第六章 移动卫星通信系统
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第二代：数字传输技术 1988 1993 1996 1998 2003 2000 Inmarsat-C：第一个陆地移动卫星数据通信系统 Inmarsat-M and mobilesat (Australia)：第一代数字陆地移动卫星电 话系统 Inmarsat-3：支持膝上型终端的移动卫星电话系统 Iridium：第一个支持手持终端的全球性低轨移动卫星通信系统 集成了卫星通信子系统的全球移动通信系统(UMTS/IMT-2000) ASTRA：支持高速Internet接入
2a 2 Re hp ha 2 6378.137 1000 4000 17,756.274km
因此，半长轴a = 8878.137Km，由此可计算轨道周期：
T＝2
a3
8325.1703
( s)
9
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:
8
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6378.137 km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：
26
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
轨道偏心率：e 1 (b / a) 2 半焦距长度： R半焦距 ae 远地点距离： R远地点 a(1 e) 近地点距离： R近地点 a (1 e) 卫星在轨瞬时速度： 2 1 椭圆轨道: V卫星＝ （ ） (km / s) r a 卫星运行周期： 椭圆轨道: T卫星＝2 a3
2. 卫星的半视角：
arcsin
Re sin Re cos E arctan ( h Re) Re cos h Re
3. 仰角、覆盖区地心角、卫星星下半视角关系：
E
2
31
单颗卫星的服务区域（foot print）（3）
37
按倾角分类的轨道形式：
赤道
赤道
赤道来自百度文库
赤道
（a）赤道轨道
（b）极轨道
（c）顺行倾斜轨道
（d）逆行倾斜轨道
（注：即第二章2.1.1节，公式（2－9））
5. 覆盖区半径与面积：
半径：X Re sin
面积：S 2 Re2 (1 cos )
32
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：
Re o arccos[ cos E ] E 28.6618 Re h
卫星通信导论
第六章 卫星移动通信系统
1
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
2
6.1 引言
卫星移动/宽带通信的发展
起源 1945 1957 1960 1964 Arthur C. Clarke的科学幻想论文：地球外的中继 Sputnik：第一颗人造卫星，前苏联的 Echo: 第一颗反射式卫星 SYNCOM III：第一颗GEO卫星
刻画覆盖区的各参量之间的关系： 4.星地距离(余弦定理)：
d R ( Re h) 2 Re h cos
2 e 2
Re2 sin 2 E 2 h Re h 2 Re sin E
特别的，静止卫星的星站距离：
d 42238 1.023 0.302cos(latstation ) cos( long )
max arccos
6378.137 cos10 10 26.64 1450 6378.137
398601.58 4 9.12 10 rad / s 0.0522 / s 3 (1450 6378.137)
卫星的在轨运动角速度：
S 2 / T卫星
再计算覆盖面积：
S 2 Re2 (1 cos ) 3.1316 107 平方公里
33
单颗卫星的服务区域（foot print）（4）
一颗静止卫星的服务范围（最小仰角10度）
34
单颗卫星的服务区域（foot print）（5）
一颗低轨星的覆盖范围（780km，最小仰角10度）
(h Re)3
所以卫星的最长连续服务时间为：
tmax 2 max / S 1020.69s 17 min
36
6.2.2 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)
6
6.2.1 卫星运动规律和轨道参数
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。
7
根据开普勒定律得到的卫星轨道运动参数
第三代：手持系统
宽带卫星系统：Internet和多媒体通信
>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
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 卫星移动通信系统 易于快速实现大范围的完全 覆盖
35
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：
XYZ为ECI坐标系
h i
O
r
M
S
e t=τ
Y
Ω
ω
N
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)
11
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。 平近点角M 表示了 航天器离近地点的 角度。
1965
1976
INTELSAT I：第一颗商用GEO卫星 (Early Bird I)
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 Inmarsat-A：第一个海事移动卫星电话系统
3
第一代：模拟技术
1982
6.1 引言 续1
卫星移动/宽带通信的发展
纬度 s (t ) arcsin(sin i sin )
13
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 0<e<1，椭圆轨道
e>1，抛物线
14
圆轨道地迹（e=0）
15
椭圆轨道地迹 (0<e<1)
16
轨道参数对轨道形状和地迹的影响（2）
轨道倾角i
(Ω =0度)
22
升节点经度Ω
(Ω =－100度)
23
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 a<42164km时，为地球非同步轨道NGSO
24
倾角不为0 的地球同步轨道GSO
25
倾角为0 的地球同步轨道－静止轨道GEO
30
单颗卫星的服务区域（FootPrint）（2）
刻画覆盖区的各参量之间的关系：
1. 覆盖区地心角：
Re arccos[ cos E ] E Re h 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：
arccos[sin(u ) sin(s ) cos(u ) cos(s ) cos(u s )]
a (1+e) 远 地 点 a b C ae
r
O
近 地 点 Re O
(a)
a (1-e)
( b)
圆轨道： V卫星＝
r
(km / s)
(s )
圆轨道：T卫星＝2
(Re h)3
(s)
其中a 半长轴；b－半短轴；r 卫星地球瞬时距离；
－开普勒常数，398601.58 km3 / s 2
27
回归轨道（例：h＝10354km，一天四圈）
28
准回归轨道（例：h=1450km，2天内25圈）
29
单颗卫星的服务区域（FootPrint）
d星地 观察点 E
h+Re 观察点 地平线
x
Re
星下点
O
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。
赤道轨道 0<i<90 倾斜轨道 i＝90 极轨道 90<i<180 逆行轨道（太阳同步轨道）
i=0
17
赤道圆轨道地迹 (i＝0)
18
倾斜圆轨道地迹（i＝45度）
19
圆极轨道地迹 (i＝90）
20
太阳同步轨道地迹（i>90）
21
轨道参数对轨道形状和地迹的影响(3)
升节点经度Ω
Ω 、 i、 ω 、 e、 a、M
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
10
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)． i 表示轨道顷角：轨道面和 地球赤道面的夹角。 e 为椭圆轨道的偏心率。 a 为椭圆轨道的半长轴。 X ω 表示近地点幅角，升交点Na与 近地点的夹角。 Z
多标准，难以全球通用
蜂窝小区小，频率利用率高 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
全球通用
频率利用率低 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
5
6.2 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
从而这六个量完全确 定了卫星的位置和运 动状况。
X
Z
h i
O
r
M
S
e t=τ
Y
Ω
ω
N
12
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：
180( 180 90) 经度 s (t ) 0 arctan(cos i tan ) e t 0 ( 90 90 ) 180(90 180)
2a 2 Re hp ha 2 6378.137 1000 4000 17,756.274km
因此，半长轴a = 8878.137Km，由此可计算轨道周期：
T＝2
a3
8325.1703
( s)
9
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:
8
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6378.137 km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：
26
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
轨道偏心率：e 1 (b / a) 2 半焦距长度： R半焦距 ae 远地点距离： R远地点 a(1 e) 近地点距离： R近地点 a (1 e) 卫星在轨瞬时速度： 2 1 椭圆轨道: V卫星＝ （ ） (km / s) r a 卫星运行周期： 椭圆轨道: T卫星＝2 a3
2. 卫星的半视角：
arcsin
Re sin Re cos E arctan ( h Re) Re cos h Re
3. 仰角、覆盖区地心角、卫星星下半视角关系：
E
2
31
单颗卫星的服务区域（foot print）（3）
37
按倾角分类的轨道形式：
赤道
赤道
赤道来自百度文库
赤道
（a）赤道轨道
（b）极轨道
（c）顺行倾斜轨道
（d）逆行倾斜轨道
（注：即第二章2.1.1节，公式（2－9））
5. 覆盖区半径与面积：
半径：X Re sin
面积：S 2 Re2 (1 cos )
32
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：
Re o arccos[ cos E ] E 28.6618 Re h
卫星通信导论
第六章 卫星移动通信系统
1
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
2
6.1 引言
卫星移动/宽带通信的发展
起源 1945 1957 1960 1964 Arthur C. Clarke的科学幻想论文：地球外的中继 Sputnik：第一颗人造卫星，前苏联的 Echo: 第一颗反射式卫星 SYNCOM III：第一颗GEO卫星
刻画覆盖区的各参量之间的关系： 4.星地距离(余弦定理)：
d R ( Re h) 2 Re h cos
2 e 2
Re2 sin 2 E 2 h Re h 2 Re sin E
特别的，静止卫星的星站距离：
d 42238 1.023 0.302cos(latstation ) cos( long )
max arccos
6378.137 cos10 10 26.64 1450 6378.137
398601.58 4 9.12 10 rad / s 0.0522 / s 3 (1450 6378.137)
卫星的在轨运动角速度：
S 2 / T卫星
再计算覆盖面积：
S 2 Re2 (1 cos ) 3.1316 107 平方公里
33
单颗卫星的服务区域（foot print）（4）
一颗静止卫星的服务范围（最小仰角10度）
34
单颗卫星的服务区域（foot print）（5）
一颗低轨星的覆盖范围（780km，最小仰角10度）
(h Re)3
所以卫星的最长连续服务时间为：
tmax 2 max / S 1020.69s 17 min
36
6.2.2 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)
6
6.2.1 卫星运动规律和轨道参数
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。
7
根据开普勒定律得到的卫星轨道运动参数
第三代：手持系统
宽带卫星系统：Internet和多媒体通信
>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
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 卫星移动通信系统 易于快速实现大范围的完全 覆盖
35
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：
XYZ为ECI坐标系
h i
O
r
M
S
e t=τ
Y
Ω
ω
N
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)
11
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。 平近点角M 表示了 航天器离近地点的 角度。
1965
1976
INTELSAT I：第一颗商用GEO卫星 (Early Bird I)
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 Inmarsat-A：第一个海事移动卫星电话系统
3
第一代：模拟技术
1982
6.1 引言 续1
卫星移动/宽带通信的发展
纬度 s (t ) arcsin(sin i sin )
13
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 0<e<1，椭圆轨道
e>1，抛物线
14
圆轨道地迹（e=0）
15
椭圆轨道地迹 (0<e<1)
16
轨道参数对轨道形状和地迹的影响（2）
轨道倾角i
(Ω =0度)
22
升节点经度Ω
(Ω =－100度)
23
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 a<42164km时，为地球非同步轨道NGSO
24
倾角不为0 的地球同步轨道GSO
25
倾角为0 的地球同步轨道－静止轨道GEO
30
单颗卫星的服务区域（FootPrint）（2）
刻画覆盖区的各参量之间的关系：
1. 覆盖区地心角：
Re arccos[ cos E ] E Re h 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：
arccos[sin(u ) sin(s ) cos(u ) cos(s ) cos(u s )]
a (1+e) 远 地 点 a b C ae
r
O
近 地 点 Re O
(a)
a (1-e)
( b)
圆轨道： V卫星＝
r
(km / s)
(s )
圆轨道：T卫星＝2
(Re h)3
(s)
其中a 半长轴；b－半短轴；r 卫星地球瞬时距离；
－开普勒常数，398601.58 km3 / s 2
27
回归轨道（例：h＝10354km，一天四圈）
28
准回归轨道（例：h=1450km，2天内25圈）
29
单颗卫星的服务区域（FootPrint）
d星地 观察点 E
h+Re 观察点 地平线
x
Re
星下点
O
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。
赤道轨道 0<i<90 倾斜轨道 i＝90 极轨道 90<i<180 逆行轨道（太阳同步轨道）
i=0
17
赤道圆轨道地迹 (i＝0)
18
倾斜圆轨道地迹（i＝45度）
19
圆极轨道地迹 (i＝90）
20
太阳同步轨道地迹（i>90）
21
轨道参数对轨道形状和地迹的影响(3)
升节点经度Ω
Ω 、 i、 ω 、 e、 a、M
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
10
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)． i 表示轨道顷角：轨道面和 地球赤道面的夹角。 e 为椭圆轨道的偏心率。 a 为椭圆轨道的半长轴。 X ω 表示近地点幅角，升交点Na与 近地点的夹角。 Z
多标准，难以全球通用
蜂窝小区小，频率利用率高 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
全球通用
频率利用率低 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
5
6.2 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
从而这六个量完全确 定了卫星的位置和运 动状况。
X
Z
h i
O
r
M
S
e t=τ
Y
Ω
ω
N
12
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：
180( 180 90) 经度 s (t ) 0 arctan(cos i tan ) e t 0 ( 90 90 ) 180(90 180)