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
6
6.2 卫星星座设计
卫星星座选择
续1
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
多标准，难以全球通用
蜂窝小区小，频率利用率高
全球通用
频率利用率低
提供足够的链路余量以补偿信号 遮蔽效应使得通信链路恶化 衰落 适合于人口密度高，业务量密集 适合于低人口密度、业务量 的城市环境 有限的农村环境
5
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
续4
sub-satellite point

c
/s
coverage edge of satellite
式中S是每轨道面的卫星数量
Street of coverage Nhomakorabea10
6.2 卫星星座设计
极轨道星座
顺行/逆行轨道面和‘缝隙(seam)’ π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
续15
倾角85º 的单重全球覆盖近极轨道星座参数
) 1 (º 103.8252 97.3951 93.9877 66.2803 64.4511 63.3170 48.3551 47.6005 47.0729 38.0816 37.7000 37.4139 31.4151
h (km), EL=10° 21063.8928 10251.5175 7743.2257 3862.0274 3111.3736 2716.6567 1908.4574 1686.6606 1541.8649 1209.8590 1110.4056 1039.4163 864.8926 21
2 f F T
25
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(0º 0º E, 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 360º =120º /3 轨道面内相邻卫星间的相位差为 360º /(9/3) = 120º 相邻轨道面相邻卫星间的相位差为 轨道倾角 360º /9×1=40º 轨道高度
9
6.2 卫星星座设计
极轨道星座
卫星覆盖带(Street of Coverage) 半覆盖宽度 Satellite cos flying c arccos[ ] direction cos( / S )
Re arccos cos Elmin h Re
卫星通信
第6章 卫星星座设计
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
2
6.1 引言
卫星移动/宽带通信的发展
起源
1945 1957 Arthur C. Clarke的科学幻想论文：地球外的中继 Sputnik：第一颗人造卫星，前苏联
1960
1 1 2
续5

1
co-rotating orbits

1

2
counterrotating Orbits (seam)

1

1
1
1
11
6.2 卫星星座设计
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 逆行轨道面间的升交点经度差 2 2c 相邻轨道面相邻卫星间相位差 / S
19
6.2 卫星星座设计
近极轨道星座
续14
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 ))
20
6.2 卫星星座设计
近极轨道星座
P 2 2 2 3 3 3 4 4 4 5 5 5 6 S 3 4 5 5 6 7 7 8 9 9 10 11 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 ∆1(º ) 104.6850 98.9190 96.3923 65.7888 63.9987 62.8864 48.1105 47.3622 46.8391 37.9109 37.5317 37.2473 31.2820
SAT3-3
240
320
φ
续9
Equator
-φ
15
6.2 卫星星座设计
极轨道星座
30º 以上单重球冠覆盖星座参数
P 2 2 2 3 3 3 4 4 4 5 S 3 4 5 5 6 7 7 8 9 9 α(º ) 64.1 53.4 48.1 39.9 35.8 33.3 28.9 26.8 26.3 22.6 ∆1(º ) 111.8 103.1 98.7 68.4 66.0 64.5 49.6 48.5 47.8 38.8
17
6.2 卫星星座设计
近极轨道星座
续12
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 分别为 2
1 arcsin(sin 1 / sin i) 2 cos 2 cos i ) arccos( 2 2 sin 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
倾斜圆轨道星座
倾斜圆轨道星座的命名
RAAN
续17
N
N
Walker Delta Constellation
Ballard Rosette Constellation
23
6.2 卫星星座设计
Walker Delta星座
相邻轨道面相邻卫星的相位差概念
续18
Satellite flying direction Equator
续10
h (km), El=10º 16549.5 7650.0 5508.3 3373.5 2631.5 2252.6 1692.9 1466.2 1318.2 1077.8
16
6.2 卫星星座设计
近极轨道星座
续11
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
26
6.2 卫星星座设计
例子6.1 续 卫星的初始参数如下表
轨道序号 1 卫星序号 SAT1-1 SAT1-2 SAT1-3 SAT2-1 SAT2-2 SAT2-3 SAT3-1 SAT3-2 升交点经度(º ) 0 0 0 120 120 120 240 240
续21
2
3
初始弧角(º ) 0 120 240 40 160 280 80 200
1964 1965 1976 1982
Echo: 第一颗反射式卫星
SYNCOM III：第一颗GEO卫星 INTELSAT I：第一颗商用GEO卫星 (Early Bird I) 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 Inmarsat-A：第一个海事移动卫星电话系统
cos c arccos[ ] cos( / S )
13
6.2 卫星星座设计
极轨道星座
单重全球覆盖星座参数
P 2 2 2 3 3 3 4 4 4 5 5 5 6 S 3 4 5 5 6 7 7 8 9 9 10 11 11 α(º ) 66.7 57.6 53.2 42.3 38.7 36.5 30.8 28.9 27.6 24.2 23.0 22.2 19.9 ∆1(º ) 104.5 98.4 96.5 66.1 64.3 63.2 48.3 47.6 47.0 38.0 37.7 37.4 31.4
6.2 卫星星座设计
倾斜圆轨道星座
续16
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
22
6.2 卫星星座设计
c
Co-rotating orbits
1
续6


c c c
2c
2 / s
Counter-rotating orbits
2
12
6.2 卫星星座设计
极轨道星座
全球覆盖条件
续7
1 c 2 2c
( P 1)1 2 ( P 1) ( P 1)c cos ( P 1) ( P 1) arccos cos( / S )
第三代：手持系统
宽带卫星系统：Internet和多媒体通信
>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
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 卫星移动通信系统 覆盖范围随地面基础设施的建设 易于快速实现大范围的完全 而持续增长 覆盖