第6章 移动卫星通信系统(上)：卫星星座设计

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6.2 卫星星座设计 续9
极轨道星座
球冠覆盖条件
( P − 1)α + ( P + 1)c = π cos ϕ ⇒ cos α ( P − 1)α + ( P + 1) arccos = π cos ϕ cos(π / S )
-φ φ
Equator
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6.2 卫星星座设计 续10
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) 66.7682 57.8079 53.5892 42.1648 38.5540 36.3131 30.7118 28.8361 27.5252 24.1280 22.9885 22.1339 19.8638 ∆1(º) 104.6850 98.9190 96.3923 65.7888 63.9987 62.8864 48.1105 47.3622 46.8391 37.9109 37.5317 37.2473 31.2820
′ ∆1 (º) 103.8252 97.3951 93.9877 66.2803 64.4511 63.3170 48.3551 47.6005 47.0729 38.0816 37.7000 37.4139 31.4151
h (km), EL=10° 21063.8928 10251.5175 7743.2257 3862.0274 3111.3736 2716.6567 1908.4574 1686.6606 1541.8649 1209.8590 1110.4056 1039.4163 864.8926 21
′ ∆1 = arcsin(sin ∆1 / sin i ) 2 cos ∆ 2 − cos i ) ∆′ = arccos( 2 2 sin i
∆ 式中， 式中， 1 和 ∆ 2 分别对应极轨道星座顺行和逆行轨 道面间的升交点经度差
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6.2 卫星星座设计 续13
近极轨道星座
全球覆盖方程
第一代：模拟技术 第一代：
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6.1 引言 续1
卫星移动/宽带通信的发展 卫星移动 宽带通信的发展
第二代： 第二代：数字传输技术 1988 1993 1996 1998 2003 2000 >2001 Inmarsat-C：第一个陆地移动卫星数据通信系统 ： Inmarsat-M and mobilesat (Australia)：第一代数字陆地移动卫星 ： 电话系统 Inmarsat-3：支持膝上型终端的移动卫星电话系统 ： Iridium：第一个支持手持终端的全球性低轨移动卫星通信系统 ： 集成了卫星通信子系统的全球移动通信系统(UMTS/IMT-2000) 集成了卫星通信子系统的全球移动通信系统 ASTRA：支持高速Internet接入 ：支持高速 接入 Spaceway, EuroSkyWay, SkyBridge, Teledesic等：支持固定、 等 支持固定、 便携或移动多媒体通信的宽带卫星通信系统
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， 倾角接近但不等于 ，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 倾角因 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
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6.2 卫星星座设计 续12
近极轨道星座
近极轨道星座中， 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
sin{α + arccos[cos α / cos(π / S )]} ( P − 1) ⋅ arcsin + sin i cos{2 ⋅ arccos[cos α / cos(π / S )]} − cos 2 i arccos =π 2 sin i 19112∆1
co-rotating orbits
∆
1
∆
2
counterrotating Orbits (seam)
∆
1
∆
1
∆
1
∆
1
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6.2 卫星星座设计 续6
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 = α + 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 ∆γ = π / S
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6.2 卫星星座设计 续4
极轨道星座
卫星覆盖带(Street of Coverage) 卫星覆盖带 半覆盖宽度 Satellite cos α flying c = arccos[ ] direction cos(π / S )
Re α = arccos ⋅ cos Elmin h + Re
在极轨道星座中： 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， 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 轨道倾角为固定的 ，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， 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
6.2 卫星星座设计 续14
近极轨道星座
考虑到倾角的影响， 考虑到倾角的影响，近极轨道星座中相邻轨道相邻 卫星间的相位差满足
∆γ ′ = π / S − arctan(cos(i ) ⋅ tan(∆1′ ))
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6.2 卫星星座设计 续15
近极轨道星座
倾角85º的单重全球覆盖近极轨道星座参数 倾角 的单重全球覆盖近极轨道星座参数
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6.2 卫星星座设计 续2
卫星星座类型
极/近极轨道星座 近极轨道星座 倾斜圆轨道星座(主要有 倾斜圆轨道星座 主要有Walker的Delta星座和 的 星座和 主要有 Ballard的Rosette星座 星座) 的 星座 共地面轨迹星座 赤道轨道星座 混合轨道星座
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6.2 卫星星座设计 续3
极轨道星座
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
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6.2 卫星星座设计 续1
卫星星座选择
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， 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， 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 定位)或提供有 多重覆盖问题以支持特定业务 定位 QoS保证的业务 保证的业务
cos α c = arccos[ ] cos(π / S )
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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 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 96.5 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 3136.5 2738.6 1917.2 1694.4 1550.6 1214.6 1116.3 1044.3 868.0
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6.2 卫星星座设计 续17
倾斜圆轨道星座
倾斜圆轨道星座的命名
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6.2 卫星星座设计 续18
Walker Delta星座 星座
相邻轨道面相邻卫星的相位差概念
Satellite flying direction
Satellite flying direction Equator
Orbit 1
∆ =α +c
1
∆γ
α
c c c
∆ = 2c
2
2π / s
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6.2 卫星星座设计 续7
极轨道星座
全球覆盖条件
∆1 = α + c ∆ 2 = 2c
( P − 1)∆1 + ∆ 2 = π ⇒ ( P − 1)α + ( P + 1)c = π ⇒ cos α ( P − 1)α + ( P + 1) arccos =π cos(π / S )
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第三代： 第三代：手持系统
宽带卫星系统： 宽带卫星系统：Internet和多媒体通信 和多媒体通信
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 卫星移动通信系统 覆盖范围随地面基础设施的建设 易于快速实现大范围的完全 而持续增长 覆盖 多标准， 全球通用 多标准，难以全球通用 蜂窝小区小， 蜂窝小区小，频率利用率高 频率利用率低
sub-satellite point
α
c
π /s
coverage edge of satellite
式中S是每轨道面的卫星数量 式中 是每轨道面的卫星数量
Street of coverage
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6.2 卫星星座设计 续5
极轨道星座
顺行/逆行轨道面和‘缝隙 顺行 逆行轨道面和‘缝隙(seam)’ 逆行轨道面和 π星座 星座 ∆ 由于存在逆向飞行现象， 由于存在逆向飞行现象， 星座第一个和最后一个 ∆ 轨道面间的间隔小于其 ∆ 它相邻轨道面间的间隔
Orbit 2
ωf
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6.2 卫星星座设计 续19
Walker Delta星座 星座
星座标识法 Delta星座可以用一个 元参数组完整描述 星座可以用一个3元参数组完整描述 星座可以用一个