低軌衛(wèi)星組網(wǎng)設(shè)計(jì).doc

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1、1概述衛(wèi)星星座是指由多顆衛(wèi)星按照一定規(guī)則和形狀構(gòu)成的可提供一定覆蓋性能的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，是多顆衛(wèi)星進(jìn)行協(xié)同工作的基本形式。衛(wèi)星星座結(jié)構(gòu)會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和系統(tǒng)成本等。傳統(tǒng)的同步軌道衛(wèi)星軌道高、鏈路損耗大，對(duì)地面終端的EIRP和接收天線的G／T值要求過(guò)高，難以實(shí)現(xiàn)手持機(jī)與衛(wèi)星直接進(jìn)行通信；而低軌衛(wèi)星由于鏈路損耗小，降低了對(duì)用戶終端EIRP和G／T值的要求，可支持地面小型終端與衛(wèi)星的直接通信，有利于信息的實(shí)時(shí)傳輸?，F(xiàn)代通信的發(fā)展要求衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)具有全球通信能力。低軌衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球覆蓋所需的衛(wèi)星數(shù)目較多(Iridium系統(tǒng)66顆星)，

2、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本很高，對(duì)于我國(guó)這樣的發(fā)展中國(guó)家要在短期內(nèi)構(gòu)建全球性低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，無(wú)論是在經(jīng)濟(jì)上還是在技術(shù)上都存在較大困難。因此，在預(yù)期星座的整體構(gòu)型下，通過(guò)設(shè)計(jì)和篩選，合理部署少數(shù)衛(wèi)星以滿足當(dāng)前任務(wù)和需求，并在今后發(fā)展中通過(guò)不斷發(fā)射新衛(wèi)星進(jìn)行補(bǔ)網(wǎng)，最終實(shí)現(xiàn)星座的預(yù)期覆蓋和通信能力，是我國(guó)衛(wèi)星通信發(fā)展的一條可行之路。2星座參數(shù)設(shè)計(jì)2.1軌道設(shè)計(jì)橢圓軌道多用于區(qū)域性覆蓋，但軌道傾斜角必須為63.4°(為了避免拱點(diǎn)漂移)，這對(duì)中低緯度地區(qū)的覆蓋十分不利，而圓軌道的傾斜角可在0°～90°。之間任意選擇?？紤]我國(guó)所處緯度范圍為北緯4°～54°

3、之間，星座設(shè)計(jì)宜應(yīng)采用傾斜圓軌道。軌道高度選擇主要是系統(tǒng)所需衛(wèi)星數(shù)目與地面終端EIRP和G／T值的折衷。同時(shí)，軌道高度的選擇還需考慮地球大氣層和范·阿倫帶兩個(gè)因素的影響，通常認(rèn)為L(zhǎng)EO衛(wèi)星的可用軌道高度為700～2000km。2.2衛(wèi)星周期設(shè)計(jì)為了便于衛(wèi)星軌道控制，通常選擇使用回歸軌道，即衛(wèi)星運(yùn)行周期與地球自轉(zhuǎn)周期成整數(shù)比。衛(wèi)星運(yùn)行周期與地球自轉(zhuǎn)周期關(guān)系如下式所示：(1)式中，k、n為整數(shù)，Ts為衛(wèi)星運(yùn)行周期，Te為地球自轉(zhuǎn)周期，且Te=86164s。根據(jù)開(kāi)普勒定理，可得衛(wèi)星周期Ts(單位s)與軌道高度h關(guān)系如下：（2）式中，地球半

4、徑Re=6378.137km，開(kāi)普勒常數(shù)。取k=2，n=25，可得衛(wèi)星周期Ts=6893s，軌道高度h=1450km。2.3星座相位關(guān)系設(shè)計(jì)星座相位關(guān)系的確定是指確定衛(wèi)星在星群中的位置，它包括軌道傾角、軌道平面的布置、同一平面內(nèi)衛(wèi)星的位置和相鄰軌道衛(wèi)星的相對(duì)位置關(guān)系。通常，為了使衛(wèi)星具有最大的均勻覆蓋特性，同一軌道平面內(nèi)的衛(wèi)星應(yīng)均勻分布，即相鄰衛(wèi)星的相位差應(yīng)滿足360／m，m為該軌道平面內(nèi)的衛(wèi)星數(shù)量。對(duì)于不同軌道平面內(nèi)衛(wèi)星，相對(duì)相位角的不同會(huì)使星座的覆蓋特性相差甚遠(yuǎn)。根據(jù)立體幾何的關(guān)系，推導(dǎo)出兩個(gè)星下點(diǎn)(衛(wèi)星與地心連線和地面的交點(diǎn))

5、之間的距離d的公式如下：式中，、為兩星下點(diǎn)的緯度，妒為兩星下點(diǎn)經(jīng)度差的絕對(duì)值。相對(duì)相角優(yōu)化算法準(zhǔn)則是使星下點(diǎn)間的最小距離最大化。3覆蓋分析為了研究方便，假定衛(wèi)星對(duì)地球的覆蓋是對(duì)準(zhǔn)地心的且只有一個(gè)大波束。圓軌道時(shí)單顆衛(wèi)星對(duì)地覆蓋幾何關(guān)系如圖1所示。βd觀察點(diǎn)觀察點(diǎn)地平線EH+ReX星下點(diǎn)OReα圖1圓軌道衛(wèi)星覆蓋幾何關(guān)系示意圖其中，系統(tǒng)觀察點(diǎn)的仰角：覆蓋區(qū)半徑：當(dāng)衛(wèi)星高度較低時(shí)，如果仍保持較大的仰角，則單顆衛(wèi)星的覆蓋范圍將大大減小。雖然小仰角時(shí)電波的傳輸衰落大從而需要較大的系統(tǒng)余量，但是由于衛(wèi)星高度低，鏈路相應(yīng)較短，傳播損耗本身比較小

6、，系統(tǒng)提供較大余量并不存在特別的困難，因此可以適當(dāng)減小系統(tǒng)的最小仰角以增大衛(wèi)星的覆蓋范圍。通常規(guī)定系統(tǒng)的最小仰角為10°左右。4星座設(shè)計(jì)方案4.1連續(xù)覆蓋低軌衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)方案綜合考慮星座設(shè)計(jì)的上述因素后，假定低軌衛(wèi)星星座共由3個(gè)軌道平面構(gòu)成，軌道高度1450km，利用相位優(yōu)化準(zhǔn)則及STK仿真研究可得，相鄰軌道之間衛(wèi)星的最佳相位差為14.5°，假定星座覆蓋目標(biāo)為包括我國(guó)全部海域及其周邊區(qū)域在內(nèi)的中低緯度地區(qū)。表1列出了不同軌道傾角時(shí)星座設(shè)計(jì)方案與其覆蓋特性統(tǒng)計(jì)。參數(shù)方案軌道高度/km軌道平面數(shù)衛(wèi)星總數(shù)軌道傾角/(°)-45°~45°覆

7、蓋率-50°~50°覆蓋率-55°~55°覆蓋率方案A14503243010010099.05方案B145032438100100100方案C14503244299.8999.6399.90方案D14503244599.2699.1999.80表1不同低軌星座方案及覆蓋統(tǒng)計(jì)由表可知，方案B的覆蓋性能最優(yōu)，能夠滿足對(duì)中低緯度地區(qū)的完全連續(xù)覆蓋。通過(guò)仿真還可以發(fā)現(xiàn)，方案B有較大的系統(tǒng)余量，即當(dāng)設(shè)定系統(tǒng)最小仰角大于50時(shí)，該星座對(duì)于指定緯度地區(qū)仍有良好的覆盞陛能，能夠滿足實(shí)時(shí)通信的要求。4.2區(qū)域覆蓋型星座設(shè)計(jì)4.2.1背景假定遠(yuǎn)程指揮控

8、制與通信保障能力是影響和制約軍隊(duì)作戰(zhàn)半徑和作戰(zhàn)能力的重要因素。傳統(tǒng)的地面通信手段受地理環(huán)境限制較大，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)通信距離的有效擴(kuò)展，相反，衛(wèi)星通信由于不受地理?xiàng)l件的制約，可以作為擴(kuò)展通信保障半徑的重要手段。在當(dāng)前我國(guó)周邊的復(fù)雜形勢(shì)下，現(xiàn)