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第6章卫星移动通信系统 电子科技大学2006 08 1 2 大纲 卫星移动通信系统概述卫星运动规律与轨道参数非静止轨道卫星星座设计卫星星际链路特性卫星移动通信系统网络结构卫星移动通信系统频率规划典型卫星移动通信系统介绍 3 卫星移动通信系统概述 卫星移动通信系统发展过程 4 卫星移动通信系统概述续1 卫星与地面移动通信系统的比较 5 卫星运动规律与轨道参数 开普勒三定理 第一定理 1602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 1605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 1618年 小物体 卫星 的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1 开普勒定理的图形描述 7 卫星运动规律与轨道参数续2 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 8 卫星运动规律与轨道参数续3 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 地心与椭圆轨道中心的距离 9 卫星运动规律与轨道参数续4 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 10 卫星运动规律与轨道参数续5 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 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 137km的情况下 求该卫星的轨道周期T 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 12 卫星运动规律与轨道参数续7 地心坐标系 地心O为原点 X轴指向春分点方向 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8 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9 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10 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 16 卫星运动规律与轨道参数续11 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 初始时刻的真近点角 即初始幅角 17 卫星运动规律与轨道参数续12 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 18 卫星运动规律与轨道参数续13 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14 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 Kepler sequation 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 20 卫星运动规律与轨道参数续15 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 21 卫星运动规律与轨道参数续16 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17 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 23 卫星运动规律与轨道参数续18 卫星星下点轨迹 一颗轨道高度为13892km 轨道倾角60 初始位置 0 E 0 N 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19 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20 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21 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 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 27 卫星运动规律与轨道参数续22 单颗卫星覆盖特性计算 卫星的半视角 观察点的仰角 28 卫星运动规律与轨道参数续23 单颗卫星覆盖特性计算 星地距离 覆盖区半径 29 卫星运动规律与轨道参数续24 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25 单颗卫星覆盖特性计算 仰角E 10 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 星下半视角约8 5 31 卫星运动规律与轨道参数续26 单颗卫星覆盖特性计算 仰角E 10 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 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 2 max 卫星的最大覆盖地心角 卫星的在轨运动角速度所以 最长连续服务时间 33 卫星运动规律与轨道参数续28 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 GSO 和高椭圆轨道 HEO 34 卫星运动规律与轨道参数续29 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30 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35786km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 Geostationary 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31 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32 卫星轨道按倾角分类 38 卫星运动规律与轨道参数续33 卫星轨道按高度分类 各种轨道的可用高度范围如下表 39 卫星运动规律与轨道参数续34 40 非静止轨道卫星星座设计 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 41 非静止轨道卫星星座设计续1 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 非静止轨道卫星星座设计续2 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 L der提出 D C Beste在L der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3 卫星覆盖带 StreetofCoverage 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 44 非静止轨道卫星星座设计续4 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5 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 46 非静止轨道卫星星座设计续6 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7 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 48 非静止轨道卫星星座设计续8 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相邻卫星之间的相位差与全球覆盖时的相同 49 非静止轨道卫星星座设计续9 近极轨道星座 卫星轨道平面与赤道平面的夹角为80 100 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10 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 51 非静止轨道卫星星座设计续11 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 52 非静止轨道卫星星座设计续12 倾斜圆轨道星座设计 WalkerDelta星座Ballard玫瑰 Rosette 星座 53 非静止轨道卫星星座设计续13 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14 Delta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15 Delta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 Delta星座按下式确定相邻轨道相邻卫星的初始相位差 56 非静止轨道卫星星座设计续16 例6 3已知某星座的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 0 E 0 N 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 360 1 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 58 非静止轨道卫星星座设计续18 Walker的最优Delta星座 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19 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20 Ballard的卫星位置以及相互关系示意图 61 非静止轨道卫星星座设计续21 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 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22 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 63 非静止轨道卫星星座设计续23 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N 1的整数 即意味着S 1 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24 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的最大地心角 65 非静止轨道卫星星座设计续25 最优玫瑰星座参数 66 非静止轨道卫星星座设计续26 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 67 非静止轨道卫星星座设计续27 例6 4ICO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 10 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0 2n 10 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 68 非静止轨道卫星星座设计续28 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29 共地面轨迹星座的参数约束关系 由图可见 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 70 非静止轨道卫星星座设计续30 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 71 非静止轨道卫星星座设计续31 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 72 非静止轨道卫星星座设计续32 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角 2020 3 20 73 74 非静止轨道卫星星座设计续32 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 M 1 75 非静止轨道卫星星座设计续33 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T 2 T N是等价的 76 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 77 非静止轨道卫星星座设计续35 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 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 78 非静止轨道卫星星座设计续36 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 79 非静止轨道卫星星座设计续37 太阳同步轨道 轨道平面与太阳间几乎固定的几何关系表征在 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 80 非静止轨道卫星星座设计续38 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 4 773 10 15 h Re 3 5 1 可知圆轨道太阳同步轨道的高度是受限的 最高高度为5974 9km 81 非静止轨道卫星星座设计续39 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798km 美国的Landsat7卫星高度为705km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 82 非静止轨道卫星星座设计续40 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 83 卫星星际链路 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 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 84 卫星星际链路续1 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 OrbitISL 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际链路 Inter OrbitISL 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 85 卫星星际链路续2 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 86 卫星星际链路续3 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 87 卫星星际链路续4 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 0 E 20 N 卫星B的位置为 50 E 15 S 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 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 88 卫星星际链路续5 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 89 卫星星际链路续6 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 90 卫星星际链路续7 星际链路性能随轨道高度的变化 91 卫星星际链路续8 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 92 卫星星际链路续9 星际链路性能随轨道倾角的变化 93 卫星星际链路续10 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 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 94 卫星星际链路续11 星际链路性能与升交点经度差的关系 95 卫星星际链路续12 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 96 卫星星际链路续13 星际链路性能与初始辐角差的关系 97 卫星星际链路续14 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 98 卫星星际链路续15 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 99 卫星星际链路续16 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Dsmax 100 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 101 卫星移动通信系统网络结构续1 ETSI建议的卫星个人通信网络结构 102 卫星移动通信系统网络结构续2 ETSI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 103 卫星移动通信系统网络结构续3 ETSI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 104 卫星移动通信系统网络结构续4 ETSI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 铱系统采用该结构方案为移动用户提供服务 105 卫星移动通信系统网络结构续5 ETSI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 OrbitLinks 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 106 卫星移动通信系统网络结构续6 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 107 卫星移动通信系统网络结构续7 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 108 卫星移动通信系统网络结构续8 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 109 卫星移动通信系统网络结构续9 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 110 卫星移动通信系统网络结构续10 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 111 卫星移动通信系统网络结构续11 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 112 卫星移动通信系统频率规划 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 113 卫星移动通信系统频率规划续1 WARC 87分配的MSS频谱 114 卫星移动通信系统频率规划续2 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 115 卫星移动通信系统频率规划续3 WRC 95考虑了C 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 频段进行了分配若干大LEO和MEO系统的用户业务和馈送链路频段如下表 116 卫星移动通信系统频率规划续4 WRC 2000在卫星移动通信和GEOFSS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1610 1626 5 2483 5 2500MHz频段 关于在1 3GHz频段 会议决定开展包括可能用于MSS的1518 1525MHz 1683 1690MHz频段与现有业务的共用研究 为MSS频率的划分做准备 关于NGEOFSS的问题 1 为保护GEOFSS和GEOBSS 静止卫星广播业务 系统对来自多个NGEOFSS系统的总干扰不超过规定要求 操作NGEOFSS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 NGEOFSS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 2 12 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 117 典型卫星移动通信系统介绍 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 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 118 典型卫星移动通信系统介绍续1 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5 8年 119 典型卫星移动通信系统介绍续2 铱系统空间段 铱 星座中的每颗卫星提供48个点波束 在地面形成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 120 典型卫星移动通信系统介绍续3 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 121 典型卫星移动通信系统介绍续4 铱系统空间段 铱系统是目前唯一使用了系统内ISL的卫星移动通信系统 122 典型卫星移动通信系统介绍续5 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 123 典型卫星移动通信系统介绍续6 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 PDC D AMPS或CDMA 既适用于铱系统 又适用于本地地面蜂窝网络 124 典型卫星移动通信系统介绍续7 铱系统通信链路 用户链路 L频段 1621 35 1626 5MHz 时分双工模式 馈送链路 Ka频段 上行29 1 29 4GHz 下行19 3 19 6GHz 星际链路 Ka频段 为23 18 23 38GHz 125 典型卫星移动通信系统介绍续8 全球星 Globalstar 系统 全球星系统由美国劳拉空间和通信公司和Qualcomm公司提出 与铱系统提出的时间差不多 1996年11月 全球星系统获得了美国联邦通信委员会颁发的运营证书 全球星系统是以支持话音业务为主的全球低轨卫星移动通信系统 总投资逾26亿美元 系统没有采用星际链路 系统用户将通过卫星链路接入地面公用网 在地面网的支持下实现全球卫星移动通信 126 典型卫星移动通信系统介绍续9 全球星系统结构 空间段 地面段 用户段 127 典型卫星移动通信系统介绍续10 全球星空间段 采用倾斜轨道星座 包括48颗卫星 均匀分布在8个倾角52 的轨道平面上 轨道高度1414公里 相邻轨道相邻卫星间的相位差7 5 128 典型卫星移动通信系统介绍续11 全球星系统卫星瞬时的分布和对地覆盖情况 129 典型卫星移动通信系统介绍续12 全球星系统空间段部署过程 全球星系统从1998年5月第一次发射4颗卫星开始 到2000年初共发射了48颗工作卫星和4颗备用卫星入轨 1999年9月 全球星系统经历了一次灾难性的发射 这次发射失败共导致系统损失了12颗卫星 因而也推迟了系统的运营开始时间 有两种运载火箭被用于发射这52颗卫星 其中7枚波音公司的德尔塔2型 DeltaII 火箭发射了28颗 6枚SoyuzIkar火箭发射了24颗 130 典型卫星移动通信系统介绍续13 全球星用户链路特性 全球星卫星的L S频段天线为有源相控阵天线 在地面形成16个点波束覆盖区 如下图所示 用户链路采用FDD双工方式 上行L频段 下行S频段 131 典型卫星移动通信系统介绍续14 全球星用户链路特性 全球星系统使用的L频段频率为1610 0 1625 5MHz S频段频率为2483 5 2500 0MHz 每个频段的16 5MHz带宽被分为13个1 23MHz的频分子信道 如下图所示 132 典型卫星移动通信系统介绍续15 全球星馈送链路特性 全球星系统的馈送链路采用C频段 上行频率为5091 5250MHz 带宽159MHz 下行频率为6875 7055MHz 带宽180MHz C频段天线采用