铱星及卫星移动通信系统课件

1、30 九月 20227铱星及卫星移动通信系统28 九月 20227铱星及卫星移动通信系统主要内容1.卫星移动通信及其关键技术2.铱星计划及其衰落3.宇宙垃圾与空间碎片产生及危害4.星座构型设计与保持技术、轨道摄动理论2主要内容21. 卫星移动通信及其关键技术33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”。4概念纠偏：4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 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

2、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 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 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）5卫星移动通信系统发展过程 第一代卫星移动通信系统：模拟信号技卫星与地面移动通信系统的比较

3、卫星移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6卫星与地面移动通信系统的比较 卫星移动通信系统地面移动通信系卫星移动通信主要分为静止轨道和低轨卫星通信两种，本章主要介绍近地轨道卫星移动通信系统7卫星移动通信主要分为静止轨道和低轨卫星通信两种，本章主要介绍你认为卫星移动通信有哪些优点、哪些特点？88近地轨道移动通信卫星的优点由于卫星轨道高度低，链路传播

4、损耗小，有利于系统为手持移动终端用户提供服务。传输延时小，对话音通信不存在回声问题；实时性较好。采用极地轨道或大倾角轨道时，可以为高纬度地区提供服务。可利用多普勒频移进行定位。星座能够对用户提供多重覆盖。因此可以采用分集接收技术，星座中的个别卫星失效，系统仍可运行。9近地轨道移动通信卫星的优点由于卫星轨道高度低，链路传播损耗近地轨道移动通信卫星的缺点由于一颗卫星不能对某一地区进行连续覆盖，必须利用多卫星构成星座。星座中任一颗对地面的覆盖时间都是有限的(一般小于15分钟)，为保证通信的连续性，需要频繁切换，技术复杂。通信过程中，用户天线应该对运动中的卫星进行跟踪，或者，用户天线需要是全向天线.由

5、于卫星绕地球的公转和地球自身的自转而产生的多普勒频移很大，需要进行补偿。卫星每轨都有太阳阴影区，对星载蓄电池提出了更高的容量要求。10近地轨道移动通信卫星的缺点由于一颗卫星不能对某一地区进行连卫星移动通信的特点和问题卫星功率有限与移动台低天线增益之间的矛盾十分突出；系统在衰落信道中工作，电波传播情况复杂；众多用户共享有限的卫星资源（频率和功率）；移动台要求高度的机动性，在卫星不能保持固定覆盖的情况下对网络管理（切换、路由等）提出较高要求11卫星移动通信的特点和问题卫星功率有限与移动台低天线增益之间的卫星移动通信关键技术抗衰落通信技术调制解调技术、分集和均衡技术、纠错编码技术、功率控制技术网络管

6、理与控制多址、切换、路由、交换技术天线及射频技术多波束天线、大口径天线空间段与地面段相匹配的优化设计技术星座设计、星上处理转发器技术12卫星移动通信关键技术抗衰落通信技术12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13星际链路面内星际链路13星际链路（ 续）面间星际链路由于卫星间存在相对运动，因此星际链路天线的方位角、仰角以及链路长度都是时变的，因此需要采用跟踪天线14星际链路（ 续）面间星际链路14星际链路（ 续）层间星际链路不同高度轨道平面内的卫星间存在相

7、对运动，使得层间星际链路会发生重建需要采用跟踪天线接入卫星选择策略对层间星际链路的稳定性有很大的影响15星际链路（ 续）层间星际链路15卫星移动通信系统网络结构卫星移动通信系统的基本网络结构16卫星移动通信系统网络结构卫星移动通信系统的基本网络结构16ETSI建议的卫星个人通信网络结构 17ETSI建议的卫星个人通信网络结构 17ETSI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。

8、18ETSI建议的卫星个人通信网络结构18ETSI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。 19ETSI建议的卫星个人通信网络结构19ETSI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

9、系统采用该结构方案为移动用户提供服务。 20ETSI建议的卫星个人通信网络结构20ETSI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。 21ETSI建议的卫星个人通信网络结构21系统空间段空间段提供网络用户与信关站之间的连接；空间段由1个或多个卫星星座构成，每个星座又

10、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。22系统空间段22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统合在一起称为控制段 23系统地面段23系统地面段信关站信关站通过本地交换提供系统卫

11、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 24系统地面段信关站24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

12、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 25系统地面段网络控制中心25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组完成移动用户到移动用户呼叫的实时交换26系统地面段卫星控制中心 26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（M

13、obile）终端 和便携（Portable）终端 27系统用户段27卫星移动通信系统可以工作于多个频段频段的选取主要取决于系统提供的服务类型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28卫星移动通信系统可以工作于多个频段28WARC-87分配的MSS频谱 频率（MHz）传输方向业务类型1530.0-1533.0LMSS和MMSS1533.0-1544.0MMSS和低速率LMSS1545.0-1555.0AMSS（可公用）1555.0-1559.0LMSS1626.5-16

14、31.5MMSS和低速率LMSS1631.5-1634.5LMSS和MMSS1634.5-1645.5MMSS和低速率LMSS1646.5-1656.5AMSS（可公用）1656.5-1660.5LMSS29WARC-87分配的MSS频谱 频率（MHz）传输方向业务类WARC-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 30WARC-92为全球3个频率区域分配了NGEO卫星移动通信业2.铱星计划及其衰落312.铱星计划及其衰落31铱星计划第一个全球覆盖的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

15、路，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 32铱星计划32铱星通过南北极运行在780千米的轨道上，每条轨道上除布星11颗外，还多布1至2颗作为备用。这些卫星可以覆盖全球，用户用手持话机直接接通卫星进行通信，而无需几米直径的抛物面天线就可以进行全球范围内的通话33铱星通过南北极运行在780千米的轨道上，每条轨道上除布星11铱星计划革命性的想法从何而来？对于摩托罗拉的工程师巴里伯

16、蒂格来说，它来自于妻子在加勒比海度假时的抱怨，说她无法用手机联系到她的客户。回到家以后，巴里和摩托罗拉在亚利桑那州工作的卫星通信小组的另外两名工程师想到了一种铱星解决方案由77颗近地卫星组成的星群，让用户从世界上任何地方都可以打电话铱星手机34铱星手机34尽管移动通信网络似乎无所不在，但实际上这一网络只覆盖了全球约8%的地区。在其他尚无移动通信网络覆盖的地区，人们只能通过铱星或同类公司开发的卫星电话通信。用铱星系统的手机打电话与用普通蜂窝制式的手机打电话是一样的。铱星系统的手机事实上是两用的, 铱星系统的手机既可以用来打铱星系统电话, 也可用来打普通蜂窝制式的移动电话。不过打普通蜂窝制式电话的

17、费用要比打铱星电话的费用低, 所以在能够打蜂窝制式电话的地区应尽量选用蜂窝制式。只有在蜂窝制式通信范围以外的地区打电话时, 才需要使用铱星手机通过铱星系统打电话。35尽管移动通信网络似乎无所不在，但实际上这一网络只覆盖了全球约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58年。 36铱系统空间段36铱系统空间段铱”星座中的每颗卫星提供48个点波束，在

18、地面形成48个蜂窝小区，在最小仰角8.2的情况下，每个小区直径为600km，每颗卫星的覆盖区直径约4700km，星座对全球地面形成无缝蜂窝覆盖，如图所示 每颗卫星的一个点波束支持80个信道，单颗卫星可提供3840个信道37铱系统空间段37铱系统空间段部署过程从1997年5月5日到1999年6月12日的2年期间，共有88颗铱系统卫星发射到轨道中，其中前1年发射了72颗3种运载火箭被用于发射这88颗卫星，其中11枚美国波音公司的德尔塔2型（DeltaII）火箭发射了55颗，3枚俄罗斯质子（Proton）火箭发射了21颗，7枚中国的长征2型（2C/SD）火箭发射了14颗。 38铱系统空间段部署过程3

19、8铱系统地面段铱系统的地面段包括信关站、用户终端和遥测、跟踪和控制站（TT&C）由于铱系统采用了星际链路，因此只需在全球设置少数几个信关站即可。考虑到国家和地区的主权和经济利益，实际上系统按照国家和地域差别在全球设置了共12个信关站，分别位于美国阿利桑那州坦佩、泰国的曼谷、俄罗斯的莫斯科、日本东京、韩国汉城、巴西里约热内卢、意大利罗马、印度孟买、中国北京、台湾地区台北、沙特的吉达，外加一个美军专用关口站在夏威夷。 39铱系统地面段39铱系统地面段用户终端有手持机、车载台和半固定终端3种类型。系统手持机设计为双模终端，手机重量和体积比目前蜂窝电话略大，能够支持地面蜂窝通信网络的多种标准（如GSM

20、、PDC，D-AMPS或CDMA），既适用于铱系统，又适用于本地地面蜂窝网络。 40铱系统地面段40铱系统通信链路用户链路，L频段，1621.351626.5MHz，时分双工模式；馈送链路，Ka频段，上行29.129.4GHz；下行19.319.6GHz；星际链路，Ka频段，为23.1823.38GHz。41铱系统通信链路41铱星的优势与静止轨道卫星通信系统相比，铱星主要具有两方面的优势：一是轨道低，传输速度快，信息损耗小，通信质量大大提高；二是不需要专门的地面接收站，每部卫星移动手持电话都可以与卫星连接，这就使地球上人迹罕至的不毛之地、通信落后的边远地区、自然灾害现场的通信都变得畅通无阻。4

21、2铱星的优势与静止轨道卫星通信系统相比，铱星主要具有两方面的优铱星移动通信系统计划开始了个人卫星通信的新时代。1996年开始试验发射，计划1998年投入业务，预计总投资为23亿美元。主要业务是：移动电话（手机）、寻呼和数据传输。（从技术角度看，已突破了星间链路等关键技术问题，系统基本结构与规程已初步建成，系统研究发展的各个方面都取得了重要进展，在此期间有全世界几十家公司都参与了铱星计划的实施，应该说铱星计划初期的确立、运筹和实施是非常成功的。）43铱星移动通信系统计划开始了个人卫星通信的新时代。43铱星系统的复杂、先进之处：在于采用了星上处理和星间链路技术，相当于把地面蜂窝网倒置在空中，使地面

22、实现无缝隙通讯；解决了卫星网与地面蜂窝网之间的跨协议漫游。意义：开创了全球个人通信的新时代，被认为是现代通信的一个里程碑，其最大特点就是个人通信全球化，实现了“5W”，即任何人（Whoever）在任何地点（Wherever）、任何时间（Whenever）与任何人（Whomever）采取任何方式 （Whatever）进行通信。44铱星系统的复杂、先进之处：44你会选择铱星电话吗，为什么？4545技术的瑕疵 铱星技术先进，但是也并非完美无瑕，几个严重的瑕疵为其之后的破产埋下了伏笔。46技术的瑕疵46（1） 铱星电话在建筑物内无法接收信号 铱星电话在建筑物内无法接收信号，是其最重要的缺陷。铱星公司方

23、面说“用户的灵活度是使用该服务最重要的前提”。换句话说，用户必须首先将自己置于在电话天线和卫星之间没有任何障碍物的地点，才能顺利地使用电话；否则电话就通不了。47（1） 铱星电话在建筑物内无法接收信号47（2） 铱星电话过于笨重，使用不方便 铱星电话过于笨重，使用不方便，并且需要特殊的培训。摩托罗拉公司的铱星双模式手机重约454克，京瓷公司的铱星单模式和双模式手机均重400克，它们比重量不到100克的GSM手机笨重得多，使用也不方便。非但如此，使用之前必须经过特殊培训。每个电话机必须附带整整一个背包的附件，而每种附件的实际功能常常令人费解。48（2） 铱星电话过于笨重，使用不方便48（3） 转

24、换成本较大 铱星系统与蜂窝电话网络相连，必须适应不同的区域传输标准，由此产生的转换成本给用户带来较大的不便。在漫游全球时，为了与当地蜂窝电话网络相连，双模式手机要更换适合当地区域传输标准的通话卡。例如一位欧洲用户到美国和日本商务旅行，需买3个通话卡才能与这3个地区的传输技术标准相匹配，而每个卡大约价格为660900美元。49（3） 转换成本较大49（4）语音质量和传输速度不理想 在语音质量和传输速度方面，铱星电话远远比不上蜂窝电话。铱星所采用的MF-TDMA（多频时分多址）通信体制的话音质量不如CDMA（码分多址）。另外，铱星系统的数据传输速率仅有2.4kbps，因此除通话外，只能传送简短的电

25、子邮件或慢速的传真，无法满足目前互联网的需求。50（4）语音质量和传输速度不理想50铱星用户最多时才5.5万，而65万用户才能赢利。铱星系统耗资达50多亿美元，每年光系统的维护费就要几亿美元。除了摩托罗拉等公司提供的投资和发行股票筹集的资金外，铱星公司还举借了约30亿美元的债务，月息就达4000多万美元。从一开始，铱星公司就没有喘过气来，一直在与银行和债券持有人等组成的债权方集团进行债务重组的谈判， 但双方最终未能达成一致。铱星的没落51铱星的没落511999年8月13日，债权人向纽约联邦法院提出了迫使铱星公司破产改组的申请；2000年3月18日， 铱星背负40多亿美元债务正式破产。破产后,铱

26、星系统被美国军方收购,成为美国军方的卫星通信系统.521999年8月13日，债权人向纽约联邦法院提出了迫使铱星公司铱星破产的原因和启示破产的原因铱星所创造的科技童话和它在移动通信领域的里程碑意义使我们时刻警醒，电信产业的巨额投资往往使某种技术成为赌注，技术的前沿性虽然十分重要，然而决定胜负的却是市场。从目前的情况来看，主要有如下几个方面的原因53铱星破产的原因和启示破产的原因53（1）技术先进，但不成熟铱星公司获得了1998 年度大众科学杂志年度100项最佳科技成果奖中的电子技术奖，这是一项在全美科技产业中具有较大影响 的奖项。但该系统在技术上存在着一些问题，如铱星电话只能在空旷的地方使用、在

27、室内和车内不能通话；通 话的可靠性和清晰性较差；铱星系统在欧洲、亚洲和非洲的许多国家无法使用；铱星手机重达1磅，比现在普 通手机要重得多等。70年代末发展起来的移动电话技术，在短短的20年时间里，先后经历了模拟信号、 GSM、CDMA等阶段，网络覆盖面积和通话质量达到了很高水平，手机已做到个性化，为众多消费者所接受，构成 了对铱星电话的绝对市场优势。54（1）技术先进，但不成熟54（2）高成本导致高价格，竞争力不强高经营成本使铱星公司在正式营业之初，将铱星手机售价定为 4000美元，通话费用7美元/分钟。在市场反应冷淡的情况下，铱星公司被迫作出价格调整，调整后的手机价格 为3000美元，通话费

28、为1.89美元/分钟。但同移动电话相比，仍显较高。铱星公司在开业近10个月时，铱星手 机的用户还不到2万名，远少于65万名用户的盈亏平衡点，其中还有一部分手机是公司赠送出去的。55（2）高成本导致高价格，竞争力不强55（3）市场营销失败第一，铱星手机在核心利益上没有较好地 满足顾客期望，无法保证顾客能在任何地点通信的需求第二，笨拙的铱星手机没能向顾客提供附加利益，即没有满足个性化需要第三，铱星公司的服务和营销能力不足第四，公司在消费者中的知名度不高第五，债务危机56（3）市场营销失败56铱星破产的启示技术领先，如何转化为经济效益？市场规律，任何情况下都要遵循！57铱星破产的启示57对我国企业的

29、启示慎重技术、设备上的“赶超”因地制宜，扬长避短，选择合适的技术和设备成功企业的共同点：能较好的吸收和消化引进的技术设备58对我国企业的启示583.宇宙垃圾与空间碎片产生及危害59596060人类史上第一次卫星碰撞会是最后一次吗？61人类史上第一次卫星碰撞会是最后一次吗？61这次碰撞是如何产生的？太空垃圾太空垃圾是在轨运行航天器的巨大威胁，一旦它与航天器发生了碰撞，又将产生更大数量的太空垃圾62这次碰撞是如何产生的？太空垃圾太空垃圾是在轨运行航天器的巨大太空垃圾的产生有意或无意爆炸产生的航天器残骸宇航员漫不经心的过失卫星和火箭的残骸63太空垃圾的产生有意或无意爆炸产生的航天器残骸63有意或无意

30、爆炸产生的航天器残骸有意的爆炸，极大多数来自前苏联和美国太空战的“预习”。其中前苏联就曾进行了19次卫星拦截、爆炸试验，给太空带来了5001000块大小不等的碎块垃圾。无意的爆炸，如1973年间，美国有7枚火箭在轨道上爆炸。1986年，欧洲发射的“阿丽亚娜”火箭刚进入轨道就发生爆炸，其碎块中大于10厘米的就有564块，还有2300多块小于10厘米的。64有意或无意爆炸产生的航天器残骸有意的爆炸，极大多数来自前苏联宇航员漫不经心的过失1982年，宇航员瓦伦丁列勃捷夫在进行例行的太空行走时，他刚刚打开“礼炮7号”空间站的减压舱门，由于近乎真空的太空所具有的巨大吸力，把宇航员们不慎留在减压舱内的一些

31、螺栓、垫圈和一支铅笔，都吸入太空，成为了太空垃圾。更令人遗憾的是，前苏联的一些宇航员还把在太空生活中产生的生活垃圾丢入太空。人们还发现，有一只被一名美国宇航员丢失的手套，竟在空中飘浮游荡了20多年65宇航员漫不经心的过失1982年，宇航员瓦伦丁列勃捷夫在进行卫星和火箭的残骸一些失去效用的卫星，仍在轨道上飞行。虽然它们最终会因飞行速度减小，重返大气层而与大气层摩擦烧毁，但恐怕要在几十年到几百年以后。在近地空间里，还飘浮着许多火箭的残余部分，如火箭被丢弃的金属外壳、运载火箭的末级残体、散落下来的发动机和各种衔接部件等。66卫星和火箭的残骸一些失去效用的卫星，仍在轨道上飞行。虽然它们6767太空垃圾

32、的危害太空垃圾一般在高300-450公里的近地轨道上以每秒7-8公里，而在36000公里高度的地球静止轨道上则以每秒3公里的速度高速运动，不同轨道倾角碰撞时的相对速度甚至可以达到每秒10公里以上，因此具有巨大的破坏力。因此太空垃圾若与运作中的人造卫星、载人飞船或国际空间站相撞，会危及到设备甚至宇航员的生命，据计算一块直径为10厘米的太空垃圾就可以将航天器完全摧毁，数毫米大小的太空垃圾就有可能使它们无法继续工作。而太空垃圾也因此成为了国际问题。68太空垃圾的危害太空垃圾一般在高300-450公里的近地轨道上6969太空垃圾的现状有约6000吨太空垃圾绕地球飞行大约4K个运行中或报废的人造卫星和火

33、箭残体大约6000个可以看到并跟踪的太空垃圾碎片已到“临界点”，随时将发生碰撞70太空垃圾的现状有约6000吨太空垃圾绕地球飞行70717172727373如何应对太空垃圾限制空间垃圾的产生清除空间垃圾探测和控制太空垃圾以避免碰撞74如何应对太空垃圾限制空间垃圾的产生7475754.星座构型设计与保持技术、轨道摄动理论7676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 77卫星星座设计卫星星座的定义77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

34、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78卫星星座选择78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79卫星星座类型79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90，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

35、间的间隔和逆行轨道平面间的不同极轨道星座80极轨道星座极轨道星座80极轨道星座卫星覆盖带(Street of Coverage)半覆盖宽度 式中S是每轨道面的卫星数量81极轨道星座81极轨道星座顺行/逆行轨道面和缝隙(seam) 星座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82极轨道星座82极轨道星座相邻轨道面的几何覆盖关系83极轨道星座83极轨道星座全球覆盖条件84极轨道星座84极轨道星座单重全球覆盖星座参数PS()1()h (km), El=102366.7104.520958.62457.698.410127.12553.296.57562.43

36、542.366.13888.53638.764.33136.53736.563.22738.64730.848.31917.24828.947.61694.44927.647.01550.65924.238.01214.651023.037.71116.351122.237.41044.361119.931.4868.085极轨道星座PS()1()h (km), El=10极轨道星座球冠覆盖条件86极轨道星座86极轨道星座30以上单重球冠覆盖星座参数PS()1() h (km), El=102364.1111.816549.52453.4103.17650.02548.198.75508.33

37、539.968.43373.53635.866.02631.53733.364.52252.64728.949.61692.94826.848.51466.24926.347.81318.25922.638.81077.887极轨道星座PS()1() h (km), El=10近极轨道星座倾角接近但不等于90，即80 -100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，以适用于近极轨道近极轨道星座88近极轨道星座近极轨道星座88近极轨道星座近极轨道星座中，顺行和逆行轨道面间的升交点经度差 和 分别为式中， 和 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89近极

38、轨道星座89近极轨道星座全球覆盖方程90近极轨道星座90近极轨道星座考虑到倾角的影响，近极轨道星座中相邻轨道相邻卫星间的相位差满足91近极轨道星座91近极轨道星座倾角85的单重全球覆盖近极轨道星座参数PS()1() ()h (km), EL=102366.7682104.6850103.825221063.89282457.807998.919097.395110251.51752553.589296.392393.98777743.22573542.164865.788866.28033862.02743638.554063.998764.45113111.37363736.313162.8

39、86463.31702716.65674730.711848.110548.35511908.45744828.836147.362247.60051686.66064927.525246.839147.07291541.86495924.128037.910938.08161209.859051022.988537.531737.70001110.405651122.133937.247337.41391039.416361119.863831.282031.4151864.892692近极轨道星座PS()1() ()h (km), E倾斜圆轨道星座倾斜圆轨道星座倾斜圆轨道星座特征：由高度和

40、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93倾斜圆轨道星座倾斜圆轨道星座93倾斜圆轨道星座倾斜圆轨道星座的命名94倾斜圆轨道星座94Walker Delta星座相邻轨道面相邻卫星的相位差概念95Walker Delta星座95Walker Delta星座星座标识法 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96Walker Delta

41、星座96例6.1 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(0E, 0N)。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360/3 =120轨道面内相邻卫星间的相位差为360/(9/3) = 120相邻轨道面相邻卫星间的相位差为360/91=40 轨道高度轨道倾角Delte星座示例97例6.1 某Delta星座标识为 9/3/1:10355: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()初始弧角()1SAT1-100SAT1-20120SAT1-302402SAT2-112040SAT2-2120160SAT2

42、-31202803SAT3-124080SAT3-2240200SAT3-324032098例子6.1 续轨道序号卫星序号升交点经度()初始弧角(Walker Delta星座最优Delta星座TPFi ()min ()h (km), El=1055143.769.22714366453.166.42033477555.760.31225588661.956.59374.299770.254.88374.2105257.152.27089.71111453.847.65344.4123150.747.95442.11313558.443.84257.1147454.042.03824.31531

43、53.542.13847.199Walker Delta星座TPFi ()min ()Ballard玫瑰星座玫瑰星座的特性：圆轨道所有轨道的高度和倾角相同轨道面升交点在参考平面内均匀分布卫星在轨道面内均匀分布卫星在轨道面内的初始相位与该轨道面的升交点角成正比100Ballard玫瑰星座100Ballard玫瑰星座玫瑰星座中，卫星在天球表面的位置可用3个固定的方位角和1个时变的相位角来确定j 为第j 颗卫星所在轨道平面的升交点角度 ij 为第j 颗卫星所在轨道平面的倾角j 为第j 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量 x = 2t/T为卫星的时变相位101Ballard玫瑰

44、星座101Ballard玫瑰星座星座标识玫瑰星座也可可以用3元参数组来表征(N, P, m)N ：星座卫星总数P ：轨道平面数量m ：协因子，影响卫星在天球上的初始分布以及星座图案在天球面上的推移速度102Ballard玫瑰星座102Ballard玫瑰星座对N颗卫星均匀分布于P个轨道平面上的玫瑰星座，卫星的方位角满足如果m是整数，意味着星座每轨道面仅有一颗卫星；如果m是一个不可约分数，意味着每个轨道平面上有S = N/P颗卫星，且m的分母值为S103Ballard玫瑰星座103Ballard玫瑰星座星座优化技术可以证明，3颗卫星(i, j, k)在天球上构成的球面三角形的中心位置为最坏观察点位

45、置104Ballard玫瑰星座104Ballard玫瑰星座最优玫瑰星座NPmi ()min ()h (km), El=10T (hour)55143.6669.1526992.2816.9066453.1366.4220371.7712.1377556.6960.2612220.517.0388661.8656.529388.626.4999770.5454.818380.874.971010847.9351.536799.094.191111453.7947.625344.883.521231/4, 7/450.7347.905440.553.561313558.4443.764247.84

46、3.0414711/253.9841.963814.132.851531/5, 4/5, 7/5, 13/553.5142.133852.392.87105Ballard玫瑰星座NPmi ()min ()h (Ballard玫瑰星座玫瑰星座与Delta星座的等价关系Delta星座的相位因子F与玫瑰星座额达协因子m满足如下关系即相位因子F是协因子m与S(每轨道面卫星数量)乘积的模P(轨道平面数量)余数106Ballard玫瑰星座106玫瑰星座示例例6.2 NewICO星座系统采用表示为10/2/0的Delta星座结构。给出星座的等价玫瑰星座参数。解：轨道面数量P = 2，每轨道面卫星数量S =

47、10 / 2 = 5，相位因子F = 0，因此因为 则n的可能取值为1、2、3和4m的可能取值为2/5、4/5、6/5和8/5NewICO系统的玫瑰星座标识为 (10, 2, (2/5, 4/5, 6/5, 8/5)107玫瑰星座示例例6.2 NewICO星座系统采用表示为10/例6.2 续卫星编号j j m = 2/5m = 4/5m = 6/5m = 8/5SAT100000SAT218072144216288SAT3014428872216SAT418021672288144SAT5028821614472SAT61800000SAT7072144216288SAT81801442887

48、2216SAT9021672288144SAT1018028821614472108例6.2 续卫星编号j j m = 2/5m = 4/共地面轨迹星座共地面轨迹星座共地面轨迹星座是一类特殊的星座，星座中所有卫星沿相同的地面轨迹运动共地面轨迹星座的轨道面升交点在赤道平面内的分布不一定是均匀的 星座中的卫星在特定服务区域的上空相对密集，从而提升区域覆盖性能109共地面轨迹星座共地面轨迹星座109共地面轨迹星座为保证卫星i 和卫星j 有相同的地面轨迹，需要满足以下关系式中s 是卫星的飞行角速度110共地面轨迹星座110共地面轨迹星座虽然星座的所有卫星沿相同的地面轨迹飞行，但地球的自转仍可能导致地面

49、轨迹沿着赤道移动为使得地面轨迹与地面保持相对固定的状态，共地面轨迹星座应该采用回归(recursive)或准回归(quasi-recursive)轨道回归/准回归轨道是卫星的星下点轨迹在M个恒星日，围绕地球旋转L圈后重复的轨道（M和L都是整数） 111共地面轨迹星座111共地面轨迹星座回归/准回归轨道的轨道周期Ts卫星在轨角速度因为有 和 a之间满足简单的线性关系112共地面轨迹星座112共地面轨迹星座113共地面轨迹星座113赤道轨道星座赤道轨道星座N颗卫星在特定高度的赤道轨道面上均匀分布114赤道轨道星座赤道轨道星座114混合轨道星座Orbcomm系统3个倾角45的轨道平面，每轨道面8颗卫

50、星，轨道高度均为825 km倾角70和108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1801个赤道轨道面，8颗卫星，轨道高度780 km混合轨道星座115混合轨道星座混合轨道星座115混合轨道星座Ellipso系统BOREALISTM 子系统包含10颗卫星，分布在2个倾角为116.6 的椭圆轨道上，远地点和近地点高度分别为7605 km和633 kmCONCORDIATM 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 km116混合轨道星座116星座保持技术星座构型稳定性初始入轨误差运行期间的轨道摄动微小差异导致星座中卫星之间的相对位置不

51、断的发生偏移，从而导致星座构型失衡和星座性能的下降，甚至发生星间碰撞。为了避免星座性能恶化及发生星间碰撞，需要对卫星星座构型进行保持控制。117星座保持技术星座构型稳定性117Galileo导航星座在主要摄动的长期影响下，如果不进行星座构型保持控制，经过10年，星座中卫星之间的相对位置发生了剧烈的变化，其导航性能恶化，从而导致星座失效。由于初始入轨误差和摄动差异总是无法消除的，因此，星座构型保持控制是实现星座长期稳定运行所必须的。118Galileo导航星座在主要摄动的长期影响下，如果不进行星座在进行构型保持控制时卫星需要暂停服务，从而影响了星座性能的稳定性和连续性，因此，星座设计时需要对这种

52、情况加以考虑，使得卫星在相对于标称位置的一定范围内运行都能满足性能要求。只要卫星在这个范围内运行，就认为星座构型是稳定的。反之，一旦卫星相对于标称位置的漂移超过了这个容许范围，就认为星座稳定性受到了破坏，需要对星座进行构型保持控制。119在进行构型保持控制时卫星需要暂停服务，从而影响了星座性能的稳对于单颗卫星的位置保持实际上只需要维持它的既定轨道。对于星座构型保持，主要是从星座性能的角度而不是单颗卫星性能来进行星座构型保持控制。 通过控制卫星之间的相互位置关系来实现星座构型保持控制，而没有必要控制卫星的绝对位置。120对于单颗卫星的位置保持实际上只需要维持它的既定轨道。120星座构型保持的目标

53、星座构型保持控制的目标：在保证星座性能稳定性和连续性的约束下，保持星座中的卫星站位，同时尽量减少推进剂的消耗、降低星座运行维持成本和星座构型保持控制的复杂度。自主星座系统具备自主导航及自主化的构型保持能力，可有效减少对地面的依赖，降低运行维持成本，节约推进剂的消耗，降低干扰力矩对轨道控制精度的影响，提高星座构型灵活性和站时生存能力。121星座构型保持的目标星座构型保持控制的目标：在保证星座性能稳定自主保持示例美国部署的第三代GPS卫星中，BLOCK IIR卫星能够在与地面测控站联络中断的非常条件下自主工作180天之久，而系统性能不受影响，导航精度达到6m。卫星通信系统Iridium和Orbco

54、mm是自主性操作程度比较高的两个星座，其任务调度、轨道确定、故障诊断和处理、数据分发和存储等工作均能够自主完成，但仍需要借助地面计算机来完成轨道计算和任务规划，还不是真正意义上的自主控制星座。122自主保持示例美国部署的第三代GPS卫星中，BLOCK IIR星座构型重构控制为什么要重构？星座部署结束后，星座构型的完整性将会受到卫星可靠性的影响，从而导致星座性能的下降。当出现长期故障卫星或者失效卫星的情况时，需要通过重构备份卫星、发射故障卫星的替换卫星、或者重构已有卫星来提升或者修复星座性能。星座任务的需求发生改变，包括目标区域或者性能要求等因素的变化，从而导致需要在已有构型基础上，重新设计满足

55、新任务需求的星座构型。123星座构型重构控制为什么要重构？123重构过程星座中卫星的站位调整星座中添加新的卫星站位在已有星座卫星中添加更多数目的卫星来设计新的星座构型等星座重构是一个控制时间、推进剂消耗、星座性能提升、以及重构控制本身对星座性能影响等多方面的综合权衡过程，是一个多目标与多约束条件下的优化设计过程。124重构过程星座中卫星的站位调整星座重构是一个控制时间、推进剂消环境摄动影响影响卫星星座构型稳定性的主要摄动源包括地球重力场摄动、日月三体引力摄动、大气阻力摄动和太阳辐射压力摄动等。对于轨道高于800km的LEO和MEO卫星星座，大气阻力摄动的影响可以忽略不计。从摄动量级来看，地球非球形引力摄动中的扁率摄动的影响最大，约10-410-5量级。日月三体引力摄动的量级约在10-6量级。125环境摄动影响影响卫星星座构型稳定性的主要