第六章-移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)PPT課件

1、1衛(wèi)星通信導(dǎo)論第六章 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)2第六章概要6.1 引言6.2 非靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)概況 6.3 非靜止衛(wèi)星星座6.4 衛(wèi)星星際鏈路6.5 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)6.6 衛(wèi)星移動通信頻率規(guī)劃6.7 典型衛(wèi)星移動通信系統(tǒng) 工作36.1 引言衛(wèi)星移動/寬帶通信的發(fā)展起源起源1945Arthur C. 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)的1960Echo: 第一顆反射式衛(wèi)星1964SYNCOM III：第一顆GEO衛(wèi)星1965INTELSAT I：第一顆商用GEO衛(wèi)星 (Early Bird I)第一代：模擬技術(shù)第一代：模擬技術(shù)1976第一代移動

2、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)海事移動衛(wèi)星電話系統(tǒng)46.1 引言 續(xù)1衛(wèi)星移動/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)1988Inmarsat-C：第一個(gè)陸地移動衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)1993Inmarsat-M and mobilesat (Australia)：第一代數(shù)字陸地移動衛(wèi)星電話系統(tǒng)1996Inmarsat-3：支持膝上型終端的移動衛(wèi)星電話系統(tǒng)第三代：手持系統(tǒng)第三代：手持系統(tǒng)1998Iridium：第一個(gè)支持手持終端的全球性低軌移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)2003集成了衛(wèi)星通信子

3、系統(tǒng)的全球移動通信系統(tǒng)(UMTS/IMT-2000) 寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)：寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)：Internet和多媒體通信和多媒體通信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(wèi)星通信系統(tǒng)56.1 引言 續(xù)2地面和衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的比較地面移動通信系統(tǒng)衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)覆蓋范圍隨地面基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)而持續(xù)增長 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)償信號衰落 遮蔽效應(yīng)使得通信鏈路惡化 適合于

4、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 非靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)概況6.2.1 衛(wèi)星運(yùn)動規(guī)律與軌道參數(shù)6.2.2 非靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)的軌道和高度選擇7如果把衛(wèi)星看成質(zhì)點(diǎn)，地球也看成質(zhì)點(diǎn)(或均勻球體)，衛(wèi)星繞地球運(yùn)動的軌道為圓維曲線(一般為橢圓或圓)，力學(xué)上稱為“二體問題”在此情況下，衛(wèi)星繞地球以橢圓軌道運(yùn)轉(zhuǎn)，地心是橢圓的兩個(gè)焦點(diǎn)之一，因此產(chǎn)生近地點(diǎn)和遠(yuǎn)地點(diǎn)。衛(wèi)星運(yùn)動滿足開普勒三定律。6.2.1 衛(wèi)星運(yùn)動規(guī)律和軌道參數(shù)8根據(jù)開普勒定律得到的衛(wèi)星軌道運(yùn)動參數(shù)2331( / ) (1) (1)21 (/ ) (/ )(Re)2 ( ) 2 ( )eb aRaeRa

5、eRaeVkm sVkm srarahTsTs半焦距遠(yuǎn)地點(diǎn)近地點(diǎn)衛(wèi)星衛(wèi)星衛(wèi)星衛(wèi)星軌道偏心率：半焦距長度：遠(yuǎn)地點(diǎn)距離：近地點(diǎn)距離：衛(wèi)星在軌瞬時(shí)速度： 橢圓軌道: （）圓軌道：衛(wèi)星運(yùn)行周期： 橢圓軌道: 圓軌道：其中2 /abrkms3半長軸； 半短軸；衛(wèi)星地球瞬時(shí)距離； 開普勒常數(shù)，398601.58 9例例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，長軸為遠(yuǎn)地點(diǎn)和近地點(diǎn)之間的直線距離，在半長軸為a，地球半徑為Re，近地點(diǎn)高度為hp和

6、遠(yuǎn)地點(diǎn)高度為ha時(shí)，有：22Re2 6378.1371000400017,756.274kmpaahh因此，半長軸a = 8878.137Km，由此可計(jì)算軌道周期：328325.1703( )aTs10衛(wèi)星軌道的形狀和衛(wèi)星位置的描述：軌道經(jīng)典參數(shù) 在航天領(lǐng)域，一般習(xí)慣用下面的六個(gè)獨(dú)立參數(shù)來描述衛(wèi)星的軌道形狀及衛(wèi)星軌道位置: 即：升交點(diǎn)赤經(jīng)、傾角、近地點(diǎn)幅角、偏心率、軌道半長軸、平均近點(diǎn)角 這些量稱為軌道要素，或軌道根數(shù). 軌道要素在地心慣性坐標(biāo)系（ECI）中定義、 i、 、 e、 a、M11 i 表示軌道頃角：軌道面和地球赤道面的夾角。表示升交點(diǎn)赤經(jīng)，升交點(diǎn)Na與X軸的夾角。（升交點(diǎn)Na、降交

7、點(diǎn)Nd衛(wèi)星軌道面和赤道的交點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)，衛(wèi)星從南到北通過赤道面的交點(diǎn)稱升交點(diǎn)，從北到南通過赤道面的交點(diǎn)稱降交點(diǎn))M 為平均近點(diǎn)角，表示衛(wèi)星離近地點(diǎn)的角度。(可根據(jù)此角度利用衛(wèi)星軌道平均角速度推算出衛(wèi)星經(jīng)過近地點(diǎn)的時(shí)間) 表示近地點(diǎn)幅角，升交點(diǎn)Na與 近地點(diǎn)的夾角。 a 為橢圓軌道的半長軸。 e 為橢圓軌道的偏心率。XYZ為ECI坐標(biāo)系NZXYhiSret=t=OM12軌道頃角 i 和升交點(diǎn)赤徑 表示了軌道平面在空間 中的方位；近地點(diǎn)幅角表示了軌道的長軸方向。半長軸a 和偏心率 e 表示了橢圓軌道的大小。從而這六個(gè)量完全確定了衛(wèi)星的位置和運(yùn)動狀況。平近點(diǎn)角M 表示了航天器離近地點(diǎn)的角度。NZXYh

8、iSret=t=OM13衛(wèi)星星下點(diǎn)的軌跡（地跡）星下點(diǎn)：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)軌跡式最直接描述衛(wèi)星運(yùn)動規(guī)律的方法衛(wèi)星在任意時(shí)刻的星下點(diǎn)經(jīng)緯度：0180 ( 18090 ) ( )arctan(cos tan )0 ( 9090 )180 (90180 )setit 經(jīng)度 ( )arcsin(sinsin)sti緯度14軌道參數(shù)對軌道形狀和地跡的影響（1）偏心率e e = 0，圓軌道 0e1，拋物線15圓軌道地跡（e=0）16橢圓軌道地跡 (0e1)17軌道參數(shù)對軌道形狀和地跡的影響（2）軌道傾角i i=0 赤道軌道 0i90 傾斜

9、軌道 i90 極軌道90i90）22軌道參數(shù)對軌道形狀和地跡的影響(3)升節(jié)點(diǎn)經(jīng)度 (=0(=0度度) )23升節(jié)點(diǎn)經(jīng)度 (=(=100100度度) )24軌道參數(shù)對軌道形狀和地跡的影響(4)軌道半長軸a a=42164km時(shí)，為地球同步軌道GSO a42164km時(shí)，為地球非同步軌道NGSO25傾角不為0 的地球同步軌道GSO26傾角為0 的地球同步軌道靜止軌道GEO27軌道參數(shù)對軌道形狀和地跡的綜合影響（2）回歸軌道、準(zhǔn)回歸軌道、非回歸軌道回歸軌道：衛(wèi)星軌道周期和地球自轉(zhuǎn)周期成整數(shù)的倒數(shù)關(guān)系。（在一天內(nèi)衛(wèi)星繞地球旋轉(zhuǎn)整數(shù)圈數(shù)）準(zhǔn)回歸軌道：衛(wèi)星軌道周期和地球自轉(zhuǎn)周期成整數(shù)比例關(guān)系。（在整數(shù)天

10、內(nèi)衛(wèi)星繞地球旋轉(zhuǎn)整數(shù)圈數(shù)）非回歸軌道：衛(wèi)星軌道周期和地球自轉(zhuǎn)周期不成整數(shù)比例關(guān)系。三者與衛(wèi)星軌道半長軸有關(guān) 28回歸軌道（例：h10354km，一天四圈）29準(zhǔn)回歸軌道（例：h=1450km，2天內(nèi)25圈）30單顆衛(wèi)星的服務(wù)區(qū)域（FootPrint）E是觀察點(diǎn)對衛(wèi)星的仰角，以觀察點(diǎn)的地平線為參考，取值范圍為0, 90。是衛(wèi)星和觀察點(diǎn)間的地心角，可取值范圍為0, 180。；是衛(wèi)星的半視角（或半俯角），可取值范圍為0, 90，與仰角E和地心角之間有特定的對應(yīng)關(guān)系： + + e = 90d 是衛(wèi)星到觀察點(diǎn)的距離。在衛(wèi)星高度一定時(shí)，其大小隨著仰角的增大而減小，隨著地心角的增大而增大；X 是衛(wèi)星覆蓋區(qū)的

11、半徑；Re是地球平均半徑，h是衛(wèi)星軌道高度。31單顆衛(wèi)星的服務(wù)區(qū)域（FootPrint）（2）3. 仰角、覆蓋區(qū)地心角、衛(wèi)星星下半視角關(guān)系：刻畫覆蓋區(qū)的各參量之間的關(guān)系：1. 覆蓋區(qū)地心角：arccoscoseeREERh2E2. 衛(wèi)星的半視角：ReRe sinarcsincosarctanRe(Re)Re cosEhharccossin() sin()cos() cos() cos()ususus當(dāng)用戶和衛(wèi)星的位置用經(jīng)緯度表示時(shí)，兩者之間的地心角為：32單顆衛(wèi)星的服務(wù)區(qū)域（foot print）（3）刻畫覆蓋區(qū)的各參量之間的關(guān)系：4.星地距離(余弦定理)：22222()2cos sin2si

12、neeeeeedRRhR hREh RhRE 5. 覆蓋區(qū)半徑與面積：2 sin 2(1 cos)eeXRSR半徑：面積：特別的，靜止衛(wèi)星的星站距離：422381.0230.302cos()cos()stationdlatlong（注：即第二章2.1.1節(jié)，公式（29）33例6.2：設(shè)有高度為1666Km的一顆低軌衛(wèi)星，當(dāng)取最小仰角為100時(shí)，計(jì)算該衛(wèi)星的覆蓋面積。 解：首先計(jì)算覆蓋區(qū)地心角：arccoscos28.6618oeeREERh再計(jì)算覆蓋面積：272(1 cos)3.1316 10eSR平方公里34一顆靜止衛(wèi)星的服務(wù)范圍（最小仰角10度）單顆衛(wèi)星的服務(wù)區(qū)域（foot print）（

13、4）35單顆衛(wèi)星的服務(wù)區(qū)域（foot print）（5）一顆低軌星的覆蓋范圍（780km，最小仰角10度）36單顆衛(wèi)星的服務(wù)時(shí)間服務(wù)時(shí)間可以由衛(wèi)星與終端的半地心角和衛(wèi)星運(yùn)動速度確定例例6.3：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)星能夠提供的最長連續(xù)服務(wù)時(shí)間。解解：見圖6-5，假設(shè)衛(wèi)星逆時(shí)針運(yùn)動，則隨著衛(wèi)星運(yùn)動，觀察點(diǎn)的仰角經(jīng)歷從最小接入值增大到最大值90（衛(wèi)星恰好通過用戶上空），再減小到最小接入值的過程。該過程中衛(wèi)星能夠提供連續(xù)的服務(wù)，此期間衛(wèi)星運(yùn)動掃過的地心角為：2max。 最大地心角：max6378.137arccoscos101026.641450

14、6378.137 433398601.582 /9.12 10/0.0522 /(Re)(14506378.137)STrad ssh衛(wèi)星maxmax2/1020.6917minSts 衛(wèi)星的在軌運(yùn)動角速度： 所以衛(wèi)星的最長連續(xù)服務(wù)時(shí)間為： 376.2.2 非靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)的軌道和高度選擇衛(wèi)星系統(tǒng)采用的軌道類型：按空間形狀：橢圓軌道和圓軌道按傾角：赤道軌道、極軌道、傾斜軌道（順行和逆行）按高度：低軌(LEO),中軌(MEO),靜止軌道（GEO）和高橢圓軌道(HEO)38按傾角分類的軌道形式：按傾角分類的軌道形式：39按高度分類的軌道形式：40表6.3 各種軌道的可用高度范圍軌道類型可用高度（

15、km）LEO7002000MEO800020000GEO35786HEO遠(yuǎn)地點(diǎn)可達(dá)4000041幾種典型衛(wèi)星系統(tǒng)的軌道類型低軌LEO：Iridium（銥星）、Globalstar（全球星）中軌MEO: ICO、GPS、GLONASS、GALILEO橢圓HEO: MOLNIYA , ELLIPSO靜止軌道GEO: INMARSAT、Intelsat、THRUYA、 ACES、 TDRSS 426.3 非靜止軌道衛(wèi)星星座衛(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)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)對指定區(qū)域的覆蓋 436.3 非靜止軌道衛(wèi)

16、星星座 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不影響接收的范圍內(nèi) 對不同國家、不同類型的服務(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)446.3 非靜止軌道衛(wèi)星星座續(xù)2衛(wèi)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45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90，因此所有軌

17、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46極軌道星座 續(xù)1衛(wèi)星覆蓋帶(Street of Coverage)半覆蓋寬度 式中S是每軌道面的衛(wèi)星數(shù)量mincosarccoscos(/ )RearccoscosRecSElh47極軌道星座 續(xù)2順行/逆行軌道面和縫隙(seam) 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48極軌道星座 續(xù)3相鄰軌道面的幾何覆蓋關(guān)系12 2 /ccS 順行軌道面間的升交點(diǎn)經(jīng)度差逆行軌道面間的升交點(diǎn)經(jīng)度差相鄰軌道面相鄰衛(wèi)星間相位差49極軌道星座 續(xù)4全球覆

18、蓋條件12(1) (1)(1) cos(1)(1)arccoscos(/ )PPPcPPS 50極軌道星座續(xù)5單重全球覆蓋星座參數(shù)PS()1()h (km), El=102366.7104.520958.62457.698.410127.12553.295.57562.43542.366.13888.53638.764.33135.53736.563.22738.64730.848.31917.24828.947.61694.44927.647.01550.65924.238.01214.651023.037.71115.351122.237.41044.361119.931.4868.0表

19、6451近極軌道星座 傾角接近但不等于90，即80 -100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52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53傾斜圓軌道星座續(xù)1傾斜圓軌道星座的命名54傾斜圓軌道星座 Walker Delta星座相鄰軌道面相鄰衛(wèi)星的相位差概念55傾斜圓軌道星座 Walker Delta星座 續(xù)2星座標(biāo)識法 Delta星座可以用一個(gè)3元參數(shù)組完

20、整描述T/P/F T：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2fFT56例6.3 某Delta星座標(biāo)識為 9/3/1:10355:43。假設(shè)初始時(shí)刻，星座第一顆衛(wèi)星位于(0E, 0N)。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360/3 =120軌道面內(nèi)相鄰衛(wèi)星間的相位差為360/(9/3) = 120相鄰軌道面相鄰衛(wèi)星間的相位差為360/91=40 57例子6.3 續(xù)衛(wèi)星的初時(shí)參數(shù)如下表軌道序號衛(wèi)星序號升交點(diǎn)經(jīng)度()初始平近點(diǎn)角()1SAT1-100SAT1-20120SAT1-302402SAT2-11

21、2040SAT2-2120160SAT2-31202803SAT3-124080SAT3-2240200SAT3-324032058傾斜圓軌道星座 Walker Delta星座 續(xù)3最優(yōu)Delta星座TPFi ()min () )h (km), El=1055143.769.22714366453.166.42033477555.760.31225588661.956.59374.299770.254.88374.2105257.152.27089.71111453.847.65344.4123150.747.95442.11313558.443.84257.1147454.042.03824

22、.3153153.542.13847.159傾斜圓軌道星座 Ballard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60傾斜圓軌道星座 Ballard玫瑰星座 續(xù)2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)變的相位角來確定j 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j 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)行方向測量 x = 2t/T為衛(wèi)星的時(shí)變相位61傾斜圓軌道星座 Ballard玫瑰星座 續(xù)3星座標(biāo)識

23、玫瑰星座也可以用3元參數(shù)組來表征(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62傾斜圓軌道星座 Ballard玫瑰星座 續(xù)4最優(yōu)玫瑰星座NPmi ()min ()h (km), El=10T (hour)55143.6669.1526992.2816.9066453.1366.4220371.7712.1377555.6960.2612220.517.0388661.8656.529388.625.4999770.5454.818380.874.971010847.9351.536799.094.19111145

24、3.7947.625344.883.521231/4, 7/450.7347.905440.553.561313558.4443.764247.843.0414711/253.9841.963814.132.851531/5, 4/5, 7/5, 13/553.5142.133852.392.8763傾斜圓軌道星座 Ballard玫瑰星座 續(xù)5Ballard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與玫瑰星座的協(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)mod(, )FmS P64例6.4 NewICO星座系統(tǒng)采用表

25、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4m的可能取值為2/5、4/5、6/5和8/5NewICO系統(tǒng)的玫瑰星座標(biāo)識為 (10, 2, (2/5, 4/5, 6/5, 8/5)mod(,)mod(5,2)02 /5m S PFmmn0(1)/029mNSn65例6.4 續(xù)衛(wèi)星編號衛(wèi)星編號j j m = 2/5m = 4/5m = 6/5m = 8/5SAT100000SAT218072144216288SAT3014428872216SAT

26、418021672288144SAT5028821614472SAT61800000SAT7072144216288SAT818014428872216SAT9021672288144SAT101802882161447266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(wèi)星沿相同的地面軌跡運(yùn)動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)域的上空相對密集，從而提升區(qū)域覆蓋性能67共地面軌跡星座共地面軌跡星座68共地面軌跡星座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/eaS 69共地面軌

27、跡星座赤道軌道星座N顆衛(wèi)星在特定高度的赤道軌道面上均勻分布70混合軌道星座Orbcomm系統(tǒng)3個(gè)傾角45的軌道平面，每軌道面8顆衛(wèi)星，軌道高度均為825 km傾角70和108的軌道平面各1個(gè)，每軌道面2顆衛(wèi)星，軌道高度均為780 km ，軌道面升交點(diǎn)經(jīng)度差1801個(gè)赤道軌道面，8顆衛(wèi)星，軌道高度780 km71混合軌道星座續(xù)1Ellipso系統(tǒng)BOREALISTM 子系統(tǒng)包含10顆衛(wèi)星，分布在2個(gè)傾角為116.6 的橢圓軌道上，遠(yuǎn)地點(diǎn)和近地點(diǎn)高度分別為7605 km和633 kmCONCORDIATM 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8050 km726.4 星際鏈路星際鏈路

28、是可視衛(wèi)星之間的直接鏈路星際鏈路的類型軌內(nèi)星際鏈路(Intra-Orbit ISL)：連接同一軌道面內(nèi)的衛(wèi)星軌間星際鏈路(Inter-Orbit ISL)：連接相鄰軌道面間的衛(wèi)星層間星際鏈路(Inter-Layer ISLs)：連接不同高度軌道面間的衛(wèi)星736.4 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)星間的相對運(yùn)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(wèi)星間存在相對運(yùn)動，因此星際鏈路天線的方位角、仰角以及鏈路長度都是時(shí)變的，因此需要采用跟蹤天線746.4 星際鏈路 續(xù)2756.4 星際

29、鏈路 續(xù)3層間星際鏈路不同高度軌道平面內(nèi)的衛(wèi)星間存在相對運(yùn)動，使得層間星際鏈路會發(fā)生重建需要采用跟蹤天線接入衛(wèi)星選擇策略對層間星際鏈路的穩(wěn)定性有很大的影響766.4 星際鏈路 續(xù)4776.4 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/2ABEE 2 (Re) sin(/2)sDhmax22maxRe2arccosRe2 (Re)(Re)PsPHhDhH786.4 星際鏈路 續(xù)6例例 6.5 星座衛(wèi)星的軌道高度為1414 km。在某一時(shí)刻，衛(wèi)星A和衛(wèi)星B分別位于(0E,20N)和(50E,15S) 。假設(shè)星際鏈路對地保護(hù)距離為50 km，判斷衛(wèi)星A和B間是否能夠建立星際鏈路。如果可建星際鏈

30、路，其長度為多少？解解：在保護(hù)距離為50 km時(shí)，可建星際鏈路的兩顆衛(wèi)星間最大地心角衛(wèi)星A和B間的瞬時(shí)地心角因?yàn)?，因此衛(wèi)星A和B 可以建立星際鏈路。星際鏈路天線的瞬時(shí)仰角 星際鏈路的瞬時(shí)長度maxRe506378.1372arccos2 arccos68.83Re14146378.137PHharccos sin( 15 )sin(20 )cos( 15 )cos(20 )cos(500 )60.34 max2 (14146378.137) sin(60.34 /2)7831.6()sDkm/230.17ABEE 796.4 星際鏈路 續(xù)7仰角計(jì)算距離計(jì)算最大地心角和距離Rearctan (

31、cos( )/sin( )ReAABBAhEhEE 222(Re)(Re)2 (Re) (Re) cos( )sABABDhhhh max2222maxReRearccosarccosReRe(Re)(Re)(Re)(Re)PPABsAPBPHHhhDhHhH806.5 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(ETSI)確定的全球覆蓋衛(wèi)星個(gè)人通信網(wǎng)絡(luò)(S-PCN)的可能結(jié)構(gòu)816.5 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 續(xù)1方案(a)采用透明轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星，依賴于地面網(wǎng)絡(luò)來連接信關(guān)站移動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)826.5 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 續(xù)2方案

32、(b)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)對地面網(wǎng)絡(luò)的依賴，但會帶來數(shù)據(jù)的長距離傳輸 移動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) 836.5 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 續(xù)3方案(c)使用星際鏈路來實(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，但對其的依賴性已經(jīng)下降 移動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)846.5 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 續(xù)4方案(d)使用了雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的混合星座結(jié)構(gòu)移動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)

33、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) 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 856.6 頻率規(guī)劃WARC-87的移動衛(wèi)星業(yè)務(wù)頻率分配方案Frequency (MHz)DirectionService type1530.0-1533.0LMSS and MMSS1533.0-1544.0MMSS and low rate LMSS1545.0-1555.0AMSS1555.0-1559.0LMSS1626.5-1631.5MMSS and low rate LMSS1631.5-1634.5LMSS and MMSS1634.5-1645.5MMSS and l

34、ow rate LMSS1646.5-1656.5AMSS1656.5-1660.5LMSS866.6 頻率規(guī)劃 續(xù)1WARC-92的頻率分配方案876.6 頻率規(guī)劃 續(xù)2一些大LEO系統(tǒng)和MEO系統(tǒng)的頻率規(guī)劃IridiumGlobalstarNew ICOConstellationEllipsoUserLinkUplink(MHz)1616-1626.51610-1626.51985-20152483.5-25001610-1626.5Downlink(MHz)1616-1626.52483.5-25002170-22001610-1626.52483.5-2500FeederLinkUpl

35、ink(GHz)29.1-29.35.091-5.2505.150-5.2505.091-5.25015.45-15.65Downlink(GHz)19.4-19.66.875-7.0556.975-7.0756.924-7.0756.875-7.075886.7 典型衛(wèi)星移動通信系統(tǒng) 銥(Iridium)系統(tǒng)1990年，Motorola公司宣布準(zhǔn)備開發(fā)銥系統(tǒng)，并初步預(yù)計(jì)在1996年開始商業(yè)運(yùn)營1995年1月，銥系統(tǒng)獲得FCC頒發(fā)的許可證1998年11月1日，銥系統(tǒng)成為全球第一個(gè)，也是目前唯一一個(gè)投入商業(yè)運(yùn)營的衛(wèi)星個(gè)人通信網(wǎng)絡(luò)896.7 典型衛(wèi)星移動通信系統(tǒng) 續(xù)1Iridium銥系統(tǒng)在從199

36、7年5月5日到1999年6月22日這約2年的時(shí)間內(nèi)完成了系統(tǒng)衛(wèi)星的發(fā)射，總共成功發(fā)88顆低軌衛(wèi)星，其中前1年發(fā)射了72顆之多銥系統(tǒng)采用了3種類型的運(yùn)載火箭來發(fā)射其系統(tǒng)衛(wèi)星：波音的Delta II火箭，11次發(fā)射共計(jì)55顆衛(wèi)星；俄羅斯質(zhì)子火箭，3次發(fā)射共計(jì)21顆衛(wèi)星；中國的長征2型，7次發(fā)射共計(jì)14顆906.7 典型衛(wèi)星移動通信系統(tǒng) 續(xù)2Iridium衛(wèi)星星座近極軌道星座66顆衛(wèi)星6個(gè)軌道平面每軌道平面11顆衛(wèi)星傾角86.4軌道高度780km相鄰順行軌道間升交點(diǎn)經(jīng)度差為27 916.7 典型衛(wèi)星移動通信系統(tǒng) 續(xù)3Iridium衛(wèi)星重量約689kg衛(wèi)星壽命5到8年具有星上處理能力每顆衛(wèi)星48個(gè)點(diǎn)波

37、束，系統(tǒng)共3168個(gè)點(diǎn)波束，瞬時(shí)有效點(diǎn)波束數(shù)量為2150在11個(gè)國家部署12個(gè)信關(guān)站每衛(wèi)星有2條面內(nèi)星際鏈路和2條面間星際鏈路926.7 典型衛(wèi)星移動通信系統(tǒng) 續(xù)4Iridium936.7 典型衛(wèi)星移動通信系統(tǒng) 續(xù)5Iridium采用QPSK調(diào)制采用FDMA/TDMA多址方式，采用TDD移動用戶鏈路工作于L頻段的16161626.5MHz 信關(guān)站饋電鏈路和遙測鏈路工作于Ka頻段，其中上行29.129.3 GHz，下行19.419.6 GHz星際鏈路工作于Ka頻段的23.1823.38 GHz946.7 典型衛(wèi)星移動通信系統(tǒng) 續(xù)6Iridium1999年8月13日，銥系統(tǒng)在美國申請破產(chǎn)保護(hù)由于無

38、法找到新的投資者，2000年3月17日，銥系統(tǒng)停止了商業(yè)服務(wù)2000年12月12日，新的銥衛(wèi)星有限公司宣布獲得銥系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，將系統(tǒng)的父表市場重新定位為美國政府和工業(yè)級客戶，并于2001年初重新開始商業(yè)運(yùn)營目前，美國國防部是銥系統(tǒng)的最大客戶956.7 典型衛(wèi)星移動通信系統(tǒng) 續(xù)7全球星(Globalstar)系統(tǒng)勞拉空間和通信公司與高通(Qualcomm)提出的低軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，與銥相同提出的時(shí)間接近全球星在1996年11月取得了FCC頒發(fā)的運(yùn)營許可證1998年5月，全球星發(fā)射了第一批4顆衛(wèi)星。到2000年初，完成了48顆工作衛(wèi)星和4顆備用星的全部署全球星采用了2種運(yùn)載火箭發(fā)射其衛(wèi)星：波音空間系

39、統(tǒng)公司的DeltaII火箭，7次共發(fā)射28顆衛(wèi)星；6枚 SoyuzIkar火箭發(fā)射了其余24顆966.7 典型衛(wèi)星移動通信系統(tǒng) 續(xù)8Globalstar系統(tǒng)特性48顆衛(wèi)星8個(gè)軌道平面傾角52軌道高度1414km覆蓋范圍南北緯70無星際鏈路無星上處理976.7 典型衛(wèi)星移動通信系統(tǒng) 續(xù)9Globalstar用戶段地面段空間段986.7 典型衛(wèi)星移動通信系統(tǒng) 續(xù)10Globalstar996.7 典型衛(wèi)星移動通信系統(tǒng) 續(xù)11Globalstar有效載荷的簡單框圖1006.7 典型衛(wèi)星移動通信系統(tǒng) 續(xù)12GlobalstarS頻段衛(wèi)星天線點(diǎn)波束配置1016.7 典型衛(wèi)星移動通信系統(tǒng) 續(xù)13GlobalstarL頻段衛(wèi)星天線的點(diǎn)波束配置1026.7 典型衛(wèi)星移動通信系統(tǒng) 續(xù)14Globalstar頻率規(guī)劃1036.7 典型衛(wèi)星移動通信系統(tǒng) 續(xù)15GlobalstarL頻段信道分配S頻段信道分配1046.7 典型衛(wèi)星移動通信系統(tǒng) 續(xù)16Globalstar 瞬時(shí)覆蓋 統(tǒng)計(jì)覆蓋特性1056.7 典型衛(wèi)星移動通信系統(tǒng) 續(xù)17Globalstar 用戶終端1066.7 典型衛(wèi)星移動通信系統(tǒng) 續(xù)18Gl