的赤道軌道平面,軌道高度為8050km466.3星際鏈路星際鏈路是可視衛(wèi)星之間的直接鏈路星際鏈路的類(lèi)型面內(nèi)星際鏈路(Intra-OrbitISL):連接同一軌道面內(nèi)的衛(wèi)星面間星際鏈路(Inter-OrbitISL):連接相鄰軌道面間的衛(wèi)星層間星際鏈路(Inter-LayerISLs):連接不同高度軌道面間的衛(wèi)星476.3星際鏈路續(xù)1面內(nèi)星際鏈路通常,一顆衛(wèi)星和同一軌道面內(nèi)位于其前后的各一顆衛(wèi)星建立面內(nèi)星際鏈路因?yàn)橥卉壍烂鎯?nèi)衛(wèi)星間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)幾乎為零,因此星際鏈路天線的指向角是固定的,也無(wú)需跟蹤功能面間星際鏈路由于衛(wèi)星間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng),因此星際鏈路天線的方位角、仰角以及鏈路長(zhǎng)度都是時(shí)變的,因此需要采用跟蹤天線486.3星際鏈路續(xù)2496.3星際鏈路續(xù)3層間星際鏈路不同高度軌道平面內(nèi)的衛(wèi)星間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng),使得層間星際鏈路會(huì)發(fā)生重建需要采用跟蹤天線接入衛(wèi)星選擇策略對(duì)層間星際鏈路的穩(wěn)定性有很大的影響506.3星際鏈路續(xù)4516.3星際鏈路續(xù)5仰角計(jì)算距離計(jì)算最大地心角和距離衛(wèi)星高度相同時(shí)526.3星際鏈路續(xù)6例6.3星座衛(wèi)星的軌道高度為1