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文檔簡介
第6章衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)2006.082021/5/91大綱衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)概述衛(wèi)星運動規(guī)律與軌道參數(shù)非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計衛(wèi)星星際鏈路特性衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)頻率規(guī)劃典型衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)介紹2021/5/92衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)概述衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)發(fā)展過程第一代衛(wèi)星移動通信系統(tǒng):模擬信號技術(shù)
·1976年,由3顆靜止衛(wèi)星構(gòu)成的MARISAT系統(tǒng)成為第1個提供海事移動通信服務(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個海事衛(wèi)星移動電話系統(tǒng)第二代衛(wèi)星移動通信系統(tǒng):數(shù)字傳輸技術(shù)
·1988年,Inmarsat-C成為第1個陸地衛(wèi)星移動數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)
·1993年,Inmarsat-M和澳大利亞的Mobilesat成為第1個數(shù)字陸地衛(wèi)星移動電話系統(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)星移動通信系統(tǒng):手持終端
·1998年,銥(Iridium)系統(tǒng)成為首個支持手持終端的全球低軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)
·2003年以后,集成了衛(wèi)星通信子系統(tǒng)的全球移動通信系統(tǒng)(UMTS/IMT-2000)2021/5/93衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)概述續(xù)1衛(wèi)星與地面移動通信系統(tǒng)的比較衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)地面移動通信系統(tǒng)易于快速實現(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)增長全球通用多標準,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償信號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)星運動規(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)運動時的軌道是一個橢圓,并以大物體的質(zhì)心作為一個焦點
?第二定理(1605年)
小物體(衛(wèi)星)在軌道上運動時,在相同的時間內(nèi)掃過的面積相同
?第三定理(1618年) 小物體(衛(wèi)星)的運動周期的平方與橢圓軌道半長軸的立方成正比關(guān)系
2021/5/95衛(wèi)星運動規(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)星運動規(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e=0時,橢圓軌道退化為圓軌道 ?軌道半長軸a
:遠地點與橢圓軌道中心C的距離 ?軌道半短軸b:近地點與橢圓軌道中心C的距離 ?e、a和b滿足關(guān)系2021/5/97衛(wèi)星運動規(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)星到地心的瞬時距離,對橢圓軌道是個時變量,對圓軌道可看作常數(shù) ?遠地點(apogee):地心與橢圓軌道中心的距離 ?近地點(perigee):地心與橢圓軌道中心的距離
2021/5/98衛(wèi)星運動規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)4衛(wèi)星軌道的極坐標表達式 衛(wèi)星橢圓軌道的極坐標表達式為 式中:θ是瞬時衛(wèi)星-地心連線與地心-近地點連線的夾角,是衛(wèi)星在軌道面內(nèi)相對于近地點的相位偏移量;p=a(1-e2)為橢圓半焦弦。2021/5/99衛(wèi)星運動規(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)機械能守恒原理可以推出:
?
橢圓軌道上衛(wèi)星的瞬時速度和軌道周期
?
圓軌道上衛(wèi)星的瞬時速度和軌道周期2021/5/910衛(wèi)星運動規(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,近地點高度(近地點到地球表面的距離)為1000km,遠地點高度為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,長軸為遠地點和近地點之間的直線距離,在半長軸為a,地球半徑為Re,近地點高度為hp和遠地點高度為ha時,有:
所以,半長軸a=8878.137km,由此可計算軌道周期:2021/5/911衛(wèi)星運動規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)7地心坐標系 ?地心O為原點 ?X軸指向春分點方向 ?Z軸與地球的自轉(zhuǎn)軸重合,指向北極點 ?X軸和Y軸確定的平面與赤道平面重合 ?X、Y、Z軸構(gòu)成一個右手坐標系2021/5/912衛(wèi)星運動規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)8軌道參數(shù)
?在地心坐標系中,為完整地描述任意時刻衛(wèi)星在空間中的位置,通常使用2組6個軌道參數(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)星的運動特性,用于確定衛(wèi)星在軌道面內(nèi)的位置2021/5/913衛(wèi)星運動規(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參數(shù)為:
?右旋升交點赤經(jīng)Ω:赤道平面內(nèi)從春分點方向到軌道面交點線間的角度,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
?近地點幅角ω:軌道平面內(nèi),升交點與近地點間的夾角,從升交點按衛(wèi)星運行方向度量2021/5/914衛(wèi)星運動規(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)星的運動特性的三個參數(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);
?軌道半長軸a:橢圓軌道中心到遠地點的距離;
?平均近點角M或過近地點時間tp
:通過平均近點角M或過近地點時間tp可以計算衛(wèi)星的真近點角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)星運動規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)11圓軌道參數(shù)
對圓軌道,通常認為軌道偏心率恒為0,近地點和升交點重合,只需4個參數(shù)就可以完整描述衛(wèi)星在空間的位置:
?右旋升交點赤經(jīng)Ω
?軌道傾角i
?軌道高度h
?初始時刻的真近點角ν(即初始幅角)2021/5/916衛(wèi)星運動規(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
?對圓軌道,以升交點代替近地點作為面內(nèi)相位參考點
?衛(wèi)星以近似恒定的速度Vs飛行,因此瞬時衛(wèi)星與升交點間的夾角θ
2021/5/917衛(wèi)星運動規(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變的,因此確定衛(wèi)星在軌道內(nèi)的位置的方法相對復(fù)雜
?通常采用右側(cè)所示幾何方法來間接計算衛(wèi)星的瞬時真近點角
?圖中,E稱為偏心近點角,θ是真近點角2021/5/918衛(wèi)星運動規(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)偏心近點角E與平均近點角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)來計算E的值2021/5/919衛(wèi)星運動規(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)值方法計算出瞬時的偏心近點角E后,可以通過高斯方程計算真近點角θ:
?通過如下方程計算瞬時衛(wèi)星到地心的距離r
2021/5/920衛(wèi)星運動規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)16衛(wèi)星星下點軌跡
?衛(wèi)星的星下點指衛(wèi)星-地心連線與地球表面的交點
?星下點隨時間在地球表面上的變化路徑稱為星下點軌跡
?星下點軌跡是最直接地描述衛(wèi)星運動規(guī)律的方法
?由于衛(wèi)星在空間沿軌道繞地球運行,而地球又在自轉(zhuǎn),因此衛(wèi)星運行一圈后,其星下點一般不會再重復(fù)前一圈的運行軌跡
2021/5/921衛(wèi)星運動規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)17衛(wèi)星星下點軌跡
?假定0時刻,衛(wèi)星經(jīng)過其右升交點,則衛(wèi)星在任意時刻t(>0)的星下點經(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)星運動規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)18衛(wèi)星星下點軌跡
?一顆軌道高度為13892km,軌道傾角60o,初始位置(0oE,0oN)的衛(wèi)星24小時的星下點軌跡如下圖所示2021/5/923衛(wèi)星運動規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)19單顆衛(wèi)星覆蓋特性計算
?單顆衛(wèi)星對地覆蓋的幾何關(guān)系如下圖所示2021/5/924衛(wèi)星運動規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)20單顆衛(wèi)星覆蓋特性計算
?E:觀察點對衛(wèi)星的仰角,以觀察點的地平線為參考,可取值范圍為[-90o,90o]
?α:衛(wèi)星和觀察點間的地心角,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)星運動規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)21單顆衛(wèi)星覆蓋特性計算
?衛(wèi)星和觀察點間的地心角
?當觀察點和衛(wèi)星的地理位置以經(jīng)緯度坐標形式給出時,以(λu,φu)表示觀察點的瞬時經(jīng)緯度,(λs,φs)表示衛(wèi)星的瞬時經(jīng)緯度,則兩者所夾的地心角由下式確定2021/5/926衛(wèi)星運動規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)22單顆衛(wèi)星覆蓋特性計算
?衛(wèi)星的半視角
?觀察點的仰角
2021/5/927衛(wèi)星運動規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)23單顆衛(wèi)星覆蓋特性計算
?星地距離
?覆蓋區(qū)半徑
2021/5/928衛(wèi)星運動規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)24單顆衛(wèi)星覆蓋特性計算
?觀察點的最小仰角Emin:系統(tǒng)的一個給定指標。根據(jù)Emin和衛(wèi)星軌道高度h便可以計算衛(wèi)星的最大覆蓋地心角、最小星下點視角和最大星地傳輸距離,從而確定衛(wèi)星的瞬時覆蓋區(qū)的直徑和面積、覆蓋區(qū)內(nèi)不同地點的衛(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)星運動規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)25單顆衛(wèi)星覆蓋特性計算
?仰角E=10o時,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)星運動規(guī)律與軌道參數(shù)續(xù)26單顆衛(wèi)星覆蓋特性計算
?仰角E=10o時,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)星運動規(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,試計算該衛(wèi)星能夠提供的最長連續(xù)服務(wù)時間。 解:假設(shè)衛(wèi)星恰好經(jīng)過觀察點上空。隨著衛(wèi)星運動,觀察點的仰角經(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)星能夠提供最長連續(xù)的服務(wù),此期間衛(wèi)星運動掃過的地心角為:2αmax。 衛(wèi)星的最大覆蓋地心角: 衛(wèi)星的在軌運動角速度 所以,最長連續(xù)服務(wù)時間2021/5/932衛(wèi)星運動規(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)星運動規(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)星相對地面運動速度較慢(即位于遠地點附近)時才提供通信服務(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)星運動規(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)星的運行方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同,且衛(wèi)星相對于地面的運動速度隨著衛(wèi)星高度的增加而降低。當軌道高度為35786km時,衛(wèi)星運動速度與地球自轉(zhuǎn)的速度相同。如果此時軌道傾角為0o,則衛(wèi)星對地的運動速度為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)星仍然存在對地的相對運動,這樣的軌道稱為地球同步(Geosynchronous)軌道,其星下點軌跡呈現(xiàn)出“8”字型。2021/5/935衛(wèi)星運動規(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)星的運動方向和地球自轉(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行方向與地球自轉(zhuǎn)方向相反
2021/5/936衛(wèi)星運動規(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)星運動規(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遠地點可達400002021/5/938衛(wèi)星運動規(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)計續(xù)1星座設(shè)計時的基本考慮
?用戶仰角應(yīng)盡可能大
?信號的傳輸延時應(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)計續(xù)2極軌道星座設(shè)計方法
?當衛(wèi)星軌道平面相對于赤道平面的傾角為90o時,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現(xiàn)全球單重覆蓋的思想最早由美國科學(xué)家R.D.Lüder提出;D.C.Beste在Lüder的工作基礎(chǔ)上進行了進一步的分析和優(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)計方法。2021/5/942非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計續(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)計續(xù)4
極軌道星座極點觀察投影圖
?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),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全球的覆蓋時,只需考慮對赤道實現(xiàn)連續(xù)覆蓋;在考慮對球冠區(qū)域的覆蓋時,只需考慮對球冠的最低緯度圈實現(xiàn)連續(xù)覆蓋。2021/5/946非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計續(xù)7極軌道星座實現(xiàn)全球覆蓋 極軌道星座實現(xiàn)全球覆蓋時,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)計續(xù)8極軌道星座實現(xiàn)極冠覆蓋 極軌道星座實現(xiàn)全球覆蓋時,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的相同2021/5/948非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計續(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)計續(xù)10近極軌道星座實現(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)計續(xù)11近極軌道星座實現(xiàn)全球覆蓋 因此,在實現(xiàn)全球覆蓋時,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)計續(xù)12傾斜圓軌道星座設(shè)計WalkerDelta星座Ballard玫瑰(Rosette)星座2021/5/952非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計續(xù)13傾斜圓軌道星座的基本特性
?多個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)計續(xù)15Delta星座標識法
Walker采用3個參數(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)計續(xù)16
例6.3已知某星座的Delta標識為:9/3/1:10355:43,假設(shè)初始時刻星座的第一個軌道面的升交點赤經(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,可知星座多個軌道面的右旋升交點在赤道平面內(nèi)均勻分布,每個軌道面內(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)星編號升交點赤經(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手工計算得到的2021/5/958非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計續(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赤經(jīng)(或經(jīng)度值)成一定的比例關(guān)系
?Ballard使用3個不變的方向角和一個時變的相位角來確定衛(wèi)星在運行天球面上的瞬時位置2021/5/959非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計續(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)計續(xù)21玫瑰星座標識法
Ballard采用3個參數(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是一個非常重要的玫瑰星座參數(shù),它不僅影響衛(wèi)星初始時刻在運行天球上的分布,也影響衛(wèi)星組成的圖案在天球上的旋進速度。2021/5/961非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計續(xù)22衛(wèi)星方向角與玫瑰星座參數(shù)的關(guān)系 對衛(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稱形式:2021/5/962非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計續(xù)23協(xié)因子m的特性
?協(xié)因子m可以是整數(shù)也可以是不可約分數(shù);
?如果m是0到N-1的整數(shù),即意味著S=1,表示星座中每一個軌道平面上只有一顆衛(wèi)星;
?如果協(xié)因子m為不可約分數(shù),則一定以S為分母,表示星座中每一個軌道平面上有S顆衛(wèi)星。
2021/5/963非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計續(xù)24最優(yōu)玫瑰星座的優(yōu)化準則 ?Ballard優(yōu)化策略:最壞觀察點的最大地心角最小化準則 ?任一時刻地球表面上的最壞觀察點是某3顆衛(wèi)星的星下點所構(gòu)成的球面三角形的中心,該點到3顆衛(wèi)星星下點的地心角距離相同 ?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)計續(xù)26玫瑰星座與Delta星座的等價性 ?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)計續(xù)27
例6.4ICO星座的Delta標識為10/2/0,試寫出其等價的玫瑰星座標識。 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星座的玫瑰星座標識為:(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)計續(xù)28共地面軌跡星座的特性 ?包含多個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行; ?適合于實現(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從當前位置運行到其升交點λj用去的時間和地球自轉(zhuǎn)?λ用去的時間相同,則衛(wèi)星j和衛(wèi)星i具有相同的星下點軌跡 ?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回歸軌道 ?回歸/準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/準回歸軌道的共地面軌跡星座中,相鄰軌道面間的升交點經(jīng)度差?λ和相鄰衛(wèi)星間的相位差?ω滿足簡單的線性關(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)星運行方向測量得到,而?ωf則是順衛(wèi)星運行方向測量得到,因此它們之間滿足2π互補關(guān)系2021/5/971非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計續(xù)32共地面軌跡星座的編碼標識方法 可以仿照Walker對Delta星座的標識方法,將共地面軌跡星座的各參數(shù)標識為 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)計續(xù)32共地面軌跡星座與Delta星座的等價性 ?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,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時,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)計續(xù)33共地面軌跡星座與Delta星座的等價性?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
是等價的。2021/5/974非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計續(xù)34
例6.5試確定與共地面軌跡星座6/60/2:20184:28.5o等價的Delta星座參數(shù)。
解:根據(jù)共地面軌跡星座標識方法可知:
?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關(guān)系式可知等價的Delta星座標識為:2021/5/975非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計續(xù)35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“進動”,進動的平均角速度為:
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)計續(xù)36太陽同步軌道
?地球在一年時間(365.25天)內(nèi)繞太陽旋轉(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),使得軌道面進動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。2021/5/977非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計續(xù)37太陽同步軌道
?軌道平面與太陽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角度θ
?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(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)計續(xù)38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: ①由于cosi的取值始終為負,因此傾角i的取值范圍為(90o,180o],所以太陽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)計續(xù)39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間通過同一區(qū)域上空,因而廣泛地使用于對地觀察和監(jiān)測衛(wèi)星系統(tǒng)中,以提供在幾乎相同的日照條件下對相同地區(qū)的觀測結(jié)果。
?在實際的觀察和監(jiān)測衛(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、美國的Landsat7衛(wèi)星高度為705km里),其低軌道特性為地球觀測提供優(yōu)良的觀測條件和軌道條件2021/5/980非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計續(xù)40太陽同步軌道星座
?太陽同步軌道也能夠用于實現(xiàn)衛(wèi)星移動通信系統(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)的一個節(jié)點,使通信信號能不依賴于地面通信網(wǎng)絡(luò)進行傳輸,提高傳輸?shù)男屎拖到y(tǒng)的獨立性,對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
?仰角的時變特性天線的動態(tài)指向特性
?方位角的時變特性天線的動態(tài)指向特性
?星間距離的時變特性功率的動態(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)星存在著相對運動,軌間星際鏈路的方位角、仰角和星間距離一般隨時間而變化,建立相對比較困難
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)星位置時的仰角計算
?如果兩顆衛(wèi)星的瞬時經(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,衛(wèi)星A和B間能否建立星際鏈路?如果能,此時星際鏈路的仰角是多少? 解:根據(jù)已知條件可以計算該星座衛(wèi)星能夠建立星際鏈路時對應(yīng)的最大地心角: 在已知兩顆衛(wèi)星瞬時經(jīng)緯度坐標位置時,可計算星間的地心角:
因為α<αmax,所以衛(wèi)星間可以建立星際鏈路,此時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)時的仰角計算
?對于星座系統(tǒng)而言,更多時候給出的是衛(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算 ?方位角的度量以衛(wèi)星運動方向為基準,沿順時針方向旋轉(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時刻衛(wèi)星i對j的方位角ψij由下式確定
通過下標位置互換可以獲得計算j對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;但同時會導(dǎo)致星間距離增大,將會提高對發(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;但會增加方位角和仰角的變化速度,對星載天線捕獲、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經(jīng)度差的關(guān)系 ?衛(wèi)星軌道間升交點經(jīng)度差的變化不會影響方位角、仰角和星間距離取值的周期特性,但會影響它們?nèi)≈档拇笮∫约叭≈档膭討B(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態(tài)變化范圍均隨著升交點經(jīng)度差的增大而增加。 ?當面內(nèi)衛(wèi)星數(shù)量一定時,衛(wèi)星軌道面間的間隔越小,星際鏈路的實現(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,但會增加方位角和仰角的動態(tài)變化范圍,增加指向的變化速度,對星載天線的捕獲、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)星將始終有負的仰角值,而高度較低的衛(wèi)星的仰角則可正可負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
?在計算出衛(wèi)星所夾地心角后,可以根據(jù)余弦公式計算瞬時星間距離
?不同軌道高度衛(wèi)星間的最大星間地心角αmax和最長的星際鏈路距離Dsmax
2021/5/998衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)2021/5/999衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)續(xù)1ETSI建議的衛(wèi)星個人通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)2021/5/9100衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)續(xù)2ETSI建議的衛(wèi)星個人通信網(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,移動用戶間的呼叫傳輸延時至少等于非靜止軌道衛(wèi)星兩跳的傳輸延時加上信關(guān)站間的地面網(wǎng)絡(luò)傳輸延時。全球星系統(tǒng)采用該結(jié)構(gòu)方案為移動用戶提供服務(wù)。2021/5/9101衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)續(xù)3ETSI建議的衛(wèi)星個人通信網(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)對地面網(wǎng)絡(luò)的依賴,但會帶來數(shù)據(jù)的長距離傳輸。該結(jié)構(gòu)中,移動用戶間的呼叫傳輸延時至少等于非靜止軌道衛(wèi)星兩跳的傳輸延時加上靜止軌道衛(wèi)星一跳的傳輸延時。2021/5/9102衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)續(xù)4ETSI建議的衛(wèi)星個人通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
?結(jié)構(gòu)(c)使用了星際鏈路來實現(xiàn)相同軌道結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星進行互連。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)方案為移動用戶提供服務(wù)。2021/5/9103衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)續(xù)5ETSI建議的衛(wèi)星個人通信網(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。移動用戶間的呼叫傳輸延時等于兩個非靜止軌道衛(wèi)星半跳的延時加上非靜止軌道衛(wèi)星到靜止軌道衛(wèi)星的一跳的延時。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個或多個衛(wèi)星星座構(gòu)成,每個星座又涉及到一系列軌道參數(shù)和獨立的衛(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)計的最初階段便確定;
?空間段的設(shè)計可采用多種方法,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)是負責(zé)維護信關(guān)站配置數(shù)據(jù),完成系統(tǒng)計費、生成用戶賬單并記錄呼叫詳情的數(shù)據(jù)庫系統(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和公用地面移動網(wǎng)絡(luò)PLMN)的固定接入點
?衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)與地面移動網(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;運行和維護(OAM)功能;站內(nèi)信令鏈路管理;擁塞控制;提供對用戶終端試運行的支持 ?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)生和傳送對衛(wèi)星有效載荷和公用艙的命令;接收和處理遙測信息;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用戶到移動用戶呼叫的實時交換2021/5/9109衛(wèi)星移動通信系統(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;
?主要分為兩個主要的類別:移動(Mobile)終端和便攜(Portable)終端
2021/5/9110衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)頻率規(guī)劃衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)可以工作于多個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(WARC-87、92),95、97和2000年世界無線電大會(WRC-95、97、2000)分配2021/5/9111衛(wèi)星移動通信系統(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)星移動通信系統(tǒng)
頻率規(guī)劃續(xù)2WARC-92為全球3個頻率區(qū)域分配了NGEO衛(wèi)星移動通信業(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)星移動通信系統(tǒng)頻率規(guī)劃續(xù)3WRC-95考慮了C、Ku和Ka多個頻段。并對Ka頻段的衛(wèi)星移動通信饋送鏈路頻段和NGEO的FSS(固定衛(wèi)星業(yè)務(wù))頻段進行了分配若干大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)星移動通信系統(tǒng)頻率規(guī)劃續(xù)4WRC-2000在衛(wèi)星移動通信和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頻率的劃分做準備
?關(guān)于NGEOFSS的問題:1)為保護GEOFSS和GEOBSS(靜止衛(wèi)星廣播業(yè)務(wù))系統(tǒng)對來自多個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(包括對自身系統(tǒng)的修改)。當其總干擾超過規(guī)定標準時,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)星移動通信系統(tǒng)介紹銥(Iridium)系統(tǒng)
?第一個全球覆蓋的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)運行
?“銥”公司于2000年3月宣告破產(chǎn)。目前,美國國防部出資維持銥系統(tǒng)的運行2021/5/9116典型衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)介紹續(xù)1銥系統(tǒng)空間段
?銥系統(tǒng)星座最初的設(shè)計由77顆LEO衛(wèi)星組成,它與銥元素的77個電子圍繞原子核運行類似,系統(tǒng)因此得名
?實際星座包括66顆衛(wèi)星,它們分布在6個圓形的、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)計壽命5~8年。
2021/5/9117典型衛(wèi)星移動通信系統(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個點波束,在地面形成48個蜂窩小區(qū),在最小仰角8.2o的情況下,每個小區(qū)直徑為600km,每顆衛(wèi)星的覆蓋區(qū)直徑約4700km,星座對全球地面形成無縫蜂窩覆蓋,如圖所示
?每顆衛(wèi)星的一個點波束支持80個信道,單顆衛(wèi)星可提供3840個信道2021/5/9118典型衛(wèi)星移動通信系統(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種運載火箭被用于發(fā)射這88顆衛(wèi)星,其中11枚美國波音公司的德爾塔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枚中國的長征2型(2C/SD)火箭發(fā)射了14顆。2021/5/9119典型衛(wèi)星移動通信系統(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)星移動通信系統(tǒng)2021/5/9120典型衛(wèi)星移動通信系統(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、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)幾個信關(guān)站即可??紤]到國家和地區(qū)的主權(quán)和經(jīng)濟利益,實際上系統(tǒng)按照國家和地域差別在全球設(shè)置了共12個信關(guān)站,分別位于美國阿利桑那州坦佩、泰國的曼谷、俄羅斯的莫斯科、日本東京、韓國漢城、巴西里約熱內(nèi)盧、意大利羅馬、印度孟買、中國北京、臺灣地區(qū)臺北、沙特的吉達,外加一個美軍專用關(guān)口站在夏威夷。2021/5/9121典型衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)介紹續(xù)6銥系統(tǒng)地面段
?用戶終端有手持機、車載臺和半固定終端3種類型。系統(tǒng)手持機設(shè)計為雙模終端,手機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)的多種標準(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)由美國勞拉空間和通信公司和Qualcomm公司提出,與銥系統(tǒng)提出的時間差不多
?1996年11月,全球星系統(tǒng)獲得了美國聯(lián)邦通信委員會頒發(fā)的運營證書
?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)的支持下實現(xiàn)全球衛(wèi)星移動通信2021/5/9124典型衛(wèi)星移動通信系統(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)星移動通信系統(tǒng)介紹續(xù)11全球星系統(tǒng)衛(wèi)星瞬時的分布和對地覆蓋情況2021/5/9127典型衛(wèi)星移動通信系統(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)的運營開始時間
?有兩種運載火箭被用于發(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個點波束覆蓋區(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)星移動通信系統(tǒng)介紹續(xù)
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