铱星及卫星移动通信系统修改

铱星及卫星移动通信1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21.卫星移动通信及其关键技术3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你认为卫星移动通信有哪些优点、哪些特点？8近地轨道移动通信卫星的优点①由于卫星轨道高度低，链路传播损耗小，有利于系统为手持移动终端用户提供服务。②传输延时小，对话音通信不存在回声问题；实时性较好。③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。④可利用多普勒频移进行定位。⑤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缺点①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。②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。③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.④由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。⑤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卫星移动通信信的特点和问问题卫星功率有限限与移动台低低天线增益之之间的矛盾十十分突出；系统在衰落信信道中工作，，电波传播情情况复杂；众多用户共享享有限的卫星星资源（频率率和功率）；；移动台要求高高度的机动性性，在卫星不不能保持固定定覆盖的情况况下对网络管管理（切换、、路由等）提提出较高要求求11卫星移动通信信关键技术抗衰落通信技技术调制解调技术术、分集和均均衡技术、纠纠错编码技术术、功率控制制技术网络管理与控控制多址、切换、、路由、交换换技术天线及射频技技术多波束天线、、大口径天线线空间段与地面面段相匹配的的优化设计技技术星座设计、星星上处理转发发器技术12星际链路面内星际链路路通常，一颗卫卫星和同一轨轨道面内位于于其前后的各各一颗卫星建建立面内星际际链路因为同一轨道道面内卫星间间的相对运动动几乎为零，，因此星际链链路天线的指指向角是固定定的，也无需需跟踪功能13星际链路（续）面间星际链路路由于卫星间存存在相对运动动，因此星际际链路天线的的方位角、仰仰角以及链路路长度都是时时变的，因此此需要采用跟跟踪天线14星际链路（续）层间星际链路路不同高度轨道道平面内的卫卫星间存在相相对运动，使使得层间星际际链路会发生生重建需要采用跟踪踪天线接入卫星选择择策略对层间间星际链路的的稳定性有很很大的影响15卫星移动通信信系统网络结结构卫星移动通信信系统的基本本网络结构16ETSI建议的卫星个个人通信网络络结构17ETSI建议的卫星个个人通信网络络结构结构（a）中，空间段段采用透明转转发器，系统统依赖于地面面网络来连接接信关站，卫卫星没有建立立星际链路的的能力，移动动用户间的呼呼叫传输延时时至少等于非非静止轨道卫卫星两跳的传传输延时加上上信关站间的的地面网络传传输延时。全全球星系统采采用该结构方方案为移动用用户提供服务务。18ETSI建议的卫卫星个人人通信网网络结构构结构（b）同样没没有采用用星际链链路，使使用静止止轨道卫卫星提供供信关站站之间的的连接。。静止卫卫星的使使用减少少了系统统对地面面网络的的依赖，，但会带带来数据据的长距距离传输输。该结结构中，，移动用用户间的的呼叫传传输延时时至少等等于非静静止轨道道卫星两两跳的传传输延时时加上静静止轨道道卫星一一跳的传传输延时时。19ETSI建议的卫卫星个人人通信网网络结构构结构（c）使用了了星际链链路来实实现相同同轨道结结构的卫卫星进行行互连。。系统仍仍然需要要信关站站来完成成一些网网络功能能，但对对其的依依赖性已已经下降降。移动动用户间间的呼叫叫传输延延时是变变化的，，依赖于于在卫星星和星际际链路构构成的空空中骨干干网络路路由选择择。铱系系统采用用该结构构方案为为移动用用户提供供服务。。20ETSI建议的卫卫星个人人通信网网络结构构结构（d）中使用用了双层层卫星网网络构建建的混合合星座结结构。非非静止轨轨道卫星星使用星星际链路路进行互互连，使使用轨间间链路（（IOL：Inter-OrbitLinks）与静止止轨道数数据中继继卫星互互连。移移动用户户间的呼呼叫传输输延时等等于两个个非静止止轨道卫卫星半跳跳的延时时加上非非静止轨轨道卫星星到静止止轨道卫卫星的一一跳的延延时。在在该结构构中，为为保证非非静止轨轨道卫星星的全球球性互连连，需要要至少3颗静止轨轨道中继继卫星。。21系统空间间段空间段提供网网络用户户与信关关站之间间的连接接；空间段由1个或多个个卫星星星座构成成，每个个星座又又涉及到到一系列列轨道参参数和独独立的卫卫星参数数；空间段轨道参参数通常常根据指指定覆盖盖区规定定的服务务质量（（QoS）要求，，在系统统设计的的最初阶阶段便确确定；空间段的设计计可采用用多种方方法，取取决于轨轨道类型型和星上上有效载载荷所采采用的技技术。22系统地面面段通常包括：信关站（（也称为为固定地地球站FES）、网络络控制中中心（NCC）和卫星星控制中中心（SCC）用户信息管理理系统（（CIMS）是负责责维护信信关站配配置数据据，完成成系统计计费、生生成用户户账单并并记录呼呼叫详情情的数据据库系统统，与信信关站、、网络控控制中心心和卫星星控制中中心协同同工作可以将网络控控制中心心、卫星星控制中中心和用用户信息息管理系系统合在在一起称称为控制制段23系统地面面段——信关站信关站通过过本地交交换提供供系统卫卫星网络络（空间间段）到到地面现现有核心心网络（（如公用用电话交交换网PSTN和公用地地面移动动网络PLMN）的固定定接入点点卫星移动通信信系统与与地面移移动网络络（如GSM和CDMA网络）的的集成带带来了一一些附加加的问题题，必须须在信关关站中解决24系统地面面段——网络控制制中心又称为网络络管理站站（NMS），与用用户信息息管理系系统CIMS相连，协协同完成成卫星资资源的管管理、网网络管理理和控制制相关的的逻辑功功能，按按照功能能又可以以划分为为网络管管理功能能组和呼呼叫控制制功能组组。网络管理理功能组的的主要任任务包括括：管理理呼叫通通信流的的整体概概况；系系统资源源管理和和网络同同步；运运行和维维护（OAM）功能；；站内信信令链路路管理；；拥塞控控制；提提供对用用户终端端试运行行的支持持呼叫控制功能能组的主主要任务务包括：公共信道道信令功功能；移动呼叫叫发起端端的信关关站选择择；定义义信关站站的配置置25系统地面面段——卫星控制制中心负责监视卫星星星座的的性能，，控制卫卫星的轨轨道位置置。与卫卫星有效效载荷相相关的特特殊呼叫叫控制功功能也能能够由卫卫星控制制中心来来完成，，按照功功能又可可以划分分为卫星星控制功功能组和和呼叫控控制功能能组卫星控制功能能组的主主要任务务包括：：产生和和分发星星历；产产生和传传送对卫卫星有效效载荷和和公用舱舱的命令令；接收收和处理理遥测信信息；传传输波束束指向命命令；产产生和传传送变轨轨操作命命令；执执行距离离校正呼叫控制功能能组完成成移动用用户到移移动用户户呼叫的的实时交交换26系统用户户段用户段由各种种用户终终端组成成；主要分为两个个主要的的类别：：移动（（Mobile）终端和和便携携（Portable）终端27卫星移动动通信系系统可以以工作于于多个频频段频段的选选取主要要取决于于系统提提供的服服务类型型卫星移动动通信业业务频率率分配是是先后通通过87年和92年的世界界无线电电行政大大会（WARC-87、92），95、97和2000年世界无无线电大大会（WRC-95、97、2000）分配28WARC-87分配的MSS频谱频率（MHz）传输方向业务类型1530.0-1533.0↓LMSS和MMSS1533.0-1544.0↓MMSS和低速率LMSS1545.0-1555.0↓AMSS（可公用）1555.0-1559.0↓LMSS1626.5-1631.5↑MMSS和低速率LMSS1631.5-1634.5↑LMSS和MMSS1634.5-1645.5↑MMSS和低速率LMSS1646.5-1656.5↑AMSS（可公用）1656.5-1660.5↑LMSS29WARC-92为全球3个频率区区域分配配了NGEO卫星移动动通信业业务和卫卫星无线线定位业业务（RDSS）的使用用频段，，包括VHF、UHF，L和S波段302.铱星计划及其其衰落31铱星计划第一个全球覆覆盖的LEO卫星蜂窝窝系统，，支持话话音、数数据和定定位业务务由于采用了星星际链路路，系统统可以在在不依赖赖于地面面通信网网的情况况下支持持地球上上任何位位置用户户之间的的通信。。铱系统于上上世纪八八十年代代末由Motorola推出，九九十年代代初开始始开发，，耗资37亿美元，，于1998年11月开始商商业运行“铱”公公司于2000年3月宣告破破产。目目前，美美国国防防部出资资维持铱铱系统的的运行32铱星通过南南北极运运行在780千米的轨轨道上，，每条轨轨道上除除布星11颗外，还还多布1至2颗作为备备用。这这些卫星星可以覆覆盖全球球，用户用手持话话机直接接接通卫卫星进行行通信，，而无需需几米直直径的抛抛物面天天线就可可以进行行全球范范围内的的通话33铱星计划划革命性性的想法法从何而而来？对对于摩托托罗拉的的工程师师巴里·伯蒂格来来说，它它来自于于妻子在在加勒比比海度假假时的抱抱怨，说说她无法法用手机机联系到到她的客客户。回回到家以以后，巴巴里和摩摩托罗拉拉在亚利利桑那州州工作的的卫星通通信小组组的另外外两名工工程师想想到了一一种铱星星解决方案—由77颗近地卫卫星组成成的星群群，让用用户从世世界上任任何地方方都可以以打电话话铱星手机34尽管移动动通信网网络似乎乎无所不不在，但但实际上上这一网网络只覆覆盖了全全球约8%的地区。。在其他他尚无移移动通信信网络覆覆盖的地地区，人人们只能能通过铱铱星或同同类公司司开发的的卫星电电话通信信。用铱星系统统的手机机打电话话与用普普通蜂窝窝制式的手机打电话是是一样的的。铱星星系统的的手机事事实上是是两用的,铱星系统统的手机机既可以以用来打打铱星系统电话,也可用来来打普通通蜂窝制制式的移移动电话话。不过打普通蜂窝窝制式电电话的费费用要比比打铱星星电话的的费用低,所以在能能够打蜂蜂窝制式式电话的的地区应应尽量选选用蜂窝制式。只只有在蜂蜂窝制式式通信范范围以外外的地区区打电话时时,才需要使使用铱星星手机通通过铱星星系统打电话。。35铱系统空空间段铱系统星座座最初的的设计由由77颗LEO卫星组成成，它与与铱元素素的77个电子围围绕原子子核运行行类似，，系统因因此得名名实际星座包括括66颗卫星，，它们分分布在6个圆形的的、倾角角86.4º的近极轨轨道平面面上，面面间间隔隔27º，轨道高高度780km每个轨道平面面上均匀匀分布11颗卫星，，每颗卫卫星的重重量为689kg，卫星设设计寿命命5~8年。36铱系统空空间段铱”星座中的的每颗卫卫星提供供48个点波束束，在地地面形成成48个蜂窝小小区，在在最小仰仰角8.2ºº的情况下下，每个个小区直直径为600km，每颗卫卫星的覆覆盖区直直径约4700km，星座对对全球地地面形成成无缝蜂蜂窝覆盖盖，如图图所示每颗卫星的的一个点点波束支支持80个信道，，单颗卫卫星可提提供3840个信道37铱系统空空间段部部署过程程从1997年5月5日到1999年6月12日的2年期间，，共有88颗铱系统统卫星发发射到轨轨道中，，其中前前1年发射了了72颗3种运载火火箭被用用于发射射这88颗卫星，，其中11枚美国波波音公司司的德尔尔塔2型（DeltaII）火箭发发射了55颗，3枚俄罗斯斯质子（（Proton）火箭发发射了21颗，7枚中国的的长征2型（2C/SD）火箭发发射了14颗。38铱系统地地面段铱系统的地地面段包包括信关关站、用用户终端端和遥测测、跟踪踪和控制制站（TT&C）由于铱系统采采用了星星际链路路，因此此只需在在全球设设置少数数几个信信关站即即可。考考虑到国国家和地地区的主主权和经经济利益益，实际际上系统统按照国国家和地地域差别别在全球球设置了了共12个信关站站，分别别位于美美国阿利利桑那州州坦佩、、泰国的的曼谷、、俄罗斯斯的莫斯斯科、日日本东京京、韩国国汉城、、巴西里里约热内内卢、意意大利罗罗马、印印度孟买买、中国国北京、、台湾地地区台北北、沙特特的吉达达，外加加一个美美军专用用关口站站在夏威威夷。39铱系系统统地地面面段段用户户终端端有有手手持持机机、、车车载载台台和和半半固固定定终终端端3种类类型型。。系系统统手手持持机机设设计计为为双双模模终终端端，，手手机机重重量量和和体体积积比比目目前前蜂蜂窝窝电电话话略略大大，，能能够够支支持持地地面面蜂蜂窝窝通通信信网网络络的的多多种种标标准准（（如如GSM、PDC，D-AMPS或CDMA），，既既适适用用于于铱铱系系统统，，又又适适用用于于本本地地地地面面蜂蜂窝窝网网络络。。40铱系统统通通信信链链路路用户户链路路，，L频段段，，1621.35~1626.5MHz，时时分分双双工工模模式式；；馈送送链路路，，Ka频段段，，上上行行29.1~29.4GHz；下下行行19.3~19.6GHz；星际际链路路，，Ka频段段，，为为23.18~23.38GHz。41铱星星的的优势势与静静止轨轨道道卫卫星星通通信信系系统统相相比比，，铱铱星星主主要要具具有有两两方方面面的的优优势势：：一是是轨轨道道低低，，传传输输速速度度快快，，信信息息损损耗耗小小，，通通信信质质量量大大大大提提高高；；二是不不需需要要专专门门的的地地面面接接收收站站，，每每部部卫卫星星移移动动手手持持电电话话都都可可以以与与卫卫星星连连接接，，这这就就使使地地球球上上人人迹迹罕罕至至的的不不毛毛之之地地、、通通信信落落后后的的边边远远地地区区、、自自然然灾灾害害现现场场的的通通信信都都变变得得畅畅通通无无阻阻。。42铱星移移动动通通信信系系统统计计划划开开始始了了个个人人卫卫星星通通信信的的新新时时代代。1996年开开始始试试验验发发射射，，计计划划1998年投投入入业业务务，，预预计计总总投投资资为为23亿美美元元。主要要业务务是是：：移移动动电电话话（（手手机机））、、寻寻呼呼和和数数据据传传输输。（从从技术术角角度度看看，已已突破破了了星星间间链链路路等等关关键键技技术术问问题题，，系系统统基基本本结结构构与与规规程程已已初初步步建建成成，，系系统统研研究究发发展展的的各各个个方方面面都都取取得得了了重重要要进进展展，，在在此此期期间间有有全全世世界界几几十十家家公公司司都都参参与与了了铱铱星星计计划划的的实实施施，，应应该该说说铱铱星星计计划划初初期期的的确确立立、、运运筹筹和和实实施施是是非非常常成成功功的的。））43铱星系系统统的的复复杂杂、、先先进进之之处：：在于于采用用了了星星上上处处理理和和星星间间链链路路技技术术，，相相当当于于把把地地面面蜂蜂窝窝网网倒倒置置在在空空中中，，使使地地面面实实现现无无缝缝隙隙通通讯讯；解决决了卫卫星星网网与与地地面面蜂蜂窝窝网网之之间间的的跨跨协协议议漫漫游游。意义义：：开创创了全全球球个个人人通通信信的的新新时时代代，，被被认认为为是是现现代代通通信信的的一一个个里里程程碑碑，其其最大大特特点点就是是个个人人通通信信全球球化化，，实实现现了““5W”，，即任任何何人人（（Whoever）在在任任何何地地点点（（Wherever）、、任任何何时时间间（（Whenever）与与任任何何人人（（Whomever）采采取取任任何何方方式式（（Whatever）进进行行通通信信。。44你会会选选择择铱铱星星电电话话吗吗，，为为什什么么？？45技术术的的瑕疵疵铱星星技技术术先先进进，，但但是是也也并并非非完完美美无无瑕瑕，，几几个个严严重重的的瑕瑕疵疵为为其其之之后后的的破破产产埋埋下下了了伏伏笔笔。。46（1）铱星星电电话话在在建建筑筑物物内内无无法法接接收收信号号铱星电电话话在在建建筑筑物物内内无无法法接接收收信信号号，，是是其其最最重重要要的的缺缺陷陷。铱星公公司司方方面面说说““用用户户的灵灵活活度度是是使使用用该该服服务务最最重重要要的的前提提””。。换句句话话说说，，用用户户必必须须首首先先将将自自己己置置于于在在电电话话天天线线和和卫卫星星之之间间没没有有任任何何障障碍碍物物的的地地点点，，才才能能顺顺利利地地使使用用电电话话；；否否则则电电话话就就通通不不了了。47（2）铱星星电电话话过过于于笨笨重重，，使使用用不不方便便铱星电电话话过过于于笨笨重重，，使使用用不不方方便便，，并并且且需需要要特特殊殊的的培培训训。。摩摩托托罗罗拉拉公公司司的的铱铱星星双双模模式式手手机机重重约约454克，，京京瓷瓷公公司司的的铱铱星星单单模模式式和和双双模模式式手手机机均均重重400克，，它它们们比比重重量量不不到到100克的的GSM手机机笨笨重重得得多多，，使使用用也也不不方方便便。。非非但但如如此此，，使使用用之之前前必必须须经经过过特特殊殊培培训训。。每每个个电电话话机机必必须须附附带带整整整整一一个个背背包包的的附附件件，，而而每每种种附附件件的的实实际际功功能能常常常常令令人人费费解解。。48（3）转换换成成本本较大大铱星系系统统与与蜂蜂窝窝电电话话网网络络相相连连，，必必须须适适应应不不同同的的区区域域传传输输标标准准，，由由此此产产生生的的转转换换成成本本给给用用户户带带来来较较大大的的不不便便。。在在漫漫游游全全球球时时，，为为了了与与当当地地蜂蜂窝窝电电话话网网络络相相连连，，双双模模式式手手机机要要更更换换适适合合当当地地区区域域传传输输标标准准的的通通话话卡卡。。例例如如一一位位欧欧洲洲用用户户到到美美国国和和日日本本商商务务旅旅行行，，需需买买3个通话话卡才才能与与这3个地区区的传传输技技术标标准相相匹配配，而而每个个卡大大约价价格为为660－900美元。。49（4）语音音质量量和传传输速速度不不理想想在语音音质量量和传传输速速度方方面，，铱星星电话话远远远比不不上蜂蜂窝电电话。。铱星星所采采用的的MF-TDMA（多频频时分分多址址）通通信体体制的的话音音质量量不如如CDMA（码分分多址址）。。另外外，铱铱星系系统的的数据据传输输速率率仅有有2.4kbps，因此此除通通话外外，只只能传传送简简短的的电子子邮件件或慢慢速的的传真真，无无法满满足目目前互互联网网的需需求。50铱星用用户最多时时才5.5万，而65万用户才才能赢赢利。铱星系统统耗资资达50多亿美美元，，每年年光系系统的的维护护费就就要几几亿美美元。。除了了摩托托罗拉拉等公公司提提供的的投资资和发发行股股票筹筹集的的资金金外，，铱星星公司司还举举借了了约30亿美元元的债务务，月息息就达4000多万美美元。从一开始始，铱铱星公公司就就没有有喘过过气来来，一一直在在与银银行和和债券券持有有人等等组成成的债债权方方集团团进行行债务务重组组的谈谈判，，但但双方方最终终未能能达成成一致致。铱星的的没落511999年8月13日，债债权人人向纽约联联邦法法院提提出了了迫使使铱星星公司司破产产改组组的申申请；2000年3月18日，铱铱星星背负负40多亿美美元债债务正正式破破产。破产后后,铱星系系统被被美国国军方方收购购,成为美美国军军方的的卫星星通信信系统统.52铱星破破产的的原因因和启示破产的的原因因铱星所创创造的的科技技童话话和它它在移移动通通信领领域的的里程程碑意意义使使我们时时刻警醒，，电信信产业业的巨巨额投投资往往往使使某种种技术术成为为赌注注，技技术的的前沿沿性虽虽然十十分重要，然而而决定定胜负负的却却是市场。从目前的的情况况来看看，主主要有有如下下几个个方面面的原原因53（1）技术术先进，，但不不成熟铱星公司司获得得了1998年度《大众科科学》杂志年年度100项最佳佳科技技成果果奖中中的电子技技术奖奖，这是是一项项在全全美科科技产产业中中具有有较大大影响响的的奖项项。但该系统在技技术上存在在着一些问问题，如铱铱星电话只只能在空旷旷的地方使使用、在室室内和车内内不能通话话；通话话的可靠性性和清晰性性较差；铱铱星系统在在欧洲、亚亚洲和非洲洲的许多国国家无法使使用；铱星星手机重达达1磅，比现在在普通手手机要重得得多等。70年代末发展展起来的移移动电话技技术，在短短的的20年时间里，，先后经历历了模拟信信号、GSM、CDMA等阶段，网网络覆盖面面积和通话话质量达到到了很高水水平，手机机已做到个个性化，为为众多消费费者所接受受，构成了对对铱星电话话的绝对市市场优势。54（2）高成本导致高价格格，竞争力力不强高经营成本使使铱星公司司在正式营营业之初，，将铱星手手机售价定定为4000美元，通话话费用7美元/分钟。在市场反应冷冷淡的情况况下，铱星星公司被迫迫作出价格格调整，调调整后的手手机价格为为3000美元，通话话费为1.89美元/分钟。但同同移动电话话相比，仍仍显较高。。铱星公司司在开业近近10个月时，铱铱星手机机的用户还还不到2万名，远少少于65万名用户的的盈亏平衡衡点，其中中还有一部部分手机是是公司赠送送出去的。。55（3）市场营销失败第一，铱星手机在核核心利益上上没有较好好地满足足顾客期望望，无法保证证顾客能在在任何地点点通信的需需求第二，笨拙的铱星星手机没能能向顾客提供附加利益，即没没有满足个个性化需要第三，铱星星公司的服服务和营销销能力不足足第四，公司在消消费者中的的知名度不不高第五，债务务危机56铱星破产的的启示技术领先，，如何转化化为经济效效益？市场规律，，任何情况况下都要遵遵循！57对我国企业业的启示慎重技术、、设备上的的“赶超””因地制宜，，扬长避短短，选择合合适的技术术和设备成功企业的的共同点：：能较好的吸吸收和消化化引进的技技术设备583.宇宙垃圾与与空间碎片片产生及危危害5960人类史上第第一次卫星星碰撞会是最后一一次吗？61这次碰撞是是如何产生生的？太空垃圾太空垃圾是是在轨运行行航天器的的巨大威胁胁，一旦它它与航天器器发生了碰碰撞，又将将产生更大大数量的太太空垃圾62太空垃圾的的产生有意或无意意爆炸产生生的航天器器残骸宇航员漫不不经心的过过失卫星和火箭箭的残骸63有意或无意意爆炸产生生的航天器器残骸有意的爆炸炸，极大多多数来自前前苏联和美美国太空战战的“预习习”。其中中前苏联就就曾进行了了19次卫星拦截截、爆炸试试验，给太太空带来了了500～1000块大小不等等的碎块垃垃圾。无意的爆炸炸，如1973年间，美国国有7枚火箭在轨轨道上爆炸炸。1986年，欧洲发发射的“阿阿丽亚娜””火箭刚进进入轨道就就发生爆炸炸，其碎块块中大于10厘米的就有有564块，还有2300多块小于10厘米的。64宇航员漫不不经心的过过失1982年，宇航员员瓦伦丁·列勃捷夫在在进行例行行的太空行行走时，他他刚刚打开开“礼炮7号”空间站站的减压舱舱门，由于于近乎真空空的太空所所具有的巨巨大吸力，，把宇航员员们不慎留留在减压舱舱内的一些些螺栓、垫垫圈和一支支铅笔，都都吸入太空空，成为了了太空垃圾圾。更令人遗憾憾的是，前前苏联的一一些宇航员员还把在太太空生活中中产生的生生活垃圾丢丢入太空。。人们还发现现，有一只只被一名美美国宇航员员丢失的手手套，竟在在空中飘浮浮游荡了20多年65卫星和火箭箭的残骸一些失去效效用的卫星星，仍在轨轨道上飞行行。虽然它它们最终会会因飞行速速度减小，，重返大气气层而与大大气层摩擦擦烧毁，但但恐怕要在在几十年到到几百年以以后。在近地空间间里，还飘飘浮着许多多火箭的残残余部分，，如火箭被被丢弃的金金属外壳、、运载火箭箭的末级残残体、散落落下来的发发动机和各各种衔接部部件等。6667太空垃圾的的危害太空垃圾一一般在高300-450公里的近地地轨道上以以每秒7-8公里，而在在36000公里高度的的地球静止止轨道上则则以每秒3公里的速度度高速运动动，不同轨轨道倾角碰碰撞时的相相对速度甚甚至可以达达到每秒10公里以上，，因此具有有巨大的破破坏力。因此太空垃垃圾若与运运作中的人人造卫星、、载人飞船船或国际空空间站相撞撞，会危及及到设备甚甚至宇航员员的生命，，据计算一一块直径为为10厘米的太空空垃圾就可可以将航天天器完全摧摧毁，数毫毫米大小的的太空垃圾圾就有可能能使它们无无法继续工工作。而太太空垃圾也也因此成为为了国际问问题。6869太空垃圾的的现状有约6000吨太空垃圾圾绕地球飞飞行大约4K个运行中或或报废的人人造卫星和和火箭残体体大约6000个可以看到到并跟踪的的太空垃圾圾碎片已到“临界界点”，随随时将发生生碰撞70717273如何应对太太空垃圾限制空间垃垃圾的产生生清除空间垃垃圾探测和控制制太空垃圾圾以避免碰碰撞74754.星座构型设设计与保持持技术、轨轨道摄动理理论7677卫星星座设计卫星星座的的定义具有相似的的类型和功功能的多颗颗卫星，分分布在相似似的或互补补的轨道上上，在共享享控制下协协同完成一一定的任务务设计基本出出发点以最少数量量的卫星实实现对指定定区域的覆覆盖78卫星星座选选择仰角要尽可可能高传输延时尽尽可能小星上设备的的电能消耗耗尽可能少少如果系统采采用星际链链路，则面面内和面间间的星际链链路干扰必必须限制在在可以接收收的范围内内对不同国家家、不同类类型的服务务，轨位的的分配需要要遵循相应应的规章制制度多重覆盖问问题以支持持特定业务务(GPS定位)或提供有QoS保证的业务务79卫星星座类类型极/近极轨道星星座倾斜圆轨道道星座(主要有Walker的Delta星座和Ballard的Rosette星座)共地面轨迹迹星座赤道轨道星星座混合轨道星星座80极轨道星座座在极轨道星星座中：每每个轨道面面有相同的的倾角和相相同数量的的卫星，所所有卫星具具有相同的的轨道高度度轨道倾角为为固定的90º，因此所有轨道平平面在南北北极形成两两个交叉点点星座卫星在在高纬度地地区密集，，在低纬度度地区稀疏疏顺行轨道平平面间的间间隔和逆行行轨道平面面间的不同同极轨道星座座81极轨道星座座卫星覆盖带带(StreetofCoverage)半覆盖宽度度式中中S是每每轨轨道道面面的的卫卫星星数数量量82极轨轨道道星星座座顺行行/逆行行轨轨道道面面和和‘‘缝缝隙隙(seam)’’π星座座由于于存存在在逆逆向向飞飞行行现现象象，，星座座第第一一个个和和最最后后一一个个轨道道面面间间的的间间隔隔小小于于其其它相相邻邻轨轨道道面面间间的的间间隔隔83极轨轨道道星星座座相邻邻轨轨道道面面的的几几何何覆覆盖盖关关系系84极轨轨道道星星座座全球球覆覆盖盖条条件件85极轨轨道道星星座座单重重全全球球覆覆盖盖星星座座参参数数PSα(º)∆1(º)h(km),El=10º2366.7104.520958.62457.698.410127.12553.296.57562.43542.366.13888.53638.764.33136.53736.563.22738.64730.848.31917.24828.947.61694.44927.647.01550.65924.238.01214.651023.037.71116.351122.237.41044.361119.931.4868.086极轨轨道道星星座座球冠冠覆覆盖盖条条件件87极轨轨道道星星座座30º以上上单单重重球球冠冠覆覆盖盖星星座座参参数数PSα(º)∆1(º)h(km),El=10º2364.1111.816549.52453.4103.17650.02548.198.75508.33539.968.43373.53635.866.02631.53733.364.52252.64728.949.61692.94826.848.51466.24926.347.81318.25922.638.81077.888近极极轨轨道道星星座座倾角角接接近近但但不不等等于于90º，即即80-100º覆盖盖带带设设计计方方法法仍仍然然适适用用极轨轨道道星星座座的的设设计计方方程程需需要要进进行行扩扩展展，，加加入入倾角角因素素，，以以适适用用于于近近极极轨轨道道近极极轨轨道道星星座座89近极极轨轨道道星星座座近极极轨轨道道星星座座中中，，顺顺行行和和逆逆行行轨轨道道面面间间的的升升交交点点经经度度差差和分别别为为式中中，，和和分分别别对对应应极极轨轨道道星星座座顺顺行行和和逆逆行行轨轨道道面面间间的的升升交交点点经经度度差差90近极极轨轨道道星星座座全球球覆覆盖盖方方程程91近极极轨轨道道星星座座考虑虑到到倾倾角角的的影影响响，，近近极极轨轨道道星星座座中中相相邻邻轨轨道道相相邻邻卫卫星星间间的的相相位位差差满满足足92近极极轨轨道道星星座座倾角角85º的单单重重全全球球覆覆盖盖近近极极轨轨道道星星座座参参数数PSα(º)∆1(º)

(º)h(km),EL=10°2366.7682104.6850103.825221063.89282457.807998.919097.395110251.51752553.589296.392393.98777743.22573542.164865.788866.28033862.02743638.554063.998764.45113111.37363736.313162.886463.31702716.65674730.711848.110548.35511908.45744828.836147.362247.60051686.66064927.525246.839147.07291541.86495924.128037.910938.08161209.859051022.988537.531737.70001110.405651122.133937.247337.41391039.416361119.863831.282031.4151864.892693倾斜斜圆圆轨轨道道星星座座倾斜斜圆圆轨轨道道星星座座倾斜斜圆圆轨轨道道星星座座特特征征：：由由高度度和和倾倾角角相相同同的圆圆轨轨道道组组成成，，轨轨道道面面升交交点点在在参参考考平平面面内内均均匀匀分分布布，卫卫星星在在每每个个轨轨道道平平面面内内均均匀匀分分布布两类类经经典典设设计计方方法法Walker的Delta星座座Ballard的玫玫瑰瑰(Rosette)星座座两种种方方法法是是等等效效的的94倾斜斜圆圆轨轨道道星星座座倾斜斜圆圆轨轨道道星星座座的的命命名名95WalkerDelta星座座相邻邻轨轨道道面面相相邻邻卫卫星星的的相相位位差差概概念念96WalkerDelta星座座星座座标标识识法法Delta星座座可可以以用用一一个个3元参参数数组组完完整整描描述述T/P/FT：星星座座卫卫星星总总数数P：轨轨道道平平面面数数量量F：相相位位因因子子，，取取值值0到P-1相位位因因子子确确定定相相邻邻轨轨道道面面相相邻邻卫卫星星间间的的相相位位差差97例6.1某Delta星座座标标识识为为9/3/1:10355:43。假假设设初初始始时时刻刻，，星星座座第第一一颗颗卫卫星星位位于于(0ºE,0ºN)。计计算算所所有有星星座座卫卫星星的的初初始始参参数数。。解:星座座相相邻邻轨轨道道面面的的升升交交点点经经度度差差为为360º/3=120ºº轨道道面面内内相相邻邻卫卫星星间间的的相相位位差差为为360º/(9/3)=120º相邻邻轨轨道道面面相相邻邻卫卫星星间间的的相相位位差差为为360º/9××1=40º轨道道高高度度轨道道倾倾角角Delte星座座示示例例98例子子6.1续卫星星的的初初始始参参数数如如下下表表轨道序号卫星序号升交点经度(º)初始弧角(º)1SAT1-100SAT1-20120SAT1-302402SAT2-112040SAT2-2120160SAT2-31202803SAT3-124080SAT3-2240200SAT3-324032099WalkerDelta星座座最优优Delta星座座TPFi

(º)αmin

(º)h(km),El=10º55143.769.22714366453.166.42033477555.760.31225588661.956.59374.299770.254.88374.2105257.152.27089.71111453.847.65344.4123150.747.95442.11313558.443.84257.1147454.042.03824.3153153.542.13847.1100Ballard玫瑰瑰星星座座玫瑰瑰星星座座的的特特性性：：圆轨轨道道所有有轨轨道道的的高高度度和和倾倾角角相相同同轨道道面面升升交交点点在在参参考考平平面面内内均均匀匀分分布布卫星星在在轨轨道道面面内内均均匀匀分分布布卫星星在在轨轨道道面面内内的的初初始始相相位位与与该该轨轨道道面面的的升升交交点点角角成成正正比比101Ballard玫瑰瑰星星座座玫瑰瑰星星座座中中，，卫卫星星在在天天球球表表面面的的位位置置可用用3个固固定定的的方方位位角角和和1个时时变变的的相相位角角来来确确定定λj为第第j颗卫卫星星所所在在轨轨道道平平面面的的升升交交点点角角度度ij为第j颗卫卫星星所所在在轨轨道道平平面面的的倾倾角角γj为第j颗卫卫星星在在轨轨道道面面内内的的初初始始相相位位，，从右右旋旋升升交交点点顺顺卫卫星星运运行行方方向向测测量量x=2πt/T为卫卫星星的的时时变变相相位位102Ballard玫瑰瑰星星座座星座座标标识识玫瑰瑰星星座座也也可可可可以以用用3元参参数数组组来来表表征征(N,P,m)N：星星座座卫卫星星总总数数P：轨轨道道平平面面数数量量m：协协因因子子，，影影响响卫卫星星在在天天球球上上的的初初始始分分布布以以及及星星座座图图案案在在天天球球面面上上的的推推移移速速度度103Ballard玫瑰瑰星星座座对N颗卫星均均匀分布布于P个轨道平平面上的的玫瑰星星座，卫卫星的方方位角满满足如果m是整数，，意味着着星座每每轨道面面仅有一一颗卫星星；如果果m是一个不不可约分分数，意意味着每每个轨道道平面上上有S=N/P颗卫星，，且m的分母值值为S104Ballard玫瑰星座座星座优化化技术可以证明明，3颗卫星(i,j,k)在天球上上构成的的球面三三角形的的中心位位置为最最坏观察察点位置置105Ballard玫瑰星座座最优玫瑰瑰星座NPmi(º)αmin

(º)h(km),El=10ºT(hour)55143.6669.1526992.2816.9066453.1366.4220371.7712.1377556.6960.2612220.517.0388661.8656.529388.626.4999770.5454.818380.874.971010847.9351.536799.094.191111453.7947.625344.883.521231/4,7/450.7347.905440.553.561313558.4443.764247.843.0414711/253.9841.963814.132.851531/5,4/5,7/5,13/553.5142.133852.392.87106Ballard玫瑰星座座玫瑰星座座与Delta星座的等等价关系系Delta星座的相相位因子子F与玫瑰星星座额达达协因子子m满足如下下关系即相位因因子F是协因子子m与S(每轨道面面卫星数数量)乘积的模模P(轨道平面面数量)余数107玫瑰星座座示例例6.2NewICO星座系统统采用表表示为10/2/0的Delta星座结构构。给出出星座的的等价玫玫瑰星座座参数。。解：轨道面面数量P=2，每轨道道面卫星星数量S=10/2=5，相位因因子F=0，因此因为则n的可能取取值为1、2、3和4m的可能取取值为2/5、4/5、6/5和8/5NewICO系统的玫玫瑰星座座标识为为(10,2,(2/5,4/5,6/5,8/5))108例6.2续卫星编号λj

γj

m=2/5m=4/5m=6/5m=8/5SAT100000SAT218072144216288SAT3014428872216SAT418021672288144SAT5028821614472SAT61800000SAT7072144216288SAT818014428872216SAT9021672288144SAT1018028821614472109共地面轨轨迹星座座共地面轨轨迹星座座共地面轨轨迹星座座是一类类特殊的的星座，，星座中中所有卫卫星沿相相同的地地面轨迹迹运动共地面轨轨迹星座座的轨道道面升交交点在赤赤道平面面内的分分布不一一定是均均匀的星座中的的卫星在在特定服服务区域域的上空空相对密密集，从从而提升升区域覆覆盖性能能110共地面轨轨迹星座座为保证卫卫星i和卫星j有相同的的地面轨轨迹，需要满足足以下关关系式中s是卫星的的飞行角角速度111共地面轨轨迹星座座虽然星座座的所有有卫星沿沿相同的的地面轨轨迹飞行行，但地地球的自自转仍可可能导致致地面轨轨迹沿着着赤道移移动为使得地地面轨迹迹与地面面保持相相对固定定的状态态，共地地面轨迹迹星座应应该采用用回归(recursive)或准回归归(quasi-recursive)轨道回归/准回归轨轨道是卫卫星的星星下点轨轨迹在M个恒星日日，围绕绕地球旋旋转L圈后重复复的轨道道（M和L都是整数数）112共地面轨轨迹星座座回归/准回归轨轨道的轨轨道周期期Ts卫星在轨轨角速度度因为有和γa之间满足足简单的的线性关关系113共地面轨轨迹星座座114赤道轨道道星座赤道轨道道星座N颗卫星在在特定高高度的赤赤道轨道道面上均均匀分布布115混合轨道道星座Orbcomm系统3个倾角45º的轨道平平面，每每轨道面面8颗卫星，，轨道高高度均为为825km倾角70º和108º的轨道平平面各1个，每轨轨道面2颗卫星，，轨道高高度均为为780km，轨道面面升交点点经度差差180º1个赤道轨轨道面，，8颗卫星，，轨道高高度780km混合轨道道星座116混合轨道道星座Ellipso系统BOREALISTM子系统包包含10颗卫星，，分布在在2个倾角为为116.6º的椭圆轨轨道上，，远地点点和近地地点高度度分别为为7605km和633kmCONCORDIATM子系统是是一个包包含7颗卫星的的赤道轨轨道平面面，轨道道高度为为8050km星座保持持技术星座构型型稳定性性初始入轨轨误差运行期间间的轨道道摄动微微小差异异导致星座座中卫星星之间的的相对位位置不断断的发生生偏移，，从而导导致星座座构型失失衡和星星座性能能的下降降，甚至至发生星星间碰撞撞。为了避免免星座性性能恶化化及发生生星间碰碰撞，需需要对卫卫星星座座构型进进行保持持控制。。117Galileo导航星座座在主要要摄动的的长期影影响下，，如果不不进行星星座构型型保持控控制，经经过10年，星座座中卫星星之间的的相对位位置发生生了剧烈烈的变化化，其导导航性能能恶化，，从而导导致星座座失效。。由于初始始入轨误误差和摄摄动差异异总是无无法消除除的，因因此，星星座构型型保持控控制是实实现星座座长期稳稳定运行行所必须须的。118在进行构构型保持持控制时时卫星需需要暂停停服务，，从而影影响了星星座性能能的稳定定性和连连续性，，因此，，星座设设计时需需要对这这种情况况加以考考虑，使使得卫星星在相对对于标称称位置的的一定范范围内运运行都能能满足性性能要求求。只要卫星星在这个个范围内内运行，，就认为为星座构构型是稳稳定的。。反之，，一旦卫卫星相对对于标称称位置的的漂移超超过了这这个容许许范围，，就认为为星座稳稳定性受受到了破破坏，需需要对星星座进行行构型保保持控制制。119对于单颗颗卫星的的位置保保持实际际上只需需要维持持它的既既定轨道道。对于星座座构型保保持，主主要是从从星座性性能的角角度而不不是单颗颗卫星性性能来进进行星座座构型保保持控制制。通过控制制卫星之之间的相相互位置置关系来来实现星星座构型型保持控控制，而而没有必必要控制制卫星的的绝对位位置。120星座构型型保持的的目标星座构型型保持控控制的目目标：在保证证星座性性能稳定定性和连连续性的的约束下下，保持持星座中中的卫星星站位，，同时尽尽量减少少推进剂剂的消耗耗、降低低星座运运行维持持成本和和星座构构型保持持控制的的复杂度度。自主星座座系统具备自主主导航及及自主化化的构型型保持能能力，可可有效减减少对地地面的依依赖，降降低运行行维持成成本，节节约推进进剂的消消耗，降降低干扰扰力矩对对轨道控控制精度度的影响响，提高高星座构构型灵活活性和站站时生存存能力。。121自主保持持示例美国部署署的第三三代GPS卫星中，，BLOCKIIR卫星能够够在与地地面测控控站联络络中断的的非常条条件下自自主工作作180天之久，，而系统统性能