第六章移动卫星通信系统.ppt

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 a42164km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（FootPrint）,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，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、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，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 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元参数组来表征(N,P,m)N：星座卫星总数P：轨道平面数量m：协因子，影响卫星在天球上的初始分布以及星座图案在天球面上的推移速度,62,倾斜圆轨道星座 Ballard玫瑰星座 续4,最优玫瑰星座,63,倾斜圆轨道星座 Ballard玫瑰星座 续5,Ballard玫瑰星座玫瑰星座与Delta星座的等价关系Delta星座的相位因子F与玫瑰星座的协因子m满足如下关系即相位因子F是协因子m与S(每轨道面卫星数量)乘积的模P(轨道平面数量)余数,64,例6.4 NewICO星座系统采用表示为10/2/0的Delta星座结构。给出星座的等价玫瑰星座参数。解：轨道面数量P=2，每轨道面卫星数量S=10/2=5，相位因子F=0，因此因为 则n的可能取值为1、2、3和4m的可能取值为2/5、4/5、6/5和8/5NewICO系统的玫瑰星座标识为(10,2,(2/5,4/5,6/5,8/5),65,例6.4 续,66,共地面轨迹星座,共地面轨迹星座是一类特殊的星座，星座中所有卫星沿相同的地面轨迹运动共地面轨迹星座的轨道面升交点在赤道平面内的分布不一定是均匀的 星座中的卫星在特定服务区域的上空相对密集，从而提升区域覆盖性能,67,共地面轨迹星座,共地面轨迹星座,68,共地面轨迹星座,共地面轨迹星座为保证卫星i 和卫星j 有相同的地面轨迹，需要满足以下关系式中s 是卫星的飞行角速度,69,共地面轨迹星座赤道轨道星座,N颗卫星在特定高度的赤道轨道面上均匀分布,70,混合轨道星座,Orbcomm系统3个倾角45的轨道平面，每轨道面8颗卫星，轨道高度均为825 km倾角70和108的轨道平面各1个，每轨道面2颗卫星，轨道高度均为780 km，轨道面升交点经度差1801个赤道轨道面，8颗卫星，轨道高度780 km,71,混合轨道星座续1,Ellipso系统BOREALISTM 子系统包含10颗卫星，分布在2个倾角为116.6 的椭圆轨道上，远地点和近地点高度分别为7605 km和633 kmCONCORDIATM 子系统是一个包含7颗卫星的赤道轨道平面，轨道高度为8050 km,72,6.4 星际链路,星际链路是可视卫星之间的直接链路星际链路的类型轨内星际链路(Intra-Orbit ISL)：连接同一轨道面内的卫星轨间星际链路(Inter-Orbit ISL)：连接相邻轨道面间的卫星层间星际链路(Inter-Layer ISLs)：连接不同高度轨道面间的卫星,73,6.4 星际链路 续1,面内星际链路通常，一颗卫星和同一轨道面内位于其前后的各一颗卫星建立面内星际链路因为同一轨道面内卫星间的相对运动几乎为零，因此星际链路天线的指向角是固定的，也无需跟踪功能面间星际链路由于卫星间存在相对运动，因此星际链路天线的方位角、仰角以及链路长度都是时变的，因此需要采用跟踪天线,74,6.4 星际链路 续2,75,6.4 星际链路 续3,层间星际链路不同高度轨道平面内的卫星间存在相对运动，使得层间星际链路会发生重建需要采用跟踪天线接入卫星选择策略对层间星际链路的稳定性有很大的影响,76,6.4 星际链路 续4,77,6.4 星际链路 续5,仰角计算距离计算最大地心角和距离,78,6.4 星际链路 续6,例 6.5 星座卫星的轨道高度为1414 km。在某一时刻，卫星A和卫星B分别位于(0E,20N)和(50E,15S)。假设星际链路对地保护距离为50 km，判断卫星A和B间是否能够建立星际链路。如果可建星际链路，其长度为多少？解：在保护距离为50 km时，可建星际链路的两颗卫星间最大地心角卫星A和B间的瞬时地心角因为，因此卫星A和B 可以建立星际链路。星际链路天线的瞬时仰角 星际链路的瞬时长度,79,6.4 星际链路 续7,仰角计算距离计算最大地心角和距离,80,6.5 系统体系结构,欧洲电信标准化协会(ETSI)确定的全球覆盖卫星个人通信网络(S-PCN)的可能结构,81,6.5 系统体系结构 续1,方案(a)采用透明转发式卫星，依赖于地面网络来连接信关站移动用户间的呼叫传输延时至少等于非静止轨道卫星两跳的传输延时加上信关站间的地面网络传输延时 全球星系统采用该结构,82,6.5 系统体系结构 续2,方案(b)没有采用星际链路，使用静止轨道卫星提供信关站之间的连接 静止卫星的使用减少了系统对地面网络的依赖，但会带来数据的长距离传输 移动用户间的呼叫传输延时至少等于非静止轨道卫星两跳的传输延时加上静止轨道卫星一跳的传输延时,83,6.5 系统体系结构 续3,方案(c)使用星际链路来实现相同轨道结构的卫星进行互连 系统仍然需要信关站来完成一些网络功能，但对其的依赖性已经下降 移动用户间的呼叫传输延时是变化的，依赖于在卫星和星际链路构成的空中骨干网络路由选择铱系统采用该结构,84,6.5 系统体系结构 续4,方案(d)使用了双层卫星网络构建的混合星座结构移动用户间的呼叫传输延时等于两个非静止轨道卫星半跳的延时加上非静止轨道卫星到静止轨道卫星的一跳的延时 为保证非静止轨道卫星的全球性互连，需要至少3颗静止轨道中继卫星,85,6.6 频率规划,WARC-87的移动卫星业务频率分配方案,86,6.6 频率规划 续1,WARC-92的频率分配方案,87,6.6 频率规划 续2,一些大LEO系统和MEO系统的频率规划,88,6.7 典型卫星移动通信系统,铱(Iridium)系统1990年，Motorola公司宣布准备开发铱系统，并初步预计在1996年开始商业运营1995年1月，铱系统获得FCC颁发的许可证1998年11月1日，铱系统成为全球第一个，也是目前唯一一个投入商业运营的卫星个人通信网络,89,6.7 典型卫星移动通信系统 续1,Iridium铱系统在从1997年5月5日到1999年6月22日这约2年的时间内完成了系统卫星的发射，总共成功发88颗低轨卫星，其中前1年发射了72颗之多铱系统采用了3种类型的运载火箭来发射其系统卫星：波音的Delta II火箭，11次发射共计55颗卫星；俄罗斯质子火箭，3次发射共计21颗卫星；中国的长征2型，7次发射共计14颗,90,6.7 典型卫星移动通信系统 续2,Iridium卫星星座近极轨道星座66颗卫星6个轨道平面每轨道平面11颗卫星倾角86.4轨道高度780km相邻顺行轨道间升交点经度差为27,91,6.7 典型卫星移动通信系统 续3,Iridium卫星重量约689kg卫星寿命5到8年具有星上处理能力每颗卫星48个点波束，系统共3168个点波束，瞬时有效点波束数量为2150在11个国家部署12个信关站每卫星有2条面内星际链路和2条面间星际链路,92,6.7 典型卫星移动通信系统 续4,Iridium,93,6.7 典型卫星移动通信系统 续5,Iridium采用QPSK调制采用FDMA/TDMA多址方式，采用TDD移动用户链路工作于L频段的16161626.5MHz 信关站馈电链路和遥测链路工作于Ka频段，其中上行29.129.3 GHz，下行19.419.6 GHz星际链路工作于Ka频段的23.1823.38 GHz,94,6.7 典型卫星移动通信系统 续6,Iridium1999年8月13日，铱系统在美国申请破产保护由于无法找到新的投资者，2000年3月17日，铱系统停止了商业服务2000年12月12日，新的铱卫星有限公司宣布获得铱系统网络，将系统的父表市场重新定位为美国政府和工业级客户，并于2001年初重新开始商业运营目前，美国国防部是铱系统的最大客户,95,6.7 典型卫星移动通信系统 续7,全球星(Globalstar)系统劳拉空间和通信公司与高通(Qualcomm)提出的低轨卫星移动通信系统，与铱相同提出的时间接近全球星在1996年11月取得了FCC颁发的运营许可证1998年5月，全球星发射了第一批4颗卫星。到2000年初，完成了48颗工作卫星和4颗备用星的全部署全球星采用了2种运载火箭发射其卫星：波音空间系统公司的DeltaII火箭，7次共发射28颗卫星；6枚 SoyuzIkar火箭发射了其余24颗,96,6.7 典型卫星移动通信系统 续8,Globalstar系统特性48颗卫星8个轨道平面倾角52轨道高度1414km覆盖范围南北纬70无星际链路无星上处理,97,6.7 典型卫星移动通信系统 续9,Globalstar用户段地面段空间段,98,6.7 典型卫星移动通信系统 续10,Globalstar,99,6.7 典型卫星移动通信系统 续11,Globalstar有效载荷的简单框图,100,6.7 典型卫星移动通信系统 续12,GlobalstarS频段卫星天线点波束配置,101,6.7 典型卫星移动通信系统 续13,GlobalstarL频段卫星天线的点波束配置,102,6.7 典型卫星移动通信系统 续14,Globalstar频率规划,103,6.7 典型卫星移动通信系统 续15,GlobalstarL频段信道分配S频段信道分配,104,6.7 典型卫星移动通信系统 续16,Globalstar 瞬时覆盖 统计覆盖特性,105,6.7 典型卫星移动通信系统 续17,Globalstar 用户终端,106,6.7 典型卫星移动通信系统 续18,Globalstar1998年的灾难性发射失败损失了12颗全球星卫星，使得全球星系统无法在预定的1998年11月开始运营全球星在1999年11月开始其商业试运营正式的商业服务始于2000年春到2001年7月，系统的用户数量仅为55000,107,6.7 典型卫星移动通信系统 续19,亚洲蜂窝卫星系统ACeSACES：Asia cellular satellite system服务范围：向东到日本，北到中国，西至巴基斯坦，南到印度尼西亚提供L频段的140个点波束和1个C频段的区域覆盖波束覆盖区人口约30亿，且覆盖区内国家的地面通信基础设施欠发达,108,6.7 典型卫星移动通信系统 续20,ACeS第一颗ACeS卫星GARUDA-1 于2000年2月12日由俄罗斯质子 火箭发射入轨GARUDA-1卫星的设计寿命为12年，链路余量为10dB，可以同时支持多达11000个语音信道GARUDA-1采用两个独立的、直径为12米的L频段收发天线，GARUDA-1的有效载荷支持呼叫的星上交换喝路由，可以实现移动用户到移动用户的单跳通信,109,6.7 典型卫星移动通信系统 续21,ACeSGARUDA-1卫星的点波束覆盖,110,6.7 典型卫星移动通信系统 续22,ACeS用户终端支持传真、语音和数据服务，工作于L/S频段，上行频段为1626.51660.5MHz，下行频段为1525.01559.0MHz终端可以粗略地分为移动终端、固定终端和手持终端,111,作 业,6.1 计算LEO（轨道高度700-2000km）、MEO（轨道高度8000-20000km）和GEO（轨道高度35786）的典型在轨速度和轨道周期。6.2 在最小仰角为10时，计算LEO、MEO和GEO的典型自由空间传播损耗和传播延时。6.3全球星系统的卫星轨道高度为1414km，在最小仰角为10时，求单颗卫星的最大覆盖地心角，覆盖区面积和卫星天线的半视角。6.5“铱”系统卫星的轨道高度为780 km，试计算单颗系统卫星能够提供的最长连续覆盖时间。6.6 某星座系统的卫星轨道高度为1450km，每个轨道面上的卫星数量为6颗。计算每个轨道面上6颗卫星形成的地面覆盖带的宽度。6.11给出Delta星座 12/3/1 中所有卫星的升交点经度和初始时刻的平近点角。6.15 某极轨道星座的参数如表6.4中第5行（35星座）。在初始时刻，第1个轨道面上第1颗卫星位于（0E,0N）。试判断初始时刻，第1个轨道面上第1颗和第3个轨道面上的第2颗卫星间是否能够建立星际链路。,112,表 64 全球单重覆盖极轨道星座参数（10度用户仰角）,