1982 Inmarsat-A：第一个海事移动卫星电话系统
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
3
6.1 引言 续1
▪ 卫星移动/宽带通信的发展
第二代：数字传输技术
1988 Inmarsat-C：第一个陆地移动卫星数据通信系统
1993
Inmarsat-M and mobilesat (Australia)：第一代数字陆地移动卫星 电话系统
1996 Inmarsat-3：支持膝上型终端的移动卫星电话系统
第三代：手持系统
1998 Iridium：第一个支持手持终端的全球性低轨移动卫星通信系统
2003 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：Internet和多媒体通信
2000 ASTRA：支持高速Internet接入
卫星序号 SAT1-1 SAT1-2 SAT1-3 SAT2-1 SAT2-2 SAT2-3 SAT3-1 SAT3-2 SAT3-3
升交点经度(º) 0 0 0
120 120 120 240 240 240
初始弧角(º) 0
120 240 40 160 280 80 200 320
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
Ballard的Rosette星座) ➢ 共地面轨迹星座 ➢ 赤道轨道星座 ➢ 混合轨道星座
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
8
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90º，因此所有轨道平面在南北 极形成两个交叉点
PS 23 24 25 35 36 37 47 48 49 59 5 10 5 11 6 11
α(º) 66.7682 57.8079 53.5892 42.1648 38.5540 36.3131 30.7118 28.8361 27.5252 24.1280 22.9885 22.1339 19.8638
>2001 Spaceway, EuroSkyWay, SkyBridge, Teledesic等：支持固定、 便携或移动多媒体通信的宽带卫星通信系统
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
4
6.1 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
覆盖范围随地面基础设施的建设 而持续增长 多标准，难以全球通用
12
6.2 卫星星座设计 续7
▪ 极轨道星座
➢ 全球覆盖条件
1 c
2 2c
(P 1)1 2 (P 1) (P 1)c
(P
1)
(P
1)
arccos
cos cos( / S
)
c arccos[ cos ]
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系cos( / S)
13
6.2 卫星星座设计 续8
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
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1957 Sputnik：第一颗人造卫星，前苏联
1960 Echo: 第一颗反射式卫星
1964 SYNCOM III：第一颗GEO卫星
1965 INTELSAT I：第一颗商用GEO卫星 (Early Bird I)
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
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
17
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 1和 2 分别为
1 arcsin(sin 1 / sin i)
2
arccos(
cos
2 sin2
cos i
2
i)
式中，1 和2 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
2738.6
4 7 30.8
48.3
1917.2
4 8 28.9
47.6
1694.4
4 9 27.6
47.0
1550.6
5 9 24.2
38.0
1214.6
5 10 23.0
37.7
1116.3
5 11 22.2
37.4
1044.3
6 11 哈尔滨19工.9 业大学(威31海.4) 通信工程系868.0
▪ 极轨道星座
➢ 单重全球覆盖星座参数
PS
α(º)
2 3 66.7
∆1(º) 104.5
h (km), El=10º 20958.6
2 4 57.6
98.4
10127.1
2 5 53.2
96.5
7562.4
3 5 42.3
66.1
3888.5
3 6 38.7
64.3
3136.5
3 7 36.5
63.2
11
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
顺行轨道面间的升交点经度差
1 c
逆行轨道面道面相邻卫星间相位差
c
/ S
c 1
Co-rotating orbits
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2 / s
cc
2c 2
Counter-rotating orbits
1466.2
49
26.3
47.8
1318.2
59
22.6
38.8
1077.8
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16
6.2 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
卫星通信
第6章 卫星星座设计
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
1
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
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2
6.1 引言
▪ 卫星移动/宽带通信的发展
起源
1945 Arthur C. Clarke的科学幻想论文：地球外的中继
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18
6.2 卫星星座设计 续13
▪ 近极轨道星座
➢ 全球覆盖方程
(P
1)
arcsin
sin{
arccos[cos
sin i
/
cos(
/
S
)]}
arccos
cos{2
arccos[cos / cos(
sin2 i
/
S )]}
cos2
i
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19
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
/ S arctan(cos(i) tan(1))
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20
6.2 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
∆1(º) 104.6850
1 (º) 103.8252
98.9190
97.3951
96.3923
93.9877
65.7888
66.2803
63.9987
64.4511
62.8864
63.3170
48.1105
48.3551
47.3622
47.6005
46.8391
47.0729
37.9109
38.0816
22
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
RAAN
N
N
Walker Delta Constellation
Ballard Rosette Constellation
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6.2 卫星星座设计 续18
▪ Walker Delta星座
➢ 相邻轨道面相邻卫星的相位差概念
Satellite flying direction
arccos
h
Re Re
cos
Elmin
/s
c
coverage edge of satellite
式中S是每轨道面的卫星数量
Street of coverage
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6.2 卫星星座设计 续5
▪ 极轨道星座
14
6.2 卫星星座设计 续9
▪ 极轨道星座
➢ 球冠覆盖条件
(P 1) (P 1)c cos
φ
(P
1)
(P
1)
arccos
cos cos( / S)
cos
Equator
-φ
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6.2 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
➢ 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