第7章衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)

第7章衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)第一頁，共62頁。一、衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的概念衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)是指提供衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù)(MSS)的通信系統(tǒng)，其典型特征是利用衛(wèi)星作中繼站向用戶提供移動(dòng)業(yè)務(wù)。衛(wèi)星移動(dòng)通信是傳統(tǒng)的固定衛(wèi)星通信與移動(dòng)通信交叉結(jié)合的產(chǎn)物，從表現(xiàn)形式看，它既是一個(gè)提供移動(dòng)業(yè)務(wù)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，又是一個(gè)利用衛(wèi)星作為中繼站的移動(dòng)通信系統(tǒng)。第二頁，共62頁。衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的組成空間段：衛(wèi)星母體及星載設(shè)備地面段：衛(wèi)星測控中心及相應(yīng)的衛(wèi)星測控網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)控制中心以及各類關(guān)口站用戶段：由各種用戶終端組成，可以是手持機(jī)、便攜機(jī)、機(jī)（車、艦）載臺(tái)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)星形結(jié)構(gòu)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)混合結(jié)構(gòu)第三頁，共62頁。各種星座的移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)比較第四頁，共62頁。若干大LEO和MEO系統(tǒng)的用戶業(yè)務(wù)和饋送鏈路頻段第五頁，共62頁。二、衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的特點(diǎn)與固定業(yè)務(wù)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)相比，衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)在技術(shù)上有以下特點(diǎn)：衛(wèi)星功率有限與移動(dòng)臺(tái)天線增益低之間的矛盾十分突出系統(tǒng)在非高斯信道中工作，電波傳播情況復(fù)雜，多徑效應(yīng)、陰影遮蔽、多普勒頻移等不可避免眾多用戶共享有限的衛(wèi)星資源（頻率與功率）移動(dòng)臺(tái)要求高度的機(jī)動(dòng)性，故小型化具有十分重要的意義第六頁，共62頁。三、星座與星間鏈路（一）星座設(shè)計(jì)（二）太陽同步軌道（三）極軌道星座（四）傾斜軌道星座（五）星間鏈路第七頁，共62頁。（一）星座設(shè)計(jì)星座覆蓋的定義最佳星座星座設(shè)計(jì)參數(shù)星座設(shè)計(jì)方法星座設(shè)計(jì)軟件第八頁，共62頁。星座的覆蓋覆蓋的定義：根據(jù)地面用戶終端的最小仰角定義覆蓋區(qū)域地面上處于衛(wèi)星天線波束半功率角度范圍以內(nèi)的區(qū)域?yàn)楦采w區(qū)域。衛(wèi)星星座的覆蓋要求由星座所要完成的任務(wù)決定，根據(jù)不同的任務(wù)確定不同的覆蓋方式。第九頁，共62頁。最佳星座選取最佳的軌道傾角和升節(jié)點(diǎn)的位置。軌道高度盡可能低衛(wèi)星數(shù)量盡可能少最小仰角盡可能大對(duì)指定區(qū)域進(jìn)行全天候的持續(xù)性覆蓋第十頁，共62頁。星座設(shè)計(jì)參數(shù)圓軌道的星座設(shè)計(jì)參數(shù)包括：星座的衛(wèi)星數(shù)量衛(wèi)星軌道平面數(shù)量衛(wèi)星軌道平面的傾角不同軌道平面的相對(duì)間隔同一軌道平面內(nèi)衛(wèi)星的相對(duì)相位相鄰軌道平面衛(wèi)星的相對(duì)相位每顆衛(wèi)星的軌道高度（或軌道周期）第十一頁，共62頁。星座設(shè)計(jì)方法圓極軌道全球覆蓋衛(wèi)星星座軌道平面傾角為90度對(duì)高緯度地區(qū)形成多重覆蓋傾斜圓軌道衛(wèi)星星座：Walker星座i:T/P/F(0≤F≤P-1)對(duì)某緯度帶均勻覆蓋持續(xù)覆蓋某區(qū)域的星座靜止軌道衛(wèi)星星座中軌衛(wèi)星星座特殊衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)赤道軌道衛(wèi)星星座的設(shè)計(jì)橢圓軌道衛(wèi)星星座的設(shè)計(jì)第十二頁，共62頁。星座設(shè)計(jì)軟件STK/Coverage覆蓋分析模塊

STK/Coverage用于對(duì)衛(wèi)星、地面站、車輛、導(dǎo)彈、飛機(jī)、船舶進(jìn)行全面的覆蓋性能分析。

STK/Coverage可以分析各種覆蓋問題，如一顆失靈的衛(wèi)星對(duì)整個(gè)星座覆蓋情況產(chǎn)生的影響，何處區(qū)域因當(dāng)?shù)氐匦蔚挠绊懺斐尚l(wèi)星通信阻塞，何時(shí)何地出現(xiàn)覆蓋間隙，何時(shí)出現(xiàn)多個(gè)衛(wèi)星同時(shí)可見一個(gè)對(duì)象的機(jī)會(huì)。

GlobalStar工作組利用STK進(jìn)行星座設(shè)計(jì)，包括地面站可見時(shí)間，覆蓋分析，鏈路預(yù)算等等。第十三頁，共62頁。GlobalStar利用STK星座設(shè)計(jì)第十四頁，共62頁。（二）太陽同步軌道地球非球形引起的衛(wèi)星軌道面的旋轉(zhuǎn)問題，視軌道傾角i

不同的取值范圍而有所不同：當(dāng)0i<90o時(shí)，軌道面西退（從地球上看），即軌道面的旋轉(zhuǎn)方向與地球自轉(zhuǎn)方向相反；當(dāng)90o<i180o時(shí)，軌道面東進(jìn)，即軌道面的旋轉(zhuǎn)方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同；當(dāng)i=90o時(shí)，軌道面不旋轉(zhuǎn)。第十五頁，共62頁。

軌道面旋轉(zhuǎn)的“退”或“進(jìn)”，統(tǒng)稱為軌道面的“進(jìn)動(dòng)”?！斑M(jìn)動(dòng)”用軌道升交點(diǎn)（經(jīng)度為）的變化來表示。軌道面的“進(jìn)動(dòng)”速度d/dt除與i有關(guān)外，還與軌道的半長軸a和偏心率e有關(guān)。對(duì)于圓形軌道（e=0），若選擇大于90°的適當(dāng)i和a（e=0時(shí)，a即為軌道高度h），可以使軌道的向東進(jìn)動(dòng)(角)速度與地球繞太陽公轉(zhuǎn)的平均角速度（每天平均0.9856°）同步，則稱該軌道為“太陽同步軌道”，也就是說，太陽同步軌道的軌道面每年（共365.25天）向東進(jìn)動(dòng)360°，即

0.9856×365.25=360(度)

由于太陽同步軌道的i>90°，所以它是逆行軌道。第十六頁，共62頁。太陽同步軌道

?軌道平面與太陽間幾乎固定的幾何關(guān)系表征在：軌道平面與黃道面的交線與地心-日心連線的夾角保持固定的一個(gè)角度θ ?這種固定的空間幾何關(guān)系使得太陽同步軌道的衛(wèi)星總是在相同的本地時(shí)（LST）經(jīng)過某一區(qū)域的上空第十七頁，共62頁。太陽同步軌道

?圓太陽同步軌道的軌道高度和軌道傾角之間的制約關(guān)系

?根據(jù)上式可知：

①由于cosi的取值始終為負(fù)，因此傾角i的取值范圍為(90o,180o]，所以太陽同步軌道一定是逆行軌道；

②由|cosi|=4.773×10-15×(h+Re)3.5≤1，可知圓軌道太陽同步軌道的高度是受限的，最高高度為5974.9km。

第十八頁，共62頁。太陽同步軌道星座

?太陽同步軌道也能夠用于實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，如由288顆衛(wèi)星構(gòu)成的Teledesic系統(tǒng)

第十九頁，共62頁。圖7-8太陽同步軌道傾角與高度的關(guān)系第二十頁，共62頁。（三）極軌道星座

極軌道:衛(wèi)星軌道平面傾角為90°時(shí)，軌道通過地球南、北極。極軌道星座對(duì)高緯度地區(qū)可形成多重覆蓋，當(dāng)其衛(wèi)星軌道高度和最小覆蓋仰角確定之后，即可大致估算所需的軌道數(shù)目和每個(gè)軌道面上衛(wèi)星的數(shù)目。第二十一頁，共62頁。極軌道星座的衛(wèi)星分布特性

由于極軌道星座的特殊軌道結(jié)構(gòu)（90o傾角，所有軌道面交于南北極點(diǎn)），星座中的衛(wèi)星在天球上的分布是不均勻的：衛(wèi)星在赤道平面上最稀疏，相互間的間隔距離最大；在兩極處最密集，相互間的間隔距離最小。 因此，在考慮極軌道星座對(duì)全球的覆蓋時(shí)，只需考慮對(duì)赤道實(shí)現(xiàn)連續(xù)覆蓋；在考慮對(duì)球冠區(qū)域的覆蓋時(shí)，只需考慮對(duì)球冠的最低緯度圈實(shí)現(xiàn)連續(xù)覆蓋。第二十二頁，共62頁。(四）傾斜軌道星座

傾斜軌道星座的衛(wèi)星可以比較“均勻”地覆蓋服務(wù)區(qū)，常采用Walker星座。全球星系統(tǒng)和奧德賽（Odyssey）系統(tǒng)都采用了Walker星座。星座參數(shù)有四個(gè)，表示為i:T/P/F

其中：i為軌道平面傾角

T是星座中總的衛(wèi)星數(shù)目

P為軌道平面的數(shù)目

F是相位因子第二十三頁，共62頁。傾斜圓軌道星座的基本特性

?多個(gè)傾角和高度相同的軌道平面

?各軌道平面具有相同數(shù)量的衛(wèi)星

?各軌道平面內(nèi)衛(wèi)星在面內(nèi)均勻分布

?各軌道平面的右旋升交點(diǎn)在參考平面內(nèi)均勻分布

?相鄰軌道相鄰衛(wèi)星間存在確定的相位關(guān)系第二十四頁，共62頁。傾斜圓軌道星座

WalkerDelta星座Ballard玫瑰（Rosette）星座第二十五頁，共62頁。Delta星座

?Delta星座使用相鄰軌道面內(nèi)，相鄰衛(wèi)星的初始相位差來確定星座中各衛(wèi)星的相對(duì)空間位置關(guān)系

?相鄰軌道面相鄰衛(wèi)星相位差第二十六頁，共62頁。Delta星座標(biāo)識(shí)法

Walker采用3個(gè)參數(shù)來描述Delta星座：T/P/F。

?T代表星座的衛(wèi)星總數(shù)；

?P代表星座的軌道面數(shù)量；

?F稱為相位因子，

?Delta星座按下式確定相鄰軌道相鄰衛(wèi)星的初始相位差第二十七頁，共62頁。玫瑰星座

?Rosette星座中，衛(wèi)星的初始相位與其所在軌道面的右旋升交點(diǎn)赤經(jīng)（或經(jīng)度值）成一定的比例關(guān)系

?Ballard使用3個(gè)不變的方向角和一個(gè)時(shí)變的相位角來確定衛(wèi)星在運(yùn)行天球面上的瞬時(shí)位置第二十八頁，共62頁。玫瑰星座標(biāo)識(shí)法

Ballard采用3個(gè)參數(shù)來描述玫瑰星座:(N,P,m) ?N代表星座的衛(wèi)星總數(shù)；

?P代表星座的軌道面數(shù)量；

?m稱為協(xié)因子，確定了衛(wèi)星在軌道面內(nèi)的初始相位。

?協(xié)因子m是一個(gè)非常重要的玫瑰星座參數(shù)，它不僅影響衛(wèi)星初始時(shí)刻在運(yùn)行天球上的分布，也影響衛(wèi)星組成的圖案在天球上的旋進(jìn)速度。第二十九頁，共62頁。協(xié)因子m的特性

?協(xié)因子m可以是整數(shù)也可以是不可約分?jǐn)?shù)；

?如果m是0到N－1的整數(shù)，表示星座中每一個(gè)軌道平面上只有一顆衛(wèi)星；

?如果協(xié)因子m為不可約分?jǐn)?shù)，則一定以S為分母，表示星座中每一個(gè)軌道平面上有S顆衛(wèi)星。

第三十頁，共62頁。共地面軌跡星座的特性

?包含多個(gè)軌道高度和傾角相同軌道面；

?每軌道面一顆衛(wèi)星；

?所有衛(wèi)星沿不變的地面軌跡運(yùn)行；

?適合于實(shí)現(xiàn)區(qū)域覆蓋衛(wèi)星通信系統(tǒng)。第三十一頁，共62頁。（五）星間鏈路在衛(wèi)星之間建立星間通信鏈路（激光鏈路或毫米波鏈路），每顆衛(wèi)星將成為空間網(wǎng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，使通信信號(hào)能不依賴于地面通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，提高傳輸?shù)男屎拖到y(tǒng)的獨(dú)立性，對(duì)于組建全球通信網(wǎng)將是十分方便和靈活的。星間鏈路特性

?仰角的時(shí)變特性天線的動(dòng)態(tài)指向特性

?方位角的時(shí)變特性天線的動(dòng)態(tài)指向特性

?星間距離的時(shí)變特性功率的動(dòng)態(tài)控制特性第三十二頁，共62頁。相同軌道高度衛(wèi)星間的星間鏈路

?同一軌道平面內(nèi)的軌內(nèi)星間鏈路：同一軌道面內(nèi)的兩顆衛(wèi)星能夠基本保持不變的相對(duì)位置，軌內(nèi)星際鏈路的星間距離、方位角和仰角變化很小，建立相對(duì)容易

?不同軌道平面之間的軌間星間鏈路：由于不同軌道面內(nèi)兩顆衛(wèi)星存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)，軌間星際鏈路的方位角、仰角和星間距離一般隨時(shí)間而變化，建立相對(duì)比較困難第三十三頁，共62頁。星間鏈路的仰角和距離計(jì)算?根據(jù)右圖所示的幾何關(guān)系容易推出

星間鏈路的方位角計(jì)算

?方位角的度量以衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)到衛(wèi)星連線方向。

第三十四頁，共62頁。星間鏈路性能隨軌道高度的變化第三十五頁，共62頁。星間鏈路性能隨軌道傾角的變化

第三十六頁，共62頁。不同軌道高度衛(wèi)星間的星間鏈路

?衛(wèi)星的仰角滿足關(guān)系式

?可見：軌道高度較高的衛(wèi)星將始終有負(fù)的仰角值，而高度較低的衛(wèi)星的仰角則可正可負(fù)第三十七頁，共62頁。五、典型衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)（一）銥系統(tǒng)(Iridium)（二）全球星系統(tǒng)(Globalstar)（三）亞洲蜂窩系統(tǒng)(ACeS)（四）Thuraya系統(tǒng)第三十八頁，共62頁。（一）銥系統(tǒng)系統(tǒng)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多址技術(shù)應(yīng)用和業(yè)務(wù)與GSM系統(tǒng)的比較第三十九頁，共62頁。圖1銥系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖第四十頁，共62頁。第四十一頁，共62頁。第四十二頁，共62頁。第四十三頁，共62頁。表5用戶鏈路、饋電鏈路和星間鏈路的參數(shù)第四十四頁，共62頁。Iridium系統(tǒng)的用戶“銥”自身的用戶，是指使用銥用戶終端(ISU）的用戶，用戶直接訪問“銥”衛(wèi)星，主要是地面網(wǎng)絡(luò)尚沒有覆蓋到的地區(qū)的用戶。PSTN／PDN用戶，包括家庭用戶在內(nèi)的地面公共交換網(wǎng)和分組數(shù)據(jù)網(wǎng)用戶可通過關(guān)口站進(jìn)入“銥”衛(wèi)星網(wǎng)。GSM用戶，“銥”系統(tǒng)與GSM系統(tǒng)兼容，通過“銥”系統(tǒng)可為全世界的各個(gè)GSM蜂窩網(wǎng)提供全球漫游。其他地面蜂窩網(wǎng)用戶，通過使用“銥連網(wǎng)單元”(IIU)，“銥”系統(tǒng)可提供銥蜂窩漫游業(yè)務(wù)。IIU可將不同的蜂窩標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行變換。Iridium系統(tǒng)的用戶和業(yè)務(wù)第四十五頁，共62頁?！般灐毕到y(tǒng)可以提供以下業(yè)務(wù)：全雙工2400或4800b/s的數(shù)字電話，采用間斷傳輸，即在話音間隙無信號(hào)發(fā)射數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，速率2400b/s，含傳真?zhèn)骱魳I(yè)務(wù)，文字型全球傳呼業(yè)務(wù)及雙向短消息業(yè)務(wù)。無線電定位（RDSS）業(yè)務(wù)，可在手機(jī)上顯示用戶當(dāng)時(shí)所處的經(jīng)緯度（誤差小于1.6公里）慢掃圖象及無線電調(diào)度第四十六頁，共62頁。Iridium和GSM系統(tǒng)的比較

“銥”系統(tǒng)是以GSM數(shù)字式地面蜂窩系統(tǒng)技術(shù)為基礎(chǔ)的，在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成、基本體制、呼叫處理等方面有許多共同的地方。有人把“銥”系統(tǒng)說成是“倒置”的GSM，也就是說，其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在天上，基站處理在星上完成，“銥”系統(tǒng)與GSM網(wǎng)技術(shù)上是兼容的，甚至關(guān)口站交換設(shè)備也是相同的。第四十七頁，共62頁。（二）全球星系統(tǒng)系統(tǒng)構(gòu)成頻率計(jì)劃多址技術(shù)系統(tǒng)容量主要特點(diǎn)提供的業(yè)務(wù)第四十八頁，共62頁。圖5“全球星”系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)第四十九頁，共62頁。圖6“全球星”天線波束的排列圖案

L波段接收多波束天線S波段發(fā)射多波束天線第五十頁，共62頁。表6Globalstar主要參數(shù)

第五十一頁，共62頁。Globalstar的主要特點(diǎn)完全與地面PSTN和PLMN綜合采用碼分多址技術(shù)采用路徑分集技術(shù)和功率控制技術(shù)軟切換技術(shù)第五十二頁，共62頁。Globalstar系統(tǒng)提供的業(yè)務(wù)話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，能直接接到PSTN無線電定位業(yè)務(wù)（定位和位置消息）話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，能直接連接各種專用網(wǎng)傳呼和消息。通過GLOBALSTAR可獲得目前移動(dòng)電話用戶能獲得的任何具體通信業(yè)務(wù)，例如電話、數(shù)據(jù)和傳真第五十三頁，共62頁。亞洲蜂窩衛(wèi)星通信系統(tǒng)ACeS ?ACeS系統(tǒng)的第一顆衛(wèi)星Garuda-1于2000年2月發(fā)射，定位于東經(jīng)123o上空

?Garuda-1衛(wèi)星由美國LockheedMartin公司制造，使用該公司的A2100AX衛(wèi)星共用艙

?Garuda-1衛(wèi)星的星載傘裝賦形天線直徑為12米，具有140個(gè)點(diǎn)波束，在地面產(chǎn)生140個(gè)宏小區(qū)，覆蓋亞洲24個(gè)國家和地區(qū)，覆蓋面積超過2850萬平方公里，覆蓋區(qū)人口超過30億（三）亞洲蜂窩系統(tǒng)（ACeS）第五十四頁，共62頁。Garuda-1衛(wèi)星的覆蓋特性第五十五頁，共62頁。ACeS的地面設(shè)備

信關(guān)站天線Ericsson手持機(jī)第五十六頁，共62頁。ACeS通信鏈路

?用戶鏈路使用L頻段：上行1626.5-1660.5MHz，下行1525.0-1559.0MHz；上行用戶信道帶寬50kHz，采用GMSK調(diào)制方式和FDD/TDMA/FDMA多址接入方式

?饋電鏈路采用C頻段，上行6.425-6.725GHz，下行3.400-3.700GHz；上行用戶信道帶寬200KHz，采用OQPSK調(diào)制方式和FDD/TDMA/FDMA多址接入方式第五十七頁，共62頁。（四）Thuraya系統(tǒng)Thuraya系統(tǒng)

?Thuraya公司1997年在阿聯(lián)酋創(chuàng)立，是一個(gè)私營股份制公司，目前共有21個(gè)股東，主要是一些國家的主要電信業(yè)務(wù)提供商和國際投資機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)的總投資為11億美元

?Thuraya系統(tǒng)提供區(qū)域性的衛(wèi)星移動(dòng)通信業(yè)務(wù)，支持包括語音、傳真、短消息、數(shù)據(jù)傳輸和GPS定位服務(wù)

?Thuraya系統(tǒng)的空間段計(jì)劃由3顆地球同步軌道衛(wèi)星組成，每顆衛(wèi)星均裝配高功率多點(diǎn)波束天線和移動(dòng)通信有效載荷

第五十八頁，共62頁。