卫星星座设计

1第6章卫星星座设计卫星通信2概要6.1引言6.2卫星星座设计6.3星际链路6.4系统体系结构36.1引言卫星移动/宽带通信的发展起源1945ArthurC.Clarke的科学幻想论文：地球外的中继1957Sputnik：第一颗人造卫星，前苏联1960Echo:第一颗反射式卫星1964SYNCOMIII：第一颗GEO卫星1965INTELSATI：第一颗商用GEO卫星

(EarlyBirdI)第一代：模拟技术1976第一代移动通信卫星：MARISAT的3颗GEO卫星提供海事通信服务，舰载站的发射功率为40W，天线为1.2米1982Inmarsat-A：第一个海事移动卫星电话系统46.1引言续1卫星移动/宽带通信的发展第二代:数字传输技术第二代:数字传输技术第二代:数字传输技术第二代:数字传输技术第二代:数字传输技术第二代:数字传输技术第二代:数字传输技术第二代:数字传输技术第二代:数字传输技术第二代:数字传输技术第二代:数字传输技术第二代:数字传输技术第二代:数字传输技术第二代:数字传输技术第二代:数字传输技术第二代:数字传输技术第二代:数字传输技术56.1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而持续增长易于快速实现大范围的完全覆盖多标准，难以全球通用全球通用蜂窝小区小，频率利用率高频率利用率低提供足够的链路余量以补偿信号衰落遮蔽效应使得通信链路恶化适合于人口密度高，业务量密集的城市环境适合于低人口密度、业务量有限的农村环境66.2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76.2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,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86.2卫星星座设计

续2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96.2卫星星座设计

续3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90º，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间的间隔和逆行轨道平面间的不同106.2卫星星座设计

续4极轨道星座卫星覆盖带(StreetofCoverage)半覆盖宽度

式中S是每轨道面的卫星数量116.2卫星星座设计

续5极轨道星座顺行/逆行轨道面和‘缝隙(seam)’π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126.2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136.2卫星星座设计

续7极轨道星座全球覆盖条件146.2卫星星座设计

续8极轨道星座单重全球覆盖星座参数PSα(º)∆1(º)h(km),El=10º2366.7104.520958.62457.698.410127.12553.296.57562.43542.366.13888.53638.764.33136.53736.563.22738.64730.848.31917.24828.947.61694.44927.647.01550.65924.238.01214.651023.037.71116.351122.237.41044.361119.931.4868.0156.2卫星星座设计

续9极轨道星座球冠覆盖条件166.2卫星星座设计

续10极轨道星座30º以上单重球冠覆盖星座参数PSα(º)∆1(º)h(km),El=10º2364.1111.816549.52453.4103.17650.02548.198.75508.33539.968.43373.53635.866.02631.53733.364.52252.64728.949.61692.94826.848.51466.24926.347.81318.25922.638.81077.8176.2卫星星座设计

续11近极轨道星座倾角接近但不等于90º,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,加入倾角因素,以适用于近极轨道186.2卫星星座设计

续12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196.2卫星星座设计

续13近极轨道星座全球覆盖方程206.2卫星星座设计

续14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216.2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°2366.7682104.6850103.825221063.89282457.807998.919097.395110251.51752553.589296.392393.98777743.22573542.164865.788866.28033862.02743638.554063.998764.45113111.37363736.313162.886463.31702716.65674730.711848.110548.35511908.45744828.836147.362247.60051686.66064927.525246.839147.07291541.86495924.128037.910938.08161209.859051022.988537.531737.70001110.405651122.133937.247337.41391039.416361119.863831.282031.4151864.8926226.2卫星星座设计

续16倾斜圆轨道星座倾斜圆轨道星座特征:由高度和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236.2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246.2卫星星座设计

续18WalkerDelta星座相邻轨道面相邻卫星的相位差概念256.2卫星星座设计

续19WalkerDelta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/FT: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266.2卫星星座设计

续20 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(0ºE,0ºN)。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360º/3=120º 轨道面内相邻卫星间的相位差为360º/(9/3)=120º 相邻轨道面相邻卫星间的相位差为360º/9×1=40º轨道高度轨道倾角276.2卫星星座设计

续21

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(º)初始弧角(º)1SAT1-100SAT1-20120SAT1-302402SAT2-112040SAT2-2120160SAT2-31202803SAT3-124080SAT3-2240200SAT3-3240320286.2卫星星座设计

续22WalkerDelta星座最优Delta星座TPFi(º)αmin

(º)h(km),El=10º55143.769.22714366453.166.42033477555.760.31225588661.956.59374.299770.254.88374.2105257.152.27089.71111453.847.65344.4123150.747.95442.11313558.443.84257.1147454.042.03824.3153153.542.13847.1296.2卫星星座设计

续23Ballard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306.2卫星星座设计

续24Ballard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λj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γj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=2πt/T为卫星的时变相位316.2卫星星座设计

续25Ballard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326.2卫星星座设计

续26Ballard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S336.2卫星星座设计

续27Ballard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置346.2卫星星座设计

续28Ballard玫瑰星座最优玫瑰星座NPmi(º)αmin

(º)h(km),El=10ºT(hour)55143.6669.1526992.2816.9066453.1366.4220371.7712.1377556.6960.2612220.517.0388661.8656.529388.626.4999770.5454.818380.874.971010847.9351.536799.094.191111453.7947.625344.883.521231/4,7/450.7347.905440.553.561313558.4443.764247.843.0414711/253.9841.963814.132.851531/5,4/5,7/5,13/553.5142.133852.392.87356.2卫星星座设计

续29Ballard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366.2卫星星座设计

续30 例6.2NewICO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=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4 m的可能取值为2/5.4/5.6/5和8/5 NewICO系统的玫瑰星座标识为(10,2,(2/5,4/5,6/5,8/5))376.2卫星星座设计

续31

例6.2续卫星编号λj

γj

m=2/5m=4/5m=6/5m=8/5SAT100000SAT218072144216288SAT3014428872216SAT418021672288144SAT5028821614472SAT61800000SAT7072144216288SAT818014428872216SAT9021672288144SAT1018028821614472386.2卫星星座设计

续32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396.2卫星星座设计

续33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406.2卫星星座设计

续34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）416.2卫星星座设计

续35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

γa之间满足简单的线性关系426.2卫星星座设计

续36共地面轨迹星座436.2卫星星座设计

续37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446.2卫星星座设计

续38混合轨道星座Orbcomm系统3个倾角45º的轨道平面,每轨道面8颗卫星,轨道高度均为825km倾角70º和108º的轨道平面各1个,每轨道面2颗卫星,轨道高度均为780km,轨道面升交点经度差180º1个赤道轨道面,8颗卫星,轨道高度780km456.2卫星星座设计

续39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116.6º的椭圆轨道上,远地点和近地点高度分别为7605km和633kmCONCORDIATM子系统是一个包含7颗卫星的赤道轨道平面,轨道高度为8050km466.3星际链路星际链路是可视卫星之间的直接链路星际链路的类型面内星际链路(Intra-OrbitISL):连接同一轨道面内的卫星面间星际链路(Inter-OrbitISL):连接相邻轨道面间的卫星层间星际链路(Inter-LayerISLs):连接不同高度轨道面间的卫星476.3星际链路续1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486.3星际链路续2496.3星际链路续3层间星际链路不同高度轨道平面内的卫星间存在相对运动,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506.3星际链路续4516.3星际链路续5仰角计算距离计算最大地心角和距离卫星高度相同时526.3星际链路续6例6.3星座卫星的轨道高度为1