第六章移动卫星通信系统.ppt
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1、1,卫星通信导论,第六章 卫星移动通信系统,2,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,3,6.1 引言,卫星移动/宽带通信的发展,4,6.1 引言 续1,卫星移动/宽带通信的发展,5,6.1 引言 续2,地面和卫星移动通信系统的比较,6,6.2 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,7,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
2、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。,6.2.1 卫星运动规律和轨道参数,8,根据开普勒定律得到的卫星轨道运动参数,9,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:,因此,半长轴a=8878.137Km,由此可计算轨道周
3、期:,10,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: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,、i、e、a、M,11,i 表示轨道顷角:轨道面和地球赤道面的夹角。,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),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
4、卫星经过近地点的时间),表示近地点幅角,升交点Na与 近地点的夹角。,a 为椭圆轨道的半长轴。,e 为椭圆轨道的偏心率。,XYZ为ECI坐标系,12,轨道顷角 i 和升交点赤径 表示了轨道平面在空间 中的方位;近地点幅角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。,从而这六个量完全确定了卫星的位置和运动状况。,平近点角M 表示了航天器离近地点的角度。,13,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:,14,轨道参数对轨道形状和地
5、迹的影响(1),偏心率e e=0,圆轨道 01,抛物线,15,圆轨道地迹(e=0),16,椭圆轨道地迹(0e1),17,轨道参数对轨道形状和地迹的影响(2),轨道倾角i i=0 赤道轨道 0i90 倾斜轨道 i90 极轨道90i180 逆行轨道(太阳同步轨道),18,赤道圆轨道地迹(i0),19,倾斜圆轨道地迹(i45度),20,圆极轨道地迹(i90),21,太阳同步轨道地迹(i90),22,轨道参数对轨道形状和地迹的影响(3),升节点经度(=0度),23,升节点经度(=100度),24,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 a4216
6、4km时,为地球非同步轨道NGSO,25,倾角不为0 的地球同步轨道GSO,26,倾角为0 的地球同步轨道静止轨道GEO,27,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,28,回归轨道(例:h10354km,一天四圈),29,准回归轨道(例:h=1450km,2天内25圈),30,单颗卫星的服务区域(Foo
7、tPrint),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0,90。是卫星和观察点间的地心角,可取值范围为0,180。;是卫星的半视角(或半俯角),可取值范围为0,90,与仰角E和地心角之间有特定的对应关系:+e=90d 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。,31,单颗卫星的服务区域(FootPrint)(2),3.仰角、覆盖区地心角、卫星星下半视角关系:,刻画覆盖区的各参量之间的关系:,1.覆盖区地心角:,2.卫星的半视角:,当用户和卫星的位置用经纬度表示时,
8、两者之间的地心角为:,32,单颗卫星的服务区域(foot print)(3),刻画覆盖区的各参量之间的关系:,4.星地距离(余弦定理):,5.覆盖区半径与面积:,特别的,静止卫星的星站距离:,(注:即第二章2.1.1节,公式(29),33,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:,再计算覆盖面积:,34,一颗静止卫星的服务范围(最小仰角10度),单颗卫星的服务区域(foot print)(4),35,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),36,单颗卫星
9、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10,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90(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:2max。最大地心角:,卫星的在轨运动角速度:,所以卫星的最长连续服务时间为:,37,6.2.2 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
10、、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),38,按倾角分类的轨道形式:,39,按高度分类的轨道形式:,40,表6.3 各种轨道的可用高度范围,41,几种典型卫星系统的轨道类型,低轨LEO:Iridium(铱星)、Globalstar(全球星)中轨MEO:ICO、GPS、GLONASS、GALILEO椭圆HEO:MOLNIYA,ELLIPSO静止轨道GEO:INMARSAT、Intelsat、THRUYA、ACES、TDRSS,42,6.3 非静止轨道卫星星座,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
11、,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,43,6.3 非静止轨道卫星星座 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不影响接收的范围内 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,44,6.3 非静止轨道卫星星座续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 Ballard的Rosette星座)共地面轨迹星座赤道轨道星座混合轨道星座,45,极
12、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90,因此所有轨道平面在南北极形成两个交叉点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,46,极轨道星座 续1,卫星覆盖带(Street of Coverage)半覆盖宽度 式中S是每轨道面的卫星数量,47,极轨道星座 续2,顺行/逆行轨道面和缝隙(seam)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,48,极轨道星座 续3,相邻轨道面的几何覆盖关系,49,极轨道星座 续4,全球覆盖条件,50,极轨道星座续
13、5,单重全球覆盖星座参数,表 64,51,近极轨道星座,倾角接近但不等于90,即80-100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,52,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,53,倾斜圆轨道星座续1,倾斜圆轨道星座的命名,54,倾斜圆轨道星座 Walker Delta星座,相邻轨道面相邻卫星的相位差概念,55,倾斜圆轨道星座 Walker Delta星座
14、 续2,星座标识法 Delta星座可以用一个3元参数组完整描述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,56,例6.3 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(0E,0N)。计算所有星座卫星的初始参数。解:星座相邻轨道面的升交点经度差为360/3=120轨道面内相邻卫星间的相位差为360/(9/3)=120相邻轨道面相邻卫星间的相位差为360/91=40,57,例子6.3 续卫星的初时参数如下表,58,倾斜圆轨道星座 Walker Delta星座 续3,最优Delta星
15、座,59,倾斜圆轨道星座 Ballard玫瑰星座,玫瑰星座的特性:圆轨道所有轨道的高度和倾角相同轨道面升交点在参考平面内均匀分布卫星在轨道面内均匀分布卫星在轨道面内的初始相位与该轨道面的升交点角成正比,60,倾斜圆轨道星座 Ballard玫瑰星座 续2,玫瑰星座中,卫星在天球表面的位置可用3个固定的方位角和1个时变的相位角来确定j 为第j 颗卫星所在轨道平面的升交点角度 ij 为第j 颗卫星所在轨道平面的倾角j 为第j 颗卫星在轨道面内的初始相位,从右旋升交点顺卫星运行方向测量 x=2t/T为卫星的时变相位,61,倾斜圆轨道星座 Ballard玫瑰星座 续3,星座标识玫瑰星座也可以用3元参数组
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