第6章衛星星座設計衛星通信1整理ppt概要6.1引言6.2衛星星座設計6.3星際鏈路6.4系統體系結構2整理ppt6.1引言衛星移動/寬帶通信的開展起源1945ArthurC.Clarke的科學幻想論文：地球外的中繼1957Sputnik：第一顆人造衛星，前蘇聯1960Echo:第一顆反射式衛星1964SYNCOMIII：第一顆GEO衛星1965INTELSATI：第一顆商用GEO衛星(EarlyBirdI)第一代：模擬技術1976第一代移動通信衛星：MARISAT的3顆GEO衛星提供海事通信服務，艦載站的發射功率為40W，天線為1.2米1982Inmarsat-A：第一個海事移動衛星電話系統3整理ppt6.1引言續1衛星移動/寬帶通信的開展第二代：數字傳輸技術1988Inmarsat-C：第一個陸地移動衛星數據通信系統1993Inmarsat-Mandmobilesat(Australia)：第一代數字陸地移動衛星電話系統1996Inmarsat-3：支持膝上型終端的移動衛星電話系統第三代：手持系統1998Iridium：第一個支持手持終端的全球性低軌移動衛星通信系統2003集成了衛星通信子系統的全球移動通信系統(UMTS/IMT-2000)寬帶衛星系統：Internet和多媒體通信2000ASTRA：支持高速Internet接入>2001Spaceway,EuroSkyWay,SkyBridge,Teledesic等：支持固定、便攜或移動多媒體通信的寬帶衛星通信系統4整理ppt6.1引言續2地面和衛星移動通信系統的比較地面移動通信系統衛星移動通信系統覆蓋范圍隨地面基礎設施的建設而持續增長易于快速實現大范圍的完全覆蓋多標準，難以全球通用全球通用蜂窩小區小，頻率利用率高頻率利用率低提供足夠的鏈路余量以補償信號衰落遮蔽效應使得通信鏈路惡化適合于人口密度高，業務量密集的城市環境適合于低人口密度、業務量有限的農村環境5整理ppt6.2衛星星座設計衛星星座的定義具有相似的類型和功能的多顆衛星，分布在相似的或互補的軌道上，在共享控制下協同完成一定的任務設計根本出發點以最少數量的衛星實現對指定區域的覆蓋6整理ppt6.2衛星星座設計

續1衛星星座選擇仰角要盡可能高傳輸延時盡可能小星上設備的電能消耗盡可能少如果系統采用星際鏈路，那么面內和面間的星際鏈路干擾必須限制在可以接收的范圍內對不同國家、不同類型的效勞，軌位的分配需要遵循相應的規章制度多重覆蓋問題以支持特定業務(GPS定位)或提供有QoS保證的業務7整理ppt6.2衛星星座設計

續2衛星星座類型極/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8整理ppt6.2衛星星座設計

續3極軌道星座在極軌道星座中：每個軌道面有相同的傾角和相同數量的衛星，所有衛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交叉點星座衛星在高緯度地區密集，在低緯度地區稀疏順行軌道平面間的間隔和逆行軌道平面間的不同9整理ppt6.2衛星星座設計

續4極軌道星座衛星覆蓋帶(StreetofCoverage)半覆蓋寬度

式中S是每軌道面的衛星數量10整理ppt6.2衛星星座設計

續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象， 星座第一個和最后一個 軌道面間的間隔小于其 它相鄰軌道面間的間隔11整理ppt6.2衛星星座設計

續6極軌道星座相鄰軌道面的幾何覆蓋關系12整理ppt6.2衛星星座設計

續7極軌道星座全球覆蓋條件13整理ppt6.2衛星星座設計

續8極軌道星座單重全球覆蓋星座參數PSα(o)?1(o)h(km),El=10o2366.7104.520958.62457.698.410127.12553.296.57562.43542.366.13888.53638.764.33136.53736.563.22738.64730.848.31917.24828.947.61694.44927.647.01550.65924.238.01214.651023.037.71116.351122.237.41044.361119.931.4868.014整理ppt6.2衛星星座設計

續9極軌道星座球冠覆蓋條件15整理ppt6.2衛星星座設計

續10極軌道星座30o以上單重球冠覆蓋星座參數PSα(o)?1(o)h(km),El=10o2364.1111.816549.52453.4103.17650.02548.198.75508.33539.968.43373.53635.866.02631.53733.364.52252.64728.949.61692.94826.848.51466.24926.347.81318.25922.638.81077.816整理ppt6.2衛星星座設計

續11近極軌道星座傾角接近但不等于90o，即80-100o覆蓋帶設計方法仍然適用極軌道星座的設計方程需要進行擴展，參加傾角因素，以適用于近極軌道17整理ppt6.2衛星星座設計

續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經度差

和分別為 式中，和分別對應極軌道星座順行和逆行軌道面間的升交點經度差18整理ppt6.2衛星星座設計

續13近極軌道星座全球覆蓋方程19整理ppt6.2衛星星座設計

續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星間的相位差滿足20整理ppt6.2衛星星座設計

續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°2366.7682104.6850103.825221063.89282457.807998.919097.395110251.51752553.589296.392393.98777743.22573542.164865.788866.28033862.02743638.554063.998764.45113111.37363736.313162.886463.31702716.65674730.711848.110548.35511908.45744828.836147.362247.60051686.66064927.525246.839147.07291541.86495924.128037.910938.08161209.859051022.988537.531737.70001110.405651122.133937.247337.41391039.416361119.863831.282031.4151864.892621整理ppt6.2衛星星座設計

續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，軌道面升交點在參考平面內均勻分布，衛星在每個軌道平面內均勻分布兩類經典設計方法Walker的Delta星座Ballard的玫瑰(Rosette)星座兩種方法是等效的22整理ppt6.2衛星星座設計

續17傾斜圓軌道星座傾斜圓軌道星座的命名23整理ppt6.2衛星星座設計

續18WalkerDelta星座相鄰軌道面相鄰衛星的相位差概念24整理ppt6.2衛星星座設計

續19WalkerDelta星座星座標識法

Delta星座可以用一個3元參數組完整描述T/P/FT：星座衛星總數

P：軌道平面數量

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星間的相位差25整理ppt6.2衛星星座設計

續20 例6.1某Delta星座標識為9/3/1:10355:43。假設初始時刻，星座第一顆衛星位于(0oE,0oN)。計算所有星座衛星的初始參數。

解: 星座相鄰軌道面的升交點經度差為360o/3=120o 軌道面內相鄰衛星間的相位差為360o/(9/3)=120o 相鄰軌道面相鄰衛星間的相位差為360o/9×1=40o

軌道高度軌道傾角26整理ppt6.2衛星星座設計

續21 例子6.1

續

衛星的初始參數如下表軌道序號衛星序號升交點經度(o)初始弧角(o)1SAT1-100SAT1-20120SAT1-302402SAT2-112040SAT2-2120160SAT2-31202803SAT3-124080SAT3-2240200SAT3-324032027整理ppt6.2衛星星座設計

續22WalkerDelta星座最優Delta星座TPFi(o)αmin

(o)h(km),El=10o55143.769.22714366453.166.42033477555.760.31225588661.956.59374.299770.254.88374.2105257.152.27089.71111453.847.65344.4123150.747.95442.11313558.443.84257.1147454.042.03824.3153153.542.13847.128整理ppt6.2衛星星座設計

續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在參考平面內均勻分布衛星在軌道面內均勻分布衛星在軌道面內的初始相位與該軌道面的升交點角成正比29整理ppt6.2衛星星座設計

續24Ballard玫瑰星座玫瑰星座中，衛星在天球外表的位置 可用3個固定的方位角和1個時變的相 位角來確定λj為第j顆衛星所在軌道平面的升交點角度ij為第j顆衛星所在軌道平面的傾角γj為第j顆衛星在軌道面內的初始相位， 從右旋升交點順衛星運行方向測量x=2πt/T為衛星的時變相位30整理ppt6.2衛星星座設計

續25Ballard玫瑰星座星座標識 玫瑰星座也可可以用3元參數組來表征(N,P,m)

N：星座衛星總數

P：軌道平面數量

m：協因子，影響衛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31整理ppt6.2衛星星座設計

續26Ballard玫瑰星座對N顆衛星均勻分布于P個軌道平面上的玫瑰星座，衛星的方位角滿足

如果m是整數，意味著星座每軌道面僅有一顆衛星；如果m是一個不可約分數，意味著每個軌道平面上有S=N/P顆衛星，且m的分母值為S32整理ppt6.2衛星星座設計

續27Ballard玫瑰星座星座優化技術 可以證明，3顆衛星(i,j,k)在天球上構成的球面三角形的中心位置為最壞觀察點位置33整理ppt6.2衛星星座設計

續28Ballard玫瑰星座最優玫瑰星座NPmi(o)αmin

(o)h(km),El=10oT(hour)55143.6669.1526992.2816.9066453.1366.4220371.7712.1377556.6960.2612220.517.0388661.8656.529388.626.4999770.5454.818380.874.971010847.9351.536799.094.191111453.7947.625344.883.521231/4,7/450.7347.905440.553.561313558.4443.764247.843.0414711/253.9841.963814.132.851531/5,4/5,7/5,13/553.5142.133852.392.8734整理ppt6.2衛星星座設計

續29Ballard玫瑰星座玫瑰星座與Delta星座的等價關系

Delta星座的相位因子F與玫瑰星座額達協因子m滿足如下關系 即相位因子F是協因子m與S(每軌道面衛星數量)乘積的模P(軌道平面數量)余數35整理ppt6.2衛星星座設計

續30 例6.2NewICO星座系統采用表示為10/2/0的Delta星座結構。給出星座的等價玫瑰星座參數。 解：軌道面數量P=2，每軌道面衛星數量S=10/2=5，相位因子F=0，因此 因為 那么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系統的玫瑰星座標識為(10,2,(2/5,4/5,6/5,8/5))36整理ppt6.2衛星星座設計

續31 例6.2續衛星編號λj

γj

m=2/5m=4/5m=6/5m=8/5SAT100000SAT218072144216288SAT3014428872216SAT418021672288144SAT5028821614472SAT61800000SAT7072144216288SAT818014428872216SAT9021672288144SAT101802882161447237整理ppt6.2衛星星座設計

續32共地面軌跡星座共地面軌跡星座是一類特殊的星座，星座中所有衛星沿相同的地面軌跡運動共地面軌跡星座的軌道面升交點在赤道平面內的分布不一定是均勻的星座中的衛星在特定效勞區域的上空相對密集，從而提升區域覆蓋性能38整理ppt6.2衛星星座設計

續33共地面軌跡星座為保證衛星i和衛星j有相同的地面軌跡，需要滿足以下關系式中

s是衛星的飛行角速度39整理ppt6.2衛星星座設計

續34共地面軌跡星座雖然星座的所有衛星沿相同的地面軌跡飛行，但地球的自轉仍可能導致地面軌跡沿著赤道移動為使得地面軌跡與地面保持相對固定的狀態，共地面軌跡星座應該采用回歸(recursive)或準回歸(quasi-recursive)軌道回歸/準回歸軌道是衛星的星下點軌跡在M個恒星日，圍繞地球旋轉L圈后重復的軌道〔M和L都是整數〕40整理ppt6.2衛星星座設計

續35共地面軌跡星座 回歸/準回歸軌道的軌道周期Ts 衛星在軌角速度 因為 有

和

γa之間滿足簡單的線性關系41整理ppt6.2衛星星座設計

續36共地面軌跡星座42整理ppt6.2衛星星座設計

續37赤道軌道星座N顆衛星在特定高度的赤道軌道面上均勻分布43整理ppt6.2衛星星座設計

續38混合軌道星座Orbcomm系統3個傾角45o的軌道平面，每軌道面8顆衛星，軌道高度均為825km傾角70o和108o的軌道平面各1個，每軌道面2顆衛星，軌道高度均為780km

，軌道面升交點經度差180o1個赤道軌道面，8顆衛星，軌道高度780km44整理ppt6.2衛星星座設計

續39混合軌道星座Ellipso系統BOREALISTM

子系統包含10顆衛星，分布在2個傾角為116.6o

的橢圓軌道上，遠地點和近地點高度分別為7605km和633kmCONCORDIATM

子系統是一個包含7顆衛星的赤道軌道平面，軌道高度為8050km45整理ppt6.3星際鏈路星際鏈路是可視衛星之間的直接鏈路星際鏈路的類型面內星際鏈路(Intra-OrbitISL)：連接同一軌道面內的衛星面間星際鏈路(Inter-OrbitISL)：連接相鄰軌道面間的衛星層間星際鏈路(Inter-LayerISLs)：連接不同高度軌道面間的衛星46整理ppt6.3星際鏈路續1面內星際鏈路通常，一顆衛星和同一軌道面內位于其前后的各一顆衛星建立面內星際鏈路因為同一軌道面內衛星間的相對運動幾乎為零，因此星際鏈路天線的指向角是固定的，也無需跟蹤功能面間星際鏈路由于衛星間存在相對運動，因此星際鏈路天線的方位角、仰角以及鏈路長度都是時變的，因此需要采用跟蹤天線47整理ppt6.3星際鏈路續248整理ppt6.3星際鏈路續3層間星際鏈路不同高度軌道平面內的衛星間存在相對運動，使得層間星際鏈路會發生重建需要采用跟蹤天線接入衛星選擇策略對層間星際鏈路的穩定性有很大的影響49整理ppt6.3星際鏈路續450整理ppt6.3星際鏈路續5仰角計算距離計算最大地心角和距離衛星高度相同時51整理ppt6.3星際鏈路續6例6.3星座衛星的軌道高度為1414km。在某一時刻，衛星A和衛星B分別位于(0oE,20oN)和(50oE,15oS