卫星通信系统概述

演示文稿卫星通信系统概述当前1页，总共141页。（优选）卫星通信系统概述当前2页，总共141页。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当前3页，总共141页。卫星移动通信系统概述卫星移动通信系统发展过程第一代卫星移动通信系统：模拟信号技术

·1976年，由3颗静止卫星构成的MARISAT系统成为第1个提供海事移动通信服务的卫星系统（舰载地球站40W发射功率，天线直径1.2米）

·1982年，Inmarsat-A成为第1个海事卫星移动电话系统第二代卫星移动通信系统：数字传输技术

·1988年，Inmarsat-C成为第1个陆地卫星移动数据通信系统

·1993年，Inmarsat-M和澳大利亚的Mobilesat成为第1个数字陆地卫星移动电话系统支持公文包大小的终端

·1996年，Inmarsat-3可支持便携式的膝上型电话终端第三代卫星移动通信系统：手持终端

·1998年，铱（Iridium）系统成为首个支持手持终端的全球低轨卫星移动通信系统

·2003年以后，集成了卫星通信子系统的全球移动通信系统（UMTS/IMT-2000）当前4页，总共141页。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卫星移动通信系统地面移动通信系统易于快速实现大范围的完全覆盖覆盖范围随地面基础设施的建设而持续增长全球通用多标准，难以全球通用频率利用率低频率利用率高（蜂窝小区小）遮蔽效应使得通信链路恶化提供足够的链路余量以补偿信号衰落适合于低人口密度、有限业务量的农村环境适用于该人口密度、大业务量的城市环境当前5页，总共141页。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

当前6页，总共141页。卫星运动规律与轨道参数续1开普勒定理的图形描述当前7页，总共141页。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满足关系当前8页，总共141页。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

当前9页，总共141页。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：θ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。当前10页，总共141页。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当前11页，总共141页。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：当前12页，总共141页。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当前13页，总共141页。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当前14页，总共141页。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Ω：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ω：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当前15页，总共141页。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ν。M和tp满足如下关系式（式中Ts为卫星轨道周期）。当前16页，总共141页。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Ω

►轨道倾角i

►轨道高度h

►初始时刻的真近点角ν（即初始幅角）当前17页，总共141页。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θ

当前18页，总共141页。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，θ是真近点角当前19页，总共141页。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的值当前20页，总共141页。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ε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θ：

►通过如下方程计算瞬时卫星到地心的距离r

当前21页，总共141页。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

当前22页，总共141页。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λs表示）和纬度（用φs表示）由以下方程组确定：当前23页，总共141页。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60º，初始位置（0ºE，0ºN）的卫星24小时的星下点轨迹如下图所示当前24页，总共141页。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当前25页，总共141页。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[-90º,90º]

►α：卫星和观察点间的地心角，可取值范围为[0º,180º]

►β：卫星的半视角（或半俯角），可取值范围为[0º,90º]

►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：是卫星轨道高度当前26页，总共141页。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(λu，φu)表示观察点的瞬时经纬度，(λs，φs)表示卫星的瞬时经纬度，则两者所夹的地心角由下式确定当前27页，总共141页。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

当前28页，总共141页。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

当前29页，总共141页。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当前30页，总共141页。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＝10º时，地心角α和卫星半视角β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72º，星下半视角约8.5º

当前31页，总共141页。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＝10º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当前32页，总共141页。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10º，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90º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：2αmax。 卫星的最大覆盖地心角： 卫星的在轨运动角速度 所以，最长连续服务时间当前33页，总共141页。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）

当前34页，总共141页。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当前35页，总共141页。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0º，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0º，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0º，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。当前36页，总共141页。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90º，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0º到90º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90º到180º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

当前37页，总共141页。卫星运动规律与轨道参数续32卫星轨道按倾角分类当前38页，总共141页。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轨道类型可用高度（km）LEO700～2000MEO8000～20000GEO/GSO35786HEO远地点可达40000当前39页，总共141页。卫星运动规律与轨道参数续34当前40页，总共141页。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当前41页，总共141页。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

►多重覆盖问题当前42页，总共141页。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90º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.Lüder提出；D.C.Beste在Lüder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。当前43页，总共141页。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，α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，π/S为卫星之间的半地心角宽度当前44页，总共141页。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

►π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当前45页，总共141页。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满足当前46页，总共141页。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（90º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。当前47页，总共141页。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当前48页，总共141页。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当前49页，总共141页。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80º～100º（除90º）时的轨道

►由于近极轨道星座的倾角接近90º，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。当前50页，总共141页。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当前51页，总共141页。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：当前52页，总共141页。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）星座当前53页，总共141页。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当前54页，总共141页。非静止轨道卫星星座设计续14Delta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当前55页，总共141页。非静止轨道卫星星座设计续15Delta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当前56页，总共141页。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0º，面上第一颗卫星位于（0ºE,0ºN），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：360º/3=120º；

►面内卫星的相位差：360º/(9/3)=120º；

►相邻轨道面相邻卫星的相位差：360º×1/9=40º；当前57页，总共141页。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轨道面卫星编号升交点赤经（º）初始幅角（º）1SAT1-100SAT1-20120SAT1-302402SAT2-112040SAT2-2120160SAT2-31202803SAT3-124080SAT3-2240200SAT3-3240320当前58页，总共141页。非静止轨道卫星星座设计续18Walker的最优Delta星座

TPFi(º)αmin

(º)h(km)55143.769.22714366453.166.42033477555.760.31225588661.956.59374.299770.254.88374.2105257.152.27089.71111453.847.65344.4123150.747.95442.11313558.443.84257.1147454.042.03824.3153153.542.13847.1需要指出，该表中的数据是由Walker手工计算得到的当前59页，总共141页。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当前60页，总共141页。非静止轨道卫星星座设计续20Ballard的卫星位置以及相互关系示意图当前61页，总共141页。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。当前62页，总共141页。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：当前63页，总共141页。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。

当前64页，总共141页。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αmin必须大于或等于最坏观察点与卫星间的最大地心角当前65页，总共141页。非静止轨道卫星星座设计续25最优玫瑰星座参数NPmi(º)αmin

(º)h(km)T(hour)55143.6669.1526992.2816.9066453.1366.4220371.7712.1377555.6960.2612220.517.0388661.8656.529388.625.4999770.5454.818380.874.971010847.9351.536799.094.191111453.7947.625344.883.521231/4,7/450.7347.905440.553.561313558.4443.764247.843.0414711/253.9841.963814.132.851531/5,4/5,7/5,13/553.5142.133852.392.87当前66页，总共141页。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之间满足关系当前67页，总共141页。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））

当前68页，总共141页。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。当前69页，总共141页。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λj用去的时间和地球自转∆λ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当前70页，总共141页。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当前71页，总共141页。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∆λ和相邻卫星间的相位差∆ω满足简单的线性关系： ►

必须注意，此处的卫星间相位差∆ω

与Delta星座所定义的卫星间相位差∆ωf不同：∆ω是按逆卫星运行方向测量得到，而∆ωf则是顺卫星运行方向测量得到，因此它们之间满足2π互补关系当前72页，总共141页。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； ►∆λ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∆ω和∆ωf，以及卫星轨道高度h； ►i为星座中所有轨道面的倾角。当前73页，总共141页。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）。当前74页，总共141页。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/(2π/T)/N

是等价的。当前75页，总共141页。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6/60/2:20184:28.5º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：当前76页，总共141页。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。当前77页，总共141页。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360º，公转的平均角速度为360º/365.25=0.9856º/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。当前78页，总共141页。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θ

►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当前79页，总共141页。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： ①由于cosi的取值始终为负，因此倾角i的取值范围为(90º,180º]，所以太阳同步轨道一定是逆行轨道； ②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。

当前80页，总共141页。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当前81页，总共141页。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系统当前82页，总共141页。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当前83页，总共141页。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

当前84页，总共141页。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当前85页，总共141页。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（λs1，φs1）和（λs2，φs2）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当前86页，总共141页。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（0ºE，20ºN），卫星B的位置为（50ºE，15ºS），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α<αmax，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：当前87页，总共141页。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α）：当前88页，总共141页。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ψij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ψji的公式当前89页，总共141页。卫星星际链路续7星际链路性能随轨道高度的变化当前90页，总共141页。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。当前91页，总共141页。卫星星际链路续9星际链路性能随轨道倾角的变化当前92页，总共141页。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。当前93页，总共141页。卫星星际链路续11星际链路性能与升交点经度差的关系当前94页，总共141页。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当前95页，总共141页。卫星星际链路续13星际链路性能与初始辐角差的关系当前96页，总共141页。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。当前97页，总共141页。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当前98页，总共141页。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αmax和最长的星际链路距离Dsmax

当前99页，总共141页。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当前100页，总共141页。卫星移动通信系统网络结构续1ETSI建议的卫星个人通信网络结构当前101页，总共141页。卫星移动通信系统网络结构续2ETSI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。当前102页，总共141页。卫星移动通信系统网络结构续3ETSI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。当前103页，总共141页。卫星移动通信系统网络结构续4ETSI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。当前104页，总共141页。卫星移动通信系统网络结构续5ETSI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。当前105页，总共141页。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。当前106页，总共141页。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

当前107页，总共141页。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当前108页，总共141页。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

当前109页，总共141页。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当前110页，总共141页。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

当前111页，总共141页。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）分配当前112页，总共141页。卫星移动通信系统频率规划续1WARC-87分配的MSS频谱频率（MHz）传输方向业务类型1530.0-1533.0↓LMSS和MMSS1533.0-1544.0↓MMSS和低速率LMSS1545.0-1555.0↓AMSS（可公用）1555.0-1559.0↓LMSS1626.5-1631.5↑MMSS和低速率LMSS1631.5-1634.5↑LMSS和MMSS1634.5-1645.5↑MMSS和低速率LMSS1646.5-1656.5↑AMSS（可公用）1656.5-1660.5↑LMSS当前113页，总共141页。卫星移动通信系统

频率规划续2WARC-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波段当前114页，总共141页。卫星移动通信系统频率规划续3WRC-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IridiumGlobalstarNewICOConstellationEllipso上行用户链路MHz）1616-1626.51610-1626.51985-20152483.5-25001610-1626.5下行用户链路MHz）1616-1626.52483.5-25002170-22001610-1626.52483.5-2500上行馈送链路GHz）29.1-29.35.091-5.2505.150-5.2505.091-5.25015.45-15.65下行馈送链路GHz）19.4-19.66.875-7.0556.975-7.0756.924-7.0756.875-7.075当前115页，总共141页。卫星移动通信系统频率规划续4WRC-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当前116页，总共141页。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当前117页，总共141页。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86.4º的近极轨道平面上，面间间隔27º，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。

当前118页，总共141页。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8.2º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个信道当前119页，总共141页。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。当前120页，总共141页。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当前121页，总共141页。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。当前122页，总共141页。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。当前123页，总共141页。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。当前124页，总共141页。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当前125页，总共141页。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

►用户段当前126页，总共141页。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52º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7.5º当前127页，总共141页。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当前128页，总共141页。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