低轨卫星组网设计.doc

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1、1概述卫星星座是指由多颗卫星按照一定规则和形状构成的可提供一定覆盖性能的卫星网络，是多颗卫星进行协同工作的基本形式。卫星星座结构会影响网络覆盖区域、网络时延和系统成本等。传统的同步轨道卫星轨道高、链路损耗大，对地面终端的EIRP和接收天线的G／T值要求过高，难以实现手持机与卫星直接进行通信；而低轨卫星由于链路损耗小，降低了对用户终端EIRP和G／T值的要求，可支持地面小型终端与卫星的直接通信，有利于信息的实时传输。现代通信的发展要求卫星通信系统应具有全球通信能力。低轨卫星实现全球覆盖所需的卫星数目较多(Iridium系统66颗星)，

2、系统实现成本很高，对于我国这样的发展中国家要在短期内构建全球性低轨卫星通信系统，无论是在经济上还是在技术上都存在较大困难。因此，在预期星座的整体构型下，通过设计和筛选，合理部署少数卫星以满足当前任务和需求，并在今后发展中通过不断发射新卫星进行补网，最终实现星座的预期覆盖和通信能力，是我国卫星通信发展的一条可行之路。2星座参数设计2.1轨道设计椭圆轨道多用于区域性覆盖，但轨道倾斜角必须为63.4°(为了避免拱点漂移)，这对中低纬度地区的覆盖十分不利，而圆轨道的倾斜角可在0°～90°。之间任意选择。考虑我国所处纬度范围为北纬4°～54°

3、之间，星座设计宜应采用倾斜圆轨道。轨道高度选择主要是系统所需卫星数目与地面终端EIRP和G／T值的折衷。同时，轨道高度的选择还需考虑地球大气层和范·阿伦带两个因素的影响，通常认为LEO卫星的可用轨道高度为700～2000km。2.2卫星周期设计为了便于卫星轨道控制，通常选择使用回归轨道，即卫星运行周期与地球自转周期成整数比。卫星运行周期与地球自转周期关系如下式所示：(1)式中，k、n为整数，Ts为卫星运行周期，Te为地球自转周期，且Te=86164s。根据开普勒定理，可得卫星周期Ts(单位s)与轨道高度h关系如下：（2）式中，地球半

4、径Re=6378.137km，开普勒常数。取k=2，n=25，可得卫星周期Ts=6893s，轨道高度h=1450km。2.3星座相位关系设计星座相位关系的确定是指确定卫星在星群中的位置，它包括轨道倾角、轨道平面的布置、同一平面内卫星的位置和相邻轨道卫星的相对位置关系。通常，为了使卫星具有最大的均匀覆盖特性，同一轨道平面内的卫星应均匀分布，即相邻卫星的相位差应满足360／m，m为该轨道平面内的卫星数量。对于不同轨道平面内卫星，相对相位角的不同会使星座的覆盖特性相差甚远。根据立体几何的关系，推导出两个星下点(卫星与地心连线和地面的交点)

5、之间的距离d的公式如下：式中，、为两星下点的纬度，妒为两星下点经度差的绝对值。相对相角优化算法准则是使星下点间的最小距离最大化。3覆盖分析为了研究方便，假定卫星对地球的覆盖是对准地心的且只有一个大波束。圆轨道时单颗卫星对地覆盖几何关系如图1所示。βd观察点观察点地平线EH+ReX星下点OReα图1圆轨道卫星覆盖几何关系示意图其中，系统观察点的仰角：覆盖区半径：当卫星高度较低时，如果仍保持较大的仰角，则单颗卫星的覆盖范围将大大减小。虽然小仰角时电波的传输衰落大从而需要较大的系统余量，但是由于卫星高度低，链路相应较短，传播损耗本身比较小

6、，系统提供较大余量并不存在特别的困难，因此可以适当减小系统的最小仰角以增大卫星的覆盖范围。通常规定系统的最小仰角为10°左右。4星座设计方案4.1连续覆盖低轨卫星星座设计方案综合考虑星座设计的上述因素后，假定低轨卫星星座共由3个轨道平面构成，轨道高度1450km，利用相位优化准则及STK仿真研究可得，相邻轨道之间卫星的最佳相位差为14.5°，假定星座覆盖目标为包括我国全部海域及其周边区域在内的中低纬度地区。表1列出了不同轨道倾角时星座设计方案与其覆盖特性统计。参数方案轨道高度/km轨道平面数卫星总数轨道倾角/(°)-45°~45°覆

7、盖率-50°~50°覆盖率-55°~55°覆盖率方案A14503243010010099.05方案B145032438100100100方案C14503244299.8999.6399.90方案D14503244599.2699.1999.80表1不同低轨星座方案及覆盖统计由表可知，方案B的覆盖性能最优，能够满足对中低纬度地区的完全连续覆盖。通过仿真还可以发现，方案B有较大的系统余量，即当设定系统最小仰角大于50时，该星座对于指定纬度地区仍有良好的覆盏陛能，能够满足实时通信的要求。4.2区域覆盖型星座设计4.2.1背景假定远程指挥控

8、制与通信保障能力是影响和制约军队作战半径和作战能力的重要因素。传统的地面通信手段受地理环境限制较大，难以实现对通信距离的有效扩展，相反，卫星通信由于不受地理条件的制约，可以作为扩展通信保障半径的重要手段。在当前我国周边的复杂形势下，现