中低轨卫星移动通信系统设计

中低轨卫星移动通信系统设计

1中低轨道卫星移动通信系统的设计移动通信的目标是建立一种简单的通信模式，以便随时访问通信。地面蜂窝系统的广泛建设大大推进了移动通信的建设,但要实现真正的全球个人通信,必须发展卫星移动通信。许多国家和组织纷纷提出不同的中低轨道卫星移动通信的设计方案,并具体分析各种方案的实用性和经济性。我国科技工作者也密切注意着卫星移动通信的发展动向,进行了一系列的技术研究和方案论证。本文设计了适合我国覆盖的星座方案,并研制了能进行星座实时动态仿真、实时多区域覆盖率统计和实时通信线路计算的综合应用软件。卫星移动通信系统的设计涉及的内容很多,主要包括星座设计、覆盖分析、通信线路计算、星际和波束间切换技术、功率控制技术、卫星信号分集接收技术、星际同步技术等。其中星座设计是一个很重要的基本问题,它直接关系到系统造价、通信链路特性、有效服务范围等几个重要方面。通过动态仿真对所设计的星座进行覆盖分析是评估星座方案优劣的重要方法。2确认参数设计在星座设计中,主要考虑轨道参数的选择,主要包括轨道类型、轨道高度、运行周期、轨道的相位关系等。2.1小尺度轨道系统按所用卫星的轨道情况来划分,卫星移动通信系统可以分为静止轨道系统和非静止轨道系统(同步轨道和非同步轨道)。天然的静止轨道(GEO)只有一条,而且由于离地面较远(35800km),不利于与地面个人终端直接通信,因此目前大部分卫星移动通信系统都采用非静止轨道。非静止轨道卫星就轨道类型而言有圆轨道和椭圆轨道两大类。椭圆轨道对区域性覆盖十分有利,但轨道倾斜角必须为63.4°(为了在扰动条件下能保持卫星远地点固定不动),这对中低纬度地区的覆盖十分不利。而圆轨道的倾斜角可在0°到90°之间任意选择,按轨道高度划分,圆轨道卫星移动通信系统分为中轨道(MEO)卫星移动系统及低轨道(LEO)卫星移动系统。我国的纬度范围在北纬4°至54°之间,因此不适宜采用椭圆轨道类型的卫星移动系统。本文结合中国地理位置的实际情况,分别设计了适合我国覆盖的MEO方案和LEO方案。采用中轨系统时所需卫星数目较少,但轨道高度比低轨系统高,因此链路损耗相对较大,对用户终端的EIRP和G/T值的要求相对较高;低轨系统由于其轨道高度更低,系统链路损耗相对较小,能进一步降低用户终端EIRP和G/T值的要求,更有利于手机与卫星直接建立通信,但所需卫星数目较多,造价比中轨系统要高,同时低轨卫星移动通信也存在着诸如星间切换控制复杂、多普勒频移严重等问题。2.2卫星轨道高度的选择轨道高度与系统覆盖所需的卫星数目和对地面终端EIRP及G/T值的要求有关,轨道高度越低,越能降低对地面终端EIRP及G/T值的要求,但达到系统覆盖要求的卫星数目也越多,系统造价也就越高。在轨道高度选择上通常是两者的折中,同时还需考虑下面两个因素:若轨道高度选择较低,大气层上部的氧原子将对卫星星体材料形成严重的威胁,直接影响到卫星的寿命。同时还存在严重的大气扰动。只有当轨道高度选择在1000km以上时,大气阻尼和扰动才能被忽略。范·爱伦带是以其发现者命名的绕地球存在的辐射带,是带电粒子组成的高能粒子带,表现为强电磁辐射。范·爱伦带由高度不同的环绕地磁轴的内、外两层圆环带组成,高度分别从1500km到5000km和从13000km到20000km。卫星轨道高度应尽量避免选在该辐射带中,以免电磁辐射对卫星造成影响。本文所设计的卫星移动系统轨道高度均不在此范围内。2.3轨道系统的运行控制条件为了便于对卫星在运行过程中进行定位控制,卫星周期应与恒星日成比例关系,使卫星每隔一天或数天在同一时刻通过同一地点上空。因为卫星运行周期是轨道高度的函数,所以在高度选择时必须考虑周期因素。根据开普勒定理可以得出轨道高度和运行周期的关系式如下:h=T2/3s(GM)1/3(2π)2/3−rE(1)h=Τs2/3(GΜ)1/3(2π)2/3-rE(1)式中,G为万有引力常数,G=6.67×10-8cm3/(kg·s2);M为地球质量,M=5.976×1027kg;rE为地球半径,rE=6379.5km;h为轨道高度;Ts为卫星周期。若要满足上述定位控制条件,则Ts/TE=k/n,k、n为整数,TE为恒星日,TE=86164s。本文所设计的中轨系统中,k/n=1/5,Ts=287.3min,h=8045km;低轨系统中,k/n=4/51,Ts=112.6min,h=1346km。2.4卫星的相对位置和相对相角星座相位关系的确定是指确定卫星在星群中的位置,它包括轨道倾角、轨道平面的布置、同一平面内星的位置及相邻轨道卫星的相对位置。我国的纬度范围在北纬4°至54°之间,所以设计的轨道倾角选在38°至48°之间为宜。本文设计的轨道平面是均匀布置的,即相邻轨道的右升交点等距分布(右升节点是指轨道平面与赤道平面的交线与轨道的交点,且此刻卫星是从南半球进入北半球)。每个轨道平面内的卫星也是等间隔布置的。以上参数还不能确定卫星在整个星群中的相对位置关系,因为相邻轨道卫星的相对位置不确定。要确定相邻轨道卫星的相对位置,就必须确定卫星的相对相角。卫星的相角是它在轨道平面内,从右升交点到卫星所转过的角度,而相对相角是指两颗卫星的相角之差。不同的相对相角会使星群覆盖性能相差甚远。这个问题在倾斜圆轨道且卫星数较少的情况下尤为突出。因此,必须采用优化方法来设计卫星的相对相位。下面介绍有关的优化算法。根据立体几何的关系,可推导出两个星下点(卫星与地心连线和地面的交点)之间的距离d的公式:式中,θ1、θ2为两星下点的纬度,Ψ为两星下点经度差的绝对值,Re为地球半径。相对相角优化算法准则是使星下点间的最小距离最大化。3覆盖分析3.1卫星的角度进行覆盖率统计是对星座方案进行评估的重要方法。为了研究方便,我们可以假设卫星对地球的照射是对准地心的,且只有一个大波束。那么,形成的覆盖区域是圆域(准确地说是球冠面),其大小由最小可视仰角α(以覆盖区边缘上的一点为顶点从地平线转到卫星的角度)决定,见图1,图中ϕ为覆盖区地心张角。由正弦定理可得,覆盖区地心张角为ϕ=90°−α−arcsinRecosαRe+H(3)ϕ=90°-α-arcsinRecosαRe+Η(3)其中,Re为地球半径,H为卫星高度。令R=Re+H,则由余弦定理可得,覆盖区边缘距卫星距离d=R2e+R2−2ReRcosϕ−−−−−−−−−−−−−−−−−√(4)d=Re2+R2-2ReRcosϕ(4)地球表面上卫星的覆盖区面积(球冠面积)S=2πR2ee2(1-cosϕ)(5)将系统所有卫星的覆盖区面积累积起来(如一个区域有两颗或两颗以上的卫星同时覆盖时为多星覆盖区域,此时覆盖面积只计算一次),除以地球总面积即可得到全球覆盖率,对区域覆盖率统计采取类似的方法。3.2中轨方案覆盖率一颗卫星覆盖范围内的任一地面用户对卫星仰角应大于最小允许仰角。表1列出了最小仰角为10°时,不同轨道高度、卫星数目、倾角和相对相角的6种MEO中轨方案的覆盖率统计结果。从多种方案的比较中可以看出方案D为最佳方案,对我国的覆盖率达到了100%,对欧洲的覆盖率达到了95%以上,对北美的覆盖率达到了98%以上,而且在大部分时间里对欧洲和北美的覆盖率达到了100%,对全球的覆盖率达到了84%。该方案只需15颗卫星就能对我国进行100%的覆盖,成本相对较低,可以说是发展我国移动卫星事业的一条捷径。3.3方法的对比及选择与中轨系统的原理相同,一颗卫星覆盖范围内的任一地面用户对卫星仰角应大于最小允许仰角。表2列出了最小仰角为10°时,不同轨道高度、卫星数目、倾角和相对相角的5种LEO低轨方案和全球星系统(Globalstar)的覆盖率统计结果。从表2的比较中可看出方案C为最佳方案,对我国的覆盖率达到了100%,对欧洲的覆盖率达到了96%以上,对北美的覆盖率达到了97%以上,而且在大部分时间里对欧洲和北美的覆盖率达到了100%,对全球的覆盖率达到了70%。通过比较可以看出,该低轨方案覆盖性能优于全球星(24颗星方案)系统对我国的覆盖,其原因在于:全球星系统设计是面向全球的,而且优先考虑对北美和欧洲的覆盖;而本文设计的低轨方案是针对中国的地理位置进行优化设计的,例如通过多次统计计算得知轨道倾斜角取48°,第一根轨道的升交点赤经取东经20°时最有利于对我国的覆盖。本文所设计的中低轨星座方案与文献中的星座方案有些差异,主要原因在于覆盖率统计方法上的差别,文献中统计结果是针对我国十个典型地点进行抽样计算的,而本文的覆盖率统计结果是针对特定区域进行整体计算的,包括对中国、全球、欧洲及北美分别进行统计计算。4双轴轨道面为红道面星座仿真的三维数学模型如图2所示。其中,球体为卫星的运行轨道所在的球面,半径为R=Re+H;XOZ面为赤道面;θ为升交点与参考方向Z轴之间的角距,相当于升交点赤经;I为轨道面倾斜角;Ψ为卫星偏离升交点的角距,取值范围为0°～360°。4.1cos东南角轨道面法向量的计算为cgicosisin,其轨道面法向量的nn其,其也cosgi,其轨道面方程为n⃗1={cosicosθ,sini,−cosisinθ}n⃗2={sinθ,0,cosθ}n→1={cosicosθ,sini,-cosisinθ}n→2={sinθ,0,cosθ}轨道面法向量n⃗=n⃗1×n⃗2=∣∣∣∣∣i⃗cosisinθj⃗cosθ0k⃗−cosisinθcosθ∣∣∣∣∣={cosθ,−ctgi,−sinθ}n→=n→1×n→2=|i→j→k→cosicosθ-cosisinθsinθ0cosθ|={cosθ,-ctgi,-sinθ}轨道面方程为xcosθ-yctgi-zsinθ=0轨道方程即为{xcosθ−yctgi−zsinθ=0x2+y2+z2=R2(6){xcosθ-yctgi-zsinθ=0x2+y2+z2=R2(6)4.2破不同偏转角后的德物理性能为了能使卫星在屏幕上运行起来,还必须找出一个数学关系,使得一个变量变化时,卫星位置能够得以确定。在这种场合下,最容易想到的就是卫星偏移升交点的角距Ψ。升交点(x0,0,z0)满足轨道方程(6),即{x0cosθ−z0sinθ=0x20+z20=R2{x0cosθ-z0sinθ=0x02+z02=R2转过Ψ角后的(x,y,z)亦满足方程(6),即{xcosθ−yctgi−zsinθ=0x2+y2+z2=R2(7){xcosθ-yctgi-zsinθ=0x2+y2+z2=R2(7)升交点可由θ0定义,即可设{x0=Rsinθ0z0=Rcosθ0(8){x0=Rsinθ0z0=Rcosθ0(8)向量{x0,0,z0}和{x,y,z}的夹角为Ψ,可得cosΨ=xx0+zz0(x20+z20)(x2+y2+z2)√=xx0+zz0R2(9)cosΨ=xx0+zz0(x02+z02)(x2+y2+z2)=xx0+zz0R2(9)由式(7)、(8)、(9)可解得转过Ψ角后的卫星三维位置⎧⎩⎨⎪⎪y=RsinΨsinix=ycosθctgi+RsinθcosΨz=−ycosθctgi+RsinθcosΨ(10){y=RsinΨsinix=ycosθctgi+RsinθcosΨz=-ycosθctgi+RsinθcosΨ(10)4.3是否消隐的鉴定当卫星转到地球后面时应该将之消隐,否则将破坏画面的立体感。在这种情况下,可以通过判断卫星的Z坐标是否小于某个值的办法来判断是否消隐。这个要找的Z值Z*即为柱面x2+y2=R2与球面x2+y2+z2=R2的交线的Z坐标,可求得Z*=−R2−R2e−−−−−−−√=−H(R+H)−−−−−−−−−√-R2-Re2=-Η(R+Η)。这样,消隐方程即为Z<Z∗=−H(R+H)−−−−−−−−−√(11)Ζ<Ζ*=-Η(R+Η)(11)4.4模拟结果图建立了上面的数学模型之后,通过编程就可实现星座运行的动态仿真。下面举例给出上面所设计的MEO方案的动态仿真瞬间图案,如图3所示。5实时实时运行仿真运用统一建模语言UML,先进行软件模型的总体设计并运用数学知识建立星座空间模型。在模型的基础上运用面向对象编程工具Delphi进行软件设计,其中实现实时动态星座运行仿真和覆盖分析的核心思想为:建立轨道和卫星运行的三维方程,随着时间的移动(可以设置一个定时器),计算出每一颗卫星的三维坐标,利用动画处理的重画和双缓冲技术实现星座动态运行仿真,根据卫星的实时位置和系统的最小仰角计算出实时的覆盖区域,从而计算出覆盖率,结合其它一些系统参数就可同时进行通信线路的计算。运用Matlab与Animator等工具进行了数值计算和动画的辅助设计等等。本软件主要具有以下三大功能:(1)逼真的实时星座运行动态仿真;(2)实时覆盖率统计,包括对全球的总体覆盖率统计和对中国、北美、欧洲的区域性覆盖率统计;(3)通信线路计算,包括用户链路上行计算、用户链路下行计算、馈线链路上行计算、馈线链路下行计算等。软件可根据用户输入的星座系统参数快速地进行以上三大功能的处理,对移动卫星星座设计具有很强的仿真效果。6低轨方案在全球的覆盖率本文设计了中轨和