CN103532611A - 一种区域覆盖兼顾全球的混合轨道igso星座 - Google Patents

一种区域覆盖兼顾全球的混合轨道igso星座 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种区域覆盖兼顾全球的混合轨道IGSO星座,其包括至少5颗位于地球同步轨道上的IGSO卫星,所述至少5颗IGSO卫星分为两组,每组包含至少3颗IGSO卫星,两组间共用1颗IGSO卫星;第一组的至少3颗IGSO卫星共用一轨道面,升交点赤经相同,平近点间相差120°,并具有相同的轨道倾角,所述3颗IGSO卫星间由固定星间链路通信连接;第二组的至少3颗IGSO卫星具有相同的星下点过赤道经度,平近点角间相差120°,其中不与第一组共用的至少两颗IGSO卫星具有相同的轨道倾角和地面轨迹,所述第二组3颗IGSO卫星间不建立星间链路,通过调整轨道倾角使其始终对地点受限信关站可见。本发明的混合轨道IGSO星座,能够仅靠地点受限信关站落地,实现对目标区域的多重覆盖,同时兼顾对全球范围的覆盖。

Description

一种区域覆盖兼顾全球的混合轨道IGSO星座
技术领域
本发明属于卫星通信技术领域,特别是一种区域覆盖兼顾全球的混合轨道IGSO星座。
背景技术
近年来,国外针对宽带多媒体卫星通信系统的研发及试验活动接踵不断,典型的系统如Amerhis、Spaceway3、WINDS、WGS等,这些卫星宽带通信系统均由一颗或多颗对地静止轨道(Geostationary Orbit,GEO)卫星构成。GEO卫星工作于距离地面高度为35786km的赤道环上,相对地面保持静止,覆盖范围大,采用3~5颗GEO卫星即可实现准全球覆盖(无法覆盖南北两极地区),且技术相对成熟,运行维护方便,但也存在一些问题:
1)对中高纬度地区平均覆盖仰角较低,衰落余量大;
2)无法覆盖全球,两极附近存在通信盲区;
3)“南山效应”对地广、山多的中国是一个突出问题;
4)卫星位置固定,易受干扰和攻击;
5)轨道资源拥挤,轨道位置和频率资源协调困难。
而根据中低轨道卫星的轨道特点,卫星轨道高度较低,虽然便于用户终端的小型化,但其覆盖面积远小于GEO卫星,一般需要多颗卫星组成星座来实现较好的整体覆盖。并且,中低轨卫星星座除建立了复杂星间链路的极轨星座外,难以仅靠仅靠受限区域内的信关站实现信号落地,同时卫星相对地面运动速度快,带来通信中较大的多普勒频移和时延变化。因此,中低轨道卫星一般不用于宽带多媒体通信,而用于卫星移动通信和卫星导航,典型的系统有Iridium、Globalstar、Orbcomm和GPS等。
倾斜地球同步轨道(Inclined Geosynchronous Satellite Orbit,IGSO)也是圆轨道,具有与GEO相同的轨道高度和周期,但具有一定的轨道倾角,在充分利用GEO优点的同时,能够克服其高纬度区始终是低仰角的问题。IGSO卫星轨道倾角大于0度,因此,IGSO卫星的星下点轨迹在地面就不是一个点,而是以赤道为对称轴的“8”字形,轨道倾角越大,“8”字形的区域也越大。单颗IGSO卫星对特定区域的覆盖性能不如一颗GEO卫星。
综上所述,由于中低轨卫星通信时多普勒频移和时延变化大,难以用于宽带多媒体通信,而现有GEO宽带多媒体星座在南北两极存在通信盲区,对中高纬度地区平均覆盖仰角较低,衰落余量大,而单颗IGSO卫星对特定区域的覆盖性能不如一颗GEO卫星。
因此,现有技术存在的问题是:如何能够仅靠地点受限信关站落地,实现对目标区域的多重覆盖,同时兼顾对全球范围的覆盖。
发明内容
本发明的目的在于提供一种区域覆盖兼顾全球的混合轨道IGSO星座,能够仅靠地点受限信关站落地,实现对目标区域的多重覆盖,同时兼顾对全球范围的覆盖。
实现本发明目的的技术解决方案为:一种区域覆盖兼顾全球的混合轨道IGSO星座,其包括至少5颗位于地球同步轨道上的IGSO卫星,所述至少5颗IGSO卫星分为两组,每组包含至少3颗IGSO卫星,两组间共用1颗IGSO卫星;第一组的至少3颗IGSO卫星共用一轨道面,升交点赤经相同,平近点间相差120°,并具有相同的轨道倾角,所述3颗IGSO卫星间由固定星间链路通信连接;第二组的至少3颗IGSO卫星具有相同的星下点过赤道经度,平近点角间相差120°,其中不与第一组共用的至少两颗IGSO卫星具有相同的轨道倾角和地面轨迹,所述第二组3颗IGSO卫星间不建立星间链路,通过调整轨道倾角使其始终对地点受限信关站可见。
本发明与现有技术相比,其显著优点:
1、在区域多星覆盖的同时能够兼顾对全球的覆盖:能够对中低纬度地区实现很好的多星覆盖,在多星重叠覆盖区内能够提供良好的分集效果;在各纬度区域都具有很高的平均通信仰角,能够对南北两极地区提供100%时间覆盖;譬如,IGSO混合轨道星座中第一组同轨道面IGSO卫星轨道倾角为70°,第二组地面同轨迹IGSO卫星轨道倾角为48.04°时,能够对全球50.15%的区域提供100%时间覆盖,对全球99.47%的区域提供80%以上时间覆盖,能够对全球100%的区域提供77.2%以上时间覆盖;
2、多普勒频移与时延变化小:由于IGSO卫星相对地面运动,星地通信存在一定的多普勒频移与时延变化,但混合轨道IGSO卫星星座中的多普勒频移与时延变化相比低轨系统要小很多。譬如,当各IGSO卫星轨道倾角为70°时,对于30GHz的载波频率,多普勒频移通常小于60kHz,多普勒频移变化率通常小于6Hz/s,时延变化率通常小于2×10-3ms/s。
3、可以仅靠受限区域内的信关站落地:譬如,由于条件限制,我国的信关站均位于领土范围内,该范围即信关站的受限区域。选取我国典型地点的信关站,即北京信关站、喀什信关站以及三亚信关站。调整混合轨道星座中第二组地面同轨迹IGSO卫星轨道倾角为48.04°(15°波束边缘仰角),即可保证混合轨道星座中的所有IGSO卫星均靠国内三个信关站直接或间接(通过星间链路)落地。
附图说明
图1是本发明区域覆盖兼顾全球的混合轨道IGSO星座三维结构示意图。
图2是本发明区域覆盖兼顾全球的混合轨道IGSO星座二维多星覆盖图。
图3是本发明区域覆盖兼顾全球的混合轨道IGSO星座双星覆盖时间图。
图4是本发明区域覆盖兼顾全球的混合轨道IGSO星座单星覆盖时间图。
图5是中国以及全球区域的平均通信仰角。
图6是典型地点的分集角。
图7是北京站通信时延以及时延变化率曲线。
图8是北京站通信多普勒频移以及多普勒频移变化率曲线。
图9是北京站通信自由空间传播损耗变化以及变化率曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图1所示,本发明区域覆盖兼顾全球的混合轨道IGSO星座,包括至少5颗位于地球同步轨道上的IGSO卫星,所述至少5颗IGSO卫星分为两组,每组包含至少3颗IGSO卫星,两组间共用1颗IGSO卫星;
第一组的至少3颗IGSO卫星共用一轨道面,升交点赤经相同,平近点间相差120°,并具有相同的轨道倾角,所述3颗IGSO卫星间由固定星间链路通信连接;
第二组的至少3颗IGSO卫星具有相同的星下点过赤道经度,平近点角间相差120°,其中不与第一组共用的至少两颗IGSO卫星具有相同的轨道倾角和地面轨迹,所述第二组3颗IGSO卫星间不建立星间链路,通过调整轨道倾角使其始终对地点受限信关站可见。
所述第一组的至少3颗IGSO卫星至少有一颗对地点受限信关站可见,该组其它不可见IGSO卫星通过星间链路落地到该信关站。
所述第二组中不与第一组共用的至少两颗IGSO卫星轨道倾角相同。
所述第二组3颗IGSO卫星均具有相同的轨道倾角,且该3颗IGSO卫星星下点轨迹相同。
所述至少5颗IGSO卫星的运行周期均为一个恒星日。
例如,目标覆盖区域选为中国区域,信关站地点受限区域为中国领土范围。信关站选取在典型地点:北京(39.9°N,116.4°E)、喀什(39.5°N,76.0°E)以及三亚(18.2°N,109.5°E)。
5颗IGSO卫星分为两组,每组包含3颗IGSO卫星,其中1颗IGSO卫星被两组共用。第一组3颗IGSO卫星具有相同的轨道面,轨道倾角均为70°,升交点赤经均为0°,三颗IGSO卫星真近点角间分别相差120°,波束边缘仰角均为10°。第一组与第二组共用的IGSO卫星星下点过赤道经度为110°E。第一组卫星间建立固定星间链路,同轨道面3颗卫星能够保证至少有1颗与国内信关站可视。第二组3颗IGSO卫星星下点过赤道经度均为110°E(根据中国区域选取),其中有1颗卫星与第一组共用,轨道倾角为70°,波束边缘仰角为10°。第二组另外2颗IGSO卫星地面同轨迹,轨道倾角为48.04°,波束边缘仰角为15°,全组3颗IGSO卫星真近点角间相差120°。轨道倾角48.04°的2颗IGSO卫星能够保证始终与国内信关站可视。图1所示仅为5颗IGSO卫星,也可在此基础上增加IGSO卫星数量。
采用STK(Satellite Tool Kit)软件产生5颗IGSO卫星仿真起始时刻的星历参数如表1所示。其中,IGSO1、IGSO2与IGSO3为第一组,波束边缘仰角均为10°;IGSO1、IGSO4与IGSO5为第二组,其中IGSO4与IGSO5的波束边缘仰角为15°。
表15IGSO仿真起始时刻的星历
卫星 半长轴/km 偏心率 轨道倾角/° 近地点幅角/° 升交点赤经/° 真近点角/°
IGSO1 42164.2 0 70 0 0 209.066
IGSO2 42164.2 0 70 0 0 89.066
IGSO3 42164.2 0 70 0 0 329.066
IGSO4 42164.2 0 48.04 0 240 329.066
IGSO5 42164.2 0 48.04 0 120 89.066
根据上述条件,混合轨道IGSO星座的覆盖性能分析如下:
图2为混合轨道IGSO星座的多星覆盖图,浅灰色为单星100%覆盖区域,深灰色为双星100%覆盖区域,白色为未达到单星100%覆盖的区域。
图3为星座的双星覆盖时间图,图中依次给出了双星100%时间覆盖区域,双星80%以上时间覆盖区域,双星60%以上时间覆盖区域,双星40%以上时间覆盖区域,双星20%以上时间覆盖区域。
图4为星座的单星覆盖时间图,图中依次给出了单星100%时间覆盖区域,单星90%以上时间覆盖区域,单星77.2%以上时间覆盖区域。
图5给出了中国区域以及全球范围单星100%时间覆盖区域的平均通信仰角随纬度的变化。
图6给出了典型地点北京(39.9°N,116.4°E)、喀什(39.5°N,76.0°E)、三亚(18.2°N,109.5°E)以及夏威夷(21.5°N,158.0°W)的分集角,未被双星覆盖的时间分集角为0°。
由图2~图4可以看到,本发明在区域多星覆盖的同时能够兼顾对全球的覆盖。混合轨道IGSO星座能够在多星100%时间覆盖重点区域的同时兼顾全球覆盖,能够对全球一半以上的区域实现不同程度的双星覆盖,且能够以77.2%以上的时间覆盖全球所有区域。由图5可以看出,混合轨道IGSO星座能够对覆盖区域提供良好的平均通信仰角,特别是在中高纬度地区也能够提供较高的通信仰角。能够对中低纬度地区实现很好的多星覆盖,在多星重叠覆盖区内能够提供良好的分集效果;在各纬度区域都具有很高的平均通信仰角,能够对南北两极地区提供100%时间覆盖;譬如,IGSO混合轨道星座中第一组同轨道面IGSO卫星轨道倾角为70°,第二组地面同轨迹IGSO卫星轨道倾角为48.04°时,能够对全球50.15%的区域提供100%时间覆盖,对全球99.47%的区域提供80%以上时间覆盖,能够对全球100%的区域提供77.2%以上时间覆盖。
根据已知条件,混合轨道IGSO星座的传输性能分析如下:
由于IGSO卫星的轨道特性,使得星地通信双方有相对运动,传输时延、多普勒频移及传输损耗均为时变的,假设星地通信时,地面站采用具有最高仰角的IGSO卫星作为通信卫星。选择中国北京(39.9°N,116.4°E)为典型地点进行统计分析,假设星地通信的载波频率为30GHz。
以北京为例,图7给出了北京站通信时的时延以及时延变化率曲线,从图中可以看出,北京站的通信时延在119.3~122.9ms之间变化,其变化率最快不超过6×10-4ms/s。
以北京为例,图8给出了北京站通信时多普勒频移以及多普勒频移变化率曲线,从图中可以看出,北京站通信时多普勒频移在-15kHz~10kHz之间变化,其变化率最快不超过4Hz/s。
以北京为例,图9给出了北京站通信时自由空间传播损耗变化以及变化率曲线,从图中可以看出,北京站通信时的自由空间传播损耗在213.05~213.32dB之间变化,其变化率最快不超过4×10-5dB/s。
本发明的区域覆盖兼顾全球的混合轨道IGSO星座可以仅靠受限区域内的信关站落地。譬如,由于条件限制,我国的信关站均位于领土范围内,该范围即信关站的受限区域。选取我国典型地点的信关站,即北京信关站、喀什信关站以及三亚信关站。调整混合轨道星座中第二组地面同轨迹IGSO卫星轨道倾角为48.04°(15°波束边缘仰角),即可保证混合轨道星座中的所有IGSO卫星均靠国内三个信关站直接或间接(通过星间链路)落地。
本发明的区域覆盖兼顾全球的混合轨道IGSO星座多普勒频移与时延变化小。由于IGSO卫星相对地面运动,星地通信存在一定的多普勒频移与时延变化,但混合轨道IGSO卫星星座中的多普勒频移与时延变化相比低轨系统要小很多。譬如,当各IGSO卫星轨道倾角为70°时,对于30GHz的载波频率,多普勒频移通常小于60kHz,多普勒频移变化率通常小于6Hz/s,时延变化率通常小于2×10-3ms/s。

Claims (5)

1.一种区域覆盖兼顾全球的混合轨道IGSO星座,其特征在于:
包括至少5颗位于地球同步轨道上的IGSO卫星,所述至少5颗IGSO卫星分为两组,每组包含至少3颗IGSO卫星,两组间共用1颗IGSO卫星;
第一组的至少3颗IGSO卫星共用一轨道面,升交点赤经相同,平近点间相差120°,并具有相同的轨道倾角,所述3颗IGSO卫星间由固定星间链路通信连接;
第二组的至少3颗IGSO卫星具有相同的星下点过赤道经度,平近点角间相差120°,其中不与第一组共用的至少两颗IGSO卫星具有相同的轨道倾角和地面轨迹,所述第二组3颗IGSO卫星间不建立星间链路,通过调整轨道倾角使其始终对地点受限信关站可见。
2.根据权利要求1所述的区域覆盖兼顾全球的混合轨道IGSO星座,其特征在于:所述第一组的至少3颗IGSO卫星至少有一颗对地点受限信关站可见,该组其它不可见IGSO卫星通过星间链路落地到该信关站。
3.根据权利要求1或2所述的区域覆盖兼顾全球的混合轨道IGSO星座,其特征在于:所述第二组中不与第一组共用的至少两颗IGSO卫星轨道倾角相同。
4.根据权利要求3所述的区域覆盖兼顾全球的混合轨道IGSO星座,其特征在于:所述第二组3颗IGSO卫星均具有相同的轨道倾角,且该3颗IGSO卫星星下点轨迹相同。
5.根据权利要求1所述的区域覆盖兼顾全球的混合轨道IGSO星座,其特征在于:所述至少5颗IGSO卫星的运行周期均为一个恒星日。
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