第6章卫星移动通信系统.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第,6,章 卫星移动通信系统,电子科技大学,2006.08,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,2,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,）,3,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,4,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,5,卫星运动规律与轨道,参数,续,1,开普勒定理的图形描述,6,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,7,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,8,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：,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-,e,2,),为椭圆半焦弦。,9,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,10,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,1000,km,，远地点高度为,4000,Km,。在地球平均半径为,6378.137,km,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,h,p,和远地点高度为,h,a,时，有：,所以，半长轴,a,=8878.137km,，由此可计算轨道周期：,11,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,12,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,13,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,：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,：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,14,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,t,p,：通过平均近点角,M,或过近地点时间,t,p,可以计算卫星的真近点角,。,M,和,t,p,满足如下关系式（式中,T,s,为卫星轨道周期）。,15,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,轨道倾角,i,轨道高度,h,初始时刻的真近点角,（即初始幅角）,16,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,V,s,飞行，因此瞬时卫星与升交点间的夹角,17,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，,是真近点角,18,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（,Keplers,equation,），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,19,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,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,：,通过如下方程计算瞬时卫星到地心的距离,r,20,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,21,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,s,表示）和纬度（用,s,表示）由以下方程组确定：,22,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,60,，初始位置（,0,E,，,0,N,）的卫星,24,小时的星下点轨迹如下图所示,23,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,24,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,-90,90,：卫星和观察点间的地心角，可取值范围为,0,180,：卫星的半视角（或半俯角），可取值范围为,0,90,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,25,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,(,u,，,u,),表示观察点的瞬时经纬度，,(,s,，,s,),表示卫星的瞬时经纬度，则两者所夹的地心角由下式确定,26,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,27,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,28,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,E,min,：系统的一个给定指标。根据,E,min,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,29,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,10,时，地心角,和卫星半视角,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,72,，星下半视角约,8.5,30,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,10,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,31,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,10,，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,90,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：,2,max,。,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,32,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,）,33,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,34,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,0,，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,35786 km,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,0,，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,0,，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。,35,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,90,，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,0,到,90,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,90,到,180,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,36,卫星运动规律与轨道参数,续,32,卫星轨道按倾角分类,37,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,）,LEO,700,2000,MEO,8000,20000,GEO/GSO,35786,HEO,远地点可达,40000,38,卫星运动规律与轨道参数,续,34,39,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,40,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,41,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,90,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.Lder,提出；,D.C.Beste,在,Lder,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。,42,非静止轨道卫星星座设计,续,3,卫星覆盖带,(Street of Coverage),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，,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，,/S,为卫星之间的半地心角宽度,43,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,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,44,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,45,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（,90,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。,46,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,47,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,48,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,80,100,（除,90,）时的轨道,由于近极轨道星座的倾角接近,90,，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。,49,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,50,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：,51,非静止轨道卫星星座设计,续,12,倾斜圆轨道星座设计,Walker Delta,星座,Ballard,玫瑰（,Rosette,）星座,52,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,53,非静止轨道卫星星座设计,续,14,Delta,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,54,非静止轨道卫星星座设计,续,15,Delta,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,55,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,0,，面上第一颗卫星位于（,0E,0N,），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：,360/3=120,；,面内卫星的相位差：,360/(9/3)=120,；,相邻轨道面相邻卫星的相位差：,3601/9=40,；,56,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（,）,初始幅角（,）,1,SAT1-1,0,0,SAT1-2,0,120,SAT1-3,0,240,2,SAT2-1,120,40,SAT2-2,120,160,SAT2-3,120,280,3,SAT3-1,240,80,SAT3-2,240,200,SAT3-3,240,320,57,非静止轨道卫星星座设计,续,18,Walker,的最优,Delta,星座,T,P,F,i,(),min,(),h,(km),5,5,1,43.7,69.2,27143,6,6,4,53.1,66.4,20334,7,7,5,55.7,60.3,12255,8,8,6,61.9,56.5,9374.2,9,9,7,70.2,54.8,8374.2,10,5,2,57.1,52.2,7089.7,11,11,4,53.8,47.6,5344.4,12,3,1,50.7,47.9,5442.1,13,13,5,58.4,43.8,4257.1,14,7,4,54.0,42.0,3824.3,15,3,1,53.5,42.1,3847.1,需要指出，该表中的数据是由,Walker,手工计算得到的,58,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,59,非静止轨道卫星星座设计,续,20,Ballard,的卫星位置以及相互关系示意图,60,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。,61,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：,62,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。,63,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,min,必须大于或,等于最坏观察点与卫星间的最大地心角,64,非静止轨道卫星星座设计,续,25,最优玫瑰星座参数,N,P,m,i,(),min,(),h,(km),T,(hour),5,5,1,43.66,69.15,26992.28,16.90,6,6,4,53.13,66.42,20371.77,12.13,7,7,5,55.69,60.26,12220.51,7.03,8,8,6,61.86,56.52,9388.62,5.49,9,9,7,70.54,54.81,8380.87,4.97,10,10,8,47.93,51.53,6799.09,4.19,11,11,4,53.79,47.62,5344.88,3.52,12,3,1/4,7/4,50.73,47.90,5440.55,3.56,13,13,5,58.44,43.76,4247.84,3.04,14,7,11/2,53.98,41.96,3814.13,2.85,15,3,1/5,4/5,7/5,13/5,53.51,42.13,3852.39,2.87,65,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,66,非静止轨道卫星星座设计,续,27,例,6.4 ICO,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,02,n,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,）,67,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。,68,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,j,用去的时间和地球,自转,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,69,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,70,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,和相邻卫星间的相位差,满足简单的线性关系：,必须注意，此处的卫星间相位差,与,Delta,星座所定义的卫星间相位差,f,不同：,是按逆卫星运行方向测量得到，而,f,则是顺卫星运行方向测量得到，因此它们之间满足,2,互补关系,71,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；,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,和,f,，以及卫星轨道高度,h,；,i,为星座中所有轨道面的倾角。,72,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,）。,73,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,/(2,/,T,)/,N,是等价的。,74,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,6/60/2:20184:28.5,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：,75,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。,76,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,360,，公转的平均角速度为,360/365.25=0.9856/,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。,77,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,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,78,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：,由于,cos,i,的取值始终为负，因此倾角,i,的取值范围为,(90,180,，所以太阳同步轨道一定是,逆行轨道,；,由,|,cos,i,|=4.77310,-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,5974.9,km,。,79,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,798,km,、美国的,Landsat7,卫星高度为,705,km,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,80,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,81,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,82,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-Orbit ISL,）：,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-Orbit ISL,）：,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,83,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,84,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（,s,1,，,s,1,）和（,s,2,，,s,2,）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,85,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（,0,E,，,20,N,），卫星,B,的位置为（,50,E,，,15,S,），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,max,，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：,86,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,R,ij,（即卫星间的地心角,）：,87,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,ij,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,ji,的公式,88,卫星星际链路,续,7,星际链路性能随轨道高度的变化,89,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。,90,卫星星际链路,续,9,星际链路性能随轨道倾角的变化,91,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。,92,卫星星际链路,续,11,星际链路性能与升交点经度差的关系,93,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,94,卫星星际链路,续,13,星际链路性能与初始辐角差的关系,95,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。,96,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,97,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,max,和最长的星际链路距离,D,smax,98,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,99,卫星移动通信系统网络结构,续,1,ETSI,建议的卫星个人通信网络结构,100,卫星移动通信系统网络结构,续,2,ETSI,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。,101,卫星移动通信系统网络结构,续,3,ETSI,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。,102,卫星移动通信系统网络结构,续,4,ETSI,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。,103,卫星移动通信系统网络结构,续,5,ETSI,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-Orbit Links,）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。,104,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。,105,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,106,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,107,卫星移动通信系统网络结构,续,9,系统地面段,网络