1、1第二章第二章 卫星运动轨道和通信卫星组成卫星运动轨道和通信卫星组成 卫星运动轨道卫星运动轨道 卫星和地球的几何关系卫星和地球的几何关系卫星星座和系统概念卫星星座和系统概念 通信卫星设计和有效载荷通信卫星设计和有效载荷卫星公用平台和寿命卫星公用平台和寿命太阳月球地球卫星3不同高度不同高度不同倾斜角轨道平面上通信卫星的运动不同倾斜角轨道平面上通信卫星的运动 卫星运动轨道卫星运动轨道 4卫星运动轨道卫星运动轨道（续）椭圆和圆形轨道椭圆和圆形轨道 卫星与地球坐标卫星与地球坐标 5由万有引力定律，可以导出卫星相对于由万有引力定律，可以导出卫星相对于地球运动的运动方程地球运动的运动方程 332122)(
2、rrrrmmgdtrd卫星运动轨道卫星运动轨道（续）6卫星运动轨道卫星运动轨道（续）7开普勒第一定律开普勒第一定律轨道定律轨道定律 卫星的运动轨道一般是一个椭圆，地球卫星的运动轨道一般是一个椭圆，地球的中心位于椭圆的一个焦点上。此定律的中心位于椭圆的一个焦点上。此定律用地心在一个焦点上的椭圆极坐标，可用地心在一个焦点上的椭圆极坐标，可以表示为：以表示为：)cos1(erp8开普勒第二定律开普勒第二定律面积定律面积定律 卫星的位置矢量卫星的位置矢量r在单位时间内扫过的面积一在单位时间内扫过的面积一定。此定律的数学表示式导出为：定。此定律的数学表示式导出为：pdtrdrV为卫星在轨道上的瞬时速度。
3、其中为卫星在轨道上的瞬时速度。其中a为椭圆轨道的半为椭圆轨道的半长轴，长轴，r为卫星到地心的距离。为卫星到地心的距离。u为开普勒常数，为开普勒常数，u值为值为398601.58109m3/s221()(km/s)Vura910开普勒第三定律开普勒第三定律轨道周期定律轨道周期定律 卫星围绕地球运动一圈的周期卫星围绕地球运动一圈的周期T，与轨道与轨道的半长轴的半长轴a的的3/2次方成正比。次方成正比。2/32 aT 11卫星运动速度和轨道周期卫星运动速度和轨道周期 在椭圆轨道上卫星的运动速度在椭圆轨道上卫星的运动速度 对圆形轨道ar，公式可以简化为.)12(arVrV12静止卫星的发射静止卫星的发
4、射要使卫星进入运行轨道，必须依靠运载要使卫星进入运行轨道，必须依靠运载火箭。要想使卫星绕地球运转，还必须火箭。要想使卫星绕地球运转，还必须使卫星的初始速度大于使卫星的初始速度大于8km/s。但单级火但单级火箭的速度只能达到箭的速度只能达到2.5km/s，因此，发射因此，发射静止卫星必须采用带有捆绑技术的三级静止卫星必须采用带有捆绑技术的三级火箭，把几支小火箭捆在大火箭的第一火箭，把几支小火箭捆在大火箭的第一级上，用以提高发射的飞行速度，卫星级上，用以提高发射的飞行速度，卫星装在第三级火箭的前端。装在第三级火箭的前端。13发射卫星的三级火箭发射卫星的三级火箭示意图示意图15发射过程发射过程一颗自
5、旋稳定的静止卫星的发射全部过程大体一颗自旋稳定的静止卫星的发射全部过程大体可分为如下几个阶段。可分为如下几个阶段。（1）进入初始轨道）进入初始轨道 开始发射后，依次点燃三级火箭的一、二级火箭，开始发射后，依次点燃三级火箭的一、二级火箭，把卫星送到初始轨道。把卫星送到初始轨道。16静止卫星的发射过程静止卫星的发射过程17轨道改变轨道改变GEO的发射过程有的发射过程有3次轨道改变次轨道改变n初始（停泊）轨道初始（停泊）轨道转移轨道转移轨道停泊轨道停泊轨道地球地球椭圆轨道18发射过程（续）发射过程（续）（2）进入转移轨道（第一次变轨）进入转移轨道（第一次变轨）卫星在初始轨道上只飞行一小段，当卫星快要
6、到达初卫星在初始轨道上只飞行一小段，当卫星快要到达初始轨道与赤道平面的交点时，要点燃第三级火箭，以始轨道与赤道平面的交点时，要点燃第三级火箭，以使卫星脱离初始轨道而进入转移轨道使卫星脱离初始轨道而进入转移轨道20（3）进入漂移轨道（第二次变轨）进入漂移轨道（第二次变轨）卫星在转移轨道上运行了几圈，完成了上述各项准备卫星在转移轨道上运行了几圈，完成了上述各项准备工作后，当再次到达远地点时，就要启动远地点发动工作后，当再次到达远地点时，就要启动远地点发动机，使卫星进入漂移轨道。机，使卫星进入漂移轨道。（4）进入静止轨道（第三次变轨）进入静止轨道（第三次变轨）卫星在漂移轨道上运行时，离静止卫星定点位
7、置是很卫星在漂移轨道上运行时，离静止卫星定点位置是很近的。近的。发射过程（续）发射过程（续）远地点的轨道变换远地点的轨道变换23卫星上装有通信用的定向天线，要求定卫星上装有通信用的定向天线，要求定向天线的波束应指向地球中心或某覆盖向天线的波束应指向地球中心或某覆盖区的中心。区的中心。（1）角度惯性控制）角度惯性控制 角度惯性控制也叫角度惯性控制也叫自旋稳定法自旋稳定法，是早期静止，是早期静止卫星常用的姿态控制方法。卫星常用的姿态控制方法。n采用自旋稳定法的卫星，如采用自旋稳定法的卫星，如IS-，IS-等，等，卫星的天线要安装在一个平台上。卫星的天线要安装在一个平台上。通信卫星的姿态控制通信卫星
8、的姿态控制24（2）三轴稳定法三轴稳定法n 三轴稳定法是指卫星的姿态是由稳定穿过三轴稳定法是指卫星的姿态是由稳定穿过卫星重心的三个轴来保证的。这三个轴分别卫星重心的三个轴来保证的。这三个轴分别在卫星轨道的切线、法线和轨道平面的垂线在卫星轨道的切线、法线和轨道平面的垂线等三个方向上，分别对应叫做滚动轴、俯仰等三个方向上，分别对应叫做滚动轴、俯仰轴和偏航轴。轴和偏航轴。n三轴可以采用喷气、惯性飞轮或电机等来直接分别三轴可以采用喷气、惯性飞轮或电机等来直接分别控制每个轴保持稳定。控制每个轴保持稳定。通信卫星的姿态控制（续）通信卫星的姿态控制（续）三轴稳定法示意图三轴稳定法示意图26广泛采用静止轨道的
9、原因广泛采用静止轨道的原因 1.大大地降低了建站所需的成本大大地降低了建站所需的成本2.多普勒频移小多普勒频移小 3.3.当地球站天线采用最小仰角为当地球站天线采用最小仰角为5 50 0时，静时，静止卫星可以覆盖几乎止卫星可以覆盖几乎 38%38%的地球表面的地球表面 29静止轨道上卫星的定位静止轨道上卫星的定位1.远地点速度增量远地点速度增量)12(arV远地点速度远地点速度设设 r=42164.2km（H=300km），），a=24421.2kmVA=1.65km/s同步轨道速度同步轨道速度VC =3.07km/sV=VCVA=1.46km/s30静止轨道上卫星的定位（续）静止轨道上卫星的
10、定位（续）2.倾斜轨道的校正（在节点处进行）倾斜轨道的校正（在节点处进行）3.静止轨道上卫星的定位精度静止轨道上卫星的定位精度 0.05 卫星指向地心的偏离卫星指向地心的偏离 0.231轨道平面取向和轨道参量轨道平面取向和轨道参量地心坐标系地心坐标系 地心地心O为原点为原点 X轴指向春分点方向轴指向春分点方向 Z轴与地球的自转轴重合，轴与地球的自转轴重合，指向北极点指向北极点 X轴和轴和Y轴确定的平面轴确定的平面 与赤道平面重合与赤道平面重合 X、Y、Z轴构成一个右手坐标系轴构成一个右手坐标系 32轨道平面取向和轨道参量（续）轨道平面取向和轨道参量（续）轨道参数轨道参数 在地心坐标系中，为完整
11、地描述任意时刻卫星在在地心坐标系中，为完整地描述任意时刻卫星在空间中的位置，通常使用空间中的位置，通常使用2组组6个轨道参数个轨道参数 第一组参数定义了第一组参数定义了轨道的方位轨道的方位，用于确定卫星相，用于确定卫星相对于地球的位置对于地球的位置 第二组参数定义了第二组参数定义了轨道的几何形状轨道的几何形状和卫星的和卫星的运动运动特性特性，用于确定卫星在轨道面内的位置，用于确定卫星在轨道面内的位置33轨道平面取向和轨道参量（续）轨道平面取向和轨道参量（续）轨道参数轨道参数确定轨道平面方位的三个参数为：确定轨道平面方位的三个参数为：右旋升交点赤经右旋升交点赤经：赤道平面内从春分点方向到：赤道平
12、面内从春分点方向到轨轨 道面交点线间的角度，按地球自转方向度量道面交点线间的角度，按地球自转方向度量 轨道倾角轨道倾角i：轨道平面与赤道平面间的夹角：轨道平面与赤道平面间的夹角 近地点幅角近地点幅角：轨道平面内，升交点与近地点间：轨道平面内，升交点与近地点间的的 夹角，从升交点按卫星运行方向度量夹角，从升交点按卫星运行方向度量34轨道平面取向和轨道参量（续）轨道平面取向和轨道参量（续）轨道参数轨道参数确定轨道平面几何形状和卫星的运动特性的三个参数为：确定轨道平面几何形状和卫星的运动特性的三个参数为：轨道偏心率轨道偏心率e：反映了轨道面的扁平程度，取值范围：反映了轨道面的扁平程度，取值范围0,1
13、)；轨道半长轴轨道半长轴a：椭圆轨道中心到远地点的距离；：椭圆轨道中心到远地点的距离；平均近点角平均近点角M或过近地点时间或过近地点时间tp：通过平均近点角：通过平均近点角M或过或过近近 地点时间地点时间tp可以计算卫星的真近点角可以计算卫星的真近点角。M和和tp满足如下关满足如下关 系式（式中系式（式中Ts为卫星轨道周期）。为卫星轨道周期）。2()psMttT3536轨道平面取向和轨道参量（续）轨道平面取向和轨道参量（续）圆轨道参数圆轨道参数对圆轨道，通常认为轨道偏心率恒为对圆轨道，通常认为轨道偏心率恒为0，近地点和升交点重合，近地点和升交点重合，只需只需4个参数就可以完整描述卫星在空间的位
14、置：个参数就可以完整描述卫星在空间的位置：右旋升交点赤经右旋升交点赤经（上升节点右旋升仰角上升节点右旋升仰角）轨道倾角轨道倾角i 轨道高度轨道高度h 初始时刻的真近点角初始时刻的真近点角（即初始幅角）（即初始幅角）37轨道平面取向和轨道参量（续）轨道平面取向和轨道参量（续）典型圆形轨道典型圆形轨道eRTH322/38GEO外 范阿伦带内 范阿伦带0051015202530500010000150002000025000300003500040000轨道高度与周期的关系轨道高度与周期的关系39外范外范阿伦带阿伦带外范外范阿伦带阿伦带GEOMEOLEO按照卫星轨道高度的分类按照卫星轨道高度的分类4
15、1卫星轨道计算常用参数卫星轨道计算常用参数地球质量地球质量M=5.9741024kg 万有引力常数万有引力常数G=6.67210-11m3/kgs2开卜勒常数开卜勒常数=GM=3.98610-14m3/s2地球赤道平均半径地球赤道平均半径=6378.14km地球两极平均半径地球两极平均半径6356km地球平均半径地球平均半径6371km光速光速=299792.458km/s对地静止轨道的平均半径对地静止轨道的平均半径=42164.57km42卫星和地球的几何关系卫星和地球的几何关系单颗卫星覆盖特性计算单颗卫星覆盖特性计算n单颗卫星对地覆盖的几何关系如下图所示单颗卫星对地覆盖的几何关系如下图所示
16、 43地心角、仰角和星下角之间关系地心角、仰角和星下角之间关系,)sin(sin)cos(cos211eeeeRRhEERhRE)cos(cos1tan)cos(sin211eeeeRRhERhR)sin(coscos1)(costan121eeeeRRhRhRE44由地球坐标看星下角、仰角和地心角之由地球坐标看星下角、仰角和地心角之间的关系间的关系)cos(coscossinsincosSLSLSL)cos(coscosSLL45星地距离与覆盖区半径星地距离与覆盖区半径星地距离星地距离覆盖区半径覆盖区半径ERhhRERRhRRhRdeeeeeeesin2sincos222222sineRX
17、46与时间的关系与时间的关系 由于非静止卫星相对一个固定地球站是由于非静止卫星相对一个固定地球站是移动的，所以几何关系随时间变化。利移动的，所以几何关系随时间变化。利用卫星跟踪的方程可以计算得随时间变用卫星跟踪的方程可以计算得随时间变化的距离和仰角。化的距离和仰角。一颗最大仰角为一颗最大仰角为700的的MEO卫星卫星 和一颗最大仰角为和一颗最大仰角为400的的LEO卫星卫星在天上通过时，仰角随时间改变时的图形在天上通过时，仰角随时间改变时的图形 48卫星的方位角、仰角和极化角卫星的方位角、仰角和极化角 如果一个地球站是处于这颗卫星所覆盖如果一个地球站是处于这颗卫星所覆盖的区域内，它只需将它的天
18、线对准卫星，的区域内，它只需将它的天线对准卫星，就可以进行通信。就可以进行通信。51按照地球站与星下点相对位置的不同，方按照地球站与星下点相对位置的不同，方位角位角A应当用下列关系式计算：应当用下列关系式计算：北半球地球站：卫星在南偏东北半球地球站：卫星在南偏东，；卫星在南偏西卫星在南偏西，。南半球地球站：卫星在北偏东南半球地球站：卫星在北偏东，；卫星在北偏西卫星在北偏西，0180AA0180AAAA 0360AA1tantansinSLLA52仰角的计算仰角的计算)cos(cos1)cos(costan21SLLeSLLrRE53极化角极化角 经过数学推算，可以得出极化角与卫星、经过数学推算
19、，可以得出极化角与卫星、地球站的经纬度，有下述关系：地球站的经纬度，有下述关系：)tansin(tan1LLS卫星的位置和地球站天线极化角的调整卫星的位置和地球站天线极化角的调整 55最小仰角给定时最小仰角给定时一定高度卫星的覆盖面积一定高度卫星的覆盖面积 57覆盖面积覆盖面积覆盖覆盖(或球冠或球冠)面积可以用下列公式计算：面积可以用下列公式计算：).cos1(2max2eRA1.最小仰角给定时一定高度卫星的覆盖面积最小仰角给定时一定高度卫星的覆盖面积58最大距离最大距离覆盖面积的最大弧长覆盖面积的最大弧长Lmax（即依靠这颗卫星能即依靠这颗卫星能进行卫星通信的最大距离）给出为进行卫星通信的最
20、大距离）给出为:eRLmaxmax22.高度高度H一定时用那颗卫星能通信的最大距离一定时用那颗卫星能通信的最大距离不同类型轨道，在一些最小仰角情况下卫星的覆盖面积不同类型轨道，在一些最小仰角情况下卫星的覆盖面积 60长时延的影响和消除长时延的影响和消除1.往返传输时延的计算和它对电话通信的往返传输时延的计算和它对电话通信的影响影响 2.长时延消除的时延抵消器长时延消除的时延抵消器3.长时延对高速数据传输的影响长时延对高速数据传输的影响61星蚀现象与日凌中断星蚀现象与日凌中断1.日蚀日蚀)/2sin(4.23)(0Tttie 2.日凌中断日凌中断 地球赤道平面相对太阳光方向的正弦变化地球赤道平面
21、相对太阳光方向的正弦变化倾斜角每年的周期性变化倾斜角每年的周期性变化一年中星蚀时间分布图一年中星蚀时间分布图 65卫星星座和系统概念卫星星座和系统概念一颗卫星只能够提供有限面积的业务。一颗卫星只能够提供有限面积的业务。为了扩展覆盖，一个卫星系统可能要使为了扩展覆盖，一个卫星系统可能要使用多颗卫星。在这样的系统中，所有卫用多颗卫星。在这样的系统中，所有卫星的组合称之为星座。在一个星座中，星的组合称之为星座。在一个星座中，通常卫星具有相同的轨道类型，但是也通常卫星具有相同的轨道类型，但是也有某些系统，它是由不同轨道类型的混有某些系统，它是由不同轨道类型的混合组成的。合组成的。66非静止轨道卫星系统
22、的非静止轨道卫星系统的轨道和高度选择轨道和高度选择卫星轨道形状和高度是确定完成对指定区域覆盖所需的卫星数卫星轨道形状和高度是确定完成对指定区域覆盖所需的卫星数量和系统特性的一个非常重要的因素量和系统特性的一个非常重要的因素 卫星轨道的分类：卫星轨道的分类：1）按形状）按形状l 椭圆轨道椭圆轨道l 圆轨道圆轨道2）按倾角）按倾角l 赤道轨道赤道轨道l 极轨道极轨道l 倾斜轨道倾斜轨道3）按高度）按高度l 低地球轨道（低地球轨道（LEO）l 中地球轨道（中地球轨道（MEO）l 静止静止/同步轨道（同步轨道（GEO/GSO）l 高椭圆轨道（高椭圆轨道（HEO）67卫星轨道按形状分类卫星轨道按形状分类
23、 椭圆轨道椭圆轨道通常只在卫星相对地面运通常只在卫星相对地面运动速度较慢（即位于远地点附近）时才提动速度较慢（即位于远地点附近）时才提供通信服务，因此更加适合于为特定的区供通信服务，因此更加适合于为特定的区域提供服务（特别是高纬度区域）域提供服务（特别是高纬度区域）圆轨道圆轨道卫星可以提供较均匀的覆盖特卫星可以提供较均匀的覆盖特性，通常被提供较均匀的全球覆盖的系统性，通常被提供较均匀的全球覆盖的系统采用采用 68卫星轨道按倾角分类卫星轨道按倾角分类赤道轨道赤道轨道n倾角为倾角为0，轨道上卫星的运行方向与地球自，轨道上卫星的运行方向与地球自转方向相同，且卫星相对于地面的运动速度转方向相同，且卫星
24、相对于地面的运动速度随着卫星高度的增加而降低。随着卫星高度的增加而降低。n当轨道高度为当轨道高度为35786 km时，卫星运动速度时，卫星运动速度与地球自转的速度相同。如果此时轨道倾角与地球自转的速度相同。如果此时轨道倾角为为0，则卫星对地的运动速度为，则卫星对地的运动速度为0，这种轨，这种轨道就是静止（道就是静止（Geostationary）轨道）轨道69卫星轨道按倾角分类（卫星轨道按倾角分类（续）同步轨道同步轨道n如果卫星的倾角不为如果卫星的倾角不为0，则卫星仍然存在对，则卫星仍然存在对地的相对运动，这样的轨道称为地球同步地的相对运动，这样的轨道称为地球同步（Geosynchronous）
25、轨道，其星下点轨迹）轨道，其星下点轨迹呈现出呈现出“8”字型。字型。70卫星轨道按倾角分类（卫星轨道按倾角分类（续）极轨道极轨道n轨道面垂直于赤道平面，轨道倾角为轨道面垂直于赤道平面，轨道倾角为90，卫星穿越地球的南北极卫星穿越地球的南北极71卫星轨道按倾角分类（卫星轨道按倾角分类（续）倾斜轨道倾斜轨道 n顺行顺行倾斜轨道倾斜轨道倾角在倾角在0到到90之间，轨道上卫之间，轨道上卫星在赤道面上投影的运行方向与地球自转方星在赤道面上投影的运行方向与地球自转方向相同向相同n逆行倾斜轨道的倾角在逆行倾斜轨道的倾角在90到到180之间，轨道之间，轨道上卫星在赤道面上投影的运行方向与地球自上卫星在赤道面上
26、投影的运行方向与地球自转方向相反转方向相反 72卫星轨道按倾角分类（卫星轨道按倾角分类（续）卫星轨道按倾角分类卫星轨道按倾角分类73卫星轨道按按高度分类卫星轨道按按高度分类各种轨道的可用高度范围如下表各种轨道的可用高度范围如下表轨道类型轨道类型可用高度（可用高度（km）LEO7002000MEO800020000GEO/GSO35786HEO远地点可达远地点可达4000074卫星覆盖卫星覆盖75全球覆盖时卫星和轨道平面的数目全球覆盖时卫星和轨道平面的数目 由地球表面面积由地球表面面积 和一个六角和一个六角形面积形面积 ，可得出要求卫星的最小数，可得出要求卫星的最小数目目N为：为：24eeRAh
27、A)3(heAAN：重叠边缘角：重叠边缘角 76利用球冠的表面积利用球冠的表面积 ，并考虑并考虑21%面积的重叠，可以导出另一面积的重叠，可以导出另一个近似结果个近似结果N为：为：)cos1(2max2eRA)cos1(42.2maxN全球覆盖时卫星和轨道平面的数目全球覆盖时卫星和轨道平面的数目 maxmax：最大地心角：最大地心角 不同轨道高度和最小仰角情况下，不同轨道高度和最小仰角情况下，一次到二次全球覆盖时要求的卫星数目一次到二次全球覆盖时要求的卫星数目 378每个轨道平面提供两颗卫星用于赤道覆每个轨道平面提供两颗卫星用于赤道覆盖，覆盖的一段弧长为盖，覆盖的一段弧长为 。因此，因此，在一
28、个星座中要求轨道平面的最少数目在一个星座中要求轨道平面的最少数目P为：为：max3eRmax32eRP 全球覆盖时卫星和轨道平面的数目全球覆盖时卫星和轨道平面的数目 79Walker 星座星座Ballard 星座星座 Walker Delta星座星座 Ballard玫瑰（玫瑰（Rosette）星座）星座倾斜圆轨道星座倾斜圆轨道星座80倾斜圆轨道星座的基本特性倾斜圆轨道星座的基本特性 多个倾角和高度相同的轨道平面多个倾角和高度相同的轨道平面 各轨道平面具有相同数量的卫星各轨道平面具有相同数量的卫星 各轨道平面内卫星在面内均匀分布各轨道平面内卫星在面内均匀分布 各轨道平面的右旋升交点在参考平面内均
29、匀分各轨道平面的右旋升交点在参考平面内均匀分布布 相邻轨道相邻卫星间存在确定的相位关系相邻轨道相邻卫星间存在确定的相位关系倾斜圆轨道星座倾斜圆轨道星座81轨道倾角相同轨道倾角相同上升节点沿赤道均匀排列上升节点沿赤道均匀排列平面之间具有固定的平面偏移平面之间具有固定的平面偏移为描述星座情况还需要另外三个参数，典型地用三个为描述星座情况还需要另外三个参数，典型地用三个数字构成的一个数字组来表示，称为：数字构成的一个数字组来表示，称为：Walker 符号：符号：N/P/F Walker倾斜星座倾斜星座82Delta星座标识法星座标识法Walker采用采用3个参数来描述个参数来描述Delta星座：星座
30、：N/P/FlN 卫星总数卫星总数；lP 轨道面数量轨道面数量；lF 相位因子相位因子；lDelta星座星座按下式确定相邻轨道相邻卫星的初始相位差按下式确定相邻轨道相邻卫星的初始相位差 2/fF TWalker倾斜星座（续）倾斜星座（续）83Delta星座星座 Delta星座使用相邻轨道面内，相邻卫星的初始相位差来确星座使用相邻轨道面内，相邻卫星的初始相位差来确定星座中各卫星的相对空间位置关系定星座中各卫星的相对空间位置关系 相邻轨道面相邻卫星相位差的物理意义如下图相邻轨道面相邻卫星相位差的物理意义如下图 Walker倾斜星座（续）倾斜星座（续）Walker 9/3/1星座星座 高度为高度为1
31、414 km的全球星系统的全球星系统(Walker 48/8/1星座星座)86Walker倾斜星座（续）倾斜星座（续）Walker的最优的最优Delta星座星座 NPFi()min()h(km)55143.769.22714366453.166.42033477555.760.31225588661.956.59374.299770.254.88374.2105257.152.27089.71111453.847.65344.4123150.747.95442.11313558.443.84257.1147454.042.03824.3153153.542.13847.1需要指出，该表中的数据
32、是由Walker手工计算得到的87Ballard倾斜星座倾斜星座*玫瑰星座玫瑰星座 Rosette星座中，卫星的初始相位与其所在轨道星座中，卫星的初始相位与其所在轨道面的右旋升交点赤经（或经度值）成一定的比例面的右旋升交点赤经（或经度值）成一定的比例关系关系 Ballard使用使用3个不变的方向角和一个时变的相个不变的方向角和一个时变的相位角来确定卫星在运行天球面上的瞬时位置位角来确定卫星在运行天球面上的瞬时位置88Ballard倾斜星座（续）倾斜星座（续）*Ballard的卫星位置以及相互关系示意图 2/jjjjjijT为第 个轨道平面的右旋升交点为轨道面倾角为第 颗卫星在轨道面内的初始相位
33、，从右旋升交点顺卫星运行方向测量为卫星在轨道平面内的时变相位89Ballard倾斜星座（续）倾斜星座（续）*玫瑰星座标识法Ballard采用3个参数来描述玫瑰星座:(N,P,m)N 代表星座的卫星总数；P 代表星座的轨道面数量；m 称为协因子协因子，确定了卫星在轨道面内的初始相位。协因子m是一个非常重要的玫瑰星座参数，它不仅影响卫星初始时刻在运行天球上的分布，也影响卫星组成的图案在天球上的旋进速度。90Ballard倾斜星座（续）倾斜星座（续）*卫星方向角与玫瑰星座参数的关系对卫星总数为N，轨道面数量为P，每轨道面内卫星数量为S的玫瑰星座，卫星的方向角具有如下的对称形式：2/0 1(0 1)/
34、2/(2/)jjjjj PjNiimNSmmj PmSj NNP S91Ballard倾斜星座（续）倾斜星座（续）*协因子m的特性 协因子m可以是整数也可以是不可约分数；如果m是0到N1的整数，即意味着S1，表示星座中每一个轨道平面上只有一颗卫星；如果协因子m为不可约分数，则一定以S为分母，表示星座中每一个轨道平面上有S颗卫星。92Ballard倾斜星座（续）倾斜星座（续）*最优玫瑰星座参数NPmi()min()h(km)T(hour)55143.6669.1526992.2816.9066453.1366.4220371.7712.1377555.6960.2612220.517.03886
35、61.8656.529388.625.4999770.5454.818380.874.971010847.9351.536799.094.191111453.7947.625344.883.521231/4,7/450.7347.905440.553.561313558.4443.764247.843.0414711/253.9841.963814.132.851531/5,4/5,7/5,13/553.5142.133852.392.8793极星座极星座轨道平面相对于赤道平面的倾角为轨道平面相对于赤道平面的倾角为90轨道穿越地球南北极上空轨道穿越地球南北极上空最早由美国科学家最早由美国科学家
36、R.D.Lder提出提出D.C.Beste进行了进一步的分析和优化进行了进一步的分析和优化W.S.Adams和和L.Rider给出了目前被广泛采用的优化给出了目前被广泛采用的优化极轨道星座优化设计方法极轨道星座优化设计方法94极星座（续）极星座（续）卫星覆盖带卫星覆盖带(Street of Coverage)覆盖带是基于同一轨道面内多颗卫星覆盖带是基于同一轨道面内多颗卫星的相邻重叠覆盖特性，在地面上形成的的相邻重叠覆盖特性，在地面上形成的一个连续覆盖区域一个连续覆盖区域 覆盖带半（地心角）宽度覆盖带半（地心角）宽度c 式中，式中，为为单颗卫星覆盖的半地心角宽度，单颗卫星覆盖的半地心角宽度，S为
37、每为每个轨道面内的卫星数量，个轨道面内的卫星数量，/S为卫星之间的半地为卫星之间的半地心角宽度心角宽度cosarccoscos(/)cS95极星座（续）极星座（续）极轨道星座极点观察投影图极轨道星座极点观察投影图 星座星座 星座轨道面间的经度差不同星座轨道面间的经度差不同 顺行轨道面间的间隔较大顺行轨道面间的间隔较大 逆行轨道面间的间隔较小逆行轨道面间的间隔较小96当最后一个轨道平面与第一个轨道平面当最后一个轨道平面与第一个轨道平面相遇时，一定有一个轨道的邻近轨道以相遇时，一定有一个轨道的邻近轨道以相反方向旋转。两个相反方向旋转轨道相反方向旋转。两个相反方向旋转轨道之间的区域称为接缝。之间的区
38、域称为接缝。极星座（续）极星座（续）97极星座（续）极星座（续）相邻轨道面覆盖的几何关系相邻轨道面覆盖的几何关系 顺行轨道面的卫星之间保持固定顺行轨道面的卫星之间保持固定的空间相位关系的空间相位关系 逆行轨道面的卫星之间的空间相逆行轨道面的卫星之间的空间相位关系则是变化的位关系则是变化的 极轨道星座中顺行和逆行轨道面极轨道星座中顺行和逆行轨道面之间的经度差之间的经度差1和和2满足满足 122cc 98极星座（续）极星座（续）极轨道星座的卫星分布特性极轨道星座的卫星分布特性l星座中的卫星在天球上的分布不均匀星座中的卫星在天球上的分布不均匀l赤道平面上最稀疏，相互间的间隔距离最大赤道平面上最稀疏，
39、相互间的间隔距离最大l在两极处最密集，相互间的间隔距离最小在两极处最密集，相互间的间隔距离最小因此，在考虑极轨道星座对全球的覆盖时，只需考虑对因此，在考虑极轨道星座对全球的覆盖时，只需考虑对赤道实现连续覆盖；在考虑对球冠区域的覆盖时，只需考虑赤道实现连续覆盖；在考虑对球冠区域的覆盖时，只需考虑对球冠的最低纬度圈实现连续覆盖。对球冠的最低纬度圈实现连续覆盖。99极星座（续）极星座（续）极轨道星座实现全球覆盖极轨道星座实现全球覆盖极轨道星座实现全球覆盖时，星座参数应满足方程极轨道星座实现全球覆盖时，星座参数应满足方程相邻轨道面相邻卫星之间的相位差相邻轨道面相邻卫星之间的相位差 应满足应满足 12(
40、1)(1)(1)cos(1)(1)arccoscos(/)PPPcPPS /SS为每个轨道中的卫星数目为每个轨道中的卫星数目100极星座（续）极星座（续）极轨道星座实现极冠覆盖极轨道星座实现极冠覆盖极轨道星座实现全球覆盖时，星座参数应满足方程极轨道星座实现全球覆盖时，星座参数应满足方程式中，式中，为极冠覆盖区的最低纬度为极冠覆盖区的最低纬度相邻轨道面相邻卫星之间的相位差与全球覆盖时的相同相邻轨道面相邻卫星之间的相位差与全球覆盖时的相同(1)(1)cos cos(1)(1)arccoscoscos(/)PPcPPS101给定最小仰角给定最小仰角Emin，按照地心角调整轨道按照地心角调整轨道高度，
41、高度，可以由轨道平面数得出：可以由轨道平面数得出：.1)cos(/cosminminEERHe极星座极星座（续）（续）102在一个极星座中需要的卫星数可以近似在一个极星座中需要的卫星数可以近似用下式得出：用下式得出：)cos1(/4maxN)cos1(42.2maxN极星座极星座（续）（续）maxmax：最大地心角：最大地心角 VS103极星座（续）极星座（续）近极轨道星座近极轨道星座 卫星轨道平面与赤道平面的夹角为卫星轨道平面与赤道平面的夹角为80100（除（除90）时）时的轨道的轨道 由于近极轨道星座的倾角接近由于近极轨道星座的倾角接近90，仍可以采用覆盖带分，仍可以采用覆盖带分析的方法，
42、考虑在赤道区域连续覆盖时的要求，采用解析方析的方法，考虑在赤道区域连续覆盖时的要求，采用解析方法确定最优星座参数。法确定最优星座参数。104极星座极星座（续）（续）近极轨道星座实现全球覆盖 根据近极轨道的倾角特性，近极轨道星座中顺行和逆行轨道面之间的经度差 和 满足：相邻轨道面相邻卫星之间的相位差 满足112222arcsin(sin/sin)coscosarccos()siniii 121/arctan(cos()tan()Si105极星座极星座（续）（续）近极轨道星座实现全球覆盖因此，在实现全球覆盖时，近极轨道星座的参数应满足方程：22sinarccoscos/cos(/)(1)arcsi
43、nsincos2 arccoscos/cos(/)cosarccossinSPiSii106非同步极星座非同步极星座在在LEO系统中要使用大量卫星，控制每系统中要使用大量卫星，控制每颗卫星的相位这时可能是困难的。为此，颗卫星的相位这时可能是困难的。为此，可采用非同步可采用非同步LEO极星座。即只在同一极星座。即只在同一个轨道平面上控制卫星轨道相位，而对个轨道平面上控制卫星轨道相位，而对不同轨道平面上的相位不进行控制。不同轨道平面上的相位不进行控制。107GEO、LEO、MEO和和HEO系统概念系统概念 1.GEO 轨道周期轨道周期Te=23h 56m 4s轨道高度轨道高度H=35,786km3
44、4颗星覆盖全球颗星覆盖全球传播延迟传播延迟0.5s以上以上高增益天线高增益天线应用应用 INMARSAT-31082.HEO 轨道周期轨道周期T 12h轨道倾角轨道倾角i=63.42颗以上星可全天覆盖北极地区颗以上星可全天覆盖北极地区跟踪天线跟踪天线应用应用 PENTRIAD109 3.LEO系统概念系统概念 LEO卫星高度卫星高度7001500km，倾斜轨道或极轨道，倾斜轨道或极轨道往返延迟数十毫秒量级往返延迟数十毫秒量级单颗卫星覆盖范围小单颗卫星覆盖范围小星座系统要求的卫星数目多（几十颗）星座系统要求的卫星数目多（几十颗）应用：应用：nGlobalStar（48颗）颗）nIridium（7
45、7颗）颗）nTeledesic（288颗）颗）110 4.MEO系统概念（或系统概念（或ICO系统）系统）LEO和和GEO的折衷的折衷具有的高度具有的高度H 约在约在10000 km左右左右10-15颗卫星达到全球覆盖颗卫星达到全球覆盖 应用：应用：ICO（10颗）颗）112通信卫星设计和有效载荷通信卫星设计和有效载荷通信卫星设计考虑通信卫星设计考虑1.通信考虑通信考虑 n提供业务种类（固定、移动、提供业务种类（固定、移动、DTH广播等）广播等）n通信容量（转发器带宽和卫星通信容量（转发器带宽和卫星EIRP）n覆盖面积覆盖面积n技术限制技术限制113通信卫星设计和有效载荷（续）通信卫星设计和有
46、效载荷（续）通信卫星设计考虑通信卫星设计考虑2.环境条件环境条件 n万有引力万有引力n大气压力和温度大气压力和温度n空间粒子空间粒子n磁场磁场n其他作用力其他作用力117通信卫星有效载荷通信卫星有效载荷 商用通信卫星商用通信卫星n卫星有效载荷卫星有效载荷n公用平台公用平台(或称公用舱或称公用舱)通信卫星的组成框图通信卫星的组成框图 1201.1.天线分系统天线分系统 天线类型天线类型n定向天线定向天线n全向天线全向天线 天线系统的选择：取决于覆盖区的大小和形状天线系统的选择：取决于覆盖区的大小和形状 卫星的通信覆盖区，通常用地面上相对下发天线卫星的通信覆盖区，通常用地面上相对下发天线波束中心，
47、具有固定接收功率的轮廓线来表示。波束中心，具有固定接收功率的轮廓线来表示。中星中星6号卫星天线波束覆盖图号卫星天线波束覆盖图 123星载天线星载天线 喇叭型天线喇叭型天线 抛物面反射型天线抛物面反射型天线 赋形天线赋形天线 相控阵列天线相控阵列天线 多波束天线多波束天线124全球波束全球波束喇叭天线喇叭天线形状似喇叭，如圆锥形、角锥形形状似喇叭，如圆锥形、角锥形一般由圆锥喇叭天线加上一般由圆锥喇叭天线加上4545的反射板组成的反射板组成 辐射效率高辐射效率高天线方向性强天线方向性强 波束的半功率宽度约等于波束的半功率宽度约等于17.417.4，覆盖卫星，覆盖卫星对地球的整个视区对地球的整个视区
48、星载天线星载天线(2)126星载天线星载天线(3)点波束天线点波束天线抛物面天线抛物面天线覆盖面积小，一般为圆形，半功率波束宽度覆盖面积小，一般为圆形，半功率波束宽度为几度为几度天线通常为前馈抛物面天线，馈源为喇叭天线通常为前馈抛物面天线，馈源为喇叭中心馈源和偏置馈源的抛物面反射天线中心馈源和偏置馈源的抛物面反射天线双极化通信卫星天线双极化通信卫星天线 中心馈源的阻挡效应中心馈源的阻挡效应波束宽度与天线直径的关系波束宽度与天线直径的关系132 赋形天线赋形天线特定区域波束特定区域波束多个馈源，一个反射面多个馈源，一个反射面馈源的相对位置、馈电幅度和相位可调馈源的相对位置、馈电幅度和相位可调通过
49、修改反射器形状通过修改反射器形状，产生多个不同指向的点波束产生多个不同指向的点波束也可利用多个馈源从不同方向经反射器反射产生多也可利用多个馈源从不同方向经反射器反射产生多波束的组合波束的组合提高覆盖区的信号场强提高覆盖区的信号场强星载天线星载天线(4)对覆盖区赋形对覆盖区赋形136 相控阵列天线和多波束天线相控阵列天线和多波束天线可组成线阵、平面阵、圆环阵、圆柱阵和球形阵可组成线阵、平面阵、圆环阵、圆柱阵和球形阵辐射单元的数目、相对位置、强度和相位可调、辐射单元的数目、相对位置、强度和相位可调、可控可控辐射特性是各单元发射场的复矢量之和辐射特性是各单元发射场的复矢量之和可以不改变天线的物理位置
50、实现波束位置的移动可以不改变天线的物理位置实现波束位置的移动 星载天线星载天线(5)多波束卫星天线的典型方框图多波束卫星天线的典型方框图INTELSAT第第7代卫星多波束天线覆盖图代卫星多波束天线覆盖图 1392.星载转发器星载转发器一般卫星上的通信分系统有多个卫星转一般卫星上的通信分系统有多个卫星转发器，这种信道化的方法，既有利于降发器，这种信道化的方法，既有利于降低通过同一个功率放大器的载波数目，低通过同一个功率放大器的载波数目，从而减小交调噪声；也便于卫星上功率从而减小交调噪声；也便于卫星上功率放大器的制造。放大器的制造。1402.星载转发器星载转发器(2)小容量卫星小容量卫星n星载转发
