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1、1,第6章 卫星星座设计,卫星通信,2,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,3,6.1 引言,卫星移动/宽带通信的发展,4,6.1 引言 续1,卫星移动/宽带通信的发展,5,6.1 引言 续2,地面和卫星移动通信系统的比较,6,6.2 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,7,6.2 卫星星座设计 续1,卫星星座选择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
2、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,8,6.2 卫星星座设计 续2,卫星星座类型极/近极轨道星座倾斜圆轨道星座(主要有Walker的Delta星座和 Ballard的Rosette星座)共地面轨迹星座赤道轨道星座混合轨道星座,9,6.2 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90，因此所有轨道平面在南北极形成两个交叉点星座卫星在高纬度地区密集，在低纬度地区稀疏顺行轨道平面间的间隔和逆行轨道平面间
3、的不同,10,6.2 卫星星座设计 续4,极轨道星座卫星覆盖带(Street of Coverage)半覆盖宽度 式中S是每轨道面的卫星数量,11,6.2 卫星星座设计 续5,极轨道星座顺行/逆行轨道面和缝隙(seam)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,12,6.2 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,13,6.2 卫星星座设计 续7,极轨道星座全球覆盖条件,14,6.2 卫星星座设计 续8,极轨道星座单重全球覆盖星座参数,15,6.2 卫星星座设计 续9,极轨道星座球冠覆盖条件,16,6.2 卫星星座设计 续10,极轨
4、道星座30以上单重球冠覆盖星座参数,17,6.2 卫星星座设计 续11,近极轨道星座倾角接近但不等于90，即80-100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,18,6.2 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 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,19,6.2 卫星星座设计 续13,近极轨道星座全球覆盖方程,20,6.2 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,21,6.2 卫星星座设计 续15,近极轨道星座
5、倾角85的单重全球覆盖近极轨道星座参数,22,6.2 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,23,6.2 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,24,6.2 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,25,6.2 卫星星座设计 续19,Walker Delta星座星座标识法 Delta星座可以用一个3元参数组完整描述T/P/
6、F T：星座卫星总数 P：轨道平面数量 F：相位因子，取值0到P-1 相位因子确定相邻轨道面相邻卫星间的相位差,26,6.2 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(0E,0N)。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360/3=120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360/91=40,轨道高度,轨道倾角,27,6.2 卫星星座设计 续21,例子6.1 续卫星的初始参数如下表,28,6.2 卫星星座设计 续22,Walker Delta星座
7、最优Delta星座,29,6.2 卫星星座设计 续23,Ballard玫瑰星座玫瑰星座的特性：圆轨道所有轨道的高度和倾角相同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的初始相位与该轨道面的升交点角成正比,30,6.2 卫星星座设计 续24,Ballard玫瑰星座玫瑰星座中，卫星在天球表面的位置可用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行方向测量 x=2t/T为卫星的时变相位,31,6.2 卫星星座设计 续25,Ballard玫
8、瑰星座星座标识玫瑰星座也可可以用3元参数组来表征(N,P,m)N：星座卫星总数P：轨道平面数量m：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,32,6.2 卫星星座设计 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，卫星的方位角满足如果m是整数，意味着星座每轨道面仅有一颗卫星；如果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S,33,6.2 卫星星座设计 续27,Ballard玫瑰星座星座优化技术可以证明，3颗卫星(i,j,k)在天球上构成的球面三角形的中心位置为最坏观察点位置,34,6.2 卫星星座设计 续2
9、8,Ballard玫瑰星座最优玫瑰星座,35,6.2 卫星星座设计 续29,Ballard玫瑰星座玫瑰星座与Delta星座的等价关系Delta星座的相位因子F与玫瑰星座额达协因子m满足如下关系即相位因子F是协因子m与S(每轨道面卫星数量)乘积的模P(轨道平面数量)余数,36,6.2 卫星星座设计 续30,例6.2 NewICO星座系统采用表示为10/2/0的Delta星座结构。给出星座的等价玫瑰星座参数。解：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，因此因为 则n的可能取值为1、2、3和4m的可能取值为2/5、4/5、6/5和8/5NewICO系统的玫瑰星座标识为(1
10、0,2,(2/5,4/5,6/5,8/5),37,6.2 卫星星座设计 续31,例6.2 续,38,6.2 卫星星座设计 续32,共地面轨迹星座共地面轨迹星座是一类特殊的星座，星座中所有卫星沿相同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内的分布不一定是均匀的 星座中的卫星在特定服务区域的上空相对密集，从而提升区域覆盖性能,39,6.2 卫星星座设计 续33,共地面轨迹星座为保证卫星i 和卫星j 有相同的地面轨迹，需要满足以下关系式中s 是卫星的飞行角速度,40,6.2 卫星星座设计 续34,共地面轨迹星座虽然星座的所有卫星沿相同的地面轨迹飞行，但地球的自转仍可能导致地面轨迹沿着赤道
11、移动为使得地面轨迹与地面保持相对固定的状态，共地面轨迹星座应该采用回归(recursive)或准回归(quasi-recursive)轨道回归/准回归轨道是卫星的星下点轨迹在M个恒星日，围绕地球旋转L圈后重复的轨道（M和L都是整数）,41,6.2 卫星星座设计 续35,共地面轨迹星座回归/准回归轨道的轨道周期Ts卫星在轨角速度因为有 和 a之间满足简单的线性关系,42,6.2 卫星星座设计 续36,共地面轨迹星座,43,6.2 卫星星座设计 续37,赤道轨道星座N颗卫星在特定高度的赤道轨道面上均匀分布,44,6.2 卫星星座设计 续38,混合轨道星座Orbcomm系统3个倾角45的轨道平面，每
12、轨道面8颗卫星，轨道高度均为825 km倾角70和108的轨道平面各1个，每轨道面2颗卫星，轨道高度均为780 km，轨道面升交点经度差1801个赤道轨道面，8颗卫星，轨道高度780 km,45,6.2 卫星星座设计 续39,混合轨道星座Ellipso系统BOREALISTM 子系统包含10颗卫星，分布在2个倾角为116.6 的椭圆轨道上，远地点和近地点高度分别为7605 km和633 kmCONCORDIATM 子系统是一个包含7颗卫星的赤道轨道平面，轨道高度为8050 km,46,6.3 星际链路,星际链路是可视卫星之间的直接链路星际链路的类型面内星际链路(Intra-Orbit ISL)
13、：连接同一轨道面内的卫星面间星际链路(Inter-Orbit ISL)：连接相邻轨道面间的卫星层间星际链路(Inter-Layer ISLs)：连接不同高度轨道面间的卫星,47,6.3 星际链路 续1,面内星际链路通常，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因为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，也无需跟踪功能面间星际链路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，因此需要采用跟踪天线,48,6.3 星际链路 续2,49,6.3 星际链路 续3,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，使得层
14、间星际链路会发生重建需要采用跟踪天线接入卫星选择策略对层间星际链路的稳定性有很大的影响,50,6.3 星际链路 续4,51,6.3 星际链路 续5,仰角计算距离计算最大地心角和距离,卫星高度相同时,52,6.3 星际链路 续6,例 6.3 星座卫星的轨道高度为1414 km。在某一时刻，卫星A和卫星B分别位于(0E,20N)和(50E,15S)。假设星际链路对地保护距离为50 km，判断卫星A和B间是否能够建立星际链路。如果可建星际链路，其长度为多少？解：在保护距离为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间的瞬时地心角因为，因此卫星A和B 可以建立星际链路。星际链路天线的瞬
15、时仰角 星际链路的瞬时长度,53,6.3 星际链路 续7,仰角计算距离计算最大地心角和距离,卫星高度不同时,54,6.4 系统体系结构,欧洲电信标准化协会(ETSI)确定的全球覆盖卫星个人通信网络(S-PCN)的可能结构,55,6.4 系统体系结构 续1,方案(a)采用透明转发式卫星，依赖于地面网络来连接信关站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,56,6.4 系统体系结构 续2,方案(b)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 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,57,6.4 系统体系结构 续3,方案(c)使用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,58,6.4 系统体系结构 续4,方案(d)使用了双层卫星网络构建的混合星座结构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 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,59,
