卫星星座设计分解.ppt
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1、第第6章章 卫星星座设计卫星星座设计卫星通信卫星通信卫星通信卫星通信1概要概要6.1 引言引言6.2 卫星星座设计卫星星座设计6.3 星际链路星际链路6.4 系统体系结构系统体系结构26.1 引引言言卫星移动卫星移动/宽带通信的发展宽带通信的发展起源起源1945Arthur C.Clarke的科学幻想论文:地球外的中继的科学幻想论文:地球外的中继1957Sputnik:第一颗人造卫星,前苏联:第一颗人造卫星,前苏联1960Echo:第一颗反射式卫星第一颗反射式卫星1964SYNCOM III:第一颗:第一颗GEO卫星卫星1965INTELSAT I:第一颗商用:第一颗商用GEO卫星卫星(Ear
2、ly Bird I)第一代:模拟技术第一代:模拟技术1976第一代移动通信卫星:第一代移动通信卫星:MARISAT的的3颗颗GEO卫星提供海事通信卫星提供海事通信服务,舰载站的发射功率为服务,舰载站的发射功率为40W,天线为,天线为1.2米米1982Inmarsat-A:第一个海事移动卫星电话系统:第一个海事移动卫星电话系统36.1 引引言言 续续1卫星移动卫星移动/宽带通信的发展宽带通信的发展第二代:数字传输技术第二代:数字传输技术1988Inmarsat-C:第一个陆地移动卫星数据通信系统:第一个陆地移动卫星数据通信系统1993Inmarsat-M and mobilesat(Austra
3、lia):第一代数字陆地移动卫:第一代数字陆地移动卫星电话系统星电话系统1996Inmarsat-3:支持膝上型终端的移动卫星电话系统:支持膝上型终端的移动卫星电话系统第三代:手持系统第三代: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: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:宽带卫星系统:Internet和多媒体通信和多媒体通信2000ASTRA:支持高速:支持高速Internet接入接入2001Spaceway,EuroSk
4、yWay,SkyBridge,Teledesic等:支持固定、等:支持固定、便携或移动多媒体通信的宽带卫星通信系统便携或移动多媒体通信的宽带卫星通信系统46.1 引引言言 续续2地面和卫星移动通信系统的比较地面和卫星移动通信系统的比较地面移动通信系统地面移动通信系统卫星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覆盖范围随地面基础设施的建设而持续增长而持续增长 易于快速实现大范围的完全易于快速实现大范围的完全覆盖覆盖 多标准,难以全球通用多标准,难以全球通用 全球通用全球通用 蜂窝小区小,频率利用率高蜂窝小区小,频率利用率高频率利用率低频率利用率低 提供足够的链路余量以补偿信号提供
5、足够的链路余量以补偿信号衰落衰落 遮蔽效应使得通信链路恶化遮蔽效应使得通信链路恶化 适合于适合于人口密度高,业务量密集人口密度高,业务量密集的的城市环境城市环境适合于低人口密度、业务量适合于低人口密度、业务量有限的农村环境有限的农村环境 56.2 卫卫星星座设计星星座设计卫星星座的定义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或互补的轨道上,在共享控制下协同完成一定的任务务设计基本出发点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以最少数量的卫星实现对指定区域的覆盖 66.2 卫卫星星
6、座设计星星座设计 续续1卫星星座选择卫星星座选择仰角要尽可能高仰角要尽可能高传输传输延延时时尽可能小尽可能小星上星上设备设备的的电电能消耗尽可能少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干扰必须限制在可以接收的范围内 对对不同国家、不同不同国家、不同类类型的服型的服务务,轨轨位的分配需要遵位的分配需要遵循相循相应应的的规规章制度章制度多重覆盖问题以支持特定业务多重覆盖问题以支持特定业务(GPS定位定位)或提供有或提供有QoS保证的业务保证的业务76.2 卫卫星星座设计星星座设计 续续2卫星星座类型卫星星
7、座类型极极/近极近极轨轨道星座道星座倾倾斜斜圆轨圆轨道星座道星座(主要有主要有Walker的的Delta星座和星座和 Ballard的的Rosette星座星座)共地面共地面轨轨迹星座迹星座赤道赤道轨轨道星座道星座混合混合轨轨道星座道星座86.2 卫卫星星座设计星星座设计 续续3极极轨轨道星座道星座在极在极轨轨道星座中:每个道星座中:每个轨轨道面有相同的道面有相同的倾倾角和相同角和相同数量的数量的卫卫星,所有星,所有卫卫星具有相同的星具有相同的轨轨道高度道高度轨轨道道倾倾角角为为固定的固定的90,因此,因此所有所有轨轨道平面在南北极道平面在南北极形成两个交叉点形成两个交叉点星座星座卫卫星在高星在
8、高纬纬度地区密集,在低度地区密集,在低纬纬度地区稀疏度地区稀疏顺顺行行轨轨道平面道平面间间的的间间隔和逆行隔和逆行轨轨道平面道平面间间的不同的不同96.2 卫卫星星座设计星星座设计 续续4极极轨轨道星座道星座卫卫星覆盖星覆盖带带(Street of Coverage)半覆盖半覆盖宽宽度度 式中式中S是每轨道面的卫星数量是每轨道面的卫星数量106.2 卫卫星星座设计星星座设计 续续5极极轨轨道星座道星座顺顺行行/逆行逆行轨轨道面和道面和缝缝隙隙(seam)星座星座由于存在逆向由于存在逆向飞飞行行现现象,象,星座第一个和最后一个星座第一个和最后一个轨轨道面道面间间的的间间隔小于其隔小于其它相它相邻
9、轨邻轨道面道面间间的的间间隔隔116.2 卫卫星星座设计星星座设计 续续6极极轨轨道星座道星座相相邻轨邻轨道面的几何覆盖关系道面的几何覆盖关系126.2 卫卫星星座设计星星座设计 续续7极极轨轨道星座道星座全球覆盖条件全球覆盖条件136.2 卫卫星星座设计星星座设计 续续8极极轨轨道星座道星座单重全球覆盖星座参数单重全球覆盖星座参数PS()1()h(km),El=102366.7104.520958.62457.698.410127.12553.296.57562.43542.366.13888.53638.764.33136.53736.563.22738.64730.848.31917.2
10、4828.947.61694.44927.647.01550.65924.238.01214.651023.037.71116.351122.237.41044.361119.931.4868.0146.2 卫卫星星座设计星星座设计 续续9极极轨轨道星座道星座球冠覆盖条件球冠覆盖条件156.2 卫卫星星座设计星星座设计 续续10极极轨轨道星座道星座30 以上单重球冠覆盖星座参数以上单重球冠覆盖星座参数PS()1()h(km),El=102364.1111.816549.52453.4103.17650.02548.198.75508.33539.968.43373.53635.866.0263
11、1.53733.364.52252.64728.949.61692.94826.848.51466.24926.347.81318.25922.638.81077.8166.2 卫卫星星座设计星星座设计 续续11近极近极轨轨道星座道星座倾倾角接近但不等于角接近但不等于90,即,即80-100 覆盖覆盖带设计带设计方法仍然适用方法仍然适用极极轨轨道星座的道星座的设计设计方程需要方程需要进进行行扩扩展,加入展,加入倾倾角角因因素,以适用于近极素,以适用于近极轨轨道道176.2 卫卫星星座设计星星座设计 续续12近极近极轨轨道星座道星座近极轨道星座中,顺行和逆行轨道面间的升交点经近极轨道星座中,顺行
12、和逆行轨道面间的升交点经度差度差 和和 分别为分别为式中,式中,和和 分别对应极轨道星座顺行和逆行轨道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面间的升交点经度差186.2 卫卫星星座设计星星座设计 续续13近极近极轨轨道星座道星座全球覆盖方程全球覆盖方程196.2 卫卫星星座设计星星座设计 续续14近极近极轨轨道星座道星座考虑到倾角的影响,近极轨道星座中相邻轨道相邻考虑到倾角的影响,近极轨道星座中相邻轨道相邻卫星间的相位差满足卫星间的相位差满足206.2 卫卫星星座设计星星座设计 续续15近极近极轨轨道星座道星座倾角倾角85 的单重全球覆盖近极轨道星座参数的单重全球覆盖近极轨道星座参
13、数PS()1()()h(km),EL=102366.7682104.6850103.825221063.89282457.807998.919097.395110251.51752553.589296.392393.98777743.22573542.164865.788866.28033862.02743638.554063.998764.45113111.37363736.313162.886463.31702716.65674730.711848.110548.35511908.45744828.836147.362247.60051686.66064927.525246.839147.
14、07291541.86495924.128037.910938.08161209.859051022.988537.531737.70001110.405651122.133937.247337.41391039.416361119.863831.282031.4151864.8926216.2 卫卫星星座设计星星座设计 续续16倾倾斜斜圆轨圆轨道星座道星座倾倾斜斜圆轨圆轨道星座特征:由道星座特征:由高度和高度和倾倾角相同角相同的的圆轨圆轨道道组组成,成,轨轨道面道面升交点在参考平面内均匀分布升交点在参考平面内均匀分布,卫卫星星在每个在每个轨轨道平面内均匀分布道平面内均匀分布两两类经类经典典设
15、计设计方法方法Walker的的Delta星座星座Ballard的玫瑰的玫瑰(Rosette)星座星座两种方法是等效的两种方法是等效的226.2 卫卫星星座设计星星座设计 续续17倾倾斜斜圆轨圆轨道星座道星座倾斜圆轨道星座的命名倾斜圆轨道星座的命名236.2 卫卫星星座设计星星座设计 续续18Walker Delta星座星座相相邻轨邻轨道面相道面相邻卫邻卫星的相位差概念星的相位差概念246.2 卫卫星星座设计星星座设计 续续19Walker Delta星座星座星座标识法星座标识法 Delta星座可以用一个星座可以用一个3元参数组完整描述元参数组完整描述T/P/F T:星座卫星总数:星座卫星总数
16、P:轨道平面数量:轨道平面数量 F:相位因子,取值:相位因子,取值0到到P-1 相位因子确定相邻轨道面相邻卫星间的相位差相位因子确定相邻轨道面相邻卫星间的相位差256.2 卫卫星星座设计星星座设计 续续20例例6.1 某某Delta星座标识为星座标识为 9/3/1:10355:43。假设初始。假设初始时刻,星座第一颗卫星位于时刻,星座第一颗卫星位于(0E,0N)。计算所有星。计算所有星座卫星的初始参数。座卫星的初始参数。解解:星座相星座相邻轨邻轨道面的升交点道面的升交点经经度差度差为为360/3=120轨轨道面内相道面内相邻卫邻卫星星间间的相位差的相位差为为360/(9/3)=120相邻轨道面
17、相邻卫星间的相位差为相邻轨道面相邻卫星间的相位差为360/91=40 轨道高度轨道高度轨道倾角轨道倾角266.2 卫卫星星座设计星星座设计 续续21例子例子6.1 续续卫星的初始参数如下表卫星的初始参数如下表轨轨道序号道序号卫卫星序号星序号升交点升交点经经度度()初始弧角初始弧角()1SAT1-100SAT1-20120SAT1-302402SAT2-112040SAT2-2120160SAT2-31202803SAT3-124080SAT3-2240200SAT3-3240320276.2 卫卫星星座设计星星座设计 续续22Walker Delta星座星座最优最优Delta星座星座TPFi(
18、)min()h(km),El=1055143.769.22714366453.166.42033477555.760.31225588661.956.59374.299770.254.88374.2105257.152.27089.71111453.847.65344.4123150.747.95442.11313558.443.84257.1147454.042.03824.3153153.542.13847.1286.2 卫卫星星座设计星星座设计 续续23Ballard玫瑰星座玫瑰星座玫瑰星座的特性:玫瑰星座的特性:圆轨道圆轨道所有轨道的高度和倾角相同所有轨道的高度和倾角相同轨道面升交点在
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- 卫星 星座 设计 分解
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