卫星通信与卫星网络 课件 (李晖) 第13章 卫星星座设计.pptx

第13章 卫星星座设计13.1 辐射影响13.2 卫星轨道 13.3 卫星覆盖和通信仰角 13.4 星下点轨迹13.5 扫描角和波束13.6 区域性覆盖星座设计13.7 全球覆盖星座设计13.8 多层卫星星座设计13.9 本章小结 　　早期发射的卫星由于火箭推力的限制,往往将单颗卫星送入较低高度(几百千米至几千千米)的卫星轨道,在这些轨道上运行的卫星与地球之间存在快速的相对运动关系,如苏联的第一颗人造卫星 Sputnik(见图13-1)的轨道高度为567km,其卫星轨道参数和特性参见第1、2章的内容。 　　图13-1 苏联人造卫星Sputnik外观图 13.1 辐 射 影 响　　空间电子辐射影响主要分为两种:总放射能计量和单数值翻转。总放射能计量是空间电子在其整个寿命的累积辐射效应,这些电子主要来源于范·艾伦辐射带捕获的电子和质子。累积效应最终将导致晶体管节点或晶体管芯片的功能退化,从而得不到正确的响应。这对控制卫星运转及有效载荷的计算机元件尤其有害。单数值翻转是由太阳喷射的重离子(通常是质子)引起的,它们是积累了足够的电量,引起“位跳变”,从而影响电路的关键部分,即将开路变成闭路,将逻辑0变成逻辑1等。若位跳变被固定了,即电路的某个指定的部分被锁定了,则不能发生改变。 　　地球的液体核和固体核外部硬壳之间的相对运动产生了地磁场。图13-2给出了磁场线绕地球伸展的情况。图13-2 地球磁场与地极 　　一般在距离地球很近的地方磁场线呈对称均匀分布,而在距离地球较远的地方,由于从太阳流向地球的能量流与地磁场之间互感的影响,地磁线变形了。在很远的地方,太阳与地磁相遇的地方称为弓形冲波,很像集中于飞机翅膀下的压力波。另一方面,地球的磁极和地极不一致,因此磁赤道(磁纬度)和地理赤道(地理纬度)是不一样的。地磁纬度的计算式为其中,α 为地理纬度,β为地理经度。 　　太阳黑子的周期变化会导致空间辐射环境的大幅度波动。虽然纬度、高度、轨道倾角都会引起辐射环境的很大变化,但是在实际中通常只考虑辐射效应更为集中的两个范·艾伦辐射带。被捕获的电子和质子沿着图13-3所示的磁力线向北或向南运动。磁力线在磁极附近被反射;统计上,它们在赤道附近停留的时间比在磁极处停留的时间要长。因而,范·艾伦辐射带围绕在地磁赤道附近,卫星的位置离辐射带中心越近,在空间停留的时间越长,总辐射就越强。 图13-3 两个范·艾伦辐射带 　　选择一条辐射强度衰减的轨道,能降低辐射的潜在危害。在这一条件不具备的轨道上,卫星就要选用防辐射器件,或者采用适当的屏蔽。这两种选择的成本都很高,前者是因为制造成本很高,后者是因为辐射屏蔽很重。随着电子器件的发展,电子器件可以承受的辐射总剂量增大了。但是,对于许多卫星组成的星群来说,要使所有器件达到较高的防辐射能力,就要开发新的技术。目前一些新的、成本相对较低的生产工艺已经问世,这些生产工艺能使总剂量降低,且在防“单数值翻转”方面也可以加以利用。 13.2 卫 星 轨 道13.2.1 近赤道轨道　　近赤道轨 道 位 于 地 球 的 地 理 赤 道 平 面 内,轨 道 路 径 时 刻 位 于 赤 道 上 空。地 球 以0.45km/s的速度向东自转,因此大多数卫星向东发射(可以在卫星发射时利用地球的自转,节省部分发射燃料,增加有效载荷),进入与地球“同旋”的轨道,而向西的轨道称为“回归”轨道。 　　位于同旋近赤道轨道内的卫星有两个周期:一个是参照惯性空间(银河背景)的真实轨道周期,另一个是以地球上的静止物体为参照物的直观轨道周期。真实轨道周期由式(2 2)给出,而对于地球上静止的观测者来说,直观轨道周期P 为 　　一个精确的恒星日为23.9344h,精确计算时可以用它来代替式(13-2)中的数值24。表13-1给出了不同的轨道高度与仰角对应的不同P 和T。表13-1还给出了卫星相对于观测者的可见时间,此处没有考虑大气折射效应,并假定通信仰角可以达到0°。轨道高度与可见范围见图13-4。 图13-4 轨道高度与可见范围 13.2.2 对地静止轨道　　如表13-1所示,当近赤道轨道卫星的轨道高度为35786km 时,其轨道周期与地球自转周期相同,地面观测者与卫星的相对运动速度为零,因此称该类卫星轨道为对地静止轨道(GEO)。世界早期的通信卫星均采用对地静止轨道,后续建立的跟踪与中继卫星系统、DBS卫星系统、VSAT 卫星系统等也采用 GEO 轨道。单颗 GEO 卫星的最大覆盖范围参见示意图13-5。 图13-5 单颗 GEO 卫星的最大覆盖范围(侧视图,通信仰角达0°) 13.2.3 倾斜圆轨道　　LEO 和 MEO 卫星星座常常采用倾斜圆轨道(简称倾斜轨道)。倾斜轨道的倾角越大,卫星在飞行中扫过的地球表