卫星星座设计.ppt

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 3 6 1引言 卫星移动 宽带通信的发展 4 6 1引言续1 卫星移动 宽带通信的发展 5 6 1引言续2 地面和卫星移动通信系统的比较 6 6 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 7 6 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 8 6 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 9 6 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间的间隔和逆行轨道平面间的不同 10 6 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 11 6 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 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 12 6 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 13 6 2卫星星座设计续7 极轨道星座全球覆盖条件 14 6 2卫星星座设计续8 极轨道星座单重全球覆盖星座参数 15 6 2卫星星座设计续9 极轨道星座球冠覆盖条件 16 6 2卫星星座设计续10 极轨道星座30 以上单重球冠覆盖星座参数 17 6 2卫星星座设计续11 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 18 6 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 19 6 2卫星星座设计续13 近极轨道星座全球覆盖方程 20 6 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 21 6 2卫星星座设计续15 近极轨道星座倾角85 的单重全球覆盖近极轨道星座参数 22 6 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 23 6 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 24 6 2卫星星座设计续18 WalkerDelta星座相邻轨道面相邻卫星的相位差概念 25 6 2卫星星座设计续19 WalkerDelta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 26 6 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 0 E 0 N 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 9 1 40 轨道高度 轨道倾角 27 6 2卫星星座设计续21 例子6 1续卫星的初始参数如下表 28 6 2卫星星座设计续22 WalkerDelta星座最优Delta星座 29 6 2卫星星座设计续23 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 30 6 2卫星星座设计续24 Ballard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 2 t T为卫星的时变相位 31 6 2卫星星座设计续25 Ballard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 32 6 2卫星星座设计续26 Ballard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S 33 6 2卫星星座设计续27 Ballard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 34 6 2卫星星座设计续28 Ballard玫瑰星座最优玫瑰星座 35 6 2卫星星座设计续29 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 36 6 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 37 6 2卫星星座设计续31 例6 2续 38 6 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 39 6 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 40 6 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 41 6 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 a之间满足简单的线性关系 42 6 2卫星星座设计续36 共地面轨迹星座 43 6 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 44 6 2卫星星座设计续38 混合轨道星座Orbcomm系统3个倾角45 的轨道平面 每轨道面8颗卫星 轨道高度均为825km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780km 轨道面升交点经度差180 1个赤道轨道面 8颗卫星 轨道高度780km 45 6 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 6 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8050km 46 6 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 47 6 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 48 6 3星际链路续2 49 6 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 50 6 3星际链路续4 51 6 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 52 6 3星际链路续6 例6 3星座卫星的轨道高度为1414km 在某一时刻 卫星A和卫星B分别位于 0 E 20 N 和 50 E 15 S 假设星际链路对地保护距离为50km 判断卫星A和B间是否能够建立星际链路 如果可建星际链路 其长度为多少 解 在保护距离为50km时 可建星际链路的两颗卫星间最大地心角卫星A和B间的瞬时地心角因为 因此卫星A和B可以建立星际链路 星际链路天线的瞬时仰角星际链路的瞬时长度 53 6 3星际链路续7 仰角计算距离计算最大地心角和距离 卫星高度不同时 54 6 4系统体系结构 欧洲电信标准化协会 ETSI 确定的全球覆盖卫星个人通信网络 S PCN 的可能结构 55 6 4系统体系结构续1 方案 a 采用透明转发式卫星 依赖于地面网络来连接信关站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 56 6 4系统体系结构续2 方案 b 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 57 6 4系统体系结构续3 方案 c 使用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