移动卫星通信系统(上)：卫星星座设计
移动卫星通信系统
手持终端 移动终端
信关站
用户段
（地面主站、网关站）
地面段
PSTN/PLMN 核心网
用户信息 管理系统
卫星控制 中心SCC
用户链路
3
馈送链路
移动卫星通信系统的分类
海事移动卫星系统(MMSS)
用途
航空移动卫星系统(AMSS)
分类
陆地移动卫星系统(LMSS)
同步轨道系统 (GEO)
卫星运行 高椭圆轨道系统(HEO)
❖ 典型实例： Iridium(铱系统) Globalstar(全球星系统) Orbcomm(轨道通信系统)
13
❖ 网状星座：通常区域覆盖，如Globalstar系统
14
移动卫星通信系统的发展及特点
❖ 第一代移动卫星通信系统：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
轨道
中轨道系统(MEO)
低轨道系统(LEO) 4
海事移动卫星系统(MMSS)
❖ MMSS旨在帮助海上救援工作，提高船舶使 用效率和管理水平，改善海上通信业务和提 高无线定位能力。
❖ 其在海事上的应用包括：直拨电话、传真、 电子邮件和数据连接等。
5
航空移动卫星系统(AMSS)
❖ AMSS的主要用途是在飞机与地面之间 为机组和乘客提供话音和数据通信。
1982年，Inmarsat-A成为第1个海事移动 卫星电话系统
15
❖ 第二代移动卫星通信系统：数字传输技术 1988年，Inmarsat-C成为第1个陆地移动 卫星数据通信系统 1993年，Inmarsat-M和澳大利亚的 Mobilesat成为第1个数字陆地移动卫星电 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
适合国情的卫星移动通信系统的初步设计
陕西 西 安 ７ ０ ７ ） １０ １
【 要】 出一 种 Ｇ Ｏ 和 Ｌ Ｏ 相 结合 的混 合 星座 卫 星 移 动通 信 系统 方 案 。 文 章在 对 卫 星移 动 通 信 系统 的各 分 系统 简单 摘 提 Ｅ Ｅ
论 述 的基 础 上 重 点 分析 了各 分 系统 中的 关键 技 术 ， 最后 指 出应 当结 合 我 国 国情 ， 取 分 步走 的建 设 策 略 ， 解 决 国 内与周 边 热 采 先 点 地 区 的覆 盖 问题 。 解 决 全球 覆 盖 问题 。 再 【 关键 词】星座 卫 星移 动 通 信 Ｃ Ｏ Ｌ Ｇ Ｅ Ｅ
情 。我 国 Ｇ Ｏ 卫 星发 射 和 运控 技 术 成 熟 。组 建 Ｇ Ｏ 卫 星 移 Ｅ Ｅ
动 通 信 系 统 ，先 期 主 要 解 决 星 载 大 口 径 多 波 束 天 线和 地 面 终 端 小 型化 问题 ， 术风 险 较 小 ； 有 星 上处 理 功 能 的 “ ” 系 技 具 铱 星 统 建 设 期 投 资 达 到 五 十 多亿 美 元 ， 没有 星 上 处 理 的 “ 球 星 ” 全
整 颗 卫 星可 以 同时 接 入 １， ０路 电话 ，用 户 总 容 量 可 达 ２０ １０ ０ ０
万 。卫 星 的其 他 参数 如 表 １ 示 ： 所 参 考 亚 洲 蜂 窝 （ ＣＥ ） 国外 其 他 已 经 投 入 应 用 的 Ｇ Ｏ Ａ Ｓ和 Ｅ
① 遵循 分期 建设“ 边建 设边使 用” 原则 ， 合 我国 国 的 适
该方 案 具 有 如 下特 点 ：
由于 Ｇ Ｏ 卫 星 要 支 持 手 机 对 卫 星 的 直 接 通 信 。所 以 Ｅ ＧＥ 卫 星 发 射 设 备 必 须 具 有很 高 的 Ｅ ＲＰ，而 接 收 设 备 则 需 Ｏ Ｉ 有较 高 的 Ｇ／ 值 ，以下 参照 已投 入 运 营 的亚 洲 蜂 窝 的 Ｇ ｒ— Ｔ ａｕ ｄ 一 卫 星 ， 出 本 系统 对 Ｇ Ｏ 卫 星 的 基 本 要 求 。 ａ１ 提 Ｅ 亚 洲 蜂 窝 Ａ Ｓ卫 星移 动通 信 系统 Ｇ ｒｄ 一 卫 星发 射 质 Ｃｅ ａｕ ａ １ 量 ４０ｋ ， 行 １ ５０ ｇ 运 ２年 ， 峰 值 功 率 为 １ Ｋ 卫 星 的移 动 链 ＤＣ ２ ｗ， 路 具 有 ８ 个 固态 功 放 。 个 功放 可 以提 供 ２ Ｗ 的输 出功 率 ， ８ 每 ０
卫星通信系统
发展趋势
未来卫星通信系统主要有以下的发展趋势： 4.1、地球同步轨道通信卫星向多波束、大容量、智能化发展； 4.2、低轨卫星群与蜂窝通信技术相结合、实现全球个人通信； 4.3、小型卫星通信地面站将得到广泛应用； 4.4、通过卫星通信系统承载数字视频直播(DvB)和数字音频广播(DAB)； 4.5、卫星通信系统将与IP技术结合，用于提供多媒体通信和因特接入，即包括用于国际、国内的骨干络， 也包括用于提供用户直接接入； 4.6、微小卫星和纳卫星将广泛应用于数据存储转发通信以及星间组通信。
谢谢观看
3.4、络建设速度快、成本低：除建地面站外，无需地面施工。运行维护费用低；
3.5、信号传输时延大：高轨道卫星的双向传输时延达到秒级，用于话音业务时会有非常明显的中断；
3.6、控制复杂：由于卫星通信系统中所有链路均是无线链路，而且卫星的位置还可能处于不断变化中，因 此控制系统也较为复杂。控制方式有星间协商和地面集中控制两种。
卫星通信系统
微波通信
01 简介
03 系统特点 05 成功案例
目录ห้องสมุดไป่ตู้
02 分类 04 发展趋势
卫星通信系统实际上也是一种微波通信，它以卫星作为中继站转发微波信号，在多个地面站之间通信，卫星 通信的主要目的是实现对地面的“无缝隙”覆盖，由于卫星工作于几百、几千、甚至上万公里的轨道上，因此覆 盖范围远大于一般的移动通信系统。但卫星通信要求地面设备具有较大的发射功率，因此不易普及使用。
铱星系统
铱星系统属于低轨道卫星移动通信系统，由Motorola提出并主导建设，由分布在6个轨道平面上的66颗卫星 组成，这些卫星均匀的分布在6个轨道面上，轨道高度为780 km。主要为个人用户提供全球范围内的移动通信， 采用地面集中控制方式，具有星际链路、星上处理和星上交换功能。铱星系统除了提供业务外，还提供传真、全 球定位(GPS)、无线电定位以及全球寻呼业务。从技术上来说，这一系统是极为先进的，但从商业上来说，它是 极为失败的，存在着目标用户不明确、成本高昂等缺点。目前该系统基本上已复活，由新的铱星公司代替旧铱星 公司，重新定位，再次引领卫星通信的新时代。
卫星通信系统
低地球轨道
卫星高度较低，适用于对地观测、短报文通 信等应用。
高椭圆轨道
卫星运行轨道呈高度椭圆状，适用于侦察、 导弹预警等应用。
通信链路
射频链路
负责传输信号，包括上行链路（地面站到卫星）和下行链路（卫星到地面站） 。
信令链路
负责控制和管理信号传输，确保通信过程的正常进行。
固定安装在地面上，提供稳定 的通信服务。
移动地面站
安装在车辆、船舶或飞机上， 实现移动通信。
个人地面站
便携式地面站，便于个人随身 携带和使用。
网关地面站
负责将卫星信号接入传统通信 网络，实现卫星与地面网络的
互联互通。
空间段
地球同步轨道
卫星运行与地球自转同步，覆盖范围广，适 用于通信、气象等应用。
中地球轨道
卫星定位服务
利用卫星信号提供定位服务，广泛应用于导航、物流等领域。
互联网接入
卫星宽带
通过卫星为偏远地区和海洋区域提供 互联网接入服务，满足用户上网需求 。
卫星数据中继
为飞机、船舶等移动平台提供数据中 继服务，保障实时通信。
军事通信
战略通信
为军事战略指挥提供可靠的通信保障，确保信息传递的准确性和及时性。
星上处理与星间通信
要点一
总结词
未来的卫星通信系统将更加依赖星上处理和星间通信技术 ，以提高系统的灵活性和可靠性。
要点二
详细描述
星上处理技术将数据处理的任务从地面站转移到了卫星上 ，使得卫星能够实时处理和转发数据，减少了地面站的压 力。星间通信技术则通过卫星之间的直接通信，实现了更 加灵活的路由和更高的数据传输效率。
启了卫星通信的历史。
摩托罗拉铱星计划
• 目前我们使用的ＧＳＭ和ＣＤＭＡ地面移动通信系统只适于在人口密集的区域使用，对于
覆盖地球大部分、人烟稀少的地区则根本无法使用。
• 铱星计划的市场目标定位：需要在全球任何ຫໍສະໝຸດ 个区域范围内都能够进行电话通信的移动客
户。
人烟稀少地区：
卫星
卫星手持 电话机 地面移动电话系统 （ＧＳＭ或ＣＤＭＡ 移动通信系统）
铱星移动通信系统：
铱星移动通信系统是美国摩托罗拉公司设计的一种全球性卫星移动通信系统，它通过使用卫 星手持电话机，透过卫星可在地球上的任何地方拨出和接收电话讯号。其使用的过程是当地 面上的用户使用卫星手机打电话时，该区域上空的卫星会先确认使用者的账号和位置，接着 自动选择最便宜也是最近的路径传送电话讯号。
摩托罗拉公司正式通知铱星电话用户，如果在1999 年3月15日为止还没有买家收购铱星公司并追加投 资，铱星的服务将于美国东部时间3月17日23点59 分终止。
1998.11.01 1999.03.15
正式开通了全球通信业务。 但是这时传统的手机已经完全占领了市场。由于无法形成 稳定的客户群，铱星公司亏损巨大，甚至无法偿还借款利 息，所以摩托罗拉将铱星公司申请破产保护。
1999.03.17铱
星公司正式宣布破 产。从正式宣布投 入使用到终止使用 不足半年时间。
目的地
人口稠密地区：
“铱星计划”发展的时间轴：
铱星移动通讯系统卫星开始试验 发射，并计划１９９８年投入业 务，预计总投资为３４亿美元， 卫星的设计使用寿命为５年。
1987 1996
美国提出的第一代卫星移 动通信星座系统---铱星移 动通信系统
1998.05
铱星移动通讯系统布星任 务全部完成。
“铱星计划”发展的时间轴：
【最新】移动卫星通信系统上卫星星座设计
23
64.1
111.8
16540
2 5 48.1
98.7
5508.3
3 5 39.9
68.4
3373.5
3 6 35.8
66.0
2631.5
3 7 33.3
64.5
2252.6
4 7 28.9
49.6
1692.9
4 8 26.8
48.5
1466.2
4 9 26.3
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
2021/2/2
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 卫星序号
升交点经度(º)
SAT1-1
0
1
SAT1-2
0
SAT1-3
0
SAT2-1
120
2
SAT2-2
▪ 倾斜圆轨道星座
➢ 倾斜圆轨道星座的命名
RAAN
N
N
Walker Delta Constellation 2021/2/2
Ballard Rosette Constellation 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
Satellite flying direction
2021/2/2
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)
铱星计划
四维空间
性能维 经济成本维
3.3、时间维 3.4、发展维
Hale Waihona Puke 在性能维，铱星系统在卫星通信和移动通信两方面的发展中，实现了大跨度的间断。其主要间断点如下： --采用LEO卫星作中继平台，使地面接收终端的体积比GEO卫星通信系统的地面接收终端的体积小，从而为手 机通信的实现成为可能； --采用多波束技术（每颗星48个点波束）,实现了极高的频率复用率，因而大大提高了系统的通信容量.而在 相同面积的区域内，铱星系统可提供的话音信道是GEO卫星通信系统的2倍； --采用极地轨道，实现了GEO系统所未能做到的极地地区的通信覆盖； --采用LEO,使卫星--用户链路的长度，较GEO系统大幅度降低（约降低75%）.使每一跳的信号传输时延大大 降低，提高了话音通信的舒适性； --采用星际链路，实现了单跳全球通，免除了诸如GEO系统多跳通信给用户带来的长时延，大回声烦恼。
2.31、性能维：分为基本性能维和使用性能维。前者是目的系统之特征性能.而后者则是所有人工系统的通 用性能。它包括可靠性，安全性和维护性等；
2.3.2、经济成本维：是目的系统的一个重要约束条件。它直接影响目的系统在性能维等其它三维的可行性. 它包括研制成本，生产成本和使用成本等；
2.3.3、时间维：是指目的系统的整个研究开发，以及进入市场竞争的时间限制等；
现代电信
计划提出
发展情况
铱星卫星移动通信系统计划，是在十分鲜明的技术，经济和市场背景下产生的。随着世界经济与社会生活的 发展，人类对通信的需求也呈现日益增强的势头.在这种需求中，移动通信越来越具有不可替代的使用价值。而在 移动通信的发展中，卫星移动通信系统也在不断增强着其竞争力.毫无疑问，随着通信科技的发展，在移动通信的 市场中，必将出现卫星移动通信系统,地面移动通信系统和问世的同温层平台移动通信系统（HAPS）三分天下的 局面。
卫星星座设计
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
6
6.2 卫星星座设计
卫星星座选择
续1
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 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
多标准，难以全球通用
蜂窝小区小，频率利用率高
全球通用
频率利用率低
提供足够的链路余量以补偿信号 遮蔽效应使得通信链路恶化 衰落 适合于人口密度高，业务量密集 适合于低人口密度、业务量 的城市环境 有限的农村环境
5
6.2 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
续4
sub-satellite point
c
/s
coverage edge of satellite
式中S是每轨道面的卫星数量
Street of coverage Nhomakorabea10
6.2 卫星星座设计
极轨道星座
顺行/逆行轨道面和‘缝隙(seam)’ π星座 由于存在逆向飞行现象， 星座第一个和最后一个 轨道面间的间隔小于其 它相邻轨道面间的间隔
续15
倾角85º 的单重全球覆盖近极轨道星座参数
) 1 (º 103.8252 97.3951 93.9877 66.2803 64.4511 63.3170 48.3551 47.6005 47.0729 38.0816 37.7000 37.4139 31.4151
区域覆盖低轨卫星移动通信系统星座优化设计
０ 引 言
目前 ， 中低 轨道 持续 性 全球 覆 盖 星座 及持 续 对 性地带覆 盖星座 已有公 认 的最优 设 计 方 法 ， 对 中 但
低轨道 区域 性 覆 盖 星 座 尚无 好 的 设 计 方 法 … 。考
座 系统 的特点是 传播 时延 短 、 路径损 耗小 ， 用户终端 易小 型化 ； 网络 的顽存性 强 ， 在少量卫 星被毁 后系统 仍可 维持一 定 的使 用 性 能 ； 机动 灵 活等 。用 区域 覆
（． １ 国防 科 学技 术 大 学 航 天 与 材 料 工 程 学 院 ， 南 长 沙 ４ ０ ７ ； ． 湖 １０ ３ ２ 东风 航 天 中心 ， 肃 兰 州 ７ ２ ５ ） 甘 ３ ７０
摘 要 ： 对 区域 覆 盖 低 轨 卫 星 移 动 通信 系统 星座 ， 出 了一 种 改 进 遗 传 算 法 （ Ａ） 针 提 Ｇ 的优 化 设 计 。根 据 改进 的 区域 覆盖 星座 模 型 ， 用 可 变维 数 优 化 的 整数 与 实数 混 合 的 染 色体 编 码 。 给 出 了算 法 步 骤 。 某 区域 覆 盖低 轨 卫 星 采 移 动 通信 系统 星 座 优 化 设 计 算例 结果 显 示 了该 算 法 的 有 效 性 。 关键 词 ： 轨 卫 星星 座 ；区域 覆 盖 ；移 动通 信 系统 ；星座 优 化 ；遗传 算 法 低 中 图分 类 号 ： ４ ４ ２ Ｖ ７ ．１ 文献标识码 ： Ａ
（ ． ｏｌ ｅ ｆ ｅｏｐ ｃ ｎ ｔｒ ｌ ｎ ｉ ｅｉ ， Ｄ １ Ｃ ｌ ｇ ｒ ａ ｅ ｄ Ｍａ ｉ ｇｎ ｒ ｇ ＮＵ Ｔ， ｈ ｎ ｓ ａＨｕ ａ １ ０ ３ Ｃ ｉａ ｅ ｏＡ ｓ ａ ｅａＥ ｅ ｎ Ｃ ａ ｇ ｈ ｎ ｎ４ ０ ７ ， ｈｎ ；
卫星移动通信系统
卫星移动通信系统在当今高度互联的世界中，通信技术的发展日新月异，为人们的生活和工作带来了极大的便利。
其中，卫星移动通信系统作为一种重要的通信手段，正发挥着越来越关键的作用。
什么是卫星移动通信系统呢？简单来说，它是利用卫星作为中继站来实现移动终端之间通信的系统。
想象一下，无论您身处广袤的沙漠、浩瀚的海洋，还是在偏远的山区，只要您手中持有支持卫星移动通信的设备，就能与世界保持联系，这就是卫星移动通信系统的魅力所在。
卫星移动通信系统的组成部分相当复杂。
首先，得有在太空中运行的通信卫星。
这些卫星就像是太空中的“信号塔”，负责接收和转发来自地面移动终端的信号。
为了确保信号的稳定和强大，卫星通常配备了高性能的天线和转发器。
然后是地面段，包括地面控制中心、网络控制中心等设施。
地面控制中心负责对卫星进行监测、控制和管理，确保卫星在轨道上正常运行；网络控制中心则负责处理用户的注册、认证、计费等业务。
再者，还有用户段，也就是我们常见的卫星手机、卫星通信终端等设备。
这些设备具备特殊的天线和调制解调器，能够与卫星进行有效的通信。
卫星移动通信系统具有众多显著的优点。
其一，它的覆盖范围极其广泛。
与传统的地面移动通信系统不同，卫星移动通信系统几乎可以覆盖地球表面的任何角落，无论是极地、深海还是无人区，都能实现通信连接。
这对于那些从事远洋航行、探险、地质勘探等工作的人员来说，无疑是至关重要的。
其二，它具有独立性和可靠性。
在遇到自然灾害、战争等突发事件导致地面通信设施遭到破坏时，卫星移动通信系统往往能够保持正常运行，成为应急通信的重要保障。
其三，它能够提供多样化的服务。
除了基本的语音通话和短信服务，还可以实现数据传输、定位导航、视频通信等功能，满足不同用户在不同场景下的需求。
然而，卫星移动通信系统也并非完美无缺。
它面临着一些挑战和限制。
首先是成本问题。
发射卫星、建设地面设施以及维护整个系统的运营都需要巨大的资金投入。
这导致卫星移动通信服务的费用相对较高，限制了其在普通消费者中的广泛应用。
卫星通信中的星座设计与多址融合研究
卫星通信中的星座设计与多址融合研究卫星通信作为现代通信技术的重要组成部分，在无线通信领域扮演着重要的角色。
卫星通信系统克服了传统地面通信的限制，具有覆盖范围广、传输速率高和可靠性强的优势。
在卫星通信系统中，星座设计和多址融合技术是两个关键的研究领域，旨在提高系统的容量和性能。
星座设计是卫星通信系统中的一项重要工作。
星座设计的目的是通过设计合适的星座点位，使得在给定的频谱资源和误码率下，系统的性能达到最优。
星座点位的选择是星座设计的关键步骤之一。
传统的星座设计方法主要考虑均匀星座或满保角星座，这种设计方法在一定程度上可以提高系统的性能，但容量受限。
近年来，研究人员提出了非均匀星座设计的概念，旨在进一步提高系统的容量。
非均匀星座设计通过在星座中分配更多的点位密度，使得星座更加适应通信信道的特性。
此外，星座设计还需要考虑星座点的编码和调制方式，以实现更高的传输速率和更低的误码率。
因此，星座设计在卫星通信系统中是一个重要且复杂的问题。
多址融合技术是卫星通信系统中的另一个重要研究领域。
多址融合技术旨在提高系统的频谱利用率，实现多用户同时传输的能力。
传统的多址技术包括时分多址（TDMA）、频分多址（FDMA）和码分多址（CDMA）。
然而，在卫星通信系统中，由于资源的限制和信道特性的复杂性，传统的多址技术面临着许多挑战。
因此，研究人员提出了各种改进的多址技术，如空时码分多址（STBC-CDMA）、多天线技术和波束形成技术等，以提高系统的容量和性能。
多址融合技术的研究还需要考虑信道估计、误码率性能、功率控制和干扰管理等问题。
在卫星通信系统中，星座设计和多址融合技术通常是同时进行的，相互影响和辅助。
星座设计的好坏直接影响着多址融合技术的实现和性能。
同时，多址融合技术的发展也促进了星座设计的进步。
在卫星通信系统中，研究人员正在探索星座设计与多址融合技术的协同优化，以提高系统的容量和性能。
协同优化的目标是在满足给定的容量和性能要求的前提下，同时优化星座设计和多址融合技术，达到最优的系统设计。
卫星星座轨道设计方法
卫星星座轨道设计方法一、引言在卫星通信系统中，卫星星座的轨道设计是一个重要的问题。
卫星星座轨道设计方法直接关系到通信系统的性能和覆盖范围。
本文将深入探讨卫星星座轨道设计的方法和技巧，包括轨道类型、参数选择、覆盖范围计算等。
二、轨道类型卫星星座轨道可以分为地球同步轨道、低轨道和中轨道三种类型。
2.1 地球同步轨道地球同步轨道是指卫星绕地球轨道运行的周期与地球自转周期相等，使得卫星始终覆盖地球上的同一区域。
地球同步轨道对于提供连续的全球覆盖非常重要，因此在国际通信卫星系统中广泛应用。
常见的地球同步轨道包括静止轨道、准静止轨道等。
2.2 低轨道低轨道是指卫星绕地球运行的轨道高度较低，通常在1000公里以下。
低轨道的优势是延迟较低，适用于一些对延迟要求较高的应用，如互联网通信和地球观测等。
低轨道的缺点是需要多颗卫星构成一个星座，并且覆盖范围较小。
2.3 中轨道中轨道是介于地球同步轨道和低轨道之间的一种轨道类型，通常在1000公里到20000公里之间。
中轨道相比低轨道具有较大的覆盖范围，同时延迟也相对较低，适合提供广域覆盖的通信服务。
中轨道的代表是全球星座系统如GPS和伽利略。
三、轨道参数选择卫星星座的轨道参数选择直接关系到通信系统的性能和覆盖范围。
主要的轨道参数包括轨道高度、轨道倾角和轨道周期等。
3.1 轨道高度轨道高度决定了卫星的运行速度和轨道周期。
一般而言，轨道高度越高，速度越慢，轨道周期越长。
要根据实际需求选择合适的轨道高度，既要考虑覆盖范围，又要考虑系统时延和通信质量等因素。
3.2 轨道倾角轨道倾角是指卫星轨道平面与地球赤道面的夹角。
轨道倾角的大小会影响卫星的覆盖范围和通信性能。
一般而言，低轨道的轨道倾角较小，中轨道的轨道倾角较大。
3.3 轨道周期轨道周期是卫星绕地球一周的时间。
轨道周期越长，卫星轨道的速度越慢，覆盖范围越大。
轨道周期的选择要考虑到系统的通信需求和卫星的能源消耗等因素。
3.4 其他参数除了轨道高度、轨道倾角和轨道周期之外，还有一些其他的轨道参数需要考虑，包括升交点赤经、卫星轨道平面的偏心率和近地点高度等。
最新卫星通信基本概念及其系统组成
局限性：
（1）通信卫星使用寿命较短。
*部件故障导致的不可修复 *推进剂携带量有限
控制卫星入轨 推进剂的应用 轨道位置保持
姿态保持
（2）存在日凌中断和 星蚀现象。
图1-4__静______止____卫____星______的____日____凌______中____断____和_____星_ 蚀现象
卫星通信系统指利用人造地球卫星在地球站之间进行通 信的通信系统。
通信卫星指用于实现通信目的的人造卫星。 卫星通信是地面微波中继通信的继承和发展，是微波接 力向太空的延伸。
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• 图1-1 卫星通信过程示意图
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通常以空间飞行器或通信转发体为对象的无线 电通信称为空间通信(宇宙通信)，它包括三种形式：
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1.1 卫星通信的基本概念和特点
1.1.1 卫星通信的基本概念 卫星是指在围绕行星的轨道上运行的天然天体或人造
天体，如月球是地球的卫星。
卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电 波，在两个或多个地球站之间进行的通信。其无线电波频率 使用微波频段(300 MHz～300 GHz，即波段1 m～1 mm)。
低轨道卫星移动通信系统综述
2020年第08期1321 低轨道卫星移动通信系统概述在20世纪80年代，人们提出了一个全新的移动通信系统构想，其主要是通过多颗卫星组成卫星星座，由于这些卫星的高度一般在500～1 500 km，因此被称为低轨道卫星移动通信系统［1］。
这种新的移动通信系统构想，解决了传统静止轨道卫星通信系统无法全天候、全时段进行工作，以及无法有效消除复杂地形条件影响的缺点，有效增强了实时通信能力。
同时，低轨道卫星通信系统还具有通信容量大、延迟低、所覆盖的范围更大等优点，还能够有效减小移动通信终端的体积，最重要的是，在低轨道卫星移动通信系统中的卫星发射非常灵活。
随着低轨道卫星移动通信系统的不断发展，目前其已经发展成为覆盖全球移动通信的主要方式［2］。
目前，国内还没有成熟的低轨通信星座技术，而国外已经有多个投入运行的商业化通信星座，且这些星座各有特点。
2 世界低轨道卫星通信系统简介2.1 铱星系统首个实现覆盖全球的LEO 卫星蜂窝系统——“铱”星系统，最早是由摩托罗拉（Motorola）公司在20世纪80年代末期提出的技术构想，并于20世纪90年代开始进行整个卫星系统的研发。
整个“铱”星系统主要包含三段，分别是空间段、地面段以及用户段。
它总计由77颗LEO 卫星构成了整个空间段星座，在共计7条的极地轨道上，分别有11颗LEO 卫星，这些卫星都朝着同一个方向进行工作。
每颗卫星的一个点波束支持80个信道，单颗卫星可提供低轨道卫星移动通信系统综述叶荣飞重庆金美通信有限责任公司，重庆 400030摘要：近年来，随着商业航天的兴起，低轨道通信卫星以其易大规模制造、发射成本低等优势重新进入通信市场，世界各大公司纷纷提出了各自的星座计划。
文章主要对已有的和正在开展建设的通信星座特点进行了介绍，并分析了通信星座发展趋势，以供参考。
关键词：低轨道；卫星；通信星座；通信系统中图分类号：TN927.23 840个信道。
“铱”星系统不同于其他的移动通信系统，其最大的特点是使用了系统内的星际链路，具有强大的星间路由寻址能力。
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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
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
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
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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
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
>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
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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
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
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
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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
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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
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
▪ 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
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
逆行轨道面道面相邻卫星间相位差
c
/ S
c 1
Co-rotating orbits
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2 / s
cc
2c 2
Counter-rotating orbits
1466.2
49
26.3
47.8
1318.2
59
22.6
38.8
1077.8
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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
卫星通信
第6章 卫星星座设计
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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
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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
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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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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
∆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
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
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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
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
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6.2 卫星星座设计 续5
▪ 极轨道星座
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
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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
➢ 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