移动卫星通信系统(上)：卫星星座设计
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➢ 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的不同
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
9
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
sub-satellite point
c arccos[ cos ] cos( / S)
Satellite flying direction
Equator
Orbit 1
Orbit 2
ωf
Satellite flying direction
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
24
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
1957 Sputnik：第一颗人造卫星，前苏联
1960 Echo: 第一颗反射式卫星
1964 SYNCOM III：第一颗GEO卫星
1965 INTELSAT I：第一颗商用GEO卫星 (Early Bird I)
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
1996 Inmarsat-3：支持膝上型终端的移动卫星电话系统
第三代：手持系统
1998 Iridium：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
2000 ASTRA：支持高速Internet接入
2738.6
4 7 30.8
48.3
1917.2
4 8 28.9
47.6
1694.4
4 9 27.6
47.0
1550.6
5 9 24.2
38.0
1214.6
5 10 23.0
37.7
1116.3
5 11 22.2
37.4
1044.3
6 11 哈尔滨19工.9 业大学(威31海.4) 通信工程系868.0
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
17
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 1和 2 分别为
1 arcsin(sin 1 / sin i)
2
arccos(
cos
2 sin2
cos i
2
i)
式中，1 和2 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
22
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
RAAN
N
N
Walker Delta Constellation
Ballard Rosette Constellation
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
23
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
12
6.2 卫星星座设计 续7
▪ 极轨道星座
➢ 全球覆盖条件
1 c
2 2c
(P 1)1 2 (P 1) (P 1)c
(P
1)
(P
1)
arccos
cos cos( / S
)
c arccos[ cos ]
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系cos( / S)
13
6.2 卫星星座设计 续8
卫星通信
第6章 卫星星座设计
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
1
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
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
2
6.1 引言
▪ 卫星移动/宽带通信的发展
起源
1945 Arthur C. Clarke的科学幻想论文：地球外的中继
卫星序号 SAT1-1 SAT1-2 SAT1-3 SAT2-1 SAT2-2 SAT2-3 SAT3-1 SAT3-2 SAT3-3
升交点经度(º) 0 0 0
120 120 120 240 240 240
初始弧角(º) 0
120 240 40 160 280 80 200 320
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
1466.2
49
26.3
47.8
1318.2
59
22.6
38.8
1077.8
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
16
6.2 卫星星座设计 续11
▪ 近极轨道星座
➢ 倾角接近但不等于90º，即80 -100º ➢ 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
Ballard的Rosette星座) ➢ 共地面轨迹星座 ➢ 赤道轨道星座 ➢ 混合轨道星座
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
8
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90º，因此所有轨道平面在南北 极形成两个交叉点
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
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
T/P/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
f
2
T
F
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
25
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(0ºE, 0ºN)。计算所有 星座卫星的初始参数。
➢ 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
➢ 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
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
7
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
14
6.2 卫星星座设计 续9
▪ 极轨道星座
➢ 球冠覆盖条件
(P 1) (P 1)c cos
φ
(P
1)
(P
1)
arccos
cos cos( / S)
cos
Equator
-φ
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
15
6.2 卫星星座设计 续10
▪ 极轨道星座
➢ 30º以上单重球冠覆盖星座参数
➢ 顺行/逆行轨道面和‘缝隙(seam)’
➢ π星座
1
1
➢ 由于存在逆向飞行现象，
星座第一个和最后一个
1
轨道面间的间隔小于其
它相邻轨道面间的间隔 2
1
co-rotating orbits
1
counter rotating
2 Orbits (seam)
1
1
1
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
>2001 Spaceway, 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
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
4
6.1 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
覆盖范围随地面基础设施的建设 而持续增长 多标准，难以全球通用
Satellite flying direction
arccos
h
Re Re
cos
Elmin
/s
c
coverage edge of satellite
式中S是每轨道面的卫星数量
Street of coverage
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
10
6.2 卫星星座设计 续5
▪ 极轨道星座
37.5317
37.7000
37.2473
37.4139
哈尔滨31工.2业82大0 学(威海)31.通41信51工程系
h (km), EL=10° 21063.8928 10251.5175 7743.2257 3862.0274 3111.3736 2716.6567 1908.4574 1686.6606 1541.8649 1209.8590 1110.4056 1039.4163 864.8926 21
解:
星座相邻轨道面的升交点经度差为
360º/3 =120º
轨道面内相邻卫星间的相位差为
360º/(9/3) = 120º
相邻轨道面相邻卫星间的相位差为 360º/9×1=40º
轨道倾角 轨道高度
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
26
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
轨道序号 1 2 3
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
18
6.2 卫星星座设计 续13
▪ 近极轨道星座
➢ 全球覆盖方程
(P
1)
arcsin
sin{
arccos[cos
sin i
/
cos(
/
S
)]}
arccos
cos{2
arccos[cos / cos(
sin2 i
/
S )]}
cos2
i
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
19
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
/ S arctan(cos(i) tan(1))
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
20
6.2 卫星星座设计 续15
▪ 近极轨道星座
➢ 倾角85º的单重全球覆盖近极轨道星座参数
11
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
顺行轨道面间的升交点经度差
1 c
逆行轨道面间的升交点经度差
2 2c
相邻轨道面相邻卫星间相位差
c
/ S
c 1
Co-rotating orbits
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
2 / s
cc
2c 2
Counter-rotating orbits
卫星移动通信系统
易于快速实现大范围的完全 覆盖 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
适合于人口密度高，业务量密集 的城市环境
遮蔽效应使得通信链路恶化
适合于低人口密度、业务量 有限的农村环境
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
5
6.2 卫星星座设计
▪ 卫星星座的定义
1982 Inmarsat-A：第一个海事移动卫星电话系统
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
3
6.1 引言 续1
▪ 卫星移动/宽带通信的发展
第二代：数字传输技术
1988 Inmarsat-C：第一个陆地移动卫星数据通信系统
1993
Inmarsat-M and mobilesat (Australia)：第一代数字陆地移动卫星 电话系统
➢ 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
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
Байду номын сангаас
6
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
PS 23 24 25 35 36 37 47 48 49 59 5 10 5 11 6 11
α(º) 66.7682 57.8079 53.5892 42.1648 38.5540 36.3131 30.7118 28.8361 27.5252 24.1280 22.9885 22.1339 19.8638
PS
α(º)
∆1(º)
h (km), El=10º
23
64.1
111.8
16549.5
24
53.4
103.1
7650.0
25
48.1
98.7
5508.3
35
39.9
68.4
3373.5
36
35.8
66.0
2631.5
37
33.3
64.5
2252.6
47
28.9
49.6
1692.9
48
26.8
48.5
▪ 极轨道星座
➢ 单重全球覆盖星座参数
PS
α(º)
2 3 66.7
∆1(º) 104.5
h (km), El=10º 20958.6
2 4 57.6
98.4
10127.1
2 5 53.2
96.5
7562.4
3 5 42.3
66.1
3888.5
3 6 38.7
64.3
3136.5
3 7 36.5
63.2
∆1(º) 104.6850
1 (º) 103.8252
98.9190
97.3951
96.3923
93.9877
65.7888
66.2803
63.9987
64.4511
62.8864
63.3170
48.1105
48.3551
47.3622
47.6005
46.8391
47.0729
37.9109
38.0816
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
9
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
sub-satellite point
c arccos[ cos ] cos( / S)
Satellite flying direction
Equator
Orbit 1
Orbit 2
ωf
Satellite flying direction
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
24
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
1957 Sputnik：第一颗人造卫星，前苏联
1960 Echo: 第一颗反射式卫星
1964 SYNCOM III：第一颗GEO卫星
1965 INTELSAT I：第一颗商用GEO卫星 (Early Bird I)
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
1996 Inmarsat-3：支持膝上型终端的移动卫星电话系统
第三代：手持系统
1998 Iridium：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
2000 ASTRA：支持高速Internet接入
2738.6
4 7 30.8
48.3
1917.2
4 8 28.9
47.6
1694.4
4 9 27.6
47.0
1550.6
5 9 24.2
38.0
1214.6
5 10 23.0
37.7
1116.3
5 11 22.2
37.4
1044.3
6 11 哈尔滨19工.9 业大学(威31海.4) 通信工程系868.0
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
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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 1和 2 分别为
1 arcsin(sin 1 / sin i)
2
arccos(
cos
2 sin2
cos i
2
i)
式中，1 和2 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
22
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
RAAN
N
N
Walker Delta Constellation
Ballard Rosette Constellation
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
23
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
12
6.2 卫星星座设计 续7
▪ 极轨道星座
➢ 全球覆盖条件
1 c
2 2c
(P 1)1 2 (P 1) (P 1)c
(P
1)
(P
1)
arccos
cos cos( / S
)
c arccos[ cos ]
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系cos( / S)
13
6.2 卫星星座设计 续8
卫星通信
第6章 卫星星座设计
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
1
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
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
2
6.1 引言
▪ 卫星移动/宽带通信的发展
起源
1945 Arthur C. Clarke的科学幻想论文：地球外的中继
卫星序号 SAT1-1 SAT1-2 SAT1-3 SAT2-1 SAT2-2 SAT2-3 SAT3-1 SAT3-2 SAT3-3
升交点经度(º) 0 0 0
120 120 120 240 240 240
初始弧角(º) 0
120 240 40 160 280 80 200 320
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
1466.2
49
26.3
47.8
1318.2
59
22.6
38.8
1077.8
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
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6.2 卫星星座设计 续11
▪ 近极轨道星座
➢ 倾角接近但不等于90º，即80 -100º ➢ 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
Ballard的Rosette星座) ➢ 共地面轨迹星座 ➢ 赤道轨道星座 ➢ 混合轨道星座
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
8
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90º，因此所有轨道平面在南北 极形成两个交叉点
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
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
T/P/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
f
2
T
F
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
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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(0ºE, 0ºN)。计算所有 星座卫星的初始参数。
➢ 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
➢ 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
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
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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
14
6.2 卫星星座设计 续9
▪ 极轨道星座
➢ 球冠覆盖条件
(P 1) (P 1)c cos
φ
(P
1)
(P
1)
arccos
cos cos( / S)
cos
Equator
-φ
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
15
6.2 卫星星座设计 续10
▪ 极轨道星座
➢ 30º以上单重球冠覆盖星座参数
➢ 顺行/逆行轨道面和‘缝隙(seam)’
➢ π星座
1
1
➢ 由于存在逆向飞行现象，
星座第一个和最后一个
1
轨道面间的间隔小于其
它相邻轨道面间的间隔 2
1
co-rotating orbits
1
counter rotating
2 Orbits (seam)
1
1
1
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
>2001 Spaceway, 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
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
4
6.1 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
覆盖范围随地面基础设施的建设 而持续增长 多标准，难以全球通用
Satellite flying direction
arccos
h
Re Re
cos
Elmin
/s
c
coverage edge of satellite
式中S是每轨道面的卫星数量
Street of coverage
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
10
6.2 卫星星座设计 续5
▪ 极轨道星座
37.5317
37.7000
37.2473
37.4139
哈尔滨31工.2业82大0 学(威海)31.通41信51工程系
h (km), EL=10° 21063.8928 10251.5175 7743.2257 3862.0274 3111.3736 2716.6567 1908.4574 1686.6606 1541.8649 1209.8590 1110.4056 1039.4163 864.8926 21
解:
星座相邻轨道面的升交点经度差为
360º/3 =120º
轨道面内相邻卫星间的相位差为
360º/(9/3) = 120º
相邻轨道面相邻卫星间的相位差为 360º/9×1=40º
轨道倾角 轨道高度
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
26
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
轨道序号 1 2 3
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
18
6.2 卫星星座设计 续13
▪ 近极轨道星座
➢ 全球覆盖方程
(P
1)
arcsin
sin{
arccos[cos
sin i
/
cos(
/
S
)]}
arccos
cos{2
arccos[cos / cos(
sin2 i
/
S )]}
cos2
i
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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
/ S arctan(cos(i) tan(1))
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20
6.2 卫星星座设计 续15
▪ 近极轨道星座
➢ 倾角85º的单重全球覆盖近极轨道星座参数
11
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
顺行轨道面间的升交点经度差
1 c
逆行轨道面间的升交点经度差
2 2c
相邻轨道面相邻卫星间相位差
c
/ S
c 1
Co-rotating orbits
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
2 / s
cc
2c 2
Counter-rotating orbits
卫星移动通信系统
易于快速实现大范围的完全 覆盖 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
适合于人口密度高，业务量密集 的城市环境
遮蔽效应使得通信链路恶化
适合于低人口密度、业务量 有限的农村环境
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
5
6.2 卫星星座设计
▪ 卫星星座的定义
1982 Inmarsat-A：第一个海事移动卫星电话系统
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
3
6.1 引言 续1
▪ 卫星移动/宽带通信的发展
第二代：数字传输技术
1988 Inmarsat-C：第一个陆地移动卫星数据通信系统
1993
Inmarsat-M and mobilesat (Australia)：第一代数字陆地移动卫星 电话系统
➢ 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
哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系
Байду номын сангаас
6
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
PS 23 24 25 35 36 37 47 48 49 59 5 10 5 11 6 11
α(º) 66.7682 57.8079 53.5892 42.1648 38.5540 36.3131 30.7118 28.8361 27.5252 24.1280 22.9885 22.1339 19.8638
PS
α(º)
∆1(º)
h (km), El=10º
23
64.1
111.8
16549.5
24
53.4
103.1
7650.0
25
48.1
98.7
5508.3
35
39.9
68.4
3373.5
36
35.8
66.0
2631.5
37
33.3
64.5
2252.6
47
28.9
49.6
1692.9
48
26.8
48.5
▪ 极轨道星座
➢ 单重全球覆盖星座参数
PS
α(º)
2 3 66.7
∆1(º) 104.5
h (km), El=10º 20958.6
2 4 57.6
98.4
10127.1
2 5 53.2
96.5
7562.4
3 5 42.3
66.1
3888.5
3 6 38.7
64.3
3136.5
3 7 36.5
63.2
∆1(º) 104.6850
1 (º) 103.8252
98.9190
97.3951
96.3923
93.9877
65.7888
66.2803
63.9987
64.4511
62.8864
63.3170
48.1105
48.3551
47.3622
47.6005
46.8391
47.0729
37.9109
38.0816