衛(wèi)星通信系統(tǒng)概述

1、第6章 衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)電子科技大學(xué)2006.082大 綱n衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)概述n衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù)n非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)n衛(wèi)星星際鏈路特性n衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)n衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)頻率規(guī)劃n典型衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)介紹3衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)概述n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)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)第二代衛(wèi)星移動(dòng)通

2、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）4衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)概述 續(xù)1n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)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)地面移

3、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)?。┱诒涡?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5衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù)n開普勒三定理 第一定理（第一定理（1602年）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（第二定理（1605年）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（第三定理（1618年）年）小物體（衛(wèi)星）的

4、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 6衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)1n開普勒定理的圖形描述7衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)2n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21( / )eb a8衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)3n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

5、)：地心與橢圓軌道中心的距離maxmin(1)(1)Raerraerrae半焦距遠(yuǎn)地點(diǎn)近地點(diǎn)9衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)4n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：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。2(1)1cos1cosaepree10衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)5n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321(/ )2( )aVkm sTsra衛(wèi)星衛(wèi)星 （）3(Re)(/ )2( )hVkm sTsr衛(wèi)星衛(wèi)星

6、11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6378.137 km的情況下，求該衛(wèi)星的軌道周期T。 解解：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： 22Re26378.1371000400017,756.274kmpaahh328325.1703( )aTs12衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)7n地心坐標(biāo)系 地心O為原點(diǎn) X軸指向春分

7、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 13衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)8n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14衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)9n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)：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：軌道平面內(nèi)，升交點(diǎn)

8、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15衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)10n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。 M和tp滿足如下關(guān)系式（式中Ts為衛(wèi)星軌道周期）。2()psMttT16衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)11n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) 軌道傾角i 軌道高度h 初始時(shí)

9、刻的真近點(diǎn)角（即初始幅角） 17衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)12n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 Vt衛(wèi)星18衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)13n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，是真近點(diǎn)角19衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)14n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（Ke

10、plers equation），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 sinMEeE 20衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)15n牛頓迭代法 迭代公式 迭代終止條件其中為允許的最大誤差 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： 通過如下方程計(jì)算瞬時(shí)衛(wèi)星到地心的距離r 1sin1sinkkkkkkkMEeEMMEEeE 1kkMM12 arctan(tan)12eEe(1cos)raeE 21衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)16n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)

11、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 22衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)17n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s表示）和緯度（用s表示）由以下方程組確定： 0180 ( 18090 )( )arctan(costan )0 ( 9090 )180 (90180 )( )arcsin(sinsin )sestitti 23衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)18n衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡 一顆軌道高度為13892km，軌道傾角60，初始位置（0E

12、，0N）的衛(wèi)星24小時(shí)的星下點(diǎn)軌跡如下圖所示 24衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)19n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 25衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)20n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-90, 90 ：衛(wèi)星和觀察點(diǎn)間的地心角，可取值范圍為0, 180 ：衛(wèi)星的半視角（或半俯角），可取值范圍為0, 90 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 26衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)21n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)，

13、以(u，u)表示觀察點(diǎn)的瞬時(shí)經(jīng)緯度，(s，s)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 ReRearccoscosarcsinsinReRehEEharccos sin() sin()cos() cos() cos()ususus27衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)22n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 ReRe sinarcsincosarctanRe(Re)Re cosEhh(Re) cosReRearctanarccossin(Re) sinRehhEh28衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)23n單顆衛(wèi)星覆蓋特性計(jì)算 星地距離 覆蓋區(qū)半徑 22222Re(Re)2 Re (R

14、e) cos= Re sin2ReRe sindhhEhhE Re sinX29衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)24n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 30衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)25n單顆衛(wèi)星覆蓋特性計(jì)算 仰角E10時(shí)，地心角和衛(wèi)星半視角隨衛(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72，星下

15、半視角約8.5 31衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)26n單顆衛(wèi)星覆蓋特性計(jì)算 仰角E10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41000km 32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10，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90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：2max。衛(wèi)星的最大覆蓋地心角：衛(wèi)星的在軌運(yùn)動(dòng)角速度

16、 所以，最長(zhǎng)連續(xù)服務(wù)時(shí)間max6378.137arccoscos101026.6414506378.137 433398601.582 /9.12 10/0.0522 /(Re)(14506378.137)STrad ssh衛(wèi)星maxmax2/1020.6917minSts33衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)28n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/GS

17、O）和高橢圓軌道（HEO） 34衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)29n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 35衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)30n衛(wèi)星軌道按傾角分類 赤道軌道：傾角為0，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35786 km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0，則衛(wèi)星對(duì)地的運(yùn)動(dòng)速度為0，這種軌道就是靜止（Geos

18、tationary）軌道；如果衛(wèi)星的傾角不為0，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。 36衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)31n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90，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0到90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90到180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 37衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)32n衛(wèi)星軌道按傾角分類3

19、8衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)33n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）LEO7002000MEO800020000GEO/GSO35786HEO遠(yuǎn)地點(diǎn)可達(dá)4000039衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)3440非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)n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) 41非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)1n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 42非

20、靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)2n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90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.Lder提出；D.C.Beste在Lder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。 43非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)3n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，為單顆衛(wèi)星覆蓋的半地心角寬

21、度，S為每個(gè)軌道面內(nèi)的衛(wèi)星數(shù)量，/S為衛(wèi)星之間的半地心角寬度cosarccoscos(/ )cS44非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)4n 極軌道星座極點(diǎn)觀察投影圖 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45非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)5n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 122cc 46非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)6n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)（90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

22、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。 47非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)7n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 12(1) (1)(1) cos(1)(1)arccoscos(/ )PPPcPPS /S48非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)8n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

23、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(/ )PPcPPS49非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)9n近極軌道星座 衛(wèi)星軌道平面與赤道平面的夾角為80100（除90）時(shí)的軌道 由于近極軌道星座的傾角接近90，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)。 50非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)10n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 )coscosarcc

24、os()siniii 121/arctan(cos( ) tan()Si51非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)11n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(/ )cosarccossinSPiSii52非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)12n傾斜圓軌道星座設(shè)計(jì) Walker Delta星座 Ballard玫瑰（Rosette）星座53非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)13n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

25、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54非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)14nDelta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 55非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)15nDelta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 2/fF T56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

26、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0，面上第一顆衛(wèi)星位于（0E, 0N），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：360/3=120； 面內(nèi)衛(wèi)星的相位差：360/(9/3)=120； 相鄰軌道面相鄰衛(wèi)星的相位差：3601/9=40； 57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

27、點(diǎn)赤經(jīng)（）初始幅角（）1SAT1-100SAT1-20120SAT1-302402SAT2-112040SAT2-2120160SAT2-31202803SAT3-124080SAT3-2240200SAT3-324032058非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)18nWalker的最優(yōu)Delta星座 TPFi ()min ()h (km)55143.769.22714366453.166.42033477555.760.31225588661.956.59374.299770.254.88374.2105257.152.27089.71111453.847.65344.4123150.747.9544

28、2.11313558.443.84257.1147454.042.03824.3153153.542.13847.1需要指出，該表中的數(shù)據(jù)是由Walker手工計(jì)算得到的59非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)19n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60非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)20nBallard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)

29、量為衛(wèi)星在軌道平面內(nèi)的時(shí)變相位61非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)21n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。 62非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)22n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 PjNiim

30、NSmmj PmSj NNP S63非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)23n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。 64非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)24n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min必須大于或等于最壞觀察點(diǎn)與衛(wèi)星間

31、的最大地心角 65非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)25n最優(yōu)玫瑰星座參數(shù)NPmi ()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

32、/253.9841.963814.132.851531/5, 4/5, 7/5, 13/553.5142.133852.392.8766非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)26n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 mod(,)mod( , )FmS Px yxy是對(duì) 進(jìn)行模 運(yùn)算67非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)27例6.4 ICO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=1

33、0/2=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02n10），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） mod(5 ,2)0522 /5mmnmn2 /5(2/5,4/5,6/5,8/5)mn68非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)28n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)。69非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)29n共地面軌跡星座的參數(shù)約束關(guān)系 由圖可見

34、，如果衛(wèi)星j從當(dāng)前位置運(yùn)行到其升交點(diǎn)j用去的時(shí)間和地球自轉(zhuǎn)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/eS 70非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)30n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回歸或準(zhǔn)回歸軌道或準(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 /seTTMN/seN M71非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)31n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

35、道的共地面軌跡星座中，相鄰軌道面間的升交點(diǎn)經(jīng)度差和相鄰衛(wèi)星間的相位差滿足簡(jiǎn)單的線性關(guān)系： 必須注意，此處的衛(wèi)星間相位差 與Delta星座所定義的衛(wèi)星間相位差f不同：是按逆衛(wèi)星運(yùn)行方向測(cè)量得到，而f則是順衛(wèi)星運(yùn)行方向測(cè)量得到，因此它們之間滿足2互補(bǔ)關(guān)系 /N M 2f72非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)32n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； 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)星間的相位差和f ，以及衛(wèi)星軌道高度h； i為星座中所有軌道面的傾

36、角。 /(/): /:TN Mh iTN h i或73非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)32n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（M1）。 2/ 2/fPF T/TFN M74非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)33n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

37、 T/(2/T)/N 是等價(jià)的。 (1)FTN NT75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6/60/2:20184:28.5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：6/6/4:20184:28.576非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)35n太陽同步軌道 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

38、：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。 3.522Re9.964 ()(1)cos( /)Redeidth 天77非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)36n太陽同步軌道 地球在一年時(shí)間（365.25天）內(nèi)繞太陽旋轉(zhuǎn)360，公轉(zhuǎn)的平均角速度為360/365.25=0.9856/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公轉(zhuǎn)的平均角速度相同，這樣的軌道稱為太陽同步軌道。 由于太陽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保持固定的幾何關(guān)系。 78非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)37n太陽同步軌道 軌道平面與太陽間幾乎固定

39、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 這種固定的空間幾何關(guān)系使得太陽同步軌道的衛(wèi)星總是在相同的本地時(shí)（LST）經(jīng)過某一區(qū)域的上空 79非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)38n太陽同步軌道 圓太陽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： 由于cosi的取值始終為負(fù)，因此傾角i的取值范圍為 ( 90, 180，所以太陽同步軌道一定是逆行軌道； 由| cosi |=4.77310-15(h+Re)3.51，可知圓軌道太陽同步軌道的高度是受限的，最高高度為5974.9 km。 3.5157/2Re0.98569.964coscos4.773 10(

40、Re)Rediihdth 80非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)39n太陽同步軌道星座 由于太陽同步軌道衛(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798 km、美國(guó)的Landsat7衛(wèi)星高度為705 km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 81非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)40n太陽同步軌道星座 太陽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) 82

41、衛(wèi)星星際鏈路n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。n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83衛(wèi)星星際鏈路 續(xù)1n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-Orbit ISL）：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

42、際鏈路（Inter-Orbit ISL）：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 84衛(wèi)星星際鏈路 續(xù)2n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 max22max/22 (Re) sin(/2)Re2arccosRe2 (Re)(Re)ABsPsPEEDhHhDhH 仰角：星間距離：最大地心角：最大星間距離：85衛(wèi)星星際鏈路 續(xù)3n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（s1，s1）和（s2，s2）表示，則衛(wèi)星所夾的地心角為 根據(jù)前頁的式子可以確定衛(wèi)星間的仰角和距離121212

43、arccos sin() sin()cos() cos() cos()ssssss86衛(wèi)星星際鏈路 續(xù)4例例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（0E，20N），衛(wèi)星B的位置為（50E，15S），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)閙ax，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： maxRe506378.1372arccos2 arccos68.83Re14146

44、378.137PHharccos sin( 15 )sin(20 )cos( 15 )cos(20 )cos(500 )60.34 /230.172 (14146378.137) sin(60.34 /2)7831.6()ABsEEDkm 87衛(wèi)星星際鏈路 續(xù)5n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）：24222242222sin ()cos ( /2) sin ()/2/22 sin (

45、 /2) cos ( /2) sin ()/2sin ( /2) sin ()/2/22 sin ( /2) cos ( /2) sin (/2) cos(2)i jjijijijiRiiiiii88衛(wèi)星星際鏈路 續(xù)6n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ij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ji的公式 222222arctansinsin() cos()sin(2 ) sin (/2) sin()/sinsin (/2) sin(2

46、)cossin() cos()(cos (/2)cossin (/2) sin()ijjjjijijiiiiii89衛(wèi)星星際鏈路 續(xù)7n星際鏈路性能隨軌道高度的變化90衛(wèi)星星際鏈路 續(xù)8n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。 91衛(wèi)星星際鏈路 續(xù)9n星際鏈路性能隨軌道傾角的變化 92衛(wèi)星星際鏈路 續(xù)10n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

47、，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。 93衛(wèi)星星際鏈路 續(xù)11n星際鏈路性能與升交點(diǎn)經(jīng)度差的關(guān)系 94衛(wèi)星星際鏈路 續(xù)12n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 95衛(wèi)星星際鏈路 續(xù)13n星際鏈路性能與初始輻角差的關(guān)系 96衛(wèi)星星際鏈路 續(xù)

48、14n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。 97衛(wèi)星星際鏈路 續(xù)15n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) Rearctan (cos( )/sin( )ReAABBAhEhEE 98衛(wèi)星星際鏈路 續(xù)16n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max和最長(zhǎng)的星際鏈路距離

49、Dsmax max2222maxReRearccosarccosReRe(Re)(Re)(Re)(Re)PPABsAPBPHHhhDhHhH22max(Re)(Re)2 (Re) (Re) cossABABDhhhh 99衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)n衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)100衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 續(xù)1nETSI建議的衛(wèi)星個(gè)人通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 101衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 續(xù)2nETSI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

50、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)。 102衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 續(xù)3nETSI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)。 103衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 續(xù)4nETSI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

51、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)。 104衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 續(xù)5nETSI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-Orbit Links）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。 105衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 續(xù)6n系統(tǒng)空間段 空間段提供網(wǎng)絡(luò)用戶與信關(guān)站之

52、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)。106衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 續(xù)7n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

53、統(tǒng)合在一起稱為控制段 107衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 續(xù)8n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 108衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 續(xù)9n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

54、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 109衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 續(xù)10n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

55、組完成移動(dòng)用戶到移動(dòng)用戶呼叫的實(shí)時(shí)交換110衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 續(xù)11n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 111衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)頻率規(guī)劃n衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)可以工作于多個(gè)頻段n頻段的選取主要取決于系統(tǒng)提供的服務(wù)類型n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112衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)頻率規(guī)劃 續(xù)1nWARC-87分配的MSS頻譜 頻率（MHz）傳輸方向業(yè)務(wù)類型1530.0-1533.0

56、LMSS和MMSS1533.0-1544.0MMSS和低速率LMSS1545.0-1555.0AMSS（可公用）1555.0-1559.0LMSS1626.5-1631.5MMSS和低速率LMSS1631.5-1634.5LMSS和MMSS1634.5-1645.5MMSS和低速率LMSS1646.5-1656.5AMSS（可公用）1656.5-1660.5LMSS113衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)頻率規(guī)劃 續(xù)2nWARC-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 114衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)頻率規(guī)劃 續(xù)3nWRC-95考慮了C

57、、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n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 IridiumGlobalstarNew ICOConstellationEllipso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-

58、5.25015.45-15.65下行饋送鏈路GHz）19.4-19.66.875-7.0556.975-7.0756.924-7.0756.875-7.075115衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)頻率規(guī)劃 續(xù)4nWRC-2000在衛(wèi)星移動(dòng)通信和GEO FSS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16101626.5/2483.52500MHz頻段 關(guān)于在13GHz頻段，會(huì)議決定開展包括可能用于MSS的15181525MHz、16831690MHz頻段與現(xiàn)

59、有業(yè)務(wù)的共用研究，為MSS頻率的劃分做準(zhǔn)備 關(guān)于NGEO FSS的問題：1）為保護(hù)GEO FSS和GEO BSS（靜止衛(wèi)星廣播業(yè)務(wù)）系統(tǒng)對(duì)來自多個(gè)NGEO FSS系統(tǒng)的總干擾不超過規(guī)定要求，操作NGEO FSS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)，NGEO FSS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12.212.5GHz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 116典型衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)介紹n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

60、，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 117典型衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)介紹 續(xù)1n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86.4的近極軌道平面上，面間間隔27，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