《星座设计论》word版

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1、星座设计姓名：刘继权学号：2014030301028学院：微电子与固体电子学院摘要：星座设计是卫星通信系统中的重要内容，它包括卫星高度、轨道面及卫星分配数、星座组成和测控方法。本文将首先介绍星座设计中的一些重要问题，然后比较详细的阐述中轨道通信系统星座的设计方案，并进行优化。关键字：星座设计、中轨道星座设计方案、优化1.引言：星座设计直接关系到系统网络组成、链路传播特性、投资和服务方式与范围等几个重要方面。同步轨道卫星通信系统,由于卫星轨道高,链路损耗大，链路距离长,传播延时大,有很多弊端。轨道高度

2、较低的中、低轨系统,由于链路损耗小，可支持手机直接通过卫星进行通信，因此,非同步轨道的卫星移动通信系统得到迅速的发展。本文将先介绍一些星座设计中的重要问题，然后讨论椭圆轨道移动卫星通信系统的星座设计问题，给出比较合适的设计方法。2.星座设计中的几个重要问题2.1轨道类型与参数卫星运行轨道有圆形和椭圆两类，椭圆轨道的倾角63.4˚,以免轨道拱点的漂移.系统的卫星在远地点附近工作,而近地点附近关闭不工作。因此,椭圆轨道星座只能覆盖北半球或南半球,且适用于高纬度地区。非同步圆轨道系统以轨道高度不同而分为低

3、、中轨两类。低轨系统轨道高度在I000km左右;而1500-2500km存在一条强的电磁辐射带-范·爱伦带,应予避免。中轨系统的轨道高度约10000km左右。根据开普勒定理,卫星圆形轨道高度h与运行周期Ts的关系式为h=Ts23(GM)13(2π)23-RE(1)其中,引力常数GM=3.986×105km3∕s2;地球半径RE=6379.5km。2.2星座中星群的分布星座由若干轨道平面构成,而且一般是均匀分布的,即相邻轨道平面右升节点(轨道与赤道平面的交点,且卫星由南向北通过该点)之间的相位差均相等

4、。通常星座中各轨道平面上的卫星数目相等,而同一轨道平面上的卫星是均匀分布的,必须指出,对于变速运动的椭圆轨道卫星,卫星在轨道上是以“等时间间隔”排列的,比如,周期为1h的轨道上的6颗卫星,将以10min的间隔排列,即相邻卫星相距10min的路程.一颗卫星的覆盖范围,由卫星的高度和允许的最小仰角确定。由于卫星的运动和地球的自转,非同步轨道卫星不能固定地覆盖地面上的某一地区，当覆盖某地区的卫星即将飞逝时,新的卫星已进入该地区上空。正确合理的星座设计,星群应始终保持对整个服务区的“均匀”的覆盖。对于倾斜轨

5、道系统,星群形成对地面的蜂窝覆盖图案将随时变化。于是可能出现某些地区的重叠覆盖,而另外一些地区不能覆盖的情况。如何保证倾斜轨道系统星群始终“均匀”地覆盖服务区,将由轨道的倾角和相邻轨道卫星相位差的最佳化来解决。2.3仰角、覆盖范围一颗卫星的覆盖范围是以系统允许的最小仰角来定义的。仰角是在用户终端、星下点和卫星组成的平面内,以用户终端为顶点从地平线转到卫星的角度。显然,在卫星高度一定时,允许的最小仰角越小,卫星能覆盖的范围越大。然而,此时电波将在卫星与低仰角用户之间传播,容易受到地面障碍物的遮蔽和阻挡

6、，使信号产生衰落,为此在系统的链路电平预算中,必须留有较大的裕量。3.中轨卫星系统星座设计3.1轨道参数算法下面给出一组有效的公式完成对倾斜圆轨道的设计。3.1.1轨道高度、周期的设计轨道高度的选择在技术上主要是系统所需卫星数目与地面终端的EIRP和G/T值的折中。当设计的最小仰角E确定后，一卫星覆盖的面积随着高度的增加而增加，当高度增加一点卫星的覆盖范围就大一些，从而整个系统所需要的卫星数将少一些。根据万有引力定律可得卫星运动速度Vs和角速度Ωs分别为VS=GMRE+h(2)Ωs=Vs(RE+h)

7、(3)Ts=2πωs(4)式中。G为万有引力常数，G=6.67×10-8cm3g⋅s2;M为地球质量，M=5.976×1027g；RE为地球的半径，RE=6379.5km;h为轨道高度；Ts为卫星周期。多普勒频移fD与卫星和用户的相对运动速度的关系为fD=±(V2-V1)cosφcfc(5)式中，V1和V2分别为发射机和接收机的速度；φ为V1、V2的夹角；fc为载波频率。在低、中轨卫星系统中，卫星的速度一般远大于地面终端的速度，所以可以认为地面终端静止，因而fD可表示为fD=±(Ωs-ΩE)cosφ

8、cfc(6)式中，E为地面站的仰角；ΩE、ΩS分别为地球和卫星的角速度；c为光速。当E=0。时，多普勒频移最大。传播距离为d时的损耗为LP=（4πdλc）2(7)式中，λc为电波波长；d为传播距离。显然轨道越高，传播损耗越大，对移动终端EIRP和G/T要求就高，但是并不能很高。轨道低是所需要的卫星数目少。所以设计卫星时要综合两者的影响进行设计。此外还要考虑其他比如垃圾轨道等因素的影响。3.1.2卫星轨迹当卫星在空间绕地球转到时，卫星的星下点将在地球表面划出一条轨迹线，