第6章 移动卫星通信系统上：卫星星座设计
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O3b中轨通信卫星星座发展概述
O3b中轨通信卫星星座发展概述O3b星座系统是目前全球唯一一个成功投入商业运营的中地球轨道（MEO）卫星通信系统，主要面向地面网接入受限的各类运营商或集团客户提供宽带接入服务。
O3b卫星系统由O3b网络互联网接入服务公司开发，该公司在2007年由多家大型公司和银行联合组建，目前由SES公司完全控股，致力于通过多颗卫星实现全球连接，并提供低延迟、高速率和合理价格的互联网接入服务。
O3b卫星星座发展O3b公司旨在为全球偏远地区（主要是非洲、亚洲和南美等）的30亿人口提供高带宽、低成本、低延迟的卫星互联网接入服务。
O3b 公司计划建设一个由中地球轨道（MEO）通信卫星构成的星座网络，利用Ka波束天线技术，提供具备光纤传输速度的卫星通信骨干网。
该卫星系统即O3b卫星星座已在2013～2014年采用联盟号火箭部署了前三组共12颗卫星，2015年底又订购了8颗，主承包商均为泰雷兹·阿莱尼亚空间公司。
该系统主要用于向亚洲、非洲、拉美、太平洋和中东没有充分上网条件的新兴市场提供低成本高速上网服务，将卫星大范围覆盖的特点同光纤网络的速度结合起来，面向数十亿消费者和企业用户，提供低成本、高速、低时延的互联网和移动通信服务。
2016年11月，O3b公司向美国联邦通讯委员会（FCC）提出申请，计划增加新的卫星进入美国市场运营。
经过修改并添加了V波段申请后，2017年11月，O3b公司向FCC提出新的申请，计划发射30颗新的MEO卫星进入美国市场运营。
同年，波音公司被授权开始建造第二代O3b星座（O3b mPower），开始7颗第二代O3b卫星的建造。
O3b新增30颗MEO卫星中，有8颗卫星属于第一代O3b 星座，剩余22颗属于第二代O3b卫星星座。
第二代星座具有规模可变能力，初期将由这7颗高通量中轨卫星组网，设3万个宽带互联网服务点波束，总容量将达10Tb/s。
这7颗卫星拟在2021年部署完成。
O3b新增30颗星中的8颗一代星，其中4颗O3b中地轨道Ka 波段宽带卫星于2018年3月9日，由阿里安航天公司经营的俄制联盟STB“弗雷盖特”MT型运载火箭在法属圭亚那库鲁的圭亚那航天中心发射了升空。
适合国情的卫星移动通信系统的初步设计
陕西 西 安 ７ ０ ７ ） １０ １
【 要】 出一 种 Ｇ Ｏ 和 Ｌ Ｏ 相 结合 的混 合 星座 卫 星 移 动通 信 系统 方 案 。 文 章在 对 卫 星移 动 通 信 系统 的各 分 系统 简单 摘 提 Ｅ Ｅ
论 述 的基 础 上 重 点 分析 了各 分 系统 中的 关键 技 术 ， 最后 指 出应 当结 合 我 国 国情 ， 取 分 步走 的建 设 策 略 ， 解 决 国 内与周 边 热 采 先 点 地 区 的覆 盖 问题 。 解 决 全球 覆 盖 问题 。 再 【 关键 词】星座 卫 星移 动 通 信 Ｃ Ｏ Ｌ Ｇ Ｅ Ｅ
情 。我 国 Ｇ Ｏ 卫 星发 射 和 运控 技 术 成 熟 。组 建 Ｇ Ｏ 卫 星 移 Ｅ Ｅ
动 通 信 系 统 ，先 期 主 要 解 决 星 载 大 口 径 多 波 束 天 线和 地 面 终 端 小 型化 问题 ， 术风 险 较 小 ； 有 星 上处 理 功 能 的 “ ” 系 技 具 铱 星 统 建 设 期 投 资 达 到 五 十 多亿 美 元 ， 没有 星 上 处 理 的 “ 球 星 ” 全
整 颗 卫 星可 以 同时 接 入 １， ０路 电话 ，用 户 总 容 量 可 达 ２０ １０ ０ ０
万 。卫 星 的其 他 参数 如 表 １ 示 ： 所 参 考 亚 洲 蜂 窝 （ ＣＥ ） 国外 其 他 已 经 投 入 应 用 的 Ｇ Ｏ Ａ Ｓ和 Ｅ
① 遵循 分期 建设“ 边建 设边使 用” 原则 ， 合 我国 国 的 适
该方 案 具 有 如 下特 点 ：
由于 Ｇ Ｏ 卫 星 要 支 持 手 机 对 卫 星 的 直 接 通 信 。所 以 Ｅ ＧＥ 卫 星 发 射 设 备 必 须 具 有很 高 的 Ｅ ＲＰ，而 接 收 设 备 则 需 Ｏ Ｉ 有较 高 的 Ｇ／ 值 ，以下 参照 已投 入 运 营 的亚 洲 蜂 窝 的 Ｇ ｒ— Ｔ ａｕ ｄ 一 卫 星 ， 出 本 系统 对 Ｇ Ｏ 卫 星 的 基 本 要 求 。 ａ１ 提 Ｅ 亚 洲 蜂 窝 Ａ Ｓ卫 星移 动通 信 系统 Ｇ ｒｄ 一 卫 星发 射 质 Ｃｅ ａｕ ａ １ 量 ４０ｋ ， 行 １ ５０ ｇ 运 ２年 ， 峰 值 功 率 为 １ Ｋ 卫 星 的移 动 链 ＤＣ ２ ｗ， 路 具 有 ８ 个 固态 功 放 。 个 功放 可 以提 供 ２ Ｗ 的输 出功 率 ， ８ 每 ０
卫星通信系统
卫星高度适中，适用于导航、移动通信等应 用。
低地球轨道
卫星高度较低，适用于对地观测、短报文通 信等应用。
高椭圆轨道
卫星运行轨道呈高度椭圆状，适用于侦察、 导弹预警等应用。
通信链路
射频链路
负责传输信号，包括上行链路（地面站到卫星）和下行链路（卫星到地面站） 。
信令链路
负责控制和管理信号传输，确保通信过程的正常进行。
固定安装在地面上，提供稳定 的通信服务。
移动地面站
安装在车辆、船舶或飞机上， 实现移动通信。
个人地面站
便携式地面站，便于个人随身 携带和使用。
网关地面站
负责将卫星信号接入传统通信 网络，实现卫星与地面网络的
互联互通。
空间段
地球同步轨道
卫星运行与地球自转同步，覆盖范围广，适 用于通信、气象等应用。
中地球轨道
卫星定位服务
利用卫星信号提供定位服务，广泛应用于导航、物流等领域。
互联网接入
卫星宽带
通过卫星为偏远地区和海洋区域提供 互联网接入服务，满足用户上网需求 。
卫星数据中继
为飞机、船舶等移动平台提供数据中 继服务，保障实时通信。
军事通信
战略通信
为军事战略指挥提供可靠的通信保障，确保信息传递的准确性和及时性。
星上处理与星间通信
要点一
总结词
未来的卫星通信系统将更加依赖星上处理和星间通信技术 ，以提高系统的灵活性和可靠性。
要点二
详细描述
星上处理技术将数据处理的任务从地面站转移到了卫星上 ，使得卫星能够实时处理和转发数据，减少了地面站的压 力。星间通信技术则通过卫星之间的直接通信，实现了更 加灵活的路由和更高的数据传输效率。
启了卫星通信的历史。
低地球轨道
卫星高度较低，适用于对地观测、短报文通 信等应用。
高椭圆轨道
卫星运行轨道呈高度椭圆状，适用于侦察、 导弹预警等应用。
通信链路
射频链路
负责传输信号，包括上行链路（地面站到卫星）和下行链路（卫星到地面站） 。
信令链路
负责控制和管理信号传输，确保通信过程的正常进行。
固定安装在地面上，提供稳定 的通信服务。
移动地面站
安装在车辆、船舶或飞机上， 实现移动通信。
个人地面站
便携式地面站，便于个人随身 携带和使用。
网关地面站
负责将卫星信号接入传统通信 网络，实现卫星与地面网络的
互联互通。
空间段
地球同步轨道
卫星运行与地球自转同步，覆盖范围广，适 用于通信、气象等应用。
中地球轨道
卫星定位服务
利用卫星信号提供定位服务，广泛应用于导航、物流等领域。
互联网接入
卫星宽带
通过卫星为偏远地区和海洋区域提供 互联网接入服务，满足用户上网需求 。
卫星数据中继
为飞机、船舶等移动平台提供数据中 继服务，保障实时通信。
军事通信
战略通信
为军事战略指挥提供可靠的通信保障，确保信息传递的准确性和及时性。
星上处理与星间通信
要点一
总结词
未来的卫星通信系统将更加依赖星上处理和星间通信技术 ，以提高系统的灵活性和可靠性。
要点二
详细描述
星上处理技术将数据处理的任务从地面站转移到了卫星上 ，使得卫星能够实时处理和转发数据，减少了地面站的压 力。星间通信技术则通过卫星之间的直接通信，实现了更 加灵活的路由和更高的数据传输效率。
启了卫星通信的历史。
【最新】移动卫星通信系统上卫星星座设计
23
64.1
111.8
16540
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
360º/(9/3) = 120º 相邻轨道面相邻卫星间的相位差为
360º/9×1=40º
轨道倾角 轨道高度
2021/2/2
26
6.2 卫星星座设计 续21
例子6.1 续
卫星的初始参数如下表
轨道序号 卫星序号
升交点经度(º)
SAT1-1
0
1
SAT1-2
0
SAT1-3
0
SAT2-1
120
2
SAT2-2
▪ 倾斜圆轨道星座
➢ 倾斜圆轨道星座的命名
RAAN
N
N
Walker Delta Constellation 2021/2/2
Ballard Rosette Constellation 23
6.2 卫星星座设计 续18
▪ Walker Delta星座
➢ 相邻轨道面相邻卫星的相位差概念
Satellite flying direction
2021/2/2
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
c arccos[ cos ] cos( / S)
安全卫星通信与导航系统考核试卷
B.使用多频段
C.采用多址技术
D.增加卫星数量
13.在卫星导航系统中，下列哪个概念表示卫星信号的传播速度？（）
A.伪距
B.真距
C.传输时延
D.光速
14.下列哪种因素可能导致卫星通信信号衰减？（）
A.距离
B.天气
C.频段
D.地面障碍物
15.在卫星导航系统中，下列哪个部件负责处理用户接收到的卫星信号？（）
D.空分多址（SDMA）
4.以下哪些是卫星导航系统的主要组成部分？（）
A.卫星
B.地面控制站
C.用户接收机
D.互联网
5.安全卫星通信中采用加密技术的目的是什么？（）
A.保护信息隐私
B.提高通信效率
C.抵抗信号干扰
D.降低传输延迟
6.以下哪些属于卫星导航系统的工作频段？（）
A. L波段
B. S波段
C. C波段
2. C
3. A
4. A
5. A
6. B
7. A
8. C
9. B
10. B
11. D
12. C
13. D
14. D
15. C
16. D
17. C
18. B
19. D
20. D
二、多选题
1. ABC
2. ABCD
3. ABCD
4. ABC
5. AC
6. ABD
7. ABCD
8. AC
9. ABC
10. ABC
安全卫星通信与导航系统考核试卷
考生姓名：__________答题日期：__________得分：__________判卷人：__________
一、单项选择题（本题共20小题，每小题1分，共20分，在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的）
C.采用多址技术
D.增加卫星数量
13.在卫星导航系统中，下列哪个概念表示卫星信号的传播速度？（）
A.伪距
B.真距
C.传输时延
D.光速
14.下列哪种因素可能导致卫星通信信号衰减？（）
A.距离
B.天气
C.频段
D.地面障碍物
15.在卫星导航系统中，下列哪个部件负责处理用户接收到的卫星信号？（）
D.空分多址（SDMA）
4.以下哪些是卫星导航系统的主要组成部分？（）
A.卫星
B.地面控制站
C.用户接收机
D.互联网
5.安全卫星通信中采用加密技术的目的是什么？（）
A.保护信息隐私
B.提高通信效率
C.抵抗信号干扰
D.降低传输延迟
6.以下哪些属于卫星导航系统的工作频段？（）
A. L波段
B. S波段
C. C波段
2. C
3. A
4. A
5. A
6. B
7. A
8. C
9. B
10. B
11. D
12. C
13. D
14. D
15. C
16. D
17. C
18. B
19. D
20. D
二、多选题
1. ABC
2. ABCD
3. ABCD
4. ABC
5. AC
6. ABD
7. ABCD
8. AC
9. ABC
10. ABC
安全卫星通信与导航系统考核试卷
考生姓名：__________答题日期：__________得分：__________判卷人：__________
一、单项选择题（本题共20小题，每小题1分，共20分，在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的）
2021_2022学年新教材高中地理第6章自然灾害第4节地理信息技术在防灾减灾中的应用课件新人教版必
全球卫星导航系统 2020年6月23日9时43分，我国在西昌卫星发射中心用长征三号 乙运载火箭，成功发射北斗系统第五十五颗导航卫星，暨北斗三号 最后一颗全球组网卫星，至此北斗三号全球卫星导航系统星座部署 比原计划提前半年全面完成。中国北斗卫星导航系统是我国自行研 发的拥有自主权利的卫星导航系统。该系统可面向用户提供全天 时、全天候、高精度全球定位导航授时服务，以及星基增强、短报 文通信、精密单点定位等特色服务。
空间_查_询__与_分_析__功能
2．功能：
根据不同目的对相关数据进行_叠_加_分__析_
3．应用：对自然灾害进行动态监测、预报预警，快速确定
_受__灾_范_围___及受灾情况，为制定_减_灾__预案、_评_估__灾害损失和 指导灾后_恢__复_重_建___等提供依据。
[特别提醒] 地理信息系统的叠加分析功能的实质就是同一地 区不同主题的图层位置叠加组合，以形成实际应用价值的数据及文 字信息，不同的图层叠加可获得不同数据信息。
地理信息系统 2019年从1月20日到2月10期间，青海省玉树藏族自治州，经历 了连续的四场强降雪，使玉树遭受了严重雪灾，截至2月17日，玉 树全州6市(县)28个乡镇72个村，遭受不同程度的雪灾，受灾群众达 5.53万多，因灾死亡牲畜18 887头只匹。政府为此积极应对，紧急 调拨灾害补助资金，完成发放救灾粮480.3吨，各类物质9 680件， 完成饲草调运22 918.31吨，各类抗灾救灾人员，积极参与到牲畜转 场、铲雪除冰和饲料拉运中。
3．应用
(1)实时监测洪涝、台风等灾害的__形_成_过__程__，进行准确的 _预__报_、_预_警__。
(2)能够快速识别地震等突发性灾害的__影_响_范__围__，并为灾情 统计、灾害救援提供强有力的_支__持_。
物流信息技术 第六章 GPS与GIS技术
第四节 网络GPS在物流业中的应用
第二节 GPS的工作原理
(3)存储器。接收机内设有存储器或存储卡以存储卫星星历、接收 机采集到的码相位伪距观测值、载波相位观测值及多普勒频移。 目前，GPS接收机都装有半导体存储器(简称内存)，接收机内存数
据可以通过数据口传到微机上，以便进行数据处理和数据保存。 在存储器内还装有多种工作软件，如：自测试软件；卫星预报软 件；导航电文解码软件；GPS单点定位软件等。 (4)微处理器。微处理器是GPS接收机工作的灵魂，GPS接收机工 作都是在微机指令统一协同下进行的，其主要工作步骤为： (5)显示器。GPS接收机都有液晶显示屏以提供GPS接收机作信息， 并配有一个控制键盘。对于导航接收机，有的还配有大显示屏， 在屏幕上直接显示导航信息甚至显示数字地图。 (三)电源
3.路线(Route) 4.前进方向(Heading) 5.导向(Bearing) (1)已设定“走向”(GOTO)目标。“走向”目标的设定可以按“G OTO”键，然后从列表中选择一个路标。以后“导向”功能将导 向此路标。 (2)目前有活跃路线(Activity Route)。活跃路线一般在“设臵”→ “路线”菜单下设定。如果目前有活动路线，那么“导向”的点 是路线中第一个路点，每到达一个路点后自动指到下一个路点。
第三节 GPS在货物运输系统中的应用
一、GPS的主要使用方法 GPS比较费电池，多数GPS使用4节碱性电池，一直开机可用20～3 0h，长时间使用时要注意携带备用电池。
(一)有地图使用 (二)无图使用
第三节 GPS在货物运输系统中的应用
(1)使用路点定点。常用于确定岩壁坐标、探洞口坐标或其他如线 路起点、转折、宿营点的坐标。其用法简单，MARK一个坐标就 行了。所要找的地点坐标必须已经以路标(Landmark/Waypoint)的
低轨巨型星座构型设计及覆盖分析方法
CATALOGUE 目录•低轨巨型星座构型设计•星座覆盖分析方法•数值模拟与仿真•未来发展趋势与挑战•应用场景与案例分析低轨巨型星座的概念构型设计的目标构型设计概述卫星平台的选择根据任务需求和系统要求，选择适合的卫星平台，考虑其性能、可靠性、成本等因素。
卫星有效载荷根据任务需求，配置合理的有效载荷，如通信天线、功率放大器、低噪声放大器、频率源等。
卫星平台设计通信频段和带宽通信协议和调制方式有效载荷设计轨道与部署策略轨道高度的选择部署策略的制定覆盖需求分析030201星间通信与网络拓扑覆盖性能评估覆盖效率评估星座的网络性能，包括网络吞吐量、延迟、丢包率等。
网络性能安全性与隐私保护模拟工具与环境Python卫星通信仿真器MATLAB/Simulink星座构型参数优化卫星轨道高度和倾角优化低地球轨道的高度和倾角，以实现更好的覆盖效果。
卫星布局优化卫星在轨道上的布局，以提高覆盖的连续性和均匀性。
卫星通信链路设计优化卫星之间的通信链路，以确保信息传输的可靠性和实时性。
覆盖性能仿真与验证先进通信技术应用随着5G、物联网等先进通信技术的发展，低轨巨型星座的通信能力将得到极大提升，满足更高要求的应用场景。
卫星平台的升级随着科技的不断进步，卫星平台的性能将得到进一步提升，包括更高的数据处理能力、更强的通信能力等。
新型传感器与设备新型传感器和设备的研发和应用，将增强低轨巨型星座的感知能力，提升其数据处理和分析的准确性。
技术创新与升级频谱管理与干扰协调频谱共享与优化随着低轨巨型星座的发展，频谱资源将越来越紧张，因此需要研究更高效的频谱共享和优化策略，提高频谱利用率。
干扰抑制与协调由于低轨巨型星座的卫星数量众多，相互之间的干扰问题将日益突出，需要研究有效的干扰抑制和协调策略，保证星座的正常运行。
1安全性与防护策略23随着低轨巨型星座的发展，其面临的安全漏洞和威胁也不断增加，需要加强安全防护措施，确保星座的安全稳定运行。
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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
▪ 极轨道星座
1 c
➢ 全球覆盖条件
2 2c
P：轨道面数量
(P 1)1 2
(P 1) (P 1)c
(P
1)
(P
1)
arccos
cos cos( / 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
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
➢ 仰角要尽可能高(衰减小) ➢ 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
▪ 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
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
14
6.2 卫星星座设计 续9
▪ 极轨道星座
➢ 球冠覆盖条件
(P 1) (P 1)c cos
φ
(P
1)
(P
1)
arccos
cos cos( / S)
cos
Equator
-φ
15
6.2 卫星星座设计 续9
▪ 极轨道星座
➢ 球冠覆盖条件
16
▪ 极轨道星座
c arccos[ cos ] cos( / S)
Satellite flying direction
指的都是弧度
arccos
h
Re Re
cos
Elmin
/s
c
coverage edge of 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
3
6.1 引言 续1
▪ 卫星移动/宽带通信的发展
第二代：数字传输技术
1988 Inmarsat-C：第一个陆地移动卫星数据通信系统
1993
Inmarsat-M and mobilesat (Australia)：第一代数字陆地移动卫星 电话系统
1996 Inmarsat-3：支持膝上型终端的移动卫星电话系统
➢ 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
卫星通信
第6章 卫星星座设计
1
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
PS
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
第三代：手持系统
1998 Iridium：第一个支持手持终端的全球性低轨移动卫星通信系统
2003 集成了卫星通信子系统的全球移动通信系统(UMTS/IMT-2000)
宽带卫星系统：Internet和多媒体通信
2000 ASTRA：支持高速Internet接入
>2001 Spaceway, EuroSkyWay, SkyBridge, Teledesic等：支持固定、 便携或移动多媒体通信的宽带卫星通信系统
4
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
遮蔽效应使得通信链路恶化
6.2 卫星星座设计 续2
▪ 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
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,并且提供 更好的服务
6
6.2 卫星星座设计 续1
▪ 卫星星座选择
➢ 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
▪ 极轨道星座
1 c
➢ 全球覆盖条件
2 2c
P：轨道面数量
(P 1)1 2
(P 1) (P 1)c
(P
1)
(P
1)
arccos
cos cos( / 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
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
➢ 仰角要尽可能高(衰减小) ➢ 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
▪ 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
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
14
6.2 卫星星座设计 续9
▪ 极轨道星座
➢ 球冠覆盖条件
(P 1) (P 1)c cos
φ
(P
1)
(P
1)
arccos
cos cos( / S)
cos
Equator
-φ
15
6.2 卫星星座设计 续9
▪ 极轨道星座
➢ 球冠覆盖条件
16
▪ 极轨道星座
c arccos[ cos ] cos( / S)
Satellite flying direction
指的都是弧度
arccos
h
Re Re
cos
Elmin
/s
c
coverage edge of 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
3
6.1 引言 续1
▪ 卫星移动/宽带通信的发展
第二代：数字传输技术
1988 Inmarsat-C：第一个陆地移动卫星数据通信系统
1993
Inmarsat-M and mobilesat (Australia)：第一代数字陆地移动卫星 电话系统
1996 Inmarsat-3：支持膝上型终端的移动卫星电话系统
➢ 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
卫星通信
第6章 卫星星座设计
1
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
PS
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
第三代：手持系统
1998 Iridium：第一个支持手持终端的全球性低轨移动卫星通信系统
2003 集成了卫星通信子系统的全球移动通信系统(UMTS/IMT-2000)
宽带卫星系统：Internet和多媒体通信
2000 ASTRA：支持高速Internet接入
>2001 Spaceway, EuroSkyWay, SkyBridge, Teledesic等：支持固定、 便携或移动多媒体通信的宽带卫星通信系统
4
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
遮蔽效应使得通信链路恶化
6.2 卫星星座设计 续2
▪ 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
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,并且提供 更好的服务
6
6.2 卫星星座设计 续1
▪ 卫星星座选择