低轨道卫星通道的军事应用.doc
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1、低轨道卫星通道的军事应用pcrd曲嘶b曙tbedovcopmontShrILLS.fmilitarylow-orbitmtlJtomm,ication.Db咖目Bniorcy,life?rimmingpedodandstood.flow-orbit鞴.山坼andtbc叩茁vcra弘dk>w-ocbiL柏油hm岫脑址出吐t叫玎u岫bnr肚a帕forl吼1taJrymlqrm删somaaridcai豫n4u蕾dlw一堪戗IlatlJleccmmc.dcatonareat”咀K瑚岫im出诅ry躁mmur妇咖.1ow-obiL靖叫m唧m妇嘶.mte.ta伽糟驴re,ca一,概述地球卫星按照卫星离
2、地面最大高度h的大小.通常分为4类:(1)低地球轨道(LEOLowEarthOrbit)卫星:b.5000km,运行周期在4小时以下;(2)中地球轨道卫星:50O0krn<h<20000kin,运行周期约3l2小时(3)高地球轨道卫星:h,-20000km,运行周期大于l2小时;(4)同步地球轨道卫星:这是高轨道卫星的个特铡.h=35788.8km.运行周期t奉文于1992年5月20日收到.等于23时56分4.09秒(平均太阳时).卫星接重量又可分为:超大功率卫星,极大功率卫星,大功率卫星,中功率卫星,低功率卫星,小型卫星,经济壅卫星,微型卫星和烟盒式卫星.它们的轨道重量分别为:1
3、8000k以上,200018000,15002000kg,10001500kg,5O01000l(g,250500ks,100”250kS,l0lO0ks,10kS以下.轻型卫星(ughtSatetlit)则是泛指尺寸比较小,重量比较轻,功能比较单纯,制造比较简单,价格比较便宜,发射比较容易的卫星.LEO卫星通信通常就是使用轻型卫星,与其相应的地球站通常为背负式或便携式甚至为手持式.这种地球站比VSAT(VerySallApartu硎naJ)站更轻,更小,更简单,其天线往往不是面天线而是很短的挠性一25鞭天线.3O多年来.通信卫星的发展趋势是:体积越来越大,重量越来越重,转发器数量越来越多,功
4、能越来越复杂,功率越来越大,已经获得了巨大的成功但近年来随着军事战术通信需求和全球个人通信需求的急剧增加.低轨道轻型卫星又重新受到人们的青陕,但这决不是向卫星发展初期的返祖”和回退,而是建立在微电子技术,傲计算机技术,微机械技术的基础上的质的飞跃,是一种全新的卫垦通信技术.鉴于同步轨道卫星发射围难,费用高,时延长,传输损耗大,可容纳的卫星数量十分有限,难于对抗有意的摧毁等,人们期望有一种低轨道的静止卫星,为此曾提出两个设想方案是锚卫星(AnchorSateLlite),是把一颗锚卫星用高强度绳索悬挂在近36000km高度的同步卫星匕,其运行周期与同步卫星完全相同,美国宇航局计划在90年代进行实
5、验I二是蛛网卫星(Spidersat),此卫星重量极轻,有面积很大的蛛网天线,安置在地面上空800kin对地静止的轨道上.这两种设想有可能在下一个世纪得以实现,但并不具有现实的意义.相比之下,LE星出现故障或被摧毁.是无损大局的,而且敌方要摧毁整个卫一26一星簇;其代价是极其昂贵的.(4)轻型卫星用量大,更新快,所以适合于批量生产,加快工业化步伐.(5)地球站设备简单,便于”动中通”.另外由于电波传输损耗小,时延小.通信犹如地面通信一样方便,自然;二,LEO卫星通信发展情况1990年美国发射MACSAT卫星,重68kg.轨度高度740kin,星上可存储1.2兆字节的文件或图象数据,该星在199
6、1年的海湾战争中进行了文件及军需申请单的传送.美国陆,海,空军分别正在研制和实验自已的LEO卫垦通信系统,主要用于数据通信美国MOTOROLA公司1990年6月26日宣布了用77颗LEO卫星组成的覆盖全球的”铱通信网计划,拟于1996年建戒.瑞典计划发射LEO邮政通信卫星,工作于L频段.欧洲航天局(ESA)拟建立3040颗LEO卫星的通信和定位系统.前苏联1991年】月发射了”信息者一】号”LEO卫星,轨道高度1000km.用于进行国内空间通信.前苏联国际创新公司曾宣布用32颗LB0卫星组成覆盖全球的01sN(俄文为KOCKOH)通信网计划,拟于1994年建成.英国,日本,加拿大等国都在研制自
7、己的LEO卫星通信系统.西方还有许多大公司也提出了各自不同的全球LEO卫星通信方案.英国海军1991年提出了由数百个垒球大小的LEO卫星组成的通信系统设想台湾1991年也提出了发射一个LEO通信卫星的计划.甚至于一些大学和业余爱好者组织也要发射L皿卫星,以便于实现计算机联网通信.应该密切注视国际动向,跟踪研究先进技术,以高起点,大视野,深层次,低费用研制出适合我国我军使用的新型卫星移动通信网,也使我国在国际社会中占有自己应有的一席之地.三,LEO卫星的寿命地球卫星除了受地球i力作用外还要受到许多其它因素的扰动,如地球形状不规则,地质分布不均匀,地球引力场位异常,太阳的引力,月亮的引力,太阳光辐
8、射的光压力地球周围大气的阻力等.对于LEO卫星来说,由于轨道高度低,日,月引力的影响减弱.而地球不规则扰动引力和大气阻力的影响增强,太阳光压的大小不殖卫星的高度变化,但反射光压随卫星高度的降低而增强.大气阻力对LEO卫星影响很大,它会使卫星的高度逐渐下降,特剐是远地点高度下降得更快,使轨道长半轴减小,并使卫星运行韵椭圆轨道逐渐圆化.其原因是在近地点处卫星速度最大.大气又最密.卫星所受阻力也最大.阻力使近地点卫星动能消耗,以致卫星再没有足够的能量达到原来的远地点高度睫着卫星高度的下降.卫星运行的平均速度提高,运行周期缩短.随着卫星高度的降低.大气钓阻力进一步增加.当卫星进入高度约为t00km的近
9、圆轨道时,卫星落入较稠密的大气中,阻力急剧增加,卫星高度迅速下降,最后般于大气中.实践表明,当卫星高度在700kin以下时,大气阻力将严重影响轨道参数,缩短卫星的在轨寿命;丽当卫星高度超过10O01o-n是,可以忽略大气阻力对卫星寿命的影响.为了更直观地表明大气阻力对卫星寿命的影响,表1给出了卫星圆轨道高度与卫星在轨寿命的相关效据.表1卫星轨道高度和畴命(当卫星驻量为10.直径为lm时)表1中的数据只是提供了一种趋势和参考数量级,具体情况还蔫具体分析.卫星体积越小重量越轻,则可能寿命越长.或者说可允许配置于更低的轨道上.但霸的大多数LE0通信卫星是配置于约1000km高度的轨道上.对于椭圆轨道
10、卫星寿命也可按此加以推理.LEO卫星在轨寿命可能比同步卫星要差一些,但其性能价格比高,在有些场合是同步卫星无法取代的.所以它仍不失为同步轨道大卫星舳一种重要补充.四,LEO通信卫星的工作区域对于用户来讲,十分关心卫星的工作区域,地面覆盖区域,用户可见卫星的区域,用户可通信时间等.鉴于LEO卫星与同步卫星的不同.下面针对LFO卫星分别加以论述并给出相应的计算公式.1.用户可见卫星的毽域(1)用户可见卫星的极限区域其定义为地面上的用户按照几何关系可观测到卫星的最大空域.用户对卫星的最一27图l用户可见卫星的极限区域小仰角为.当卫星S出现在用户的u地平线以上时,用户u才可能与卫星进行通信.当卫星距地
11、面高度为H时,用户可见卫星的极限区域如图1所示,图中阴影区即是.通常用该区域所对应的地球中心角来表示该区域的大小.B的计算公式如下:=oos一R甭(1)式中1t=6378米,为地球的半径.图2用户期察卫星的不同仰詹(2)用户可见.卫星的实际区域实际上.当用户以不同的仰角观察卫星一28一圈s用户可.卫星的宴际区域时,用户的接收信号具有不同的信嗓比.伸角a越小,电波穿过大气层的路径越长,电波衰减大.用户接收到的有用信号就小,而接收到的大气噪声却变大,从而使用户的接收信嗓比变差.仰角越低,这种恶化越严重,不同仰角的传输路径如图2所示,可见仰角越小则电波穿过大气层的传输路径越长.为了避免用户接收信嗓比
12、严重恶化,在卫星通信中常设置一个仰角低限6,一般6=10.,用户天线指向卫星的仰角a必须大于或等于6才能正常进行通信.鄢么与6相应的用户可见卫星的区域即谓之为实际区域,如图3的阴影区所示.与该区域相对应的地球中心角之一半为:=eos-,()一6(2)卫星的工作区域乖地面覆盖区域(1)卫星的极限工作区域和扳限地面覆盖区域假设卫星天线的半功率角抽足够大,用户对卫星的最小仰角等于.那么卫星的极限工作区域(即卫星可见地球的最大范围)如图4中阴影区所示的圆锥体,而卫星对地面的极限覆盖区域则是,圆锥体的下沿所包围的地球表面卫星的极限工作区域和极限地面覆盖区域所相应的地球中心角是一样的,均为2,而8.c.s
13、(3)与之相应的卫星天线半功率角为20,而.一90.一890.一.一P,.-I盖区域.在这里是甩户仰角的条件比较宽松,而卫星天线半功率角的条件比较苛刻,成为限制卫星实际工作区域和实际地面覆盖区域的主要条件,其区域如图6所示相应的计算公式为:(2)当用户最低仰角等于仰角低限(即=6)而卫星天线半功率角足够大时,卫星的实际工作区域和实际地面覆盖区域.因为卫星的实际工作区域和地面覆盖区域大小既受限于用户的仰角低限大小.又受限于卫星天线的半功率角大小,这两个条件中如果那个条件严格,就成了制约该区域的主要条件.在这时用户的仰角就是主要条件,此时卫星的实际工作区域和实际地面覆盖区域如图5所示.相应的计算公
14、式为:图5用户仲角受眼时卫星舶实际工作区域和实两电面覆盖区域n_l(一(7)同样可以利用公式(5)计算出实际地面覆盖区的直径.当用户地心联线UO和卫星地心联线SO之间的地心角,最小的时候,用户对卫星的仰角a达到最大值e.,这时用户U离卫星星下点so的距离最近,这个最小的地心角,特别用来表示.e_与的关系如图7所示.而e_与之间的计算公式如下:一29(南隅)一em(7)e.与的关系曲线如图8所示,可见当越小时.e.越大,如果用户u就在星下点S.处,此=0.,则l-一9O.大多数情况下>,这种情况如图g所示.其,角与用户位置,卫星位置之间的关系式如下:o皤V=咖呻十c岱s(一)(8)式中:一
15、分别为用户的经度和纬度;,惦分别为卫星的经度和纬度.4.用户可通信时问用户可通信时间是指用户看见卫星的有效时间,它是考虑了用户对卫星的仰角在圈6卫星天线半功率角受限时卫星的实圈7与却的关系圈仰角低限以上.卫星波束半功率角也有限的情况,这些因素最终体现在用户可见卫星的实际区域所对应的地心角2.上,如图10所示.匿中用户的经纬度为和,卫星在地球上的地速(即卫星星下点在地球表面的轨迹)为so(-)一so).当卫星星下点为s?时,星下点和用户问的地心角为B,卫星开始进入用户可通信的视界.而卫星星下点为S.E)时,星下点和用户间的地心角为最小值两.卫星星下点为s.,时,星下点和用户间的地心角又等于8,此
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