移动卫星通信系统上卫星星座设计
第一章绪论 第二节导航定位卫星及其星座
GPS测量定位技术
一、GPS卫星及星座
GPS系统主要是为美国海陆空三军服务的，它具有广 泛的军事用途，例如，为地面部队迅速行动指明方位， 为核潜艇导航，为弹道导弹导航，检测全球核爆炸，摄 取全球性的军事情报，反潜艇，反导弹等等。因此， GPS卫星的内部设备复杂而繁多，例如，为了战略部队 的应急通讯，美国在GPS卫星上安装战略通信机，其重 量达16.03㎏，体积为0.0124m3，采用240-272MHZ、 318-400MHZ和7900-8000MHZ的微波信号，辐射功率 为20W。
GPS测量定位技术
二、前苏联GLONASS全球卫星导航系统
1.卫星星座 GLONASS卫星星座的轨道为三个等间隔椭圆轨道，轨 道面间的夹角为120°，轨道倾角64.8°，轨道的偏心率为 0.01，每个轨道上等间隔地分布8颗卫星。卫星离地面高 度 为 19100km ， 运 行 周 期 为 11 小 时 15 分 。 由 于 GLONASS卫星的轨道倾角大于GPS卫星的轨道倾角，所 以在高纬度（50°以上）地区的可视性较好。 每颗GLONASS卫星上装有铯原子钟，以产生高稳定的 时标，并向所有星载设备提供同步信号。星载计算机将从 地面控制站接收到的信息进行处理，生成导航电文向地面 的用户广播。
GPS测量定位技术
第一章 绪论
•学习目标 •第一节 卫星大地测量及其发展 •第二节 导航定位卫星及其星座 •第三节 GPS在国民经济建设中的应用 •本章小结 •思考题与习题
GPS测量定位技术
第一章 绪论
学习目标
•了解GPS系统的构成，卫星的个数及寿命，卫星的 运行周期及发射功率，原子钟的精度，定位信号频 率。GPS的地面控制系统和截止2003年10月，目前GPS在轨工作卫星为28颗，其中 17号星在2003年6月6日至7月23日期间列为不健康状况，7 月9日其星钟从Cs4转为Rb2，卫星移到D6星位上又开始正 常运行。现在工作的卫星编号从1号至31号之间，只有12号、 19号、22号为空缺。28颗卫星中有3颗为BLOCKII卫星，17 颗为BLOCKIIA卫星，8颗为BLOCKIIR卫星，正在用铯钟(Cs) 运行的有11颗卫星，其余均用铷钟(Rb)，在1993年11月22 日启用的卫星达15颗，即工作差不多十年以上的卫星数目 过半数，最早的一颗卫星还是1989年6月发射的。原先21号 星是1990年8月2日发射的，去年9月25日出现异常情况， 于2003年1月27日宜布退出服务，现已为2003年3月31日 发射的卫星所接替，后者在4月12日投入正式服务。
星座通信卫星
富的供应 商组成 的生态 系统 ，以实现规 模
经济效益 。上 市时间 ：Ｕ ＭＢ预计将 于 ２Ｏ Ｏ９
（ 完全移 动性 支持 ：Ｕ Ｂ设计 的各 方 面均 Ｍ 考 虑移 动 性 支持 ，支 持用 户 的无 缝 切 换 。
维普资讯
间进行跨 系统 间的无缝 切换 。在一个 开放 性全球标准 中将上 述各 类技 术集成并 优化
更少 的 网络 节点 和更低 的 时延。组播 ：支 持具有 丰富多媒 体 内容 的高速组 播。灵活
部署 ：系 统 可 在 １ ２ Ｍ ｚ和 ２ Ｍ ｚ间 以 ．５ Ｈ ０Ｈ
卫
岛 幽
星
亡 葛
星 座 通 信 卫 星
解放军理 工大学 文 张艳娥 ／ 张更新
总参 ｇ ６０６ 队 １９ 部 卫 星通信 相 比地 面蜂 窝通信有 其独 特
的优势 ， 随着卫 星事业 的不 断发展 ， 个 国 各 家都在积极 发展 自己 的通 信卫 星。而星座
文 季连 涛 ／
１国外典型星座通信 系统
利用 中、 低轨道卫 星实现通信是这些 年 来卫星通信 的一个 热点 。表 １ 出了其 中 给
一
通信系统 中， 颗卫星灵 活组 网工作 ， 以 多 可 完成单颗卫星无法完成 的任务 ， 越来越受 到
人们的关 注。
些较 有代 表 性 的通 信 系 统 的基 本情 况 。
公司
圆轨道 公司 源自圆轨道 司 圆轨道
俄罗斯
圆轨道 圆轨道
蜂窝通信 公司
圆轨 道
轨道高度 （ｍ ｋ）
卫星数 目 轨道面数 轨道倾 角（ ） 。 覆盖区域
一种geo、leo混合星座及其设计方法与流程
一种geo、leo混合星座及其设计方法与流程混合星座是指将地球轨道（GEO）和低地球轨道（LEO）两种轨道结合起来，以实现更全面、更高效的卫星覆盖。
这种混合星座的设计涉及到卫星轨道、通信覆盖范围、卫星编队、地面站布局等多个方面。
下面将介绍一种混合星座的设计方法及流程。
设计方法：1.明确需求：首先要明确混合星座的使用需求，例如覆盖范围、带宽需求、通信时延要求等。
2.选择轨道高度：根据需求选择GEO和LEO的轨道高度，通常GEO轨道高度为35786公里，LEO轨道高度为2000-2000公里。
3.设计卫星轨道：根据选择的轨道高度，设计卫星的轨道参数，包括轨道倾角、轨道周期等。
4.确定卫星数量：根据覆盖需求和轨道参数确定所需的卫星数量，包括GEO卫星和LEO卫星。
5.确定卫星编队：根据卫星数量和轨道参数确定卫星的编队方式，包括卫星之间的相对位置、通信连接方式等。
6.布置地面站：根据卫星轨道和编队确定地面站的布局，以实现对卫星的有效跟踪和通信。
设计流程：1.需求分析：确定混合星座的使用需求，包括覆盖范围、带宽需求、通信时延要求等。
2.轨道设计：根据需求选择GEO和LEO的轨道高度，并设计卫星轨道参数。
3.卫星设计：设计GEO和LEO卫星的结构、质量、功耗等参数。
4.卫星编队：确定卫星之间的相对位置和通信连接方式，以实现卫星之间的协同工作。
5.地面站设计：布置地面站，包括地面站位置、天线类型、通信频段等。
6.系统集成：将GEO和LEO卫星及地面站集成到一体，进行系统测试和调试。
7.运行维护：运行混合星座系统，并进行运维维护，确保系统的正常运行。
通过以上设计方法和流程，可以实现混合星座的高效设计和部署，以满足不同应用场景的需求。
混合星座的优势在于能够充分发挥GEO和LEO卫星的各自优势，实现更广泛、更灵活的覆盖范围，为卫星通信和导航应用提供更好的服务。
卫星通信系统
发展趋势
未来卫星通信系统主要有以下的发展趋势： 4.1、地球同步轨道通信卫星向多波束、大容量、智能化发展； 4.2、低轨卫星群与蜂窝通信技术相结合、实现全球个人通信； 4.3、小型卫星通信地面站将得到广泛应用； 4.4、通过卫星通信系统承载数字视频直播(DvB)和数字音频广播(DAB)； 4.5、卫星通信系统将与IP技术结合，用于提供多媒体通信和因特接入，即包括用于国际、国内的骨干络， 也包括用于提供用户直接接入； 4.6、微小卫星和纳卫星将广泛应用于数据存储转发通信以及星间组通信。
谢谢观看
3.4、络建设速度快、成本低：除建地面站外，无需地面施工。运行维护费用低；
3.5、信号传输时延大：高轨道卫星的双向传输时延达到秒级，用于话音业务时会有非常明显的中断；
3.6、控制复杂：由于卫星通信系统中所有链路均是无线链路，而且卫星的位置还可能处于不断变化中，因 此控制系统也较为复杂。控制方式有星间协商和地面集中控制两种。
卫星通信系统
微波通信
01 简介
03 系统特点 05 成功案例
目录ห้องสมุดไป่ตู้
02 分类 04 发展趋势
卫星通信系统实际上也是一种微波通信，它以卫星作为中继站转发微波信号，在多个地面站之间通信，卫星 通信的主要目的是实现对地面的“无缝隙”覆盖，由于卫星工作于几百、几千、甚至上万公里的轨道上，因此覆 盖范围远大于一般的移动通信系统。但卫星通信要求地面设备具有较大的发射功率，因此不易普及使用。
铱星系统
铱星系统属于低轨道卫星移动通信系统，由Motorola提出并主导建设，由分布在6个轨道平面上的66颗卫星 组成，这些卫星均匀的分布在6个轨道面上，轨道高度为780 km。主要为个人用户提供全球范围内的移动通信， 采用地面集中控制方式，具有星际链路、星上处理和星上交换功能。铱星系统除了提供业务外，还提供传真、全 球定位(GPS)、无线电定位以及全球寻呼业务。从技术上来说，这一系统是极为先进的，但从商业上来说，它是 极为失败的，存在着目标用户不明确、成本高昂等缺点。目前该系统基本上已复活，由新的铱星公司代替旧铱星 公司，重新定位，再次引领卫星通信的新时代。
QAM和星座图
正交调制读书报告NJUer摘要：正交振幅调制QAM(Quadrature Amplitude Modulation)就是一种频谱利用率很高的调制方式，其在中、大容量数字微波通信系统、有线电视网络高速数据传输、卫星通信系统等领域得到了广泛应用，本文探讨了正交振幅调制技术的相关原理，并从星座图的角度认识这种调制方式的实现和相关应用。
关键词：正交幅度调制QAM、星座图一、正交幅度调制QAM是一种振幅和相位联合调制，也即其已调信号的振幅和相位均随数字基带信号变化而变化。
采用M（M>2)进制的正交振幅调制，可记为MQAM。
M越大，频带利用率就越高。
在移动通信中，随着微蜂窝的出现，使得信道传输特性发生了很大变化。
过去在传统蜂窝系统中不能应用的正交振幅调制也引起人们的重视。
QAM数字调制器作为DVB系统的前端设备，接收来自编码器、复用器、视频服务器等设备的TS流，进行RS编码、卷积编码和QAM数字调制，输出的射频信号可以直接在有线电视网上传送，同时也可根据需要选择中频输出。
它以其灵活的配置和优越的性能指标，广泛的应用于数字有线电视传输领域和数字MMDS系统。
为改善数字调制的不足之处，如：频谱利用率低、抗多径抗衰弱能力差、功率谱衰减慢、带外辐射严重等，人们采取了如下的几种方式，如提高功率利用率以增强抗噪声性能；适应各种随参信道以增强抗多径抗衰落能力等。
另外，在恒参信道中，正交振幅调制（QAM）方式具有高的频谱利用率，因此正交振幅调制（QAM）在卫星通信和有线电视网络高速数据传输等领域得到广泛应用。
二、QAM调制的原理和星座图2.1、数据经过信道编码之后，被映射到星座图上，图1就是QAM调制器的基本原理框图。
一个信号有三个特性随时间变化：幅度、相位或频率。
然而，相位和频率仅仅是从不同的角度去观察或测量同一信号的变化。
人们可以同时进行幅度和相位的调制，也可以分开进行调制，但是这既难于产生更难于检测。
但是在特制的系统中信号可以分解为一组相对独立的分量：同相（I ）和正交（Q ）分量。
铱星计划
四维空间
性能维 经济成本维
3.3、时间维 3.4、发展维
Hale Waihona Puke 在性能维，铱星系统在卫星通信和移动通信两方面的发展中，实现了大跨度的间断。其主要间断点如下： --采用LEO卫星作中继平台，使地面接收终端的体积比GEO卫星通信系统的地面接收终端的体积小，从而为手 机通信的实现成为可能； --采用多波束技术（每颗星48个点波束）,实现了极高的频率复用率，因而大大提高了系统的通信容量.而在 相同面积的区域内，铱星系统可提供的话音信道是GEO卫星通信系统的2倍； --采用极地轨道，实现了GEO系统所未能做到的极地地区的通信覆盖； --采用LEO,使卫星--用户链路的长度，较GEO系统大幅度降低（约降低75%）.使每一跳的信号传输时延大大 降低，提高了话音通信的舒适性； --采用星际链路，实现了单跳全球通，免除了诸如GEO系统多跳通信给用户带来的长时延，大回声烦恼。
2.31、性能维：分为基本性能维和使用性能维。前者是目的系统之特征性能.而后者则是所有人工系统的通 用性能。它包括可靠性，安全性和维护性等；
2.3.2、经济成本维：是目的系统的一个重要约束条件。它直接影响目的系统在性能维等其它三维的可行性. 它包括研制成本，生产成本和使用成本等；
2.3.3、时间维：是指目的系统的整个研究开发，以及进入市场竞争的时间限制等；
现代电信
计划提出
发展情况
铱星卫星移动通信系统计划，是在十分鲜明的技术，经济和市场背景下产生的。随着世界经济与社会生活的 发展，人类对通信的需求也呈现日益增强的势头.在这种需求中，移动通信越来越具有不可替代的使用价值。而在 移动通信的发展中，卫星移动通信系统也在不断增强着其竞争力.毫无疑问，随着通信科技的发展，在移动通信的 市场中，必将出现卫星移动通信系统,地面移动通信系统和问世的同温层平台移动通信系统（HAPS）三分天下的 局面。
卫星星座覆盖性能分析及仿真研究的开题报告
卫星星座覆盖性能分析及仿真研究的开题报告一、选题背景现代卫星通信系统凭借其广覆盖面积、高速传输、稳定可靠等优势，已成为现代通信领域普及应用的先锋，尤其是在远程地区覆盖方面有着得天独厚的优势。
其中，卫星星座是卫星通信系统中的核心组成部分，其星座覆盖范围直接决定了系统服务能力及可靠性。
卫星星座的设计需要考虑很多因素，如地理环境、气象条件和电磁频谱资源等。
因此，对于卫星星座覆盖性能分析及仿真研究的需求也逐渐增大。
通过对卫星星座覆盖性能进行系统建模和仿真分析，可以更加准确地预测星座覆盖效果，为星座设计和优化提供技术支持。
二、研究目的和意义本项目旨在通过对卫星星座覆盖性能的分析及仿真研究，全面深入地了解星座覆盖范围及性能指标，并寻找有效的优化策略，提高卫星通信系统的覆盖范围和通信质量，进一步优化星座设计。
通过本项目研究，可以掌握卫星星座的设计和运行原理，获取卫星通信系统相关技术的前沿知识和实践能力，培养创新思维和团队协作精神，提高通信信息技术应用能力，积极参与相关领域的学术交流，为推动通信技术的发展做出贡献。
三、研究内容和技术路线1.星座覆盖性能分析及指标确定通过对卫星星座的设计、限制条件和运行模型进行详细分析，确定星座的覆盖性能指标，包括星座的覆盖范围、通信质量、传输速率等。
2. 建立星座设计仿真模型基于Matlab等仿真软件，建立基本的星座设计仿真模型，考虑实际情况中的环境因素和干扰因素，如大气层折射、衰减损耗、个别地形和建筑物对信号传输的影响等。
3. 星座仿真分析优化方法根据实际分析结果及建立的仿真模型，对星座覆盖范围和通信质量进行分析，并提出相应的优化方法和方案，如卫星布局、星座数量、透明度等方法。
4. 系统性能测试及结果分析通过实验验证，对比分析所提出的优化方案，比较实际性能及预测性能差异，并进行数学统计与分析，推广和应用星座的优化方案。
四、成果及预期目标本项目拟通过系统、系统性的研究取得以下的预期成果：1. 掌握卫星星座设计的原理和技术，并能利用相关软件进行星座仿真和分析；2. 完成星座覆盖性能建模及仿真分析，对星座数量、透明度、卫星布局等设计因素予以优化；3. 完成卫星星座性能测试及结果分析，并形成合格的研究报告。
适用于我国的中轨TDRSS星座方案研究
第28卷第5期电子与信息学报V ol.28No.5 2006年5月 Journal of Electronics & Information Technology May 2006适用于我国的中轨TDRSS星座方案研究吴廷勇朱立东吴诗其(电子科技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室成都 610054)摘要基于中轨跟踪与数据中继卫星系统(MEO-TDRSS)星座方案的功能和业务特性，对4种常见星座实现的我国中轨TDRSS的覆盖特性和星际链路性能进行了仿真分析和比较。
仿真结果表明，我国的中轨TDRSS宜采用具备卫星全球均匀分布特性的玫瑰星座和共地面轨迹星座。
关键词星座，中轨，跟踪与数据中继卫星系统，星际链路中图分类号: TN927 文献标识码: A 文章编号：1009-5896(2006)05-0865-06The Satellite Constellation Scheme Study for MEO-TDRSS of ChinaWu Ting-yong Zhu Li-dong Wu Shi-qi(The National Key Lab. of Communication, UEST of China, Chengdu 610054, China)Abstract Based on the functionality and traffic characteristics of the Medium Earth Orbit Tracking and Data Relay Satellite System(MEO-TDRSS), the coverage properties and Inter-Satellite Link(ISL) performances of four familiar satellite constellation schemes which are adopted as the MEO-TDRSS of China are simulated and compared. The simulation results indicate that Rosette and Common-track constellations, whose satellites are distributed in the celestial sphere uniformly, are appropriate for MEO-TDRSS of China.Key words Satellite constellation, MEO, TDRSS, ISL1 引言跟踪与数据中继卫星系统(Tracking and Data Relay Satellite System，TDRSS)是用于转发地面站对低轨道航天器的跟踪/遥测信息和将航天器获取的数据实时中继传输回境内地面站的专用卫星系统，广泛应用于国防和航天通信领域。
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3
6.1 引言 续2
▪ 地面和卫星移动通信系统的比较
地面移动通信系统
覆盖范围随地面基础设施的建设 而持续增长 多标准，难以全球通用
卫星移动通信系统
易于快速实现大范围的完全 覆盖 全球通用
蜂窝小区小，频率利用率高
频率利用率低
提供足够的链路余量以补偿信号 衰落
适合于人口密度高，业务量密集 的城市环境
14
6.2 卫星星座设计 续9
▪ 极轨道星座
➢ 球冠覆盖条件
(P1)(P1)ccos
φ
(P1)(P1)arccoscocso (s/S)cos
Equator
-φ
15
6.2 卫星星座设计 续10
▪ 极轨道星座
➢ 30º以上单重球冠覆盖星座参数
PS
α(º)
∆1(º)
h (km), El=10º
23
➢ 轨道倾角为固定的90º，因此所有轨道平面在南北 极形成两个交叉点
➢ 星座卫星在高纬度地区密集，在低纬度地区稀疏 ➢ 顺行轨道平面间的间隔和逆行轨道平面间的不同
9
6.2 卫星星座设计 续4
▪ 极轨道星座
➢ 卫星覆盖带(Street of Coverage) ➢ 半覆盖宽度
sub-satellite point
47.8
1318.2
5 9 22.6
38.8
1077.8
16
6.2 卫星星座设计 续11
▪ 近极轨道星座
➢ 倾角接近但不等于90º，即80 -100º ➢ 覆盖带设计方法仍然适用 ➢ 极轨道星座的设计方程需要进行扩展，加入倾角因
素，以适用于近极轨道
17
6.2 卫星星座设计 续12
▪ 近极轨道星座
1964 SYNCOM III：第一颗GEO卫星
1965 INTELSAT I：第一颗商用GEO卫星 (Early Bird I)
第一代：模拟技术
1976
第一代移动通信卫星： MARISAT的3颗GEO卫星提供海事通信 服务，舰载站的发射功率为40W，天线为1.2米
1982 Inmarsat-A：第一个海事移动卫星电话系统
▪ 卫星星座类型
➢ 极/近极轨道星座 ➢ 倾斜圆轨道星座(主要有Walker的Delta星座和
Ballard的Rosette星座) ➢ 共地面轨迹星座 ➢ 赤道轨道星座 ➢ 混合轨道星座
8
6.2 卫星星座设计 续3
▪ 极轨道星座
➢ 在极轨道星座中：每个轨道面有相同的倾角和相同 数量的卫星，所有卫星具有相同的轨道高度
➢ 仰角要尽可能高 ➢ 传输延时尽可能小 ➢ 星上设备的电能消耗尽可能少 ➢ 如果系统采用星际链路，则面内和面间的星际链路
干扰必须限制在可以接收的范围内 ➢ 对不同国家、不同类型的服务，轨位的分配需要遵
循相应的规章制度 ➢ 多重覆盖问题以支持特定业务(GPS定位)或提供有
QoS保证的业务
7
6.2 卫星星座设计 续2
▪ 极轨道星座
➢ 顺行/逆行轨道面和‘缝隙(seam)’
➢ π星座
➢ 由于存在逆向飞行现象， 1
1
co-rotating orbits
星座第一个和最后一个
1
轨道面间的间隔小于其
它相邻轨道面间的间隔 2
1
counter rotating
2 Orbits (seam)
1
1
1
1
11
6.2 卫星星座设计 续6
c arccos[ cos ] cos( / S)
Satellite flying direction
arccos
h
Re Re
cos
Elmin
/s
c
coverage edge oห้องสมุดไป่ตู้ satellite
式中S是每轨道面的卫星数量
Street of coverage
10
6.2 卫星星座设计 续5
遮蔽效应使得通信链路恶化
适合于低人口密度、业务量 有限的农村环境
5
6.2 卫星星座设计
▪ 卫星星座的定义
➢ 具有相似的类型和功能的多颗卫星，分布在相似的 或互补的轨道上，在共享控制下协同完成一定的任 务
▪ 设计基本出发点
➢ 以最少数量的卫星实现对指定区域的覆盖
6
6.2 卫星星座设计 续1
▪ 卫星星座选择
➢ 近极轨道星座中，顺行和逆行轨道面间的升交点经 度差 1 和 2 分别为
1 arcsin(sin1 /sini)
2
arccos(cos2 cos2 sin2 i
▪ 极轨道星座
➢ 相邻轨道面的几何覆盖关系
顺行轨道面间的升交点经度差
1 c
逆行轨道面间的升交点经度差
2 2c
相邻轨道面相邻卫星间相位差
c
/ S
c 1
Co-rotating orbits
2 / s
cc
2c 2
Counter-rotating orbits
12
6.2 卫星星座设计 续7
64.1
111.8
16549.5
2 4 53.4
103.1
7650.0
2 5 48.1
98.7
5508.3
3 5 39.9
68.4
3373.5
3 6 35.8
66.0
2631.5
3 7 33.3
64.5
2252.6
4 7 28.9
49.6
1692.9
4 8 26.8
48.5
1466.2
4 9 26.3
▪ 极轨道星座
➢ 全球覆盖条件
1 c 2 2c
(P1)1 2 (P1)(P1)c
(P1)(P1)arccoscocso(s/S)
c arccos[ cos ]
cos( / S)
13
6.2 卫星星座设计 续8
▪ 极轨道星座
➢ 单重全球覆盖星座参数
P S α(º) 2 3 66.7 2 4 57.6 2 5 53.2 3 5 42.3 3 6 38.7 3 7 36.5 4 7 30.8 4 8 28.9 4 9 27.6 5 9 24.2 5 10 23.0 5 11 22.2 6 11 19.9
∆1(º) 104.5
h (km), El=10º 20958.6
98.4
10127.1
96.5
7562.4
66.1
3888.5
64.3
3136.5
63.2
2738.6
48.3
1917.2
47.6
1694.4
47.0
1550.6
38.0
1214.6
37.7
1116.3
37.4
1044.3
31.4
868.0
移动卫星通信系统上卫星星座设计
概要
▪ 6.1 引言 ▪ 6.2 卫星星座设计 ▪ 6.3 星际链路 ▪ 6.4 系统体系结构
2
6.1 引言
▪ 卫星移动/宽带通信的发展
起源
1945 Arthur C. Clarke的科学幻想论文：地球外的中继
1957 Sputnik：第一颗人造卫星，前苏联
1960 Echo: 第一颗反射式卫星