卫星通信导论上课课件-第6章_卫星移动通信系统

第6章卫星移动通信系统2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3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）4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5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0º，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35786km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0º，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0º，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。6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90º，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0º到90º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90º到180º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7卫星运动规律与轨道参数续32卫星轨道按倾角分类（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8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）LEO700～2000MEO8000～20000GEO/GSO35786HEO远地点可达400009卫星运动规律与轨道参数续34Molnya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10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11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12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90º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.Lüder提出；D.C.Beste在Lüder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。13非静止轨道卫星星座设计续3卫星覆盖带(StreetofCoverage)►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，α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，π/S为卫星之间的半地心角宽度卫星运行方向卫星覆盖区边沿卫星覆盖带卫星星下点cs/cosarccos[]cos(/)cS14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►π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1211111112顺行轨道面逆行轨道面15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（a）顺行轨道面（b）逆行轨道面s/2c1c22ccc122cc16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（90º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。17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12(1)(1)(1)cos(1)(1)arccoscos(/)PPPcPPS/S18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(1)(1)coscos(1)(1)arccoscoscos(/)PPcPPS19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80º～100º（除90º）时的轨道►由于近极轨道星座的倾角接近90º，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。20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112222arcsin(sin/sin)coscosarccos()siniii121/arctan(cos()tan())Si21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：22sin{arccos[cos/cos(/)]}(1)arcsinsincos{2arccos[cos/cos(/)]}cosarccossinSPiSii22非静止轨道卫星星座设计续12倾斜圆轨道星座设计N（a）（b）右旋升交点NWalkerDelta星座Ballard玫瑰（Rosette）星座23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24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轨道面1轨道面2赤道ωf卫星飞行方向卫星飞行方向25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2/fFT26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0º，面上第一颗卫星位于（0ºE,0ºN），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：360º/3=120º；►面内卫星的相位差：360º/(9/3)=120º；►相邻轨道面相邻卫星的相位差：360º×1/9=40º；27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（º）初始幅角（º）1SAT1-100SAT1-20120SAT1-302402SAT2-112040SAT2-2120160SAT2-31202803SAT3-124080SAT3-2240200SAT3-324032028非静止轨道卫星星座设计续18Walker的最优Delta星座TPFi(º)αmin(º)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需要指出，该表中的数据是由Walker手工计算得到的29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30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ijj轨道交点第i个轨道的升交点ijjiij参考平面it＝0t＝0h+ReijR2/jjjjjijT为第个轨道平面的右旋升交点为轨道面倾角为第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为卫星在轨道平面内的时变相位31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。32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：2/0~1(0~1)/2/(2/)jjjjjPjNiimNSmmjPmSjNNPS33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。34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αmin必须大于或等于最坏观