移动卫星通信系统上卫星星座设计ppt课件

1、第第6章章 卫星星座设计卫星星座设计概要概要 6.1 引言引言 6.2 卫星星座设计卫星星座设计 6.3 星际链路星际链路 6.4 系统体系构造系统体系构造6.1 引言引言 卫星挪动/宽带通讯的开展起源起源1945Arthur C. Clarke的科学幻想论文：地球外的中继的科学幻想论文：地球外的中继1957Sputnik：第一颗人造卫星，前苏联：第一颗人造卫星，前苏联1960Echo: 第一颗反射式卫星第一颗反射式卫星1964SYNCOM III：第一颗：第一颗GEO卫星卫星1965INTELSAT I：第一颗商用：第一颗商用GEO卫星卫星 (Early Bird I)第一代：模拟技术第一代

2、：模拟技术1976第一代移动通信卫星：第一代移动通信卫星： MARISAT的的3颗颗GEO卫星提供海事通信卫星提供海事通信服务，舰载站的发射功率为服务，舰载站的发射功率为40W，天线为，天线为1.2米米1982Inmarsat-A：第一个海事移动卫星电话系统：第一个海事移动卫星电话系统6.1 引言引言 续续1 卫星挪动/宽带通讯的开展第二代：数字传输技术第二代：数字传输技术1988Inmarsat-C：第一个陆地移动卫星数据通信系统：第一个陆地移动卫星数据通信系统1993Inmarsat-M and mobilesat (Australia)：第一代数字陆地移动卫星：第一代数字陆地移动卫星电话

3、系统电话系统2019Inmarsat-3：支持膝上型终端的移动卫星电话系统：支持膝上型终端的移动卫星电话系统第三代：手持系统第三代：手持系统2019Iridium：第一个支持手持终端的全球性低轨移动卫星通信系统：第一个支持手持终端的全球性低轨移动卫星通信系统2019集成了卫星通信子系统的全球移动通信系统集成了卫星通信子系统的全球移动通信系统(UMTS/IMT-2000) 宽带卫星系统：宽带卫星系统：Internet和多媒体通信和多媒体通信2000ASTRA：支持高速：支持高速Internet接入接入2019Spaceway, EuroSkyWay, SkyBridge, Teledesic等：

4、支持固定、等：支持固定、便携或移动多媒体通信的宽带卫星通信系统便携或移动多媒体通信的宽带卫星通信系统6.1 引言引言 续续2 地面和卫星挪动通讯系统的比较地面移动通信系统地面移动通信系统卫星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覆盖范围随地面基础设施的建设而持续增长而持续增长 易于快速实现大范围的完全易于快速实现大范围的完全覆盖覆盖 多标准，难以全球通用多标准，难以全球通用 全球通用全球通用 蜂窝小区小，频率利用率高蜂窝小区小，频率利用率高频率利用率低频率利用率低 提供足够的链路余量以补偿信号提供足够的链路余量以补偿信号衰落衰落 遮蔽效应使得通信链路恶化遮蔽效应使得通信链路恶

5、化 适合于适合于人口密度高，业务量密集人口密度高，业务量密集的的城市环境城市环境适合于低人口密度、业务量适合于低人口密度、业务量有限的农村环境有限的农村环境 6.2 卫星星座设计卫星星座设计 卫星星座的定义卫星星座的定义 具有类似的类型和功能的多颗卫星，分布在具有类似的类型和功能的多颗卫星，分布在类似的或互补的轨道上，在共享控制下协同类似的或互补的轨道上，在共享控制下协同完成一定的义务完成一定的义务 设计根本出发点设计根本出发点 以最少数量的卫星实现对指定区域的覆盖以最少数量的卫星实现对指定区域的覆盖 6.2 卫星星座设计卫星星座设计 续续1 卫星星座选择卫星星座选择 仰角要尽能够高仰角要尽能

6、够高 传输延时尽能够小传输延时尽能够小 星上设备的电能耗费尽能够少星上设备的电能耗费尽能够少 假设系统采用星际链路，那么面内和面间的假设系统采用星际链路，那么面内和面间的星际链路干扰必需限制在可以接纳的范围内星际链路干扰必需限制在可以接纳的范围内 对不同国家、不同类型的效力，轨位的分配对不同国家、不同类型的效力，轨位的分配需求遵照相应的规章制度需求遵照相应的规章制度 多重覆盖问题以支持特定业务多重覆盖问题以支持特定业务(GPS定位定位)或或提供有提供有QoS保证的业务保证的业务6.2 卫星星座设计卫星星座设计 续续2 卫星星座类型卫星星座类型 极极/近极轨道星座近极轨道星座 倾斜圆轨道星座倾斜

7、圆轨道星座(主要有主要有Walker的的Delta星座星座和和 Ballard的的Rosette星座星座) 共地面轨迹星座共地面轨迹星座 赤道轨道星座赤道轨道星座 混合轨道星座混合轨道星座6.2 卫星星座设计卫星星座设计 续续3 极轨道星座极轨道星座 在极轨道星座中：每个轨道面有一样的倾角在极轨道星座中：每个轨道面有一样的倾角和一样数量的卫星，一切卫星具有一样的轨和一样数量的卫星，一切卫星具有一样的轨道高度道高度 轨道倾角为固定的轨道倾角为固定的90，因此一切轨道平面在，因此一切轨道平面在南北极构成两个交叉点南北极构成两个交叉点 星座卫星在高纬度地域密集，在低纬度地域星座卫星在高纬度地域密集，

8、在低纬度地域稀疏稀疏 顺行轨道平面间的间隔和逆行轨道平面间的顺行轨道平面间的间隔和逆行轨道平面间的不同不同6.2 卫星星座设计卫星星座设计 续续4 极轨道星座极轨道星座 卫星覆盖带卫星覆盖带(Street of Coverage) 半覆盖宽度半覆盖宽度 式中式中S是每轨道面的卫星数量是每轨道面的卫星数量mincosarccoscos(/ )RearccoscosRecSElh6.2 卫星星座设计卫星星座设计 续续5 极轨道星座极轨道星座 顺行顺行/逆行轨道面和逆行轨道面和缝隙缝隙(seam) 星座星座 由于存在逆向飞行景象，由于存在逆向飞行景象，星座第一个和最后一个星座第一个和最后一个轨道面间

9、的间隔小于其轨道面间的间隔小于其它相邻轨道面间的间隔它相邻轨道面间的间隔6.2 卫星星座设计卫星星座设计 续续6 极轨道星座极轨道星座 相邻轨道面的几何覆盖关系相邻轨道面的几何覆盖关系12 2 /ccS 顺行轨道面间的升交点经度差逆行轨道面间的升交点经度差相邻轨道面相邻卫星间相位差6.2 卫星星座设计卫星星座设计 续续7 极轨道星座 全球覆盖条件122cc 12(1) (1)(1) cos(1)(1)arccoscos(/ )PPPcPPS cosarccoscos(/ )cS6.2 卫星星座设计卫星星座设计 续续8 极轨道星座 单重全球覆盖星座参数PS()1()h (km), El=1023

10、66.7104.520958.62457.698.410127.12553.296.57562.43542.366.13888.53638.764.33136.53736.563.22738.64730.848.31917.24828.947.61694.44927.647.01550.65924.238.01214.651023.037.71116.351122.237.41044.361119.931.4868.06.2 卫星星座设计卫星星座设计 续续9 极轨道星座极轨道星座 球冠覆盖条件球冠覆盖条件(1)(1)cos cos(1)(1)arccoscoscos(/ )PPcPPS6.2

11、卫星星座设计卫星星座设计 续续10 极轨道星座 30以上单重球冠覆盖星座参数PS()1() h (km), El=102364.1111.816549.52453.4103.17650.02548.198.75508.33539.968.43373.53635.866.02631.53733.364.52252.64728.949.61692.94826.848.51466.24926.347.81318.25922.638.81077.86.2 卫星星座设计卫星星座设计 续续11 近极轨道星座近极轨道星座 倾角接近但不等于倾角接近但不等于90，即，即80 -100 覆盖带设计方法依然适用覆盖

12、带设计方法依然适用 极轨道星座的设计方程需求进展扩展，参与极轨道星座的设计方程需求进展扩展，参与倾角要素，以适用于近极轨道倾角要素，以适用于近极轨道6.2 卫星星座设计卫星星座设计 续续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112222arcsin(sin/sin )coscosarccos()siniii 12126.2 卫星星座设计卫星星座设计 续续13 近极轨道星座近极轨道星座 全球覆盖方程全球覆盖方程22sinarccoscos/cos( / )(1) arcsinsincos2 a

13、rccoscos/cos( / )cosarccossinSPiSii6.2 卫星星座设计卫星星座设计 续续14 近极轨道星座近极轨道星座 思索到倾角的影响，近极轨道星座中相邻轨思索到倾角的影响，近极轨道星座中相邻轨道相邻卫星间的相位差满足道相邻卫星间的相位差满足1/arctan(cos( ) tan()Si6.2 卫星星座设计卫星星座设计 续续15 近极轨道星座近极轨道星座 倾角倾角85的单重全球覆盖近极轨道星座参数的单重全球覆盖近极轨道星座参数PS()1() ()h (km), EL=102366.7682104.6850103.825221063.89282457.807998.9190

14、97.395110251.51752553.589296.392393.98777743.22573542.164865.788866.28033862.02743638.554063.998764.45113111.37363736.313162.886463.31702716.65674730.711848.110548.35511908.45744828.836147.362247.60051686.66064927.525246.839147.07291541.86495924.128037.910938.08161209.859051022.988537.531737.7000111

15、0.405651122.133937.247337.41391039.416361119.863831.282031.4151864.892616.2 卫星星座设计卫星星座设计 续续16 倾斜圆轨道星座倾斜圆轨道星座 倾斜圆轨道星座特征：由高度和倾角一样的倾斜圆轨道星座特征：由高度和倾角一样的圆轨道组成，轨道面升交点在参考平面内均圆轨道组成，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 两类经典设计方法两类经典设计方法 Walker的的Delta星座星座 Ballard的玫瑰的玫瑰(Rosette)星座星座 两种方法是等效的两种方法是等效的

16、6.2 卫星星座设计卫星星座设计 续续17 倾斜圆轨道星座倾斜圆轨道星座 倾斜圆轨道星座的命名倾斜圆轨道星座的命名6.2 卫星星座设计卫星星座设计 续续18 Walker Delta星座星座 相邻轨道面相邻卫星的相位差概念相邻轨道面相邻卫星的相位差概念6.2 卫星星座设计卫星星座设计 续续19 Walker Delta星座星座 星座标识法星座标识法 Delta星座可以用一个星座可以用一个3元参数组完好描画元参数组完好描画 T/P/F T：星座卫星总数：星座卫星总数 P：轨道平面数量：轨道平面数量 F：相位因子，取值：相位因子，取值0到到P-1 相位因子确定相邻轨道面相邻卫星间的相位相位因子确定

17、相邻轨道面相邻卫星间的相位差差2fFT6.2 卫星星座设计卫星星座设计 续续20例例6.1 某某Delta星座标识为星座标识为 9/3/1:10355:43。假设初始。假设初始时辰，星座第一颗卫星位于时辰，星座第一颗卫星位于(0E, 0N)。计算一切星。计算一切星座卫星的初始参数。座卫星的初始参数。解解: 星座相邻轨道面的升交点经度差为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相邻轨道面相邻卫星间的相位差为360/91=40 轨道高度轨道高度轨道倾角轨道倾角6.2 卫星星

18、座设计卫星星座设计 续续21例子6.1 续卫星的初始参数如下表轨道序号轨道序号卫星序号卫星序号升交点经度升交点经度()初始弧角初始弧角()1SAT1-100SAT1-20120SAT1-302402SAT2-112040SAT2-2120160SAT2-31202803SAT3-124080SAT3-2240200SAT3-32403206.2 卫星星座设计卫星星座设计 续续22 Walker Delta星座 最优Delta星座TPFi ()min ()h (km), El=1055143.769.22714366453.166.42033477555.760.31225588661.956.

19、59374.299770.254.88374.2105257.152.27089.71111453.847.65344.4123150.747.95442.11313558.443.84257.1147454.042.03824.3153153.542.13847.16.2 卫星星座设计卫星星座设计 续续23 Ballard玫瑰星座玫瑰星座 玫瑰星座的特性：玫瑰星座的特性： 圆轨道圆轨道 一切轨道的高度和倾角一样一切轨道的高度和倾角一样 轨道面升交点在参考平面内均匀分布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均匀分布 卫星在轨道面内的初始相位与该轨道面的升卫星在轨

20、道面内的初始相位与该轨道面的升交点角成正比交点角成正比6.2 卫星星座设计卫星星座设计 续续24 Ballard玫瑰星座 玫瑰星座中，卫星在天球外表的位置可用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转方向丈量 x = 2t/T为卫星的时变相位6.2 卫星星座设计卫星星座设计 续续25 Ballard玫瑰星座玫瑰星座 星座标识星座标识玫瑰星座也可可以用玫瑰星座也可可以用3元参数组来表征元参数组来表征 (N, P, m)N ：星座卫星总数：星座卫星总数P

21、 ：轨道平面数量：轨道平面数量m ：协因子，影响卫星在天球上的初始分：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布以及星座图案在天球面上的推移速度6.2 卫星星座设计卫星星座设计 续续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 假设m是整数，意味着星座每轨道面仅有一颗卫星；假设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S2/0 1(0 1)/2/(2/)jjjjj PjNiimNSmmj PmSj NNP S6.2 卫星星座设计卫星星座设计 续续27 Ballard玫瑰星座玫瑰星座 星

22、座优化技术星座优化技术可以证明，可以证明，3颗卫星颗卫星(i, j, k)在天球上构成的在天球上构成的球面三角形的中心位置球面三角形的中心位置为最坏察看点位置为最坏察看点位置6.2 卫星星座设计卫星星座设计 续续28 Ballard玫瑰星座 最优玫瑰星座NPmi ()min ()h (km), El=10T (hour)55143.6669.1526992.2816.9066453.1366.4220371.7712.1377556.6960.2612220.517.0388661.8656.529388.626.4999770.5454.818380.874.971010847.9351.5

23、36799.094.191111453.7947.625344.883.521231/4, 7/450.7347.905440.553.561313558.4443.764247.843.0414711/253.9841.963814.132.851531/5, 4/5, 7/5, 13/553.5142.133852.392.876.2 卫星星座设计卫星星座设计 续续29 Ballard玫瑰星座玫瑰星座 玫瑰星座与玫瑰星座与Delta星座的等价关系星座的等价关系Delta星座的相位因子星座的相位因子F与玫瑰星座额达协与玫瑰星座额达协因子因子m满足如下关系满足如下关系即相位因子即相位因子F是协

24、因子是协因子m与与S(每轨道面卫每轨道面卫星数量星数量)乘积的模乘积的模P(轨道平面数量轨道平面数量)余数余数mod(, )FmS P6.2 卫星星座设计卫星星座设计 续续30例例6.2 NewICO星座系统采用表示为星座系统采用表示为10/2/0的的Delta星座构造。给出星座的等价玫瑰星座参星座构造。给出星座的等价玫瑰星座参数。数。解：轨道面数量解：轨道面数量P = 2，每轨道面卫星数量，每轨道面卫星数量S = 10 / 2 = 5，相位因子，相位因子F = 0，因此，因此由于由于 那么那么n的能够取值为的能够取值为1、2、3和和4m的能够取值为的能够取值为2/5、4/5、6/5和和8/5

25、NewICO系统的玫瑰星座标识为系统的玫瑰星座标识为 (10, 2, (2/5, 4/5, 6/5, 8/5)mod(,)mod(5,2)02 /5m S PFmmn0(1)/029mNSn6.2 卫星星座设计卫星星座设计 续续31例6.2 续卫星编号j j m = 2/5m = 4/5m = 6/5m = 8/5SAT100000SAT218072144216288SAT3014428872216SAT418021672288144SAT5028821614472SAT61800000SAT7072144216288SAT818014428872216SAT9021672288144SAT1

26、0180288216144726.2 卫星星座设计卫星星座设计 续续32 共地面轨迹星座共地面轨迹星座 共地面轨迹星座是一类特殊的星座，星座中共地面轨迹星座是一类特殊的星座，星座中一切卫星沿一样的地面轨迹运动一切卫星沿一样的地面轨迹运动 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内的分布不一定是均匀的 星座中的卫星在特定效力区域的上空相对密星座中的卫星在特定效力区域的上空相对密集，从而提升区域覆盖性能集，从而提升区域覆盖性能6.2 卫星星座设计卫星星座设计 续续33 共地面轨迹星座共地面轨迹星座 为保证卫星为保证卫星i 和卫星和卫星j 有

27、一样的地面轨迹，有一样的地面轨迹， 需求满足以下关系需求满足以下关系 式中式中s 是卫星的飞行角速度是卫星的飞行角速度/eaS 6.2 卫星星座设计卫星星座设计 续续34 共地面轨迹星座共地面轨迹星座 虽然星座的一切卫星沿一样的地面轨迹飞行，虽然星座的一切卫星沿一样的地面轨迹飞行，但地球的自转仍能够导致地面轨迹沿着赤道但地球的自转仍能够导致地面轨迹沿着赤道挪动挪动 为使得地面轨迹与地面坚持相对固定的形状，为使得地面轨迹与地面坚持相对固定的形状，共地面轨迹星座应该采用回归共地面轨迹星座应该采用回归(recursive)或或准回归准回归(quasi-recursive)轨道轨道 回归回归/准回归轨

28、道是卫星的星下点轨迹在准回归轨道是卫星的星下点轨迹在M个个恒星日，围绕地球旋转恒星日，围绕地球旋转L圈后反复的轨道圈后反复的轨道M和和L都是整数都是整数 6.2 卫星星座设计卫星星座设计 续续35 共地面轨迹星座共地面轨迹星座回归回归/准回归轨道的轨道周期准回归轨道的轨道周期Ts卫星在轨角速度卫星在轨角速度由于由于有有 和和 a之间满足简单的线性关系之间满足简单的线性关系/seTTM L/seL M/eaS /aL M 6.2 卫星星座设计卫星星座设计 续续36 共地面轨迹星座共地面轨迹星座6.2 卫星星座设计卫星星座设计 续续37 赤道轨道星座赤道轨道星座 N颗卫星在特定高度的赤道轨道面上均

29、匀分颗卫星在特定高度的赤道轨道面上均匀分布布6.2 卫星星座设计卫星星座设计 续续38 混合轨道星座混合轨道星座 Orbcomm系统系统 3个倾角个倾角45的轨道平面，的轨道平面，每轨道面每轨道面8颗卫星，轨道颗卫星，轨道高度均为高度均为825 km 倾角倾角70和和108的轨道平的轨道平面各面各1个，每轨道面个，每轨道面2颗卫颗卫星，轨道高度均为星，轨道高度均为780 km ，轨道面升交点经度，轨道面升交点经度差差180 1个赤道轨道面，个赤道轨道面，8颗卫星，颗卫星，轨道高度轨道高度780 km6.2 卫星星座设计卫星星座设计 续续39 混合轨道星座混合轨道星座 Ellipso系统系统 B

30、OREALISTM 子系统子系统包含包含10颗卫星，分布颗卫星，分布在在2个倾角为个倾角为116.6 的的椭圆轨道上，远地点椭圆轨道上，远地点和近地点高度分别为和近地点高度分别为7605 km和和633 km CONCORDIATM 子系子系统是一个包含统是一个包含7颗卫星颗卫星的赤道轨道平面，轨的赤道轨道平面，轨道高度为道高度为8050 km6.3 星际链路星际链路 星际链路是可视卫星之间的直接链路星际链路是可视卫星之间的直接链路 星际链路的类型星际链路的类型 面内星际链路面内星际链路(Intra-Orbit ISL)：衔接同一轨：衔接同一轨道面内的卫星道面内的卫星 面间星际链路面间星际链路

31、(Inter-Orbit ISL)：衔接相邻轨：衔接相邻轨道面间的卫星道面间的卫星 层间星际链路层间星际链路(Inter-Layer ISLs)：衔接不同：衔接不同高度轨道面间的卫星高度轨道面间的卫星6.3 星际链路星际链路 续续1 面内星际链路面内星际链路 通常，一颗卫星和同一轨道面内位于其前后通常，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的各一颗卫星建立面内星际链路 由于同一轨道面内卫星间的相对运动几乎为由于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，零，因此星际链路天线的指向角是固定的，也无需跟踪功能也无需跟踪功能 面间星际链路面间星际链路

32、 由于卫星间存在相对运动，因此星际链路天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，线的方位角、仰角以及链路长度都是时变的，因此需求采用跟踪天线因此需求采用跟踪天线6.3 星际链路星际链路 续续26.3 星际链路星际链路 续续3 层间星际链路层间星际链路 不同高度轨道平面内的卫星间存在相对运动，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使得层间星际链路会发生重建 需求采用跟踪天线需求采用跟踪天线 接入卫星选择战略对层间星际链路的稳定性接入卫星选择战略对层间星际链路的稳定性有很大的影响有很大的影响6.3 星际链路星际链路 续续46.3 星

33、际链路星际链路 续续5 仰角计算仰角计算 间隔计算间隔计算 最大地心角和间隔最大地心角和间隔/2ABEE 2 (Re) sin(/2)sDhmax22maxRe2arccosRe2 (Re)(Re)PsPHhDhH卫星高度一样时卫星高度一样时6.3 星际链路星际链路 续续6例 6.3 星座卫星的轨道高度为1414 km。在某一时辰，卫星A和卫星B分别位于(0E,20N)和(50E,15S) 。假设星际链路对地维护间隔为50 km，判别卫星A和B间能否可以建立星际链路。假设可建星际链路，其长度为多少？解：在维护间隔为50 km时，可建星际链路的两颗卫星间最大地心角卫星A和B间的瞬时地心角由于 ，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maxRe506378.1372arccos2 arccos68.83Re14146378.137PHharccos sin( 15 )sin(20 )cos( 15 )cos(20 )cos(500 )60.34 max2 (14146378.137) sin(60.34 /2)7831.6()sDkm/230.17ABEE 6.3 星际链路星际链路 续续7 仰角计算仰角计算 间隔计