电子科大-卫星移动通信系统(课件)

适用范围
中、低轨道卫星移动通信系统的总体规划
一、星座设计及星际链路（续）

卫星星座选择标准





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 路干扰必须限制在不影响接收的范围内 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

几个典型系统中有关波束移动性和覆盖的参数
Iridium 66+6 780 26864 23937 48 3168 600 Globalstar 48+8 1410 25754 21092 16 768 2254 ICO 10+2 10355 17570 6700 163 1630 —— ——
系统名称 总卫星数 轨道高度（km） 卫星轨道速度(km/h) 星下点速度(km/h) 波束数/卫星 系统总波束数 波束直径（km）
卫星覆盖区直径（km）
卫星可视时间（min） 多址方式
4700
11.1
5850
16.4
12900
115.6 TDMA/FDMA/F DD
TDMA/FDMA/TDD CDMA/FDMA/FDD
注：各种终端载体移动速度对比：人：几KM/H；
汽车或船：100KM/H;
飞机：1000KM/H ； 地球自转速度：1700km/h(赤道)
四、路由和交换技术


对于采用GSO卫星的系统，路由和交换技术 与地面系统差别不大 对于采用MEO和LEO卫星的系统，分为两种 情况：


无星际链路下的路由和交换：与地面系统类似 ，信关站起到交换中心的作用； 有星际链路的路由和交换：必须具有星上处理 能力，路由算法应适应动态拓扑变化
路由和交换技术（续）
极轨道星座 续1

卫星覆盖带(Street of Coverage) 半覆盖宽度 Satellite cos flying c arccos[ ] direction cos( / S )
Re arccos cos Elmin h Re
sub-satellite point
c
Co-rotating orbits
1


c c c
2c
2 / s
Counter-rotating orbits
2
极轨道星座续4

单重全球覆盖星座参数
表 6－4 P 2 2 2 3 3 3 4 4 4 5 5 5 6 S 3 4 5 5 6 7 7 8 9 9 10 11 11 α(º ) 66.7 57.6 53.2 42.3 38.7 36.5 30.8 28.9 27.6 24.2 23.0 22.2 19.9 ∆1(º ) 104.5 98.4 95.5 66.1 64.3 63.2 48.3 47.6 47.0 38.0 37.7 37.4 31.4 h (km), El=10º 20958.6 10127.1 7562.4 3888.5 3135.5 2738.6 1917.2 1694.4 1550.6 1214.6 1115.3 1044.3 868.0
多波束天线、大口径天线 星座设计、星上处理转发器技术

网络管理与控制


天线及射频技术


空间段与地面段相匹配的优化设计技术

一、星座设计技术


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
例子6.3 续
卫星的初始参数如下表
轨道序 号 1 卫星序号 SAT1-1 SAT1-2 SAT1-3 SAT2-1 SAT2-2 SAT2-3 SAT3-1 SAT3-2 SAT3-3 升交点经度 (º ) 0 0 0 120 120 120 240 240 240 初始平近点角(º ) 0 120 240 40 160 280 80 200 320
2 f F T
例6.3 某Delta星座标识为 9/3/1:10355:43。假设初 始时刻，星座第一颗卫星位于(0º 0º E, N)。计算所有星 座卫星的初始参数。 解: 星座相邻轨道面的升交点经度差为 360º =120º /3 轨道面内相邻卫星间的相位差为 360º /(9/3) = 120º 相邻轨道面相邻卫星间的相位差为 360º /9×1=40º

采用星际链路系统中的路由和交换技术

由于是动态拓扑，要求系统采用分组交换技术 需建立卫星和覆盖区域的对应关系
倾斜圆轨道星座续1

倾斜圆轨道星座的命名
RAAN
N
N
Walker Delta Constellation
Ballard Rosette Constellation
倾斜圆轨道星座 －Walker Delta星座

相邻轨道面相邻卫星的相位差概念
Satellite flying direction Equator
Orbit 1
Orbit 2
ωf
Satellite flying direction
倾斜圆轨道星座 －Walker Delta星座 续2

星座标识法 Delta星座可以用一个3元参数组完整描述
T/P/F

T：星座卫星总数 P：轨道平面数量 F：相位因子，取值0到P-1 相位因子确定相邻轨道面相邻卫星间的相位差
一、星座设计及星际链路（续）

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) 混合轨道星座

星际链路
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 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
混合轨道星座



Orbcomm系统 3个倾角45º 的轨道平面，每 轨道面8颗卫星，轨道高度均 为825 km 倾角70º 和108º 的轨道平面各 1个，每轨道面2颗卫星，轨 道高度均为780 km ，轨道面 升交点经度差180º 1个赤道轨道面，8颗卫星， 轨道高度780 km
混合轨道星座续1
第六章
卫星移动通信系统
主要内容

6.1 卫星移动通信系统技术基础 6.2 同步轨道卫星移动通信系统 6.3 中、低轨卫星移动通信系统
6.1 卫星移动通信的技术基础

概念纠偏： 卫星移动通信中的“移动”，指的是终 端的“移动”，而不是卫星的“移动”。
6.1.1 卫星移动通信的特点和问题

0
S210
-60
-90 -180
-90
-60
-30
30
星际链路（续3）
GEO NGEO NGEO NGEO NGEO
PSTN
（a）
NGEO NGEO ILSs ILS NGEO NGEO NGEO ILISL
（b）
GEO ILISL NGEO ISL NGEO
（c）
（d）
三、切换技术

适用范围：
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
倾斜圆轨道星座


倾斜圆轨道星座特征：由高度和倾角相同的圆轨道 组成，轨道面升交点在参考平面内均匀分布，卫星 在每个轨道平面内均匀分布 两类经典设计方法 Walker的Delta星座 Ballard的玫瑰(Rosette)星座 两种方法是等效的

Ellipso系统


BOREALISTM 子系统包 含10颗卫星，分布在2 个倾角为116.6º 的椭圆 轨道上，远地点和近地 点高度分别为7605 km 和633 km CONCORDIATM 子系统是 一个包含7颗卫星的赤 道轨道平面，轨道高度 为8050 km
星际链路


面内星际链路
通常，一颗卫星和同一轨道面内位于其前后的各 一颗卫星建立面内星际链路 因为同一轨道面内卫星间的相对运动几乎为零， 因此星际链路天线的指向角是固定的，也无需跟 踪功能



对于采用GSO卫星的卫星移动通信系统，波束 对地是静止的，切换主要由用户移动引起。由 于卫星波束范围很大，通常认为只有移动速度 很大的终端，如飞机上的机载终端，才存在切 换问题 对于采用LEO的系统，由于波束相对地面做高 速移动，切换频繁发生，切换对LEO系统是一 个非常重要的问题 对于采用MEO的系统 ，存在切换，但不如LEO 那么频繁。
2
3
倾斜圆轨道星座 －Walker Delta星座 续3

最优Delta星座
T 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 P 5 6 7 8 9 5 11 3 13 7 3 F 1 4 5 6 7 2 4 1 5 4 1 i (º ) 43.7 53.1 55.7 61.9 70.2 57.1 53.8 50.7 58.4 54.0 53.5 αmin (º ) 69.2 66.4 60.3 56.5 54.8 52.2 47.6 47.9 43.8 42.0 42.1 h (km), El=10º 27143 20334 12255 9374.2 8374.2 7089.7 5344.4 5442.1 4257.1 3824.3 3847.1