衛(wèi)星通信導(dǎo)論上課-第6章衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)ppt課件

1、第6章 衛(wèi)星挪動(dòng)通訊系統(tǒng)大 綱n衛(wèi)星挪動(dòng)通訊系統(tǒng)概述n衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù)n非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)n衛(wèi)星星際鏈路特性n衛(wèi)星挪動(dòng)通訊系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造n衛(wèi)星挪動(dòng)通訊系統(tǒng)頻率規(guī)劃n典型衛(wèi)星挪動(dòng)通訊系統(tǒng)引見(jiàn)衛(wèi)星挪動(dòng)通訊系統(tǒng)概述n衛(wèi)星挪動(dòng)通訊系統(tǒng)開(kāi)展過(guò)程 第一代衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)：模擬信號(hào)技術(shù)第一代衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)：模擬信號(hào)技術(shù) 1976年，由3顆靜止衛(wèi)星構(gòu)成的MARISAT系統(tǒng)成為第1個(gè)提供海事移動(dòng)通信服務(wù)的衛(wèi)星系統(tǒng)（艦載地球站40W發(fā)射功率，天線直徑1.2米） 1982年，Inmarsat-A成為第1個(gè)海事衛(wèi)星移動(dòng)電話系統(tǒng)第二代衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)：數(shù)字傳輸技術(shù)第二代衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)：數(shù)字傳輸技術(shù) 1988

2、年，Inmarsat-C成為第1個(gè)陸地衛(wèi)星移動(dòng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng) 1993年，Inmarsat-M和澳大利亞的Mobilesat成為第1個(gè)數(shù)字陸地衛(wèi)星移動(dòng)電話系統(tǒng)支持公文包大小的終端 2019年，Inmarsat-3可支持便攜式的膝上型電話終端第三代衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)：手持終端第三代衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)：手持終端 2019年，銥（Iridium）系統(tǒng)成為首個(gè)支持手持終端的全球低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng) 2019年以后，集成了衛(wèi)星通信子系統(tǒng)的全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（UMTS/IMT-2000）衛(wèi)星挪動(dòng)通訊系統(tǒng)概述 續(xù)1n衛(wèi)星與地面挪動(dòng)通訊系統(tǒng)的比較 衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)地面移動(dòng)通信系統(tǒng)地面移動(dòng)通信系統(tǒng)易于快

3、速實(shí)現(xiàn)大范圍的完全覆蓋覆蓋范圍隨地面基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)而持續(xù)增長(zhǎng)全球通用多標(biāo)準(zhǔn)，難以全球通用頻率利用率低頻率利用率高（蜂窩小區(qū)?。┱诒涡?yīng)使得通信鏈路惡化提供足夠的鏈路余量以補(bǔ)償信號(hào)衰落適合于低人口密度、有限業(yè)務(wù)量的農(nóng)村環(huán)境適用于該人口密度、大業(yè)務(wù)量的城市環(huán)境衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù)n開(kāi)普勒三定理n 第一定理1602年n小物體衛(wèi)星在圍繞大物體地球運(yùn)動(dòng)時(shí)的軌道是一個(gè)橢圓，并以大物體的質(zhì)心作為一個(gè)焦點(diǎn)n 第二定理1605年n小物體衛(wèi)星在軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，在一樣的時(shí)間內(nèi)掃過(guò)的面積一樣n 第三定理1618年n小物體衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)周期的平方與橢圓軌道半長(zhǎng)軸的立方成正比關(guān)系 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)1n開(kāi)普勒定理的圖

4、形描畫(huà)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)2n衛(wèi)星軌道外形參數(shù)n 偏心率e ：決議了橢圓軌道的扁平程度，當(dāng)e =0時(shí)，橢圓軌道退化為圓軌道n 軌道半長(zhǎng)軸a ：遠(yuǎn)地點(diǎn)與橢圓軌道中心C 的間隔n 軌道半短軸b ：近地點(diǎn)與橢圓軌道中心C 的間隔n e 、a 和b 滿足關(guān)系21( / )eb a衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)3n衛(wèi)星軌道外形參數(shù)n 半焦距 ：地心與橢圓軌道中心的間隔n r ：衛(wèi)星到地心的瞬時(shí)間隔，對(duì)橢圓軌道是個(gè)時(shí)變量，對(duì)圓軌道可看作常數(shù)n 遠(yuǎn)地點(diǎn) (apogee)：地心與橢圓軌道中心的間隔n 近地點(diǎn) (perigee )：地心與橢圓軌道中心的間隔maxmin(1)(1)Raerraerrae半焦距遠(yuǎn)

5、地點(diǎn)近地點(diǎn)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)4n衛(wèi)星軌道的極坐標(biāo)表達(dá)式n衛(wèi)星橢圓軌道的極坐標(biāo)表達(dá)式為n式中：是瞬時(shí)衛(wèi)星-地心連線與地心-近地點(diǎn)連線的夾角，是衛(wèi)星在軌道面內(nèi)相對(duì)于近地點(diǎn)的相位偏移量；p = a(1-e2)為橢圓半焦弦。2(1)1cos1cosaepree衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)5n衛(wèi)星的軌道速度和周期n根據(jù)機(jī)械能守恒原理可以推出：n 橢圓軌道上衛(wèi)星的瞬時(shí)速度和軌道周期n 圓軌道上衛(wèi)星的瞬時(shí)速度和軌道周期321(/ )2( )aVkm sTsra衛(wèi)星衛(wèi)星 （）3(Re)(/ )2( )hVkm sTsr衛(wèi)星衛(wèi)星衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)6例6.1 某采用橢圓軌道的衛(wèi)星，近地點(diǎn)高度近地點(diǎn)到

6、地球外表的間隔為1000km，遠(yuǎn)地點(diǎn)高度為4000Km。在地球平均半徑為6378. km的情況下，求該衛(wèi)星的軌道周期T。 解：根據(jù)圖6-1(a)可知，長(zhǎng)軸為遠(yuǎn)地點(diǎn)和近地點(diǎn)之間的直線間隔，在半長(zhǎng)軸為a，地球半徑為Re，近地點(diǎn)高度為hp和遠(yuǎn)地點(diǎn)高度為ha時(shí)，有： 所以，半長(zhǎng)軸a = 8878.km，由此可計(jì)算軌道周期： 22Re26378.1371000400017,756.274kmpaahh328325.1703( )aTs衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)7n地心坐標(biāo)系n 地心O為原點(diǎn) n X軸指向春分點(diǎn)方向n Z軸與地球的自轉(zhuǎn)軸重合，n 指向北極點(diǎn) n X軸和Y軸確定的平面n與赤道平面重合n X、

7、Y、Z軸構(gòu)成一個(gè)右手坐標(biāo)系 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)8n軌道參數(shù)n 在地心坐標(biāo)系中，為完好地描畫(huà)恣意時(shí)辰衛(wèi)星在空間中的位置，通常運(yùn)用2組6個(gè)軌道參數(shù)n 第一組參數(shù)定義了軌道的方位，用于確定衛(wèi)星相對(duì)于地球的位置n 第二組參數(shù)定義了軌道的幾何外形和衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)特性，用于確定衛(wèi)星在軌道面內(nèi)的位置衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)9n軌道參數(shù)n確定軌道平面方位的三個(gè)參數(shù)為：n 右旋升交點(diǎn)赤經(jīng)：赤道平面內(nèi)從春分點(diǎn)方向到軌道面交點(diǎn)線間的角度，按地球自轉(zhuǎn)方向度量n 軌道傾角i：軌道平面與赤道平面間的夾角n 近地點(diǎn)幅角：軌道平面內(nèi)，升交點(diǎn)與近地點(diǎn)間的夾角，從升交點(diǎn)按衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)方向度量衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)10n軌道

8、參數(shù)n確定軌道平面幾何外形和衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)特性的三個(gè)參數(shù)為：n 軌道偏心率e：反映了軌道面的扁平程度，取值范圍0,1) ；n 軌道半長(zhǎng)軸a：橢圓軌道中心到遠(yuǎn)地點(diǎn)的間隔；n 平均近點(diǎn)角M或過(guò)近地點(diǎn)時(shí)間tp ：經(jīng)過(guò)平均近點(diǎn)角M或過(guò)近地點(diǎn)時(shí)間tp可以計(jì)算衛(wèi)星的真近點(diǎn)角。 M和tp滿足如下關(guān)系式式中Ts為衛(wèi)星軌道周期。2()psMttT衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)11n圓軌道參數(shù)n對(duì)圓軌道，通常以為軌道偏心率恒為0，近地點(diǎn)和升交點(diǎn)重合，只需4個(gè)參數(shù)就可以完好描畫(huà)衛(wèi)星在空間的位置：n 右旋升交點(diǎn)赤經(jīng)n 軌道傾角in 軌道高度hn 初始時(shí)辰的真近點(diǎn)角即初始幅角 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)12n衛(wèi)星在圓軌道平面內(nèi)

9、的定位 n 對(duì)圓軌道，以升交點(diǎn)替代近地點(diǎn)作為面內(nèi)相位參考點(diǎn)n 衛(wèi)星以近似恒定的速度Vs飛行，因此瞬時(shí)衛(wèi)星與升交點(diǎn)間的夾角 Vt衛(wèi)星衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)13n衛(wèi)星在橢圓軌道平面內(nèi)的定位n 由于橢圓軌道上衛(wèi)星的在軌n飛行速度是時(shí)變的，因此確定衛(wèi)n星在軌道內(nèi)的位置的方法相對(duì)復(fù)雜n 通常采用右側(cè)所示幾何方法n來(lái)間接計(jì)算衛(wèi)星的瞬時(shí)真近點(diǎn)角n 圖中，E稱(chēng)為偏心近點(diǎn)角，n是真近點(diǎn)角衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)14n衛(wèi)星在橢圓軌道平面內(nèi)的定位n 根據(jù)開(kāi)普勒第二定理，可以推導(dǎo)偏心近點(diǎn)角E與平均近點(diǎn)角M之間滿足關(guān)系n上式通常稱(chēng)為開(kāi)普勒方程Keplers equation，在偏心率e 0時(shí)沒(méi)有實(shí)際解，通常運(yùn)用數(shù)

10、值方法如牛頓迭代法和線性迭代法來(lái)計(jì)算E的值 sinMEeE 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)15n牛頓迭代法n 迭代公式n 迭代終止條件n其中為允許的最大誤差 n 運(yùn)用數(shù)值方法計(jì)算出瞬時(shí)的偏心近點(diǎn)角E后，可以經(jīng)過(guò)高斯方程計(jì)算真近點(diǎn)角：n 經(jīng)過(guò)如下方程計(jì)算瞬時(shí)衛(wèi)星到地心的間隔r 1sin1sinkkkkkkkMEeEMMEEeE 1kkMM12 arctan(tan)12eEe(1cos)raeE 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)16n衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡n 衛(wèi)星的星下點(diǎn)指衛(wèi)星地心連線與地球外表的交點(diǎn)n 星下點(diǎn)隨時(shí)間在地球外表上的變化途徑稱(chēng)為星下點(diǎn)軌跡n 星下點(diǎn)軌跡是最直接地描畫(huà)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律的方法n 由于衛(wèi)星在空

11、間沿軌道繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)，而地球又在自轉(zhuǎn)，因此衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)一圈后，其星下點(diǎn)普通不會(huì)再反復(fù)前一圈的運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)17n衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡n 假定0時(shí)辰，衛(wèi)星經(jīng)過(guò)其右升交點(diǎn)，那么衛(wèi)星在恣意時(shí)辰t0的星下點(diǎn)經(jīng)度用s表示和緯度用s表示由以下方程組確定： 0180 ( 18090 )( )arctan(costan )0 ( 9090 )180 (90180 )( )arcsin(sinsin )sestitti 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)18n衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡n 一顆軌道高度為92km，軌道傾角60，初始位置0E，0N的衛(wèi)星24小時(shí)的星下點(diǎn)軌跡如以下圖所示 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)19n單顆衛(wèi)

12、星覆蓋特性計(jì)算n 單顆衛(wèi)星對(duì)地覆蓋的幾何關(guān)系如以下圖所示 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)20n單顆衛(wèi)星覆蓋特性計(jì)算n E：察看點(diǎn)對(duì)衛(wèi)星的仰角，以察看點(diǎn)的地平線為參考，可取值范圍為-90, 90n：衛(wèi)星和察看點(diǎn)間的地心角，可取值范圍為0, 180n ：衛(wèi)星的半視角或半俯角，可取值范圍為0, 90n d ：衛(wèi)星到察看點(diǎn)的間隔 n X：衛(wèi)星覆蓋區(qū)的半徑 n Re：地球平均半徑n h ：是衛(wèi)星軌道高度 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)21n單顆衛(wèi)星覆蓋特性計(jì)算n 衛(wèi)星和察看點(diǎn)間的地心角n 當(dāng)察看點(diǎn)和衛(wèi)星的地理位置以經(jīng)緯度坐標(biāo)方式給出時(shí)，以(u，u)表示察看點(diǎn)的瞬時(shí)經(jīng)緯度，(s，s)表示衛(wèi)星的瞬時(shí)經(jīng)緯度，那么兩者

13、所夾的地心角由下式確定 ReRearccoscosarcsinsinReRehEEharccos sin() sin()cos() cos() cos()ususus衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)22n單顆衛(wèi)星覆蓋特性計(jì)算n 衛(wèi)星的半視角n 察看點(diǎn)的仰角n ReRe sinarcsincosarctanRe(Re)Re cosEhh(Re) cosReRearctanarccossin(Re) sinRehhEh衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)23n單顆衛(wèi)星覆蓋特性計(jì)算n 星地間隔n 覆蓋區(qū)半徑 n 22222Re(Re)2 Re (Re) cos= Re sin2ReRe sindhhEhhE Re

14、sinX衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)24n單顆衛(wèi)星覆蓋特性計(jì)算n 察看點(diǎn)的最小仰角Emin：系統(tǒng)的一個(gè)給定目的。根據(jù)Emin和衛(wèi)星軌道高度 h 便可以計(jì)算衛(wèi)星的最大覆蓋地心角、最小星下點(diǎn)視角和最大星地傳輸間隔，從而確定衛(wèi)星的瞬時(shí)覆蓋區(qū)的直徑和面積、覆蓋區(qū)內(nèi)不同地點(diǎn)的衛(wèi)星天線輻射增益和邊沿覆蓋區(qū)的最大傳輸損耗等 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)25n單顆衛(wèi)星覆蓋特性計(jì)算n 仰角E10時(shí)，地心角和衛(wèi)星半視角隨衛(wèi)星軌道高度h的變化情況如右圖n 地心角隨軌道高度的添加而增大，衛(wèi)星半視角隨軌道高度的添加而減小，靜止軌道衛(wèi)星的地心角約72，星下半視角約8.5 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)26n單顆衛(wèi)星覆蓋特性計(jì)算n

15、 仰角E10時(shí)，星地間隔 d 隨衛(wèi)星軌道高度h的變化情況如右圖n星地間隔隨軌道高度的添加而增大，靜止軌道衛(wèi)星的最大星地間隔約為41000km 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)27例6.2：知某衛(wèi)星的軌道高度為1450km，系統(tǒng)允許的最小接入仰角為10，試計(jì)算該衛(wèi)星可以提供的最長(zhǎng)延續(xù)效力時(shí)間。解：假設(shè)衛(wèi)星恰好經(jīng)過(guò)察看點(diǎn)上空。隨著衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)，察看點(diǎn)的仰角閱歷從最小接入值增大到最大值90再減小到最小接入值的過(guò)程。該過(guò)程中衛(wèi)星可以提供最長(zhǎng)延續(xù)的效力，此期間衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)掃過(guò)的地心角為：2max。衛(wèi)星的最大覆蓋地心角：衛(wèi)星的在軌運(yùn)動(dòng)角速度 所以，最長(zhǎng)延續(xù)效力時(shí)間max6378.137arccoscos101026.6

16、414506378.137 433398601.582/9.12 10/0.0522 /(Re)(14506378.137)STrad ssh衛(wèi)星maxmax2/1020.6917minSts衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)28n非靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)的軌道和高度選擇 n 衛(wèi)星軌道外形和高度是確定完成對(duì)指定區(qū)域覆蓋所需的衛(wèi)星數(shù)量和系統(tǒng)特性的一個(gè)非常重要的要素n 衛(wèi)星軌道的分類(lèi)：n1按外形：橢圓軌道和圓軌道n2按傾角：赤道軌道、極軌道和傾斜軌道n3按高度：低地球軌道LEO、中地球軌道MEO、靜止/同步軌道GEO/GSO和高橢圓軌道HEO 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)29n衛(wèi)星軌道按外形分類(lèi)n 橢圓軌道通常只

17、在衛(wèi)星相對(duì)地面運(yùn)動(dòng)速度較慢即位于遠(yuǎn)地點(diǎn)附近時(shí)才提供通訊效力，因此更加適宜于為特定的區(qū)域提供效力特別是高緯度區(qū)域 n圓軌道衛(wèi)星可以提供較均勻的覆蓋特性，通常被提供較均勻的全球覆蓋的系統(tǒng)采用 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)30n衛(wèi)星軌道按傾角分類(lèi)n 赤道軌道：傾角為0，軌道上衛(wèi)星的運(yùn)轉(zhuǎn)方向與地球自轉(zhuǎn)方向一樣，且衛(wèi)星相對(duì)于地面的運(yùn)動(dòng)速度隨著衛(wèi)星高度的添加而降低。當(dāng)軌道高度為35786 km時(shí)，衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度與地球自轉(zhuǎn)的速度一樣。假設(shè)此時(shí)軌道傾角為0，那么衛(wèi)星對(duì)地的運(yùn)動(dòng)速度為0，這種軌道就是靜止Geostationary軌道；假設(shè)衛(wèi)星的傾角不為0，那么衛(wèi)星依然存在對(duì)地的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這樣的軌道稱(chēng)為地球同步Geo

18、synchronous軌道，其星下點(diǎn)軌跡呈現(xiàn)出“8字型。 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)31n衛(wèi)星軌道按傾角分類(lèi)n 極軌道的軌道面垂直與赤道平面，軌道傾角為90，衛(wèi)星穿越地球的南北極 n 傾斜軌道又可以根據(jù)衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)方向和地球自轉(zhuǎn)方向的差別分為順行和逆行軌道n 順行傾斜軌道傾角在0到90之間，軌道上衛(wèi)星在赤道面上投影的運(yùn)轉(zhuǎn)方向與地球自轉(zhuǎn)方向一樣n 逆行傾斜軌道的傾角在90到180之間，軌道上衛(wèi)星在赤道面上投影的運(yùn)轉(zhuǎn)方向與地球自轉(zhuǎn)方向相反 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)32n衛(wèi)星軌道按傾角分類(lèi)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)33n衛(wèi)星軌道按高度分類(lèi)n 各種軌道的可用高度范圍如下表軌道類(lèi)型可用高度（km）LEO

19、7002000MEO800020000GEO/GSO35786HEO遠(yuǎn)地點(diǎn)可達(dá)40000衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與軌道參數(shù) 續(xù)34非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)n衛(wèi)星星座的定義n具有類(lèi)似的類(lèi)型和功能的多顆衛(wèi)星，分布在類(lèi)似的或互補(bǔ)的軌道上，在共享控制下協(xié)同完成一定的義務(wù) 非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)1n星座設(shè)計(jì)時(shí)的根本思索n 用戶仰角應(yīng)盡能夠大n 信號(hào)的傳輸延時(shí)應(yīng)盡能夠低n 衛(wèi)星有效載荷的能量耗費(fèi)要盡能夠低 n 假設(shè)系統(tǒng)采用星際鏈路，那么面內(nèi)和面間的星際鏈路干擾必需限制在可以接納的范圍內(nèi)n 多重覆蓋問(wèn)題 非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)2n極軌道星座設(shè)計(jì)方法n 當(dāng)衛(wèi)星軌道平面相對(duì)于赤道平面的傾角為90時(shí)，軌道穿越地球南北極

20、上空，稱(chēng)這種類(lèi)型的軌道為極軌道。n 利用圓極軌道星座實(shí)現(xiàn)全球單重覆蓋的思想最早由美國(guó)科學(xué)家R.D.Lder提出；D.C.Beste在Lder的任務(wù)根底上進(jìn)展了進(jìn)一步的分析和優(yōu)化；W.S.Adams和L.Rider給出了目前被廣泛采用的優(yōu)化極軌道星座優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。 非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)3n衛(wèi)星覆蓋帶(Street of Coverage) n 覆蓋帶是基于同一軌道面內(nèi)多顆衛(wèi)星的相鄰重疊覆蓋特性，在地面上構(gòu)成的一個(gè)延續(xù)覆蓋區(qū)域n 覆蓋帶半地心角寬度c n式中，為單顆衛(wèi)星覆蓋的半地心角寬度，S為每個(gè)軌道面內(nèi)的衛(wèi)星數(shù)量，/S為衛(wèi)星之間的半地心角寬度cosarccoscos(/ )cS非靜止軌道衛(wèi)

21、星星座設(shè)計(jì) 續(xù)4n 極軌道星座極點(diǎn)察看投影圖n 星座n 星座軌道面間的經(jīng)度差不同 n 順行軌道面間的間隔較大n 逆行軌道面間的間隔較小非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)5n相鄰軌道面覆蓋的幾何關(guān)系 n 順行軌道面的衛(wèi)星之間堅(jiān)持固定的空間相位關(guān)系n 逆行軌道面的衛(wèi)星之間的空間相位關(guān)系那么是變化的n 極軌道星座中順行和逆行軌道面之間的經(jīng)度差1和2滿足 122cc 非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)6n極軌道星座的衛(wèi)星分布特性n由于極軌道星座的特殊軌道構(gòu)造90傾角，一切軌道面交于南北極點(diǎn)，星座中的衛(wèi)星在天球上的分布是不均勻的：衛(wèi)星在赤道平面上最稀疏，相互間的間隔間隔最大；在兩極處最密集，相互間的間隔間隔最小。n因此

22、，在思索極軌道星座對(duì)全球的覆蓋時(shí)，只需思索對(duì)赤道實(shí)現(xiàn)延續(xù)覆蓋；在思索對(duì)球冠區(qū)域的覆蓋時(shí)，只需思索對(duì)球冠的最低緯度圈實(shí)現(xiàn)延續(xù)覆蓋。 非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)7n極軌道星座實(shí)現(xiàn)全球覆蓋n極軌道星座實(shí)現(xiàn)全球覆蓋時(shí)，星座參數(shù)應(yīng)滿足方程n相鄰軌道面相鄰衛(wèi)星之間的相位差 應(yīng)滿足 12(1) (1)(1) cos(1)(1)arccoscos(/ )PPPcPPS /S非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)8n極軌道星座實(shí)現(xiàn)極冠覆蓋n極軌道星座實(shí)現(xiàn)全球覆蓋時(shí)，星座參數(shù)應(yīng)滿足方程n式中， 為極冠覆蓋區(qū)的最低緯度n相鄰軌道面相鄰衛(wèi)星之間的相位差與全球覆蓋時(shí)的一樣(1)(1)cos cos(1)(1)arccoscosco

23、s(/ )PPcPPS非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)9n近極軌道星座n 衛(wèi)星軌道平面與赤道平面的夾角為80100除90時(shí)的軌道n 由于近極軌道星座的傾角接近90，因此，仍可以采用覆蓋帶分析的方法，思索在赤道區(qū)域延續(xù)覆蓋時(shí)的要求，采用解析方法確定最優(yōu)星座參數(shù)。 非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)10n近極軌道星座實(shí)現(xiàn)全球覆蓋n 根據(jù)近極軌道的傾角特性，近極軌道星座中順行和逆行軌道面之間的經(jīng)度差 和 滿足：nn 相鄰軌道面相鄰衛(wèi)星之間的相位差 滿足112222arcsin(sin/sin )coscosarccos()siniii 121/arctan(cos( ) tan()Si非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)1

24、1n近極軌道星座實(shí)現(xiàn)全球覆蓋n因此，在實(shí)現(xiàn)全球覆蓋時(shí)，近極軌道星座的參數(shù)應(yīng)滿足方程：22sinarccoscos/cos(/ )(1) arcsinsincos2 arccoscos/cos(/ )cosarccossinSPiSii非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)12n傾斜圓軌道星座設(shè)計(jì) Walker Delta星座 Ballard玫瑰Rosette星座非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)13n傾斜圓軌道星座的根本特性nn 多個(gè)傾角和高度一樣的軌道平面 n 各軌道平面具有一樣數(shù)量的衛(wèi)星n 各軌道平面內(nèi)衛(wèi)星在面內(nèi)均勻分布n 各軌道平面的右旋升交點(diǎn)在參考平面內(nèi)均勻分布n 相鄰軌道相鄰衛(wèi)星間存在確定的相位關(guān)系非靜

25、止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)14nDelta星座n Delta星座運(yùn)用相鄰軌道面內(nèi)，相鄰衛(wèi)星的初始相位差來(lái)確定星座中各衛(wèi)星的相對(duì)空間位置關(guān)系n 相鄰軌道面相鄰衛(wèi)星相位差的物理意義如以下圖 非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)15nDelta星座標(biāo)識(shí)法nWalker采用3個(gè)參數(shù)來(lái)描畫(huà)Delta星座：T/P/F。n T 代表星座的衛(wèi)星總數(shù)；n P 代表星座的軌道面數(shù)量；n F 稱(chēng)為相位因子，n Delta星座按下式確定相鄰軌道相鄰衛(wèi)星的初始相位差 2/fF T非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)16例6.3 知某星座的Delta標(biāo)識(shí)為：9/3/1:10355:43，假設(shè)初始時(shí)辰星座的第一個(gè)軌道面的升交點(diǎn)赤經(jīng)為0，面上第一顆

26、衛(wèi)星位于0E, 0N，試確定星座各衛(wèi)星的軌道參數(shù)。解：根據(jù)Delta星座特性，可知星座多個(gè)軌道面的右旋升交點(diǎn)在赤道平面內(nèi)均勻分布，每個(gè)軌道面內(nèi)的衛(wèi)星在面內(nèi)均勻分布，再根據(jù)相位因子F 可以確定各衛(wèi)星的軌道參數(shù)： 相鄰軌道面的升交點(diǎn)經(jīng)度差：360/3=120； 面內(nèi)衛(wèi)星的相位差：360/(9/3)=120； 相鄰軌道面相鄰衛(wèi)星的相位差：3601/9=40； 非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)17例6.3 (續(xù))再根據(jù)第一顆衛(wèi)星的初始位置，可以得到一切衛(wèi)星的初始軌道參數(shù)如下表 軌道面衛(wèi)星編號(hào)升交點(diǎn)赤經(jīng)（）初始幅角（）1SAT1-100SAT1-20120SAT1-302402SAT2-112040SAT2-

27、2120160SAT2-31202803SAT3-124080SAT3-2240200SAT3-3240320非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)18nWalker的最優(yōu)Delta星座 TPFi ()min ()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

28、求指出，該表中的數(shù)據(jù)是由Walker手工計(jì)算得到的非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)19n玫瑰星座n Rosette星座中，衛(wèi)星的初始相位與其所在軌道面的右旋升交點(diǎn)赤經(jīng)或經(jīng)度值成一定的比例關(guān)系n Ballard運(yùn)用3個(gè)不變的方向角和一個(gè)時(shí)變的相位角來(lái)確定衛(wèi)星在運(yùn)轉(zhuǎn)天球面上的瞬時(shí)位置非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)20nBallard的衛(wèi)星位置以及相互關(guān)系表示圖 2 /jjjjjijT為第 個(gè)軌道平面的右旋升交點(diǎn)為軌道面傾角為第 顆衛(wèi)星在軌道面內(nèi)的初始相位，從右旋升交點(diǎn)順衛(wèi)星運(yùn)行方向測(cè)量為衛(wèi)星在軌道平面內(nèi)的時(shí)變相位非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)21n玫瑰星座標(biāo)識(shí)法nBallard采用3個(gè)參數(shù)來(lái)描畫(huà)玫瑰星座: (N

29、, P, m)n N 代表星座的衛(wèi)星總數(shù)；n P 代表星座的軌道面數(shù)量；n m 稱(chēng)為協(xié)因子，確定了衛(wèi)星在軌道面內(nèi)的初始相位。n 協(xié)因子m是一個(gè)非常重要的玫瑰星座參數(shù)，它不僅影響衛(wèi)星初始時(shí)辰在運(yùn)轉(zhuǎn)天球上的分布，也影響衛(wèi)星組成的圖案在天球上的旋進(jìn)速度。 非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)22n衛(wèi)星方向角與玫瑰星座參數(shù)的關(guān)系n對(duì)衛(wèi)星總數(shù)為N，軌道面數(shù)量為P，每軌道面內(nèi)衛(wèi)星數(shù)量為S的玫瑰星座，衛(wèi)星的方向角具有如下的對(duì)稱(chēng)方式： 2/0 1(0 1)/2/(2/)jjjjj PjNiimNSmmj PmSj NNP S非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)23n協(xié)因子m的特性n 協(xié)因子m可以是整數(shù)也可以是不可約分?jǐn)?shù)；n 假設(shè)

30、m是0到N1的整數(shù)，即意味著S1，表示星座中每一個(gè)軌道平面上只需一顆衛(wèi)星；n 假設(shè)協(xié)因子m為不可約分?jǐn)?shù)，那么一定以S為分母，表示星座中每一個(gè)軌道平面上有S顆衛(wèi)星。 非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)24n最優(yōu)玫瑰星座的優(yōu)化準(zhǔn)那么n Ballard優(yōu)化戰(zhàn)略：最壞察看點(diǎn)的n最大地心角最小化準(zhǔn)那么n 任一時(shí)辰地球外表上的最壞n察看點(diǎn)是某3顆衛(wèi)星的星下點(diǎn)所構(gòu)成n的球面三角形的中心，該點(diǎn)到3顆衛(wèi)n星星下點(diǎn)的地心角間隔一樣n 為保證星座的全球覆蓋，衛(wèi)星n的最小覆蓋地心角min必需大于或n等于最壞察看點(diǎn)與衛(wèi)星間的最大地心角 非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)25n最優(yōu)玫瑰星座參數(shù)NPmi ()min ()h (km)T (

31、hour)55143.6669.1526992.2816.9066453.1366.4220371.7712.1377555.6960.2612220.517.0388661.8656.529388.625.495.4999770.5454.818380.874.971010847.9351.536799.094.191111453.7947.625344.883.521231/4, 7/450.7347.905440.553.561313558.4443.764247.843.0414711/253.9841.963814.132.851531/5, 4/5, 7/5, 13/553.514

32、2.133852.392.87非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)26n玫瑰星座與Delta星座的等價(jià)性 n Ballard在其研討結(jié)果中指出：玫瑰星座與Walker的Delta星座是等價(jià)的n 玫瑰星座的協(xié)因子m和Delta星座的相位因子F可以相互轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)F 和m之間滿足關(guān)系 mod(,)mod( , )FmS Px yxy是對(duì) 進(jìn)行模 運(yùn)算非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)27例6.4 ICO星座的Delta標(biāo)識(shí)為10/2/0，試寫(xiě)出其等價(jià)的玫瑰星座標(biāo)識(shí)。解：知軌道面數(shù)量P=2，每軌道面衛(wèi)星數(shù)量S=10/2=5，相位因子F=0，有根據(jù)玫瑰星座特性，協(xié)因子m的分子部分取值應(yīng)不等于0并且小于星座衛(wèi)星數(shù)量即02

33、n10，可以斷定n的能夠取值為1、2、3和4。所以，協(xié)因子為： ICO星座的玫瑰星座標(biāo)識(shí)為：10, 2, 2/5, 4/5, 6/5, 8/5 mod(5 ,2)0522 /5mmnmn2 /5(2/5,4/5,6/5,8/5)mn非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)28n共地面軌跡星座的特性n 包含多個(gè)軌道高度和傾角一樣軌道面；n 每軌道面一顆衛(wèi)星；n 一切衛(wèi)星沿不變得地面軌跡運(yùn)轉(zhuǎn)；n 適宜于實(shí)現(xiàn)區(qū)域覆蓋衛(wèi)星通訊系統(tǒng)。非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)29n共地面軌跡星座的參數(shù)約束關(guān)系n 由圖可見(jiàn)，假設(shè)衛(wèi)星j從當(dāng)前位置n運(yùn)轉(zhuǎn)到其升交點(diǎn)j用去的時(shí)間和地球n自轉(zhuǎn)用去的時(shí)間一樣，那么衛(wèi)星j和n衛(wèi)星i具有一樣的星下點(diǎn)

34、軌跡n因此，共地面軌跡星座中相鄰軌n道面衛(wèi)星應(yīng)滿足/eS 非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)30n共地面軌跡星座的參數(shù)約束關(guān)系n 為維持地面軌跡的不變性，共地面軌跡星座通常采用回歸或準(zhǔn)回歸軌道n 回歸/準(zhǔn)回歸軌道的周期可經(jīng)過(guò)下式確定。式中，M為回歸周期，N為回歸周期內(nèi)衛(wèi)星繞地球旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)。n由此可知采用回歸/準(zhǔn)回歸軌道衛(wèi)星的在軌角速度與地球自轉(zhuǎn)的角速度之間滿足關(guān)系 /seTTMN/seN M非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)31n共地面軌跡星座的參數(shù)約束關(guān)系n 綜上可推出：采用回歸/準(zhǔn)回歸軌道的共地面軌跡星座中，相鄰軌道面間的升交點(diǎn)經(jīng)度差和相鄰衛(wèi)星間的相位差滿足簡(jiǎn)單的線性關(guān)系：n 必需留意，此處的衛(wèi)星間相位差

35、 與Delta星座所定義的衛(wèi)星間相位差f不同：是按逆衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)方向丈量得到，而f那么是順衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)方向丈量得到，因此它們之間滿足2互補(bǔ)關(guān)系 /N M 2f非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)32n共地面軌跡星座的編碼標(biāo)識(shí)方法n可以仿照Walker對(duì)Delta星座的標(biāo)識(shí)方法，將共地面軌跡星座的各參數(shù)標(biāo)識(shí)為n其中：n T為星座中衛(wèi)星數(shù)量，也即軌道面數(shù)量；n 為星座中相鄰軌道面間的升交點(diǎn)經(jīng)度差；n N/M稱(chēng)為調(diào)相因子，確定了相鄰軌道面相鄰衛(wèi)星間的相位差和f ，以及衛(wèi)星軌道高度h；n i為星座中一切軌道面的傾角。 /(/): /:TN Mh iTN h i或非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)32n共地面軌跡星座與Delta

36、星座的等價(jià)性n Delta星座中相鄰軌道面的經(jīng)度差和相鄰軌道面相鄰衛(wèi)星的相位差分別為n n 要使得Delta星座與共地面軌跡星座等價(jià)，那么首先要滿足T =P即每軌道面一顆衛(wèi)星 ，再結(jié)合前頁(yè)的等式，可以推出n由于T和F均是整數(shù)，Delta星座與共地面軌跡星座等價(jià)時(shí)，必然采用回歸軌道M1。 2/ 2/fPF T/TFN M非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)33n共地面軌跡星座與Delta星座的等價(jià)性n 最終，可以確定參數(shù)T、F和N之間滿足關(guān)系式n Delta星座 T/T/(T-N) 與共地面軌跡星座 T/(2/T)/N 是等價(jià)的。 (1)FTN NT非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)34例6.5 試確定與共地面軌

37、跡星座6/60/2:20214:28.5等價(jià)的Delta星座參數(shù)。解：根據(jù)共地面軌跡星座標(biāo)識(shí)方法可知： 星座衛(wèi)星數(shù)量 T=6； 回歸周期內(nèi)衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)圈數(shù)N=2。根據(jù)Delta星座與共地面軌跡星座的等價(jià)關(guān)系式可知等價(jià)的Delta星座標(biāo)識(shí)為：6/6/4:20184:28.5非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)35n太陽(yáng)同步軌道n 由于地球的偏平度和內(nèi)部密度的不均勻性，將引起軌道平面圍繞地球極軸旋轉(zhuǎn)，所以軌道面的右旋升交點(diǎn)經(jīng)度將在赤道平面上自西向東漂移，產(chǎn)生所謂軌道平面的“進(jìn)動(dòng)，進(jìn)動(dòng)的平均角速度為：nn式中：Re為地球半徑，e為軌道偏心率，h為瞬時(shí)衛(wèi)星間隔地球外表的高度，i為軌道傾角。 3.522Re9.964

38、 ()(1)cos( /)Redeidth 天非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)36n太陽(yáng)同步軌道n 地球在一年時(shí)間365.25天內(nèi)繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)360，公轉(zhuǎn)的平均角速度為360/365.25=0.9856/天 。n 假設(shè)選擇適宜的軌道參數(shù)，使得軌道面進(jìn)動(dòng)的平均角速度與地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的平均角速度一樣，這樣的軌道稱(chēng)為太陽(yáng)同步軌道。n 由于太陽(yáng)同步軌道與地球有一樣的旋轉(zhuǎn)平均角速度，使得軌道平面一直與太陽(yáng)堅(jiān)持固定的幾何關(guān)系。 非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)37n太陽(yáng)同步軌道n 軌道平面與太陽(yáng)間幾乎固定的幾何關(guān)系表征在：軌道平面與黃道面的交線與地心-日心連線的夾角堅(jiān)持固定的一個(gè)角度n 這種固定的空間幾何關(guān)系使得太陽(yáng)同

39、步軌道的衛(wèi)星總是在一樣的本地時(shí)LST經(jīng)過(guò)某一區(qū)域的上空 非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)38n太陽(yáng)同步軌道n 圓太陽(yáng)同步軌道的軌道高度和軌道傾角之間的制約關(guān)系n 根據(jù)上式可知：n 由于cosi的取值一直為負(fù)，因此傾角i的取值范圍為 ( 90, 180，所以太陽(yáng)同步軌道一定是逆行軌道；n 由| cosi |=4.77310-15(h+Re)3.51，可知圓軌道太陽(yáng)同步軌道的高度是受限的，最高高度為5974.9 km。 3.5157/2Re0.98569.964coscos4.773 10(Re)Rediihdth 非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)39n太陽(yáng)同步軌道星座n 由于太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星總是在一樣的本地

40、時(shí)間經(jīng)過(guò)同一區(qū)域上空，因此廣泛地運(yùn)用于對(duì)地察看和監(jiān)測(cè)衛(wèi)星系統(tǒng)中，以提供在幾乎一樣的日照條件下對(duì)一樣地域的觀測(cè)結(jié)果。n 在實(shí)踐的察看和監(jiān)測(cè)衛(wèi)星系統(tǒng)中，衛(wèi)星的軌道高度通常低于1000km如加拿大的RADARSAT1衛(wèi)星高度為798 km、美國(guó)的Landsat7衛(wèi)星高度為705 km里，其低軌道特性為地球觀測(cè)提供優(yōu)良的觀測(cè)條件和軌道條件 非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 續(xù)40n太陽(yáng)同步軌道星座n 太陽(yáng)同步軌道也可以用于實(shí)現(xiàn)n衛(wèi)星挪動(dòng)通訊系統(tǒng)，如由288顆衛(wèi)n星構(gòu)成的Teledesic系統(tǒng) 衛(wèi)星星際鏈路n在衛(wèi)星之間建立星際通訊鏈路激光鏈路或毫米波鏈路，每顆衛(wèi)星將成為空間網(wǎng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，使通訊信號(hào)能不依賴(lài)于地面通

41、訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)展傳輸，提高傳輸?shù)男屎拖到y(tǒng)的獨(dú)立性，對(duì)于組建全球性通訊網(wǎng)將是非常方便和靈敏的。n星際鏈路的特性的描畫(huà)n 仰角的時(shí)變特性 天線的動(dòng)態(tài)指向特性n 方位角的時(shí)變特性 天線的動(dòng)態(tài)指向特性n 星間間隔的時(shí)變特性 功率的動(dòng)態(tài)控制特性衛(wèi)星星際鏈路 續(xù)1n一樣軌道高度衛(wèi)星間的星際鏈路n 同一軌道平面內(nèi)的軌內(nèi)星際鏈路Intra-Orbit ISL：同一軌道面內(nèi)的兩顆衛(wèi)星可以根本堅(jiān)持不變的相對(duì)位置，軌內(nèi)星際鏈路的星間間隔、方位角和仰角變化很小，建立相對(duì)容易 n 不同軌道平面之間的軌間星際鏈路Inter-Orbit ISL：由于不同軌道面內(nèi)兩顆衛(wèi)星存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)，軌間星際鏈路的方位角、仰角和星間間隔普通隨

42、時(shí)間而變化，建立相對(duì)比較困難 衛(wèi)星星際鏈路 續(xù)2n星際鏈路的仰角和間隔計(jì)算n 根據(jù)右圖所示的幾何關(guān)系容易推出 max22max/22 (Re) sin(/2)Re2arccosRe2 (Re)(Re)ABsPsPEEDhHhDhH 仰角：星間距離：最大地心角：最大星間距離：衛(wèi)星星際鏈路 續(xù)3n知衛(wèi)星位置時(shí)的仰角計(jì)算n 假設(shè)兩顆衛(wèi)星的瞬時(shí)經(jīng)緯度位置知，分別以s1，s1和s2，s2表示，那么衛(wèi)星所夾的地心角為 n根據(jù)前頁(yè)的式子可以確定衛(wèi)星間的仰角和間隔121212arccos sin() sin()cos() cos() cos()ssssss衛(wèi)星星際鏈路 續(xù)4例例6.6某一星座采用的軌道高度為某

43、一星座采用的軌道高度為1414km。某一時(shí)辰，衛(wèi)星。某一時(shí)辰，衛(wèi)星A的位置為的位置為0E，20N，衛(wèi)星，衛(wèi)星B的位置為的位置為50E，15S，問(wèn)在最小余隙為問(wèn)在最小余隙為50km時(shí)，衛(wèi)星時(shí)，衛(wèi)星A和和B間能否建立星際鏈路？假間能否建立星際鏈路？假設(shè)能，此時(shí)星際鏈路的仰角是多少？設(shè)能，此時(shí)星際鏈路的仰角是多少？解：根據(jù)知條件可以計(jì)算該星座衛(wèi)星可以建立星際鏈路時(shí)對(duì)解：根據(jù)知條件可以計(jì)算該星座衛(wèi)星可以建立星際鏈路時(shí)對(duì)應(yīng)的最大地心角：應(yīng)的最大地心角：在知兩顆衛(wèi)星瞬時(shí)經(jīng)緯度坐標(biāo)位置時(shí)，可計(jì)算星間的地心角：在知兩顆衛(wèi)星瞬時(shí)經(jīng)緯度坐標(biāo)位置時(shí)，可計(jì)算星間的地心角：由于由于max，所以衛(wèi)星間可以建立星際鏈路，此

44、時(shí)星際鏈路，所以衛(wèi)星間可以建立星際鏈路，此時(shí)星際鏈路的仰角和間隔為：的仰角和間隔為： maxRe506378.1372arccos2 arccos68.83Re14146378.137PHharccos sin( 15 )sin(20 )cos( 15 )cos(20 )cos(500 )60.34 /230.172 (14146378.137) sin(60.34 /2)7831.6()ABsEEDkm 衛(wèi)星星際鏈路 續(xù)5n知衛(wèi)星軌道參數(shù)時(shí)的仰角計(jì)算n 對(duì)于星座系統(tǒng)而言，更多時(shí)候給出的是衛(wèi)星的軌道參數(shù)包括軌道高度、仰角、升交點(diǎn)赤經(jīng)和初始幅角等n 根據(jù)Ballard的衛(wèi)星位置以及相互關(guān)系表征方

45、法圖6-15，可以確定衛(wèi)星i對(duì)j的地心角間隔Rij即衛(wèi)星間的地心角：24222242222sin ()cos ( /2) sin ()/2/22 sin ( /2) cos ( /2) sin ()/2sin ( /2) sin ()/2/22 sin ( /2) cos ( /2) sin (/2) cos(2)i jjijijijiRiiiiii 衛(wèi)星星際鏈路 續(xù)6n星際鏈路的方位角計(jì)算n 方位角的度量以衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)到衛(wèi)星連線方向。 n 根據(jù)Ballard的衛(wèi)星位置以及相互關(guān)系表征方法圖6-15，t時(shí)辰衛(wèi)星i對(duì)j的方位角ij由下式確定 nn經(jīng)過(guò)下標(biāo)位置互換可以獲得計(jì)

46、算j對(duì)i的方位角ji的公式 222222arctansinsin() cos()sin(2 ) sin (/2) sin()/sinsin (/2) sin(2)cossin() cos()(cos (/2)cossin (/2) sin()ijjjjijijiiiiii衛(wèi)星星際鏈路 續(xù)7n星際鏈路性能隨軌道高度的變化衛(wèi)星星際鏈路 續(xù)8n星際鏈路性能隨軌道高度的變化n 方位角的變化周期與衛(wèi)星軌道周期一樣；仰角和星間間隔的變化周期為衛(wèi)星軌道周期的一半n 在其他軌道參數(shù)不變的情況下，添加軌道高度將降低方位角和仰角的變化速度，可以改善星載天線的捕獲、鎖定和跟蹤性能；但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致星間間隔增大，將會(huì)提高

47、對(duì)發(fā)射功率的要求。 衛(wèi)星星際鏈路 續(xù)9n星際鏈路性能隨軌道傾角的變化 衛(wèi)星星際鏈路 續(xù)10n星際鏈路性能隨軌道傾角的變化 n 在其他軌道參數(shù)不變的情況下，添加軌道傾角將有利于減小星間間隔，節(jié)省發(fā)射功率；但會(huì)添加方位角和仰角的變化速度，對(duì)星載天線捕獲、鎖定和跟蹤性能的要求添加。 衛(wèi)星星際鏈路 續(xù)11n星際鏈路性能與升交點(diǎn)經(jīng)度差的關(guān)系 衛(wèi)星星際鏈路 續(xù)12n星際鏈路性能與升交點(diǎn)經(jīng)度差的關(guān)系n 衛(wèi)星軌道間升交點(diǎn)經(jīng)度差的變化不會(huì)影響方位角、仰角和星間間隔取值的周期特性，但會(huì)影響它們?nèi)≈档拇笮∫约叭≈档膭?dòng)態(tài)變化范圍。方位角、仰角和星間間隔的取值大小以及取值的動(dòng)態(tài)變化范圍均隨著升交點(diǎn)經(jīng)度差的增大而添加。

48、n 當(dāng)面內(nèi)衛(wèi)星數(shù)量一定時(shí)，衛(wèi)星軌道面間的間隔越小，星際鏈路的實(shí)現(xiàn)越容易 衛(wèi)星星際鏈路 續(xù)13n星際鏈路性能與初始輻角差的關(guān)系 衛(wèi)星星際鏈路 續(xù)14n星際鏈路性能與初始輻角差的關(guān)系 n 減小衛(wèi)星間的初始幅角差雖然可以減小星間間隔，但會(huì)添加方位角和仰角的動(dòng)態(tài)變化范圍，添加指向的變化速度，對(duì)星載天線的捕獲、鎖定和跟蹤性能要求提高。 衛(wèi)星星際鏈路 續(xù)15n不同軌道高度衛(wèi)星間的星際鏈路n 據(jù)圖，容易推出衛(wèi)星的仰角滿足關(guān)系式n 可見(jiàn)：軌道高度較高的衛(wèi)星將n一直有負(fù)的仰角值，而高度較低的n衛(wèi)星的仰角那么可正可負(fù) Rearctan (cos( )/sin( )ReAABBAhEhEE 衛(wèi)星星際鏈路 續(xù)16n不

49、同軌道高度衛(wèi)星間的星際鏈路n 在計(jì)算出衛(wèi)星所夾地心角后，可以根據(jù)余弦公式計(jì)算瞬時(shí)星間間隔n 不同軌道高度衛(wèi)星間的最大星間地心角max和最長(zhǎng)的星際鏈路間隔Dsmax max2222maxReRearccosarccosReRe(Re)(Re)(Re)(Re)PPABsAPBPHHhhDhHhH22max(Re)(Re)2 (Re) (Re) cossABABDhhhh 衛(wèi)星挪動(dòng)通訊系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造n衛(wèi)星挪動(dòng)通訊系統(tǒng)的根本網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造衛(wèi)星挪動(dòng)通訊系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造 續(xù)1nETSI建議的衛(wèi)星個(gè)人通訊網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造 衛(wèi)星挪動(dòng)通訊系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造 續(xù)2nETSI建議的衛(wèi)星個(gè)人通訊網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造n 構(gòu)造a中，空間段采用透明轉(zhuǎn)發(fā)器，系統(tǒng)

50、依賴(lài)于地面網(wǎng)絡(luò)來(lái)銜接信關(guān)站，衛(wèi)星沒(méi)有建立星際鏈路的才干，挪動(dòng)用戶間的呼叫傳輸延時(shí)至少等于非靜止軌道衛(wèi)星兩跳的傳輸延時(shí)加上信關(guān)站間的地面網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)。全球星系統(tǒng)采用該構(gòu)造方案為挪動(dòng)用戶提供效力。 衛(wèi)星挪動(dòng)通訊系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造 續(xù)3nETSI建議的衛(wèi)星個(gè)人通訊網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造n 構(gòu)造b同樣沒(méi)有采用星際鏈路，運(yùn)用靜止軌道衛(wèi)星提供信關(guān)站之間的銜接。靜止衛(wèi)星的運(yùn)用減少了系統(tǒng)對(duì)地面網(wǎng)絡(luò)的依賴(lài)，但會(huì)帶來(lái)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)間隔傳輸。該構(gòu)造中，挪動(dòng)用戶間的呼叫傳輸延時(shí)至少等于非靜止軌道衛(wèi)星兩跳的傳輸延時(shí)加上靜止軌道衛(wèi)星一跳的傳輸延時(shí)。 衛(wèi)星挪動(dòng)通訊系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造 續(xù)4nETSI建議的衛(wèi)星個(gè)人通訊網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造n 構(gòu)造c運(yùn)用了星際鏈路來(lái)實(shí)現(xiàn)一

51、樣軌道構(gòu)造的衛(wèi)星進(jìn)展互連。系統(tǒng)依然需求信關(guān)站來(lái)完成一些網(wǎng)絡(luò)功能，但對(duì)其的依賴(lài)性曾經(jīng)下降。挪動(dòng)用戶間的呼叫傳輸延時(shí)是變化的，依賴(lài)于在衛(wèi)星和星際鏈路構(gòu)成的空中骨干網(wǎng)絡(luò)路由選擇。銥系統(tǒng)采用該構(gòu)造方案為挪動(dòng)用戶提供效力。 衛(wèi)星挪動(dòng)通訊系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造 續(xù)5nETSI建議的衛(wèi)星個(gè)人通訊網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造n 構(gòu)造d中運(yùn)用了雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的混合星座構(gòu)造。非靜止軌道衛(wèi)星運(yùn)用星際鏈路進(jìn)展互連，運(yùn)用軌間鏈路IOL：Inter-Orbit Links與靜止軌道數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星互連。挪動(dòng)用戶間的呼叫傳輸延時(shí)等于兩個(gè)非靜止軌道衛(wèi)星半跳的延時(shí)加上非靜止軌道衛(wèi)星到靜止軌道衛(wèi)星的一跳的延時(shí)。在該構(gòu)造中，為保證非靜止軌道衛(wèi)星的全球性互連，需求

52、至少3顆靜止軌道中繼衛(wèi)星。 衛(wèi)星挪動(dòng)通訊系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造 續(xù)6n系統(tǒng)空間段n 空間段提供網(wǎng)絡(luò)用戶與信關(guān)站之間的銜接；n 空間段由1個(gè)或多個(gè)衛(wèi)星星座構(gòu)成，每個(gè)星座又涉及到一系列軌道參數(shù)和獨(dú)立的衛(wèi)星參數(shù)；n 空間段軌道參數(shù)通常根據(jù)指定覆蓋區(qū)規(guī)定的效力質(zhì)量QoS要求，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最初階段便確定；n 空間段的設(shè)計(jì)可采用多種方法，取決于軌道類(lèi)型和星上有效載荷所采用的技術(shù)。衛(wèi)星挪動(dòng)通訊系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造 續(xù)7n系統(tǒng)地面段n 通常包括：信關(guān)站也稱(chēng)為固定地球站FES、網(wǎng)絡(luò)控制中心NCC和衛(wèi)星控制中心SCCn 用戶信息管理系統(tǒng)CIMS是擔(dān)任維護(hù)信關(guān)站配置數(shù)據(jù)，完成系統(tǒng)計(jì)費(fèi)、生成用戶賬單并記錄呼叫概略的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，與信關(guān)站

53、、網(wǎng)絡(luò)控制中心和衛(wèi)星控制中心協(xié)同任務(wù)n 可以將網(wǎng)絡(luò)控制中心、衛(wèi)星控制中心和用戶信息管理系統(tǒng)合在一同稱(chēng)為控制段 衛(wèi)星挪動(dòng)通訊系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造 續(xù)8n系統(tǒng)地面段信關(guān)站n 信關(guān)站經(jīng)過(guò)本地交換提供系統(tǒng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)空間段到地面現(xiàn)有中心網(wǎng)絡(luò)如公用交換網(wǎng)PSTN和公用地面挪動(dòng)網(wǎng)絡(luò)PLMN的固定接入點(diǎn)n 衛(wèi)星挪動(dòng)通訊系統(tǒng)與地面挪動(dòng)網(wǎng)絡(luò)如GSM和CDMA網(wǎng)絡(luò)的集成帶來(lái)了一些附加的問(wèn)題，必需在信關(guān)站中處理 衛(wèi)星挪動(dòng)通訊系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造 續(xù)9n系統(tǒng)地面段網(wǎng)絡(luò)控制中心n 又稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò)管理站NMS，與用戶信息管理系統(tǒng)CIMS相連，協(xié)同完成衛(wèi)星資源的管理、網(wǎng)絡(luò)管理和控制相關(guān)的邏輯功能，按照功能又可以劃分為網(wǎng)絡(luò)管理功能組和呼叫控制功能組

54、。 n 網(wǎng)絡(luò)管理功能組的主要義務(wù)包括：管理呼叫通訊流的整體概略；系統(tǒng)資源管理和網(wǎng)絡(luò)同步；運(yùn)轉(zhuǎn)和維護(hù)OAM功能；站內(nèi)信令鏈路管理；擁塞控制；提供對(duì)用戶終端試運(yùn)轉(zhuǎn)的支持n 呼叫控制功能組的主要義務(wù)包括 ：公共信道信令功能 ；挪動(dòng)呼叫發(fā)起端的信關(guān)站選擇；定義信關(guān)站的配置 衛(wèi)星挪動(dòng)通訊系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造 續(xù)10n系統(tǒng)地面段衛(wèi)星控制中心 n 擔(dān)任監(jiān)視衛(wèi)星星座的性能，控制衛(wèi)星的軌道位置。與衛(wèi)星有效載荷相關(guān)的特殊呼叫控制功能也可以由衛(wèi)星控制中心來(lái)完成，按照功能又可以劃分為衛(wèi)星控制功能組和呼叫控制功能組 n 衛(wèi)星控制功能組的主要義務(wù)包括：產(chǎn)生和分發(fā)星歷；產(chǎn)生和傳送對(duì)衛(wèi)星有效載荷和公用艙的命令；接納和處置遙測(cè)信息；傳

55、輸波束指向命令；產(chǎn)生和傳送變軌操作命令；執(zhí)行間隔校正n 呼叫控制功能組完成挪動(dòng)用戶到挪動(dòng)用戶呼叫的實(shí)時(shí)交換衛(wèi)星挪動(dòng)通訊系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造 續(xù)11n系統(tǒng)用戶段n 用戶段由各種用戶終端組成；n 主要分為兩個(gè)主要的類(lèi)別：挪動(dòng)Mobile終端 和便攜Portable終端 n 衛(wèi)星挪動(dòng)通訊系統(tǒng)頻率規(guī)劃n衛(wèi)星挪動(dòng)通訊系統(tǒng)可以任務(wù)于多個(gè)頻段n頻段的選取主要取決于系統(tǒng)提供的效力類(lèi)型n衛(wèi)星挪動(dòng)通訊業(yè)務(wù)頻率分配是先后經(jīng)過(guò)87年和92年的世界無(wú)線電行政大會(huì)WARC-87、92，95、97和2000年世界無(wú)線電大會(huì)WRC-95、97、2000分配衛(wèi)星挪動(dòng)通訊系統(tǒng)頻率規(guī)劃 續(xù)1nWARC-87分配的MSS頻譜 頻率（MHz）

56、傳輸方向業(yè)務(wù)類(lèi)型1530.0-1533.0LMSS和MMSS1533.0-1544.0MMSS和低速率LMSS1545.0-1555.0AMSS（可公用）1555.0-1559.0LMSS1626.5-1631.5MMSS和低速率LMSS1631.5-1634.5LMSS和MMSS1634.5-1645.5MMSS和低速率LMSS1646.5-1656.5AMSS（可公用）1656.5-1660.5LMSS衛(wèi)星挪動(dòng)通訊系統(tǒng)頻率規(guī)劃 續(xù)2nWARC-92為全球3個(gè)頻率區(qū)域分配了NGEO衛(wèi)星挪動(dòng)通訊業(yè)務(wù)和衛(wèi)星無(wú)線定位業(yè)務(wù)RDSS的運(yùn)用頻段，包括VHF、UHF，L和S波段 衛(wèi)星挪動(dòng)通訊系統(tǒng)頻率規(guī)劃

57、續(xù)3nWRC-95思索了C、Ku和Ka多個(gè)頻段。并對(duì)Ka頻段的衛(wèi)星挪動(dòng)通訊饋送鏈路頻段和NGEO的FSS固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)頻段進(jìn)展了分配n假設(shè)干大LEO和MEO系統(tǒng)的用戶業(yè)務(wù)和饋送鏈路頻段如下表 IridiumGlobalstarNew ICOConstellationEllipso上行用戶鏈路MHz）1616-1626.51610-1626.51985-20192483.5-25001610-1626.5下行用戶鏈路MHz）1616-1626.52483.5-25002170-22001610-1626.52483.5-2500上行饋送鏈路GHz）29.1-29.35.091-5.2505.150

58、-5.2505.091-5.25015.45-15.65下行饋送鏈路GHz）19.4-19.66.875-7.0556.975-7.0756.924-7.0756.875-7.075衛(wèi)星挪動(dòng)通訊系統(tǒng)頻率規(guī)劃 續(xù)4nWRC-2000在衛(wèi)星挪動(dòng)通訊和GEO FSS方面頻率規(guī)劃包括 n 關(guān)于IMT-2000衛(wèi)星部分的問(wèn)題，會(huì)議充分思索到IMT-2000衛(wèi)星運(yùn)用與其他非IMT-2000的業(yè)務(wù)間共用性研討沒(méi)有完成，因此決議由各國(guó)主管部門(mén)自愿思索運(yùn)用這些頻段，其中包括16101626.5/2483.52500MHz頻段n 關(guān)于在13GHz頻段，會(huì)議決議開(kāi)展包括能夠用于MSS的15181525MHz、168

59、31690MHz頻段與現(xiàn)有業(yè)務(wù)的共用研討，為MSS頻率的劃分做預(yù)備n關(guān)于NGEO FSS的問(wèn)題：1為維護(hù)GEO FSS和GEO BSS靜止衛(wèi)星廣播業(yè)務(wù)系統(tǒng)對(duì)來(lái)自多個(gè)NGEO FSS系統(tǒng)的總干擾不超越規(guī)定要求，操作NGEO FSS的主管部門(mén)應(yīng)采取相應(yīng)措施包括對(duì)本身系統(tǒng)的修正。當(dāng)其總干擾超越規(guī)定規(guī)范時(shí)，NGEO FSS系統(tǒng)主管部門(mén)應(yīng)采取一切必要手段減少總的干擾電平，直至到達(dá)要求為止。2原劃分給FSS的12.212.5GHz頻段，規(guī)定其只能用于國(guó)內(nèi)或區(qū)域性子系統(tǒng)的限制被取消 典型衛(wèi)星挪動(dòng)通訊系統(tǒng)引見(jiàn)n銥Iridium系統(tǒng)n 第一個(gè)全球覆蓋的LEO衛(wèi)星蜂窩系統(tǒng)，支持話音、數(shù)據(jù)和定位業(yè)務(wù)n 由于采用了星

60、際鏈路，系統(tǒng)可以在不依賴(lài)于地面通訊網(wǎng)的情況下支持地球上任何位置用戶之間的通訊。 n 銥系統(tǒng)于上世紀(jì)八十年代末由Motorola推出，九十年代初開(kāi)場(chǎng)開(kāi)發(fā)，耗資37億美圓，于2019年11月開(kāi)場(chǎng)商業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)n “銥公司于2000年3月宣告破產(chǎn)。目前，美國(guó)國(guó)防部出資維持銥系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn) 典型衛(wèi)星挪動(dòng)通訊系統(tǒng)引見(jiàn) 續(xù)1n銥系統(tǒng)空間段n 銥系統(tǒng)星座最初的設(shè)計(jì)由77顆LEO衛(wèi)星組成，它與銥元素的77個(gè)電子圍繞原子核運(yùn)轉(zhuǎn)類(lèi)似，系統(tǒng)因此得名n 實(shí)踐星座包括66顆衛(wèi)星，它們分布在6個(gè)圓形的、傾角86.4的近極軌道平面上，面間間隔27，軌道高度780kmn 每個(gè)軌道平面上均勻分布11顆衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星的分量為689kg，衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽