卫星通信系统概述

1、第6章 卫星移动通信系统电子科技大学2006.082大 纲n卫星移动通信系统概述n卫星运动规律与轨道参数n非静止轨道卫星星座设计n卫星星际链路特性n卫星移动通信系统网络结构n卫星移动通信系统频率规划n典型卫星移动通信系统介绍3卫星移动通信系统概述n卫星移动通信系统发展过程 第一代卫星移动通信系统：模拟信号技术第一代卫星移动通信系统：模拟信号技术 1976年，由3颗静止卫星构成的MARISAT系统成为第1个提供海事移动通信服务的卫星系统（舰载地球站40W发射功率，天线直径1.2米） 1982年，Inmarsat-A成为第1个海事卫星移动电话系统第二代卫星移动通信系统：数字传输技术第二代卫星移动通

2、信系统：数字传输技术 1988年，Inmarsat-C成为第1个陆地卫星移动数据通信系统 1993年，Inmarsat-M和澳大利亚的Mobilesat成为第1个数字陆地卫星移动电话系统支持公文包大小的终端 1996年，Inmarsat-3可支持便携式的膝上型电话终端第三代卫星移动通信系统：手持终端第三代卫星移动通信系统：手持终端 1998年，铱（Iridium）系统成为首个支持手持终端的全球低轨卫星移动通信系统 2003年以后，集成了卫星通信子系统的全球移动通信系统（UMTS/IMT-2000）4卫星移动通信系统概述 续1n卫星与地面移动通信系统的比较 卫星移动通信系统卫星移动通信系统地面移

3、动通信系统地面移动通信系统易于快速实现大范围的完全覆盖覆盖范围随地面基础设施的建设而持续增长全球通用多标准，难以全球通用频率利用率低频率利用率高（蜂窝小区小）遮蔽效应使得通信链路恶化提供足够的链路余量以补偿信号衰落适合于低人口密度、有限业务量的农村环境适用于该人口密度、大业务量的城市环境5卫星运动规律与轨道参数n开普勒三定理 第一定理（第一定理（1602年）年）小物体（卫星）在围绕大物体（地球）运动时的轨道是一个椭圆，并以大物体的质心作为一个焦点 第二定理（第二定理（1605年）年）小物体（卫星）在轨道上运动时，在相同的时间内扫过的面积相同 第三定理（第三定理（1618年）年）小物体（卫星）的

4、运动周期的平方与椭圆轨道半长轴的立方成正比关系 6卫星运动规律与轨道参数 续1n开普勒定理的图形描述7卫星运动规律与轨道参数 续2n卫星轨道形状参数 偏心率e ：决定了椭圆轨道的扁平程度，当e =0时，椭圆轨道退化为圆轨道 轨道半长轴a ：远地点与椭圆轨道中心C 的距离 轨道半短轴b ：近地点与椭圆轨道中心C 的距离 e 、a 和b 满足关系21( / )eb a8卫星运动规律与轨道参数 续3n卫星轨道形状参数 半焦距 ：地心与椭圆轨道中心的距离 r ：卫星到地心的瞬时距离，对椭圆轨道是个时变量，对圆轨道可看作常数 远地点 (apogee)：地心与椭圆轨道中心的距离 近地点 (perigee

5、)：地心与椭圆轨道中心的距离maxmin(1)(1)Raerraerrae半焦距远地点近地点9卫星运动规律与轨道参数 续4n卫星轨道的极坐标表达式卫星椭圆轨道的极坐标表达式为式中：是瞬时卫星-地心连线与地心-近地点连线的夹角，是卫星在轨道面内相对于近地点的相位偏移量；p = a(1-e2)为椭圆半焦弦。2(1)1cos1cosaepree10卫星运动规律与轨道参数 续5n卫星的轨道速度和周期根据机械能守恒原理可以推出： 椭圆轨道上卫星的瞬时速度和轨道周期 圆轨道上卫星的瞬时速度和轨道周期321(/ )2( )aVkm sTsra卫星卫星 （）3(Re)(/ )2( )hVkm sTsr卫星卫星

6、11卫星运动规律与轨道参数 续6例6.1 某采用椭圆轨道的卫星，近地点高度（近地点到地球表面的距离）为1000km，远地点高度为4000Km。在地球平均半径为6378.137 km的情况下，求该卫星的轨道周期T。 解解：根据图6-1(a)可知，长轴为远地点和近地点之间的直线距离，在半长轴为a，地球半径为Re，近地点高度为hp和远地点高度为ha时，有： 所以，半长轴a = 8878.137km，由此可计算轨道周期： 22Re26378.1371000400017,756.274kmpaahh328325.1703( )aTs12卫星运动规律与轨道参数 续7n地心坐标系 地心O为原点 X轴指向春分

7、点方向 Z轴与地球的自转轴重合， 指向北极点 X轴和Y轴确定的平面与赤道平面重合 X、Y、Z轴构成一个右手坐标系 13卫星运动规律与轨道参数 续8n轨道参数 在地心坐标系中，为完整地描述任意时刻卫星在空间中的位置，通常使用2组6个轨道参数 第一组参数定义了轨道的方位，用于确定卫星相对于地球的位置 第二组参数定义了轨道的几何形状和卫星的运动特性，用于确定卫星在轨道面内的位置14卫星运动规律与轨道参数 续9n轨道参数确定轨道平面方位的三个参数为： 右旋升交点赤经：赤道平面内从春分点方向到轨道面交点线间的角度，按地球自转方向度量 轨道倾角i：轨道平面与赤道平面间的夹角 近地点幅角：轨道平面内，升交点

8、与近地点间的夹角，从升交点按卫星运行方向度量15卫星运动规律与轨道参数 续10n轨道参数确定轨道平面几何形状和卫星的运动特性的三个参数为： 轨道偏心率e：反映了轨道面的扁平程度，取值范围0,1) ； 轨道半长轴a：椭圆轨道中心到远地点的距离； 平均近点角M或过近地点时间tp ：通过平均近点角M或过近地点时间tp可以计算卫星的真近点角。 M和tp满足如下关系式（式中Ts为卫星轨道周期）。2()psMttT16卫星运动规律与轨道参数 续11n圆轨道参数对圆轨道，通常认为轨道偏心率恒为0，近地点和升交点重合，只需4个参数就可以完整描述卫星在空间的位置： 右旋升交点赤经 轨道倾角i 轨道高度h 初始时

9、刻的真近点角（即初始幅角） 17卫星运动规律与轨道参数 续12n卫星在圆轨道平面内的定位 对圆轨道，以升交点代替近地点作为面内相位参考点 卫星以近似恒定的速度Vs飞行，因此瞬时卫星与升交点间的夹角 Vt卫星18卫星运动规律与轨道参数 续13n卫星在椭圆轨道平面内的定位 由于椭圆轨道上卫星的在轨飞行速度是时变的，因此确定卫星在轨道内的位置的方法相对复杂 通常采用右侧所示几何方法来间接计算卫星的瞬时真近点角 图中，E称为偏心近点角，是真近点角19卫星运动规律与轨道参数 续14n卫星在椭圆轨道平面内的定位 根据开普勒第二定理，可以推导偏心近点角E与平均近点角M之间满足关系上式通常称为开普勒方程（Ke

10、plers equation），在偏心率e 0时没有理论解，通常使用数值方法（如牛顿迭代法和线性迭代法）来计算E的值 sinMEeE 20卫星运动规律与轨道参数 续15n牛顿迭代法 迭代公式 迭代终止条件其中为允许的最大误差 使用数值方法计算出瞬时的偏心近点角E后，可以通过高斯方程计算真近点角： 通过如下方程计算瞬时卫星到地心的距离r 1sin1sinkkkkkkkMEeEMMEEeE 1kkMM12 arctan(tan)12eEe(1cos)raeE 21卫星运动规律与轨道参数 续16n卫星星下点轨迹 卫星的星下点指卫星地心连线与地球表面的交点 星下点随时间在地球表面上的变化路径称为星下点

11、轨迹 星下点轨迹是最直接地描述卫星运动规律的方法 由于卫星在空间沿轨道绕地球运行，而地球又在自转，因此卫星运行一圈后，其星下点一般不会再重复前一圈的运行轨迹 22卫星运动规律与轨道参数 续17n卫星星下点轨迹 假定0时刻，卫星经过其右升交点，则卫星在任意时刻t（0）的星下点经度（用s表示）和纬度（用s表示）由以下方程组确定： 0180 ( 18090 )( )arctan(costan )0 ( 9090 )180 (90180 )( )arcsin(sinsin )sestitti 23卫星运动规律与轨道参数 续18n卫星星下点轨迹 一颗轨道高度为13892km，轨道倾角60，初始位置（0E

12、，0N）的卫星24小时的星下点轨迹如下图所示 24卫星运动规律与轨道参数 续19n单颗卫星覆盖特性计算 单颗卫星对地覆盖的几何关系如下图所示 25卫星运动规律与轨道参数 续20n单颗卫星覆盖特性计算 E：观察点对卫星的仰角，以观察点的地平线为参考，可取值范围为-90, 90 ：卫星和观察点间的地心角，可取值范围为0, 180 ：卫星的半视角（或半俯角），可取值范围为0, 90 d ：卫星到观察点的距离 X：卫星覆盖区的半径 Re：地球平均半径 h ：是卫星轨道高度 26卫星运动规律与轨道参数 续21n单颗卫星覆盖特性计算 卫星和观察点间的地心角 当观察点和卫星的地理位置以经纬度坐标形式给出时，

13、以(u，u)表示观察点的瞬时经纬度，(s，s)表示卫星的瞬时经纬度，则两者所夹的地心角由下式确定 ReRearccoscosarcsinsinReRehEEharccos sin() sin()cos() cos() cos()ususus27卫星运动规律与轨道参数 续22n单颗卫星覆盖特性计算 卫星的半视角 观察点的仰角 ReRe sinarcsincosarctanRe(Re)Re cosEhh(Re) cosReRearctanarccossin(Re) sinRehhEh28卫星运动规律与轨道参数 续23n单颗卫星覆盖特性计算 星地距离 覆盖区半径 22222Re(Re)2 Re (R

14、e) cos= Re sin2ReRe sindhhEhhE Re sinX29卫星运动规律与轨道参数 续24n单颗卫星覆盖特性计算 观察点的最小仰角Emin：系统的一个给定指标。根据Emin和卫星轨道高度 h 便可以计算卫星的最大覆盖地心角、最小星下点视角和最大星地传输距离，从而确定卫星的瞬时覆盖区的直径和面积、覆盖区内不同地点的卫星天线辐射增益和边沿覆盖区的最大传输损耗等 30卫星运动规律与轨道参数 续25n单颗卫星覆盖特性计算 仰角E10时，地心角和卫星半视角随卫星轨道高度h的变化情况如右图 地心角随轨道高度的增加而增大，卫星半视角随轨道高度的增加而减小，静止轨道卫星的地心角约72，星下

15、半视角约8.5 31卫星运动规律与轨道参数 续26n单颗卫星覆盖特性计算 仰角E10时，星地距离 d 随卫星轨道高度h的变化情况如右图 星地距离随轨道高度的增加而增大，静止轨道卫星的最大星地距离约为41000km 32卫星运动规律与轨道参数 续27例6.2：已知某卫星的轨道高度为1450km，系统允许的最小接入仰角为10，试计算该卫星能够提供的最长连续服务时间。解解：假设卫星恰好经过观察点上空。随着卫星运动，观察点的仰角经历从最小接入值增大到最大值90再减小到最小接入值的过程。该过程中卫星能够提供最长连续的服务，此期间卫星运动扫过的地心角为：2max。卫星的最大覆盖地心角：卫星的在轨运动角速度

16、 所以，最长连续服务时间max6378.137arccoscos101026.6414506378.137 433398601.582 /9.12 10/0.0522 /(Re)(14506378.137)STrad ssh卫星maxmax2/1020.6917minSts33卫星运动规律与轨道参数 续28n非静止轨道卫星系统的轨道和高度选择 卫星轨道形状和高度是确定完成对指定区域覆盖所需的卫星数量和系统特性的一个非常重要的因素 卫星轨道的分类：1）按形状：椭圆轨道和圆轨道2）按倾角：赤道轨道、极轨道和倾斜轨道3）按高度：低地球轨道（LEO）、中地球轨道（MEO）、静止/同步轨道（GEO/GS

17、O）和高椭圆轨道（HEO） 34卫星运动规律与轨道参数 续29n卫星轨道按形状分类 椭圆轨道通常只在卫星相对地面运动速度较慢（即位于远地点附近）时才提供通信服务，因此更加适合于为特定的区域提供服务（特别是高纬度区域） 圆轨道卫星可以提供较均匀的覆盖特性，通常被提供较均匀的全球覆盖的系统采用 35卫星运动规律与轨道参数 续30n卫星轨道按倾角分类 赤道轨道：倾角为0，轨道上卫星的运行方向与地球自转方向相同，且卫星相对于地面的运动速度随着卫星高度的增加而降低。当轨道高度为35786 km时，卫星运动速度与地球自转的速度相同。如果此时轨道倾角为0，则卫星对地的运动速度为0，这种轨道就是静止（Geos

18、tationary）轨道；如果卫星的倾角不为0，则卫星仍然存在对地的相对运动，这样的轨道称为地球同步（Geosynchronous）轨道，其星下点轨迹呈现出“8”字型。 36卫星运动规律与轨道参数 续31n卫星轨道按倾角分类 极轨道的轨道面垂直与赤道平面，轨道倾角为90，卫星穿越地球的南北极 倾斜轨道又可以根据卫星的运动方向和地球自转方向的差别分为顺行和逆行轨道 顺行倾斜轨道倾角在0到90之间，轨道上卫星在赤道面上投影的运行方向与地球自转方向相同 逆行倾斜轨道的倾角在90到180之间，轨道上卫星在赤道面上投影的运行方向与地球自转方向相反 37卫星运动规律与轨道参数 续32n卫星轨道按倾角分类3

19、8卫星运动规律与轨道参数 续33n卫星轨道按高度分类 各种轨道的可用高度范围如下表轨道类型可用高度（km）LEO7002000MEO800020000GEO/GSO35786HEO远地点可达4000039卫星运动规律与轨道参数 续3440非静止轨道卫星星座设计n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 41非静止轨道卫星星座设计 续1n星座设计时的基本考虑 用户仰角应尽可能大 信号的传输延时应尽可能低 卫星有效载荷的能量消耗要尽可能低 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 多重覆盖问题 42非

20、静止轨道卫星星座设计 续2n极轨道星座设计方法 当卫星轨道平面相对于赤道平面的倾角为90时，轨道穿越地球南北极上空，称这种类型的轨道为极轨道。 利用圆极轨道星座实现全球单重覆盖的思想最早由美国科学家R.D.Lder提出；D.C.Beste在Lder的工作基础上进行了进一步的分析和优化；W.S.Adams和L.Rider给出了目前被广泛采用的优化极轨道星座优化设计方法。 43非静止轨道卫星星座设计 续3n卫星覆盖带(Street of Coverage) 覆盖带是基于同一轨道面内多颗卫星的相邻重叠覆盖特性，在地面上形成的一个连续覆盖区域 覆盖带半（地心角）宽度c 式中，为单颗卫星覆盖的半地心角宽

21、度，S为每个轨道面内的卫星数量，/S为卫星之间的半地心角宽度cosarccoscos(/ )cS44非静止轨道卫星星座设计 续4n 极轨道星座极点观察投影图 星座 星座轨道面间的经度差不同 顺行轨道面间的间隔较大 逆行轨道面间的间隔较小45非静止轨道卫星星座设计 续5n相邻轨道面覆盖的几何关系 顺行轨道面的卫星之间保持固定的空间相位关系 逆行轨道面的卫星之间的空间相位关系则是变化的 极轨道星座中顺行和逆行轨道面之间的经度差1和2满足 122cc 46非静止轨道卫星星座设计 续6n极轨道星座的卫星分布特性由于极轨道星座的特殊轨道结构（90倾角，所有轨道面交于南北极点），星座中的卫星在天球上的分布

22、是不均匀的：卫星在赤道平面上最稀疏，相互间的间隔距离最大；在两极处最密集，相互间的间隔距离最小。因此，在考虑极轨道星座对全球的覆盖时，只需考虑对赤道实现连续覆盖；在考虑对球冠区域的覆盖时，只需考虑对球冠的最低纬度圈实现连续覆盖。 47非静止轨道卫星星座设计 续7n极轨道星座实现全球覆盖极轨道星座实现全球覆盖时，星座参数应满足方程相邻轨道面相邻卫星之间的相位差 应满足 12(1) (1)(1) cos(1)(1)arccoscos(/ )PPPcPPS /S48非静止轨道卫星星座设计 续8n极轨道星座实现极冠覆盖极轨道星座实现全球覆盖时，星座参数应满足方程式中， 为极冠覆盖区的最低纬度相邻轨道面

23、相邻卫星之间的相位差与全球覆盖时的相同(1)(1)cos cos(1)(1)arccoscoscos(/ )PPcPPS49非静止轨道卫星星座设计 续9n近极轨道星座 卫星轨道平面与赤道平面的夹角为80100（除90）时的轨道 由于近极轨道星座的倾角接近90，因此，仍可以采用覆盖带分析的方法，考虑在赤道区域连续覆盖时的要求，采用解析方法确定最优星座参数。 50非静止轨道卫星星座设计 续10n近极轨道星座实现全球覆盖 根据近极轨道的倾角特性，近极轨道星座中顺行和逆行轨道面之间的经度差 和 满足： 相邻轨道面相邻卫星之间的相位差 满足112222arcsin(sin/sin )coscosarcc

24、os()siniii 121/arctan(cos( ) tan()Si51非静止轨道卫星星座设计 续11n近极轨道星座实现全球覆盖因此，在实现全球覆盖时，近极轨道星座的参数应满足方程：22sinarccoscos/cos(/ )(1) arcsinsincos2 arccoscos/cos(/ )cosarccossinSPiSii52非静止轨道卫星星座设计 续12n倾斜圆轨道星座设计 Walker Delta星座 Ballard玫瑰（Rosette）星座53非静止轨道卫星星座设计 续13n倾斜圆轨道星座的基本特性 多个倾角和高度相同的轨道平面 各轨道平面具有相同数量的卫星 各轨道平面内卫星

25、在面内均匀分布 各轨道平面的右旋升交点在参考平面内均匀分布 相邻轨道相邻卫星间存在确定的相位关系54非静止轨道卫星星座设计 续14nDelta星座 Delta星座使用相邻轨道面内，相邻卫星的初始相位差来确定星座中各卫星的相对空间位置关系 相邻轨道面相邻卫星相位差的物理意义如下图 55非静止轨道卫星星座设计 续15nDelta星座标识法Walker采用3个参数来描述Delta星座：T/P/F。 T 代表星座的卫星总数； P 代表星座的轨道面数量； F 称为相位因子相位因子， Delta星座按下式确定相邻轨道相邻卫星的初始相位差 2/fF T56非静止轨道卫星星座设计 续16例6.3 已知某星座的

26、Delta标识为：9/3/1:10355:43，假设初始时刻星座的第一个轨道面的升交点赤经为0，面上第一颗卫星位于（0E, 0N），试确定星座各卫星的轨道参数。解：根据Delta星座特性，可知星座多个轨道面的右旋升交点在赤道平面内均匀分布，每个轨道面内的卫星在面内均匀分布，再根据相位因子F 可以确定各卫星的轨道参数： 相邻轨道面的升交点经度差：360/3=120； 面内卫星的相位差：360/(9/3)=120； 相邻轨道面相邻卫星的相位差：3601/9=40； 57非静止轨道卫星星座设计 续17例6.3 (续)再根据第一颗卫星的初始位置，可以得到所有卫星的初始轨道参数如下表 轨道面卫星编号升交

27、点赤经（）初始幅角（）1SAT1-100SAT1-20120SAT1-302402SAT2-112040SAT2-2120160SAT2-31202803SAT3-124080SAT3-2240200SAT3-324032058非静止轨道卫星星座设计 续18nWalker的最优Delta星座 TPFi ()min ()h (km)55143.769.22714366453.166.42033477555.760.31225588661.956.59374.299770.254.88374.2105257.152.27089.71111453.847.65344.4123150.747.9544

28、2.11313558.443.84257.1147454.042.03824.3153153.542.13847.1需要指出，该表中的数据是由Walker手工计算得到的59非静止轨道卫星星座设计 续19n玫瑰星座 Rosette星座中，卫星的初始相位与其所在轨道面的右旋升交点赤经（或经度值）成一定的比例关系 Ballard使用3个不变的方向角和一个时变的相位角来确定卫星在运行天球面上的瞬时位置60非静止轨道卫星星座设计 续20nBallard的卫星位置以及相互关系示意图 2 /jjjjjijT为第 个轨道平面的右旋升交点为轨道面倾角为第 颗卫星在轨道面内的初始相位，从右旋升交点顺卫星运行方向测

29、量为卫星在轨道平面内的时变相位61非静止轨道卫星星座设计 续21n玫瑰星座标识法Ballard采用3个参数来描述玫瑰星座: (N, P, m) N 代表星座的卫星总数； P 代表星座的轨道面数量； m 称为协因子协因子，确定了卫星在轨道面内的初始相位。 协因子m是一个非常重要的玫瑰星座参数，它不仅影响卫星初始时刻在运行天球上的分布，也影响卫星组成的图案在天球上的旋进速度。 62非静止轨道卫星星座设计 续22n卫星方向角与玫瑰星座参数的关系对卫星总数为N，轨道面数量为P，每轨道面内卫星数量为S的玫瑰星座，卫星的方向角具有如下的对称形式： 2/0 1(0 1)/2/(2/)jjjjj PjNiim

30、NSmmj PmSj NNP S63非静止轨道卫星星座设计 续23n协因子m的特性 协因子m可以是整数也可以是不可约分数； 如果m是0到N1的整数，即意味着S1，表示星座中每一个轨道平面上只有一颗卫星； 如果协因子m为不可约分数，则一定以S为分母，表示星座中每一个轨道平面上有S颗卫星。 64非静止轨道卫星星座设计 续24n最优玫瑰星座的优化准则 Ballard优化策略：最坏观察点的最大地心角最小化准则 任一时刻地球表面上的最坏观察点是某3颗卫星的星下点所构成的球面三角形的中心，该点到3颗卫星星下点的地心角距离相同 为保证星座的全球覆盖，卫星的最小覆盖地心角min必须大于或等于最坏观察点与卫星间

31、的最大地心角 65非静止轨道卫星星座设计 续25n最优玫瑰星座参数NPmi ()min ()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

32、/253.9841.963814.132.851531/5, 4/5, 7/5, 13/553.5142.133852.392.8766非静止轨道卫星星座设计 续26n玫瑰星座与Delta星座的等价性 Ballard在其研究结果中指出：玫瑰星座与Walker的Delta星座是等价的 玫瑰星座的协因子m和Delta星座的相位因子F可以相互转换，转换时F 和m之间满足关系 mod(,)mod( , )FmS Px yxy是对 进行模 运算67非静止轨道卫星星座设计 续27例6.4 ICO星座的Delta标识为10/2/0，试写出其等价的玫瑰星座标识。解：已知轨道面数量P=2，每轨道面卫星数量S=1

33、0/2=5，相位因子F=0，有根据玫瑰星座特性，协因子m的分子部分取值应不等于0并且小于星座卫星数量（即02n10），可以判定n的可能取值为1、2、3和4。所以，协因子为： ICO星座的玫瑰星座标识为：（10, 2, （2/5, 4/5, 6/5, 8/5） mod(5 ,2)0522 /5mmnmn2 /5(2/5,4/5,6/5,8/5)mn68非静止轨道卫星星座设计 续28n共地面轨迹星座的特性 包含多个轨道高度和倾角相同轨道面； 每轨道面一颗卫星； 所有卫星沿不变得地面轨迹运行； 适合于实现区域覆盖卫星通信系统。69非静止轨道卫星星座设计 续29n共地面轨迹星座的参数约束关系 由图可见

34、，如果卫星j从当前位置运行到其升交点j用去的时间和地球自转用去的时间相同，则卫星j和卫星i具有相同的星下点轨迹 因此，共地面轨迹星座中相邻轨道面卫星应满足/eS 70非静止轨道卫星星座设计 续30n共地面轨迹星座的参数约束关系 为维持地面轨迹的不变性，共地面轨迹星座通常采用回归回归或准回归轨道或准回归轨道 回归/准回归轨道的周期可通过下式确定。式中，M为回归周期，N为回归周期内卫星绕地球旋转的圈数。由此可知采用回归/准回归轨道卫星的在轨角速度与地球自转的角速度之间满足关系 /seTTMN/seN M71非静止轨道卫星星座设计 续31n共地面轨迹星座的参数约束关系 综上可推出：采用回归/准回归轨

35、道的共地面轨迹星座中，相邻轨道面间的升交点经度差和相邻卫星间的相位差满足简单的线性关系： 必须注意，此处的卫星间相位差 与Delta星座所定义的卫星间相位差f不同：是按逆卫星运行方向测量得到，而f则是顺卫星运行方向测量得到，因此它们之间满足2互补关系 /N M 2f72非静止轨道卫星星座设计 续32n共地面轨迹星座的编码标识方法可以仿照Walker对Delta星座的标识方法，将共地面轨迹星座的各参数标识为其中： T为星座中卫星数量，也即轨道面数量； 为星座中相邻轨道面间的升交点经度差； N/M称为调相因子，确定了相邻轨道面相邻卫星间的相位差和f ，以及卫星轨道高度h； i为星座中所有轨道面的倾

36、角。 /(/): /:TN Mh iTN h i或73非静止轨道卫星星座设计 续32n共地面轨迹星座与Delta星座的等价性 Delta星座中相邻轨道面的经度差和相邻轨道面相邻卫星的相位差分别为 要使得Delta星座与共地面轨迹星座等价，则首先要满足T =P（即每轨道面一颗卫星 ），再结合前页的等式，可以推出由于T和F均是整数，Delta星座与共地面轨迹星座等价时，必然采用回归轨道（M1）。 2/ 2/fPF T/TFN M74非静止轨道卫星星座设计 续33n共地面轨迹星座与Delta星座的等价性 最终，可以确定参数T、F和N之间满足关系式 Delta星座 T/T/(T-N) 与共地面轨迹星座

37、 T/(2/T)/N 是等价的。 (1)FTN NT75非静止轨道卫星星座设计 续34例6.5 试确定与共地面轨迹星座6/60/2:20184:28.5等价的Delta星座参数。解：根据共地面轨迹星座标识方法可知： 星座卫星数量 T=6； 回归周期内卫星旋转圈数N=2。根据Delta星座与共地面轨迹星座的等价关系式可知等价的Delta星座标识为：6/6/4:20184:28.576非静止轨道卫星星座设计 续35n太阳同步轨道 由于地球的偏平度和内部密度的不均匀性，将引起轨道平面围绕地球极轴旋转，所以轨道面的右旋升交点经度将在赤道平面上自西向东漂移，产生所谓轨道平面的“进动”，进动的平均角速度为

38、：式中：Re为地球半径，e为轨道偏心率，h为瞬时卫星距离地球表面的高度，i为轨道倾角。 3.522Re9.964 ()(1)cos( /)Redeidth 天77非静止轨道卫星星座设计 续36n太阳同步轨道 地球在一年时间（365.25天）内绕太阳旋转360，公转的平均角速度为360/365.25=0.9856/天 。 如果选择合适的轨道参数，使得轨道面进动的平均角速度与地球绕太阳公转的平均角速度相同，这样的轨道称为太阳同步轨道。 由于太阳同步轨道与地球有相同的旋转平均角速度，使得轨道平面始终与太阳保持固定的几何关系。 78非静止轨道卫星星座设计 续37n太阳同步轨道 轨道平面与太阳间几乎固定

39、的几何关系表征在：轨道平面与黄道面的交线与地心-日心连线的夹角保持固定的一个角度 这种固定的空间几何关系使得太阳同步轨道的卫星总是在相同的本地时（LST）经过某一区域的上空 79非静止轨道卫星星座设计 续38n太阳同步轨道 圆太阳同步轨道的轨道高度和轨道倾角之间的制约关系 根据上式可知： 由于cosi的取值始终为负，因此倾角i的取值范围为 ( 90, 180，所以太阳同步轨道一定是逆行轨道； 由| cosi |=4.77310-15(h+Re)3.51，可知圆轨道太阳同步轨道的高度是受限的，最高高度为5974.9 km。 3.5157/2Re0.98569.964coscos4.773 10(

40、Re)Rediihdth 80非静止轨道卫星星座设计 续39n太阳同步轨道星座 由于太阳同步轨道卫星总是在相同的本地时间通过同一区域上空，因而广泛地使用于对地观察和监测卫星系统中，以提供在几乎相同的日照条件下对相同地区的观测结果。 在实际的观察和监测卫星系统中，卫星的轨道高度通常低于1000km（如加拿大的RADARSAT1卫星高度为798 km、美国的Landsat7卫星高度为705 km里），其低轨道特性为地球观测提供优良的观测条件和轨道条件 81非静止轨道卫星星座设计 续40n太阳同步轨道星座 太阳同步轨道也能够用于实现卫星移动通信系统，如由288颗卫星构成的Teledesic系统 82

41、卫星星际链路n在卫星之间建立星际通信链路（激光链路或毫米波链路），每颗卫星将成为空间网的一个节点，使通信信号能不依赖于地面通信网络进行传输，提高传输的效率和系统的独立性，对于组建全球性通信网将是十分方便和灵活的。n星际链路的特性的描述 仰角的时变特性 天线的动态指向特性 方位角的时变特性 天线的动态指向特性 星间距离的时变特性 功率的动态控制特性83卫星星际链路 续1n相同轨道高度卫星间的星际链路 同一轨道平面内的轨内星际链路（Intra-Orbit ISL）：同一轨道面内的两颗卫星能够基本保持不变的相对位置，轨内星际链路的星间距离、方位角和仰角变化很小，建立相对容易 不同轨道平面之间的轨间星

42、际链路（Inter-Orbit ISL）：由于不同轨道面内两颗卫星存在着相对运动，轨间星际链路的方位角、仰角和星间距离一般随时间而变化，建立相对比较困难 84卫星星际链路 续2n星际链路的仰角和距离计算 根据右图所示的几何关系容易推出 max22max/22 (Re) sin(/2)Re2arccosRe2 (Re)(Re)ABsPsPEEDhHhDhH 仰角：星间距离：最大地心角：最大星间距离：85卫星星际链路 续3n已知卫星位置时的仰角计算 如果两颗卫星的瞬时经纬度位置已知，分别以（s1，s1）和（s2，s2）表示，则卫星所夹的地心角为 根据前页的式子可以确定卫星间的仰角和距离121212

43、arccos sin() sin()cos() cos() cos()ssssss86卫星星际链路 续4例例6.6某一星座采用的轨道高度为1414km。某一时刻，卫星A的位置为（0E，20N），卫星B的位置为（50E，15S），问在最小余隙为50km时，卫星A和B间能否建立星际链路？如果能，此时星际链路的仰角是多少？解解：根据已知条件可以计算该星座卫星能够建立星际链路时对应的最大地心角：在已知两颗卫星瞬时经纬度坐标位置时，可计算星间的地心角：因为max，所以卫星间可以建立星际链路，此时星际链路的仰角和距离为： maxRe506378.1372arccos2 arccos68.83Re14146

44、378.137PHharccos sin( 15 )sin(20 )cos( 15 )cos(20 )cos(500 )60.34 /230.172 (14146378.137) sin(60.34 /2)7831.6()ABsEEDkm 87卫星星际链路 续5n已知卫星轨道参数时的仰角计算 对于星座系统而言，更多时候给出的是卫星的轨道参数（包括轨道高度、仰角、升交点赤经和初始幅角等） 根据Ballard的卫星位置以及相互关系表征方法（图6-15），可以确定卫星i对j的地心角距离Rij（即卫星间的地心角）：24222242222sin ()cos ( /2) sin ()/2/22 sin (

45、 /2) cos ( /2) sin ()/2sin ( /2) sin ()/2/22 sin ( /2) cos ( /2) sin (/2) cos(2)i jjijijijiRiiiiii88卫星星际链路 续6n星际链路的方位角计算 方位角的度量以卫星运动方向为基准，沿顺时针方向旋转到卫星连线方向。 根据Ballard的卫星位置以及相互关系表征方法（图6-15），t时刻卫星i对j的方位角ij由下式确定 通过下标位置互换可以获得计算j对i的方位角ji的公式 222222arctansinsin() cos()sin(2 ) sin (/2) sin()/sinsin (/2) sin(2

46、)cossin() cos()(cos (/2)cossin (/2) sin()ijjjjijijiiiiii89卫星星际链路 续7n星际链路性能随轨道高度的变化90卫星星际链路 续8n星际链路性能随轨道高度的变化 方位角的变化周期与卫星轨道周期相同；仰角和星间距离的变化周期为卫星轨道周期的一半 在其他轨道参数不变的情况下，增加轨道高度将降低方位角和仰角的变化速度，可以改善星载天线的捕获、锁定和跟踪性能；但同时会导致星间距离增大，将会提高对发射功率的要求。 91卫星星际链路 续9n星际链路性能随轨道倾角的变化 92卫星星际链路 续10n星际链路性能随轨道倾角的变化 在其他轨道参数不变的情况下

47、，增加轨道倾角将有利于减小星间距离，节省发射功率；但会增加方位角和仰角的变化速度，对星载天线捕获、锁定和跟踪性能的要求增加。 93卫星星际链路 续11n星际链路性能与升交点经度差的关系 94卫星星际链路 续12n星际链路性能与升交点经度差的关系 卫星轨道间升交点经度差的变化不会影响方位角、仰角和星间距离取值的周期特性，但会影响它们取值的大小以及取值的动态变化范围。方位角、仰角和星间距离的取值大小以及取值的动态变化范围均随着升交点经度差的增大而增加。 当面内卫星数量一定时，卫星轨道面间的间隔越小，星际链路的实现越容易 95卫星星际链路 续13n星际链路性能与初始辐角差的关系 96卫星星际链路 续

48、14n星际链路性能与初始辐角差的关系 减小卫星间的初始幅角差虽然可以减小星间距离，但会增加方位角和仰角的动态变化范围，增加指向的变化速度，对星载天线的捕获、锁定和跟踪性能要求提高。 97卫星星际链路 续15n不同轨道高度卫星间的星际链路 据图，容易推出卫星的仰角满足关系式 可见：轨道高度较高的卫星将始终有负的仰角值，而高度较低的卫星的仰角则可正可负 Rearctan (cos( )/sin( )ReAABBAhEhEE 98卫星星际链路 续16n不同轨道高度卫星间的星际链路 在计算出卫星所夹地心角后，可以根据余弦公式计算瞬时星间距离 不同轨道高度卫星间的最大星间地心角max和最长的星际链路距离

49、Dsmax max2222maxReRearccosarccosReRe(Re)(Re)(Re)(Re)PPABsAPBPHHhhDhHhH22max(Re)(Re)2 (Re) (Re) cossABABDhhhh 99卫星移动通信系统网络结构n卫星移动通信系统的基本网络结构100卫星移动通信系统网络结构 续1nETSI建议的卫星个人通信网络结构 101卫星移动通信系统网络结构 续2nETSI建议的卫星个人通信网络结构 结构（a）中，空间段采用透明转发器，系统依赖于地面网络来连接信关站，卫星没有建立星际链路的能力，移动用户间的呼叫传输延时至少等于非静止轨道卫星两跳的传输延时加上信关站间的地面

50、网络传输延时。全球星系统采用该结构方案为移动用户提供服务。 102卫星移动通信系统网络结构 续3nETSI建议的卫星个人通信网络结构 结构（b）同样没有采用星际链路，使用静止轨道卫星提供信关站之间的连接。静止卫星的使用减少了系统对地面网络的依赖，但会带来数据的长距离传输。该结构中，移动用户间的呼叫传输延时至少等于非静止轨道卫星两跳的传输延时加上静止轨道卫星一跳的传输延时。 103卫星移动通信系统网络结构 续4nETSI建议的卫星个人通信网络结构 结构（c）使用了星际链路来实现相同轨道结构的卫星进行互连。系统仍然需要信关站来完成一些网络功能，但对其的依赖性已经下降。移动用户间的呼叫传输延时是变化

51、的，依赖于在卫星和星际链路构成的空中骨干网络路由选择。铱系统采用该结构方案为移动用户提供服务。 104卫星移动通信系统网络结构 续5nETSI建议的卫星个人通信网络结构 结构（d）中使用了双层卫星网络构建的混合星座结构。非静止轨道卫星使用星际链路进行互连，使用轨间链路（IOL：Inter-Orbit Links）与静止轨道数据中继卫星互连。移动用户间的呼叫传输延时等于两个非静止轨道卫星半跳的延时加上非静止轨道卫星到静止轨道卫星的一跳的延时。在该结构中，为保证非静止轨道卫星的全球性互连，需要至少3颗静止轨道中继卫星。 105卫星移动通信系统网络结构 续6n系统空间段 空间段提供网络用户与信关站之

52、间的连接； 空间段由1个或多个卫星星座构成，每个星座又涉及到一系列轨道参数和独立的卫星参数； 空间段轨道参数通常根据指定覆盖区规定的服务质量（QoS）要求，在系统设计的最初阶段便确定； 空间段的设计可采用多种方法，取决于轨道类型和星上有效载荷所采用的技术。106卫星移动通信系统网络结构 续7n系统地面段 通常包括：信关站（也称为固定地球站FES）、网络控制中心（NCC）和卫星控制中心（SCC） 用户信息管理系统（CIMS）是负责维护信关站配置数据，完成系统计费、生成用户账单并记录呼叫详情的数据库系统，与信关站、网络控制中心和卫星控制中心协同工作 可以将网络控制中心、卫星控制中心和用户信息管理系

53、统合在一起称为控制段 107卫星移动通信系统网络结构 续8n系统地面段信关站 信关站通过本地交换提供系统卫星网络（空间段）到地面现有核心网络（如公用电话交换网PSTN和公用地面移动网络PLMN）的固定接入点 卫星移动通信系统与地面移动网络（如GSM和CDMA网络）的集成带来了一些附加的问题，必须在信关站中解决 108卫星移动通信系统网络结构 续9n系统地面段网络控制中心 又称为网络管理站（NMS），与用户信息管理系统CIMS相连，协同完成卫星资源的管理、网络管理和控制相关的逻辑功能，按照功能又可以划分为网络管理功能组和呼叫控制功能组。 网络管理功能组的主要任务包括：管理呼叫通信流的整体概况；系

54、统资源管理和网络同步；运行和维护（OAM）功能；站内信令链路管理；拥塞控制；提供对用户终端试运行的支持 呼叫控制功能组的主要任务包括 ：公共信道信令功能 ；移动呼叫发起端的信关站选择；定义信关站的配置 109卫星移动通信系统网络结构 续10n系统地面段卫星控制中心 负责监视卫星星座的性能，控制卫星的轨道位置。与卫星有效载荷相关的特殊呼叫控制功能也能够由卫星控制中心来完成，按照功能又可以划分为卫星控制功能组和呼叫控制功能组 卫星控制功能组的主要任务包括：产生和分发星历；产生和传送对卫星有效载荷和公用舱的命令；接收和处理遥测信息；传输波束指向命令；产生和传送变轨操作命令；执行距离校正 呼叫控制功能

55、组完成移动用户到移动用户呼叫的实时交换110卫星移动通信系统网络结构 续11n系统用户段 用户段由各种用户终端组成； 主要分为两个主要的类别：移动（Mobile）终端 和便携（Portable）终端 111卫星移动通信系统频率规划n卫星移动通信系统可以工作于多个频段n频段的选取主要取决于系统提供的服务类型n卫星移动通信业务频率分配是先后通过87年和92年的世界无线电行政大会（WARC-87、92），95、97和2000年世界无线电大会（WRC-95、97、2000）分配112卫星移动通信系统频率规划 续1nWARC-87分配的MSS频谱 频率（MHz）传输方向业务类型1530.0-1533.0

56、LMSS和MMSS1533.0-1544.0MMSS和低速率LMSS1545.0-1555.0AMSS（可公用）1555.0-1559.0LMSS1626.5-1631.5MMSS和低速率LMSS1631.5-1634.5LMSS和MMSS1634.5-1645.5MMSS和低速率LMSS1646.5-1656.5AMSS（可公用）1656.5-1660.5LMSS113卫星移动通信系统频率规划 续2nWARC-92为全球3个频率区域分配了NGEO卫星移动通信业务和卫星无线定位业务（RDSS）的使用频段，包括VHF、UHF，L和S波段 114卫星移动通信系统频率规划 续3nWRC-95考虑了C

57、、Ku和Ka多个频段。并对Ka频段的卫星移动通信馈送链路频段和NGEO的FSS（固定卫星业务）频段进行了分配n若干大LEO和MEO系统的用户业务和馈送链路频段如下表 IridiumGlobalstarNew ICOConstellationEllipso上行用户链路MHz）1616-1626.51610-1626.51985-20152483.5-25001610-1626.5下行用户链路MHz）1616-1626.52483.5-25002170-22001610-1626.52483.5-2500上行馈送链路GHz）29.1-29.35.091-5.2505.150-5.2505.091-

58、5.25015.45-15.65下行馈送链路GHz）19.4-19.66.875-7.0556.975-7.0756.924-7.0756.875-7.075115卫星移动通信系统频率规划 续4nWRC-2000在卫星移动通信和GEO FSS方面频率规划包括 关于IMT-2000卫星部分的问题，会议充分考虑到IMT-2000卫星应用与其他非IMT-2000的业务间共用性研究没有完成，因此决定由各国主管部门自愿考虑使用这些频段，其中包括16101626.5/2483.52500MHz频段 关于在13GHz频段，会议决定开展包括可能用于MSS的15181525MHz、16831690MHz频段与现

59、有业务的共用研究，为MSS频率的划分做准备 关于NGEO FSS的问题：1）为保护GEO FSS和GEO BSS（静止卫星广播业务）系统对来自多个NGEO FSS系统的总干扰不超过规定要求，操作NGEO FSS的主管部门应采取相应措施（包括对自身系统的修改）。当其总干扰超过规定标准时，NGEO FSS系统主管部门应采取一切必要手段减少总的干扰电平，直至达到要求为止。2）原划分给FSS的12.212.5GHz频段，规定其只能用于国内或区域性子系统的限制被取消 116典型卫星移动通信系统介绍n铱（Iridium）系统 第一个全球覆盖的LEO卫星蜂窝系统，支持话音、数据和定位业务 由于采用了星际链路

60、，系统可以在不依赖于地面通信网的情况下支持地球上任何位置用户之间的通信。 铱系统于上世纪八十年代末由Motorola推出，九十年代初开始开发，耗资37亿美元，于1998年11月开始商业运行 “铱”公司于2000年3月宣告破产。目前，美国国防部出资维持铱系统的运行 117典型卫星移动通信系统介绍 续1n铱系统空间段 铱系统星座最初的设计由77颗LEO卫星组成，它与铱元素的77个电子围绕原子核运行类似，系统因此得名 实际星座包括66颗卫星，它们分布在6个圆形的、倾角86.4的近极轨道平面上，面间间隔27，轨道高度780km 每个轨道平面上均匀分布11颗卫星，每颗卫星的重量为689kg，卫星设计寿命