第六章 移动卫星通信系统

1卫星通信导论第六章卫星移动通信系统2第六章概要6.1引言6.2非静止轨道卫星系统概况6.3非静止卫星星座6.4卫星星际链路6.5卫星移动通信系统结构6.6卫星移动通信频率规划6.7典型卫星移动通信系统工作36.1引言卫星移动/宽带通信的发展起源1945ArthurC.Clarke的科学幻想论文：地球外的中继1957Sputnik：第一颗人造卫星，前苏联的1960Echo:第一颗反射式卫星1964SYNCOMIII：第一颗GEO卫星1965INTELSATI：第一颗商用GEO卫星(EarlyBirdI)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1982Inmarsat-A：第一个海事移动卫星电话系统46.1引言续1卫星移动/宽带通信的发展第二代：数字传输技术1988Inmarsat-C：第一个陆地移动卫星数据通信系统1993Inmarsat-Mandmobilesat(Australia)：第一代数字陆地移动卫星电话系统1996Inmarsat-3：支持膝上型终端的移动卫星电话系统第三代：手持系统1998Iridium：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2000ASTRA：支持高速Internet接入2001Spaceway,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56.1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而持续增长易于快速实现大范围的完全覆盖多标准，难以全球通用全球通用蜂窝小区小，频率利用率高频率利用率低提供足够的链路余量以补偿信号衰落遮蔽效应使得通信链路恶化适合于人口密度高，业务量密集的城市环境适合于低人口密度、业务量有限的农村环境66.2非静止轨道卫星系统概况6.2.1卫星运动规律与轨道参数6.2.2非静止轨道卫星系统的轨道和高度选择7如果把卫星看成质点，地球也看成质点(或均匀球体)，卫星绕地球运动的轨道为圆维曲线(一般为椭圆或圆)，力学上称为“二体问题”．在此情况下，卫星绕地球以椭圆轨道运转，地心是椭圆的两个焦点之一，因此产生近地点和远地点。卫星运动满足开普勒三定律。6.2.1卫星运动规律和轨道参数8根据开普勒定律得到的卫星轨道运动参数2331(/)(1)(1)21(/)(/)(Re)2()2()ebaRaeRaeRaeVkmsVkmsrarahTsTs半焦距远地点近地点卫星卫星卫星卫星轨道偏心率：半焦距长度：远地点距离：近地点距离：卫星在轨瞬时速度：椭圆轨道:＝（）圆轨道：＝卫星运行周期：椭圆轨道:＝圆轨道：＝其中2/abrkms3半长轴；－半短轴；卫星地球瞬时距离；－开普勒常数，398601.58OCrbaaea(1+e)a(1-e)Re远地点近地点(a)(b)O9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1000km，远地点高度为4000Km。在地球平均半径为6378.137km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hp和远地点高度为ha时，有：22Re26378.1371000400017,756.274kmpaahh因此，半长轴a=8878.137Km，由此可计算轨道周期：328325.1703()aTs＝10卫星轨道的形状和卫星位置的描述：——轨道经典参数在航天领域，一般习惯用下面的六个独立参数来描述卫星的轨道形状及卫星轨道位置:即：升交点赤经、倾角、近地点幅角、偏心率、轨道半长轴、平均近点角这些量称为轨道要素，或轨道根数.轨道要素在地心惯性坐标系（ECI）中定义Ω、i、ω、e、a、M11i表示轨道顷角：轨道面和地球赤道面的夹角。Ω表示升交点赤经，升交点Na与X轴的夹角。（升交点Na、降交点Nd－卫星轨道面和赤道的交点称为节点，卫星从南到北通过赤道面的交点称升交点，从北到南通过赤道面的交点称降交点)．M为平均近点角，表示卫星离近地点的角度。(可根据此角度利用卫星轨道平均角速度推算出卫星经过近地点的时间)ω表示近地点幅角，升交点Na与近地点的夹角。a为椭圆轨道的半长轴。e为椭圆轨道的偏心率。XYZ为ECI坐标系NZXYhiΩωSret=τOM12轨道顷角i和升交点赤径Ω表示了轨道平面在空间中的方位；近地点幅角ω表示了轨道的长轴方向。半长轴a和偏心率e表示了椭圆轨道的大小。从而这六个量完全确定了卫星的位置和运动状况。平近点角M表示了航天器离近地点的角度。NZXYhiΩωSret=τOM13卫星星下点的轨迹（地迹）星下点：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。星下点轨迹式最直接描述卫星运动规律的方法卫星在任意时刻的星下点经纬度：0180(18090)()arctan(costan)0(9090)180(90180)setit经度()arcsin(sinsin)sti纬度14轨道参数对轨道形状和地迹的影响（1）偏心率ee=0，圆轨道0e1，椭圆轨道e1，抛物线15圆轨道地迹（e=0）16椭圆轨道地迹(0e1)17轨道参数对轨道形状和地迹的影响（2）轨道倾角ii=0赤道轨道0i90倾斜轨道i＝90极轨道90i180逆行轨道（太阳同步轨道）18赤道圆轨道地迹(i＝0)19倾斜圆轨道地迹（i＝45度）20圆极轨道地迹(i＝90）21太阳同步轨道地迹（i90）22轨道参数对轨道形状和地迹的影响(3)升节点经度Ω(Ω=0度)23升节点经度Ω(Ω=－100度)24轨道参数对轨道形状和地迹的影响(4)轨道半长轴aa=42164km时，为地球同步轨道GSOa42164km时，为地球非同步轨道NGSO25倾角不为0的地球同步轨道GSO26倾角为0的地球同步轨道－静止轨道GEO27轨道参数对轨道形状和地迹的综合影响（2）回归轨道、准回归轨道、非回归轨道回归轨道：卫星轨道周期和地球自转周期成整数的倒数关系。（在一天内卫星绕地球旋转整数圈数）准回归轨道：卫星轨道周期和地球自转周期成整数比例关系。（在整数天内卫星绕地球旋转整数圈数）非回归轨道：卫星轨道周期和地球自转周期不成整数比例关系。三者与卫星轨道半长轴有关28回归轨道（例：h＝10354km，一天四圈）29准回归轨道（例：h=1450km，2天内25圈）30单颗卫星的服务区域（FootPrint）E是观察点对卫星的仰角，以观察点的地平线为参考，取值范围为[0º,90º]。α是卫星和观察点间的地心角，可取值范围为[0º,180º]。；β是卫星的半视角（或半俯角），可取值范围为[0º,90º]，与仰角E和地心角α之间有特定的对应关系：α+β+e=90d是卫星到观察点的距离。在卫星高度一定时，其大小随着仰角的增大而减小，随着地心角的增大而增大；X是卫星覆盖区的半径；Re是地球平均半径，h是卫星轨道高度。ReOd星地h+ReEx星下点观察点观察点地平线31单颗卫星的服务区域（FootPrint）（2）3.仰角、覆盖区地心角、卫星星下半视角关系：刻画覆盖区的各参量之间的关系：1.覆盖区地心角：arccos[cos]eeREERh2E2.卫星的半视角：ReResinarcsincosarctanRe(Re)RecosEhharccos[sin()sin()cos()cos()cos()]ususus当用户和卫星的位置用经纬度表示时，两者之间的地心角为：32单颗卫星的服务区域（footprint）（3）刻画覆盖区的各参量之间的关系：4.星地距离(余弦定理)：22222()2cossin2sineeeeeedRRhRhREhRhRE5.覆盖区半径与面积：2sin2(1cos)eeXRSR半径：面积：特别的，静止卫星的星站距离：422381.0230.302cos()cos()stationdlatlong（注：即第二章2.1.1节，公式（2－9））33例6.2：设有高度为1666Km的一颗低轨卫星，当取最小仰角为100时，计算该卫星的覆盖面积。解：首先计算覆盖区地心角：arccos[cos]28.6618oeeREERh再计算覆盖面积：272(1cos)3.131610eSR平方公里34一颗静止卫星的服务范围（最小仰角10度）单颗卫星的服务区域（footprint）（4）35单颗卫星的服务区域（footprint）（5）一颗低轨星的覆盖范围（780km，最小仰角10度）36单颗卫星的服务时间服务时间可以由卫星与终端的半地心角和卫星运动速度确定例6.3：已知某卫星的轨道高度为1450km，系统允许的最小接入仰角为10º，试计算该卫星能够提供的最长连续服务时间。解：见图6-5，假设卫星逆时针运动，则随着卫星运动，观察点的仰角经历从最小接入值增大到最大值90º（卫星恰好通过用户上空），再减小到最小接入值的过程。该过程中卫星能够提供连续的服务，此期间卫星运动扫过的地心角为：2αmax。最大地心角：max6378.137arccoscos101026.6414506378.137433398601.582/9.1210/0.0522/(Re)(14506378.137)STradssh卫星maxmax2/1020.6917minSts卫星的在轨运动角速度：所以卫星的最长连续服务时间为：376.2.2非静止轨道卫星系统的轨道和高度选择卫星系统采用的轨道类型：按空间形状：椭圆轨道和圆轨道按倾角：赤道轨道、极轨道、倾斜轨道（顺行和逆行）按高度：低轨(LEO),中轨(MEO),静止轨道（GEO）和高椭圆轨道(HEO)38（a）赤道轨道（b）极轨道赤道赤道赤道赤道（c）顺行倾斜轨道（d）逆行倾斜轨道按倾角分类的轨道形式：39按高度分类的轨道形式：Molnya椭圆轨道Pentriad，俄罗斯电视广播（在远地点使用）GPS，全球定位系统GLONASS，全球导航卫星系统TeledesicSkybridgeGlobalstarIridiumOrbcommBorealisofEllipsoICO,SpacewayNGSO低地球轨道LEO中地球轨道MEO静止轨道GEOSpaceway，Astrolink，Inmarsat，Intelsat外范·艾伦带内范·艾伦带ConcordianofEllipso010,000Km比例尺40表6.3各种轨道的可用高度范围轨道类型可用高度（km）LEO700～2000MEO8000～20000GEO35786HEO远地点可达4000041几种典型卫星系统的轨道类型低轨LEO：Iridium（铱星）、Globalstar（全球星）中轨MEO:ICO、GPS、GLONASS、GALILEO椭圆HEO:MOLNIYA,ELLIPSO静止轨道GEO:INMARSAT、Intelsat、THRUYA、ACES、TDRSS426.3非静止轨道卫星星座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436.3非静止轨道卫星星座续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