CN1268814A - 一种综合卫星通信系统框架与星座 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中国综合卫星通信系统,它是由同步卫星和若干个非同步卫星构成,所述的非同步卫星是由中轨卫星或椭圆轨道卫星星座组成,具有区域性和时限性,即非同步卫星采用只在每天业务高峰期覆盖我国的时限区域性星座,在非同步卫星不能覆盖的低业务量时段如深夜和凌晨,可由同步卫星来支持这些小的业务量。这样既保证了我国的卫星通信的需要,又使本发明的投资成本小。因此,本发明提供了一个支持我国各类卫星通信业务的、低成本的新一代卫星通信系统方案。该系统还可用于非实时全球数据通信,它是完全由我国自主掌握的卫星通信系统实现全球通信,对于外交、军事和一些特殊通信具有重要意义。
Description
本发明属于卫星通信领域。
卫星通信的业务有固定和移动业务两类。卫星通信系统的卫星轨道有两种：同步轨道，即赤道上空圆轨道，高度约36000km；非同步轨道，又包括圆轨道和椭圆轨道。其中，圆轨道高度在500-2000km的称低轨，而高度在10000km左右的称中轨。卫星移动通信系统主要用于支持位于地面移动通信网服务区以外用户的移动通信业务，其用户为速率较低的个人终端。中、低轨系统有利于终端的简化和低成本，因此在卫星移动通信中已占主导地位。由于中、低轨卫星与地面有相对运动，系统必须由多颗卫星构成特定的星座，以保证对服务区的连续覆盖。这类系统通常覆盖全球，所需卫星数目多、投资大。通常，同步轨道卫星移动通信系统被认为是建立只覆盖特定地区的区域性系统的较好选择，它只需一、两颗卫星，空间段投资省。
铱系统有(Iridium)66颗低轨卫星，投资39亿美元；而全球星系统(Globalstar)48颗低轨卫星，投资24亿美元；中轨系统(ICO)10颗中轨卫星，投资30亿美元。这些非同步卫星移动通信系统都是全球性系统，投资巨大，且只能支持移动话音业务和低速数据业务。
现有的同步卫星移动通信系统有：已建立的北美系统(MSAT)和澳大利亚系统(MOBILESAT)，而以中国为主的亚太系统(APMT)正在筹建。这些系统都只覆盖特定的区域，为区域性系统。MAST，MOBILESAT只支持车载移动用户，而APMT可支持手持机用户。其业务也只限于话音和低速数据。
在我国卫星通信业务量迅速增长的同时，有多种新的业务也需要卫星通信系统来支持，比如卫星移动业务、边远地区基本通信(话音和低速数据)业务，高速用户数据业务和交互多媒体业务等。研究的结果表明，这些新的通信业务利用传播损耗和延时均较小的非同步轨道卫星来支持较为合理。而对传输延时有严格限制的某些交互式多媒体业务来说，同步卫星的长的传输延时是不能允许的。
对于我国的卫星移动通信，边远地区基本通信(话音和低速数据)和高速(宽带)的交互式多媒体通信来说，已有的或已提出的一些系统(包括国外提出的系统)，都只能支持其中某些业务需求，而且它们作为全球系统而所需投资巨大。至今，还没有一个以支持中国及周边地区的上述各种通信业务的、低成本的卫星通信系统方案。
本发明提供了一个支持我国各类卫星通信业务的、低成本的新一代综合卫星通信系统方案，该系统能支持各种类型的业务，具有多种功能：1、承担目前我国同步卫星通信系统的任务：国家通信网枢纽站的连接；远端用户的接入(这里主要是指远端VSAT(甚小天线口径卫星站)终端的接入)，用于组成不同的专用网，也用于各专用网与公用网的互连(专用网可以是卫星网，也可以是地面网)；2、支持移动通信和边远地区基本通信；3、支持高速用户数据业务、因特网的接入和交互式多媒体通信等。
本发明是以区域性的时限的中轨卫星星座(方案一)或椭圆轨道卫星星座(方案二)与同步卫星一起，构成我国的新一代综合性卫星通信系统，卫星之间由星际链路连接。
同步卫星位于赤道上空约36000Km高的“同步轨道”上，卫星与地面保持相对静止，一颗卫星足以覆盖我国及其周边地区。非同步卫星与地面有相对运动，将由若干颗卫星组成适当的星座，以便为我国及其周边地区提供服务。本发明的非同步卫星在10000km左右的高度工作。我国已建立了较为完善的同步卫星通信系统，它可以作为综合系统中同步卫星部分的基础，但必须增加星际链路和必要的星上处理单元。因此，本发明的内容将包括综合系统框架和非同步卫星星座方案两部分。
系统框架包括：
1.系统中各类业务的分配：由于轨道高度较低的非同步卫星无论在支持移动通信、边远地区基本通信和高速率用户的接入等方面都十分有利，因此在综合系统中，同步卫星和非同步卫星所支持的业务重点有所不同。同步卫星主要支持的业务有：1).地面公用网各枢纽站之间的连接，其地面站庞大，成本高；2).远端用户(VSAT终端)的接入；3).构成专用网和专用网的连接。非同步卫星主要支持的业务有：1)移动通信业务；2)提供边远地区和农村的基本通信(话音和低速率数据)，其用户终端成本远低于VSAT终端；3)用于高速率(可达2Mb/s)用户终端的接入；4)提供非实时的全球数据通信业务。上述各类业务的分配不是绝对的，必要时可动态调节分配。
2.由于非同步卫星与地面有相对运动，它应由若干颗卫星组成的星座来满足系统的要求。本发明对星座的基本要求是：1)对我国及其周边地区的覆盖；2)投资少。为了节省投资，本发明的非同步轨道卫星采用只在每天业务高峰期覆盖我国的时限区域性星座。在非同步卫星不能覆盖的低业务量时段(如深夜和凌晨)，可由同步卫星来支持这些较小的业务量。此时，对我国连续覆盖的同步卫星也处于低负荷时段，它有足够的资源(如功率)来改善由非同步卫星转换至同步卫星时因传损耗增加所带来的不利影响。
本发明的非同步卫星星座有中轨和椭圆轨道两种方案。
方案一：中轨卫星星座方案
方案由较少数目的若干中轨卫星构成星座，圆形轨道高度10000km左右。在一定的仰角条件下，每天可在业务高峰期连续覆盖我国。
方案二：椭圆轨道卫星星座方案
方案也由数目较少的若干颗卫星构成星座，但轨道为椭圆形。在一定的仰角条件下，在每天的业务高峰期可连续覆盖我国。
本发明提出的综合系统中，“同步卫星”可在当前我国现有的同步卫星基础(在下一代卫星星体)上增加星际链路和适当的星上处理设备即可。
本发明的优点是，它是针对我国的区域性卫星通信系统方案，是支持多种业务的同步和非同步卫星相结合的综合系统，而国外推出的可支持相同的多种类型业务的综合系统都是全球性系统。这些系统大约在2000年以后的两、三年才陆续运行，投资巨大。我国目前运行的卫星通信系统支持的固定业务包括通信网枢纽站之间的干线，以及构成VSAT(甚小天线口径卫星站)系统和专用网等，都是利用同步卫星支持的。正在实施的以我国为主的亚太卫星移动通信(APMT)系统也是同步卫星系统，它对手持终端通信和边远地区基本通信的支持在技术上都不尽合理，且系统不能支持高速用户终端的交互式业务。本发明的综合系统中包括同步卫星和非同步卫星，它们各自主要地支持特定的一些业务类型，同时系统又是一个资源可动态分配的综合性系统。国外已经实施或计划中的非同步卫星通信系统几乎都采用全球星座，所需投资巨大。本发明采用只在每天的特定时段覆盖我国及其周边地区的所谓“时限区域性星座”，由于所需卫星数目少、投资省，使本发明的实施在经济上成为可能。
本发明提出的包括同步卫星和非同步卫星在内的我国综合系统，并给出系统框架和详尽的时限区域性星座方案尚属首次。
本发明的综合系统还可用于非实时全球数据通信。本发明采用区域性非同步卫星星座，尽管它不具有连续覆盖全球的能力，但可以非实时的覆盖全球。因此，本系统可以用数据存储/转发方式实现全球通信。这是完全由我国自主掌握的卫星通信系统实现全球通信，对于外交、军事和一些特殊通信有着重要意义。
本发明的重要特点是非同步卫星部分采用了区域性时限星座，所需卫星数少，因此，投资小。为了进行比较，以中轨Odyssey系统为例。该系统由12颗高度约1万公里的中轨卫星组成。而本发明的非同步卫星为4颗(1万公里的中轨或1万公里上、下的椭圆轨道卫星)。如果系统投资与卫星数目成比例，则本系统所需投资为Odyssey系统的三分之一。然而，本系统星座不仅能对我国提供覆盖，同时也对地理位置对称(经度对称)的美国本土提供了同样甚至更佳(仰角更高)的覆盖。因此，若该星座是用于建立两个区域性系统，而每个系统各承担投资的一半，则我国系统的非同步卫星部分所需的投资仅为Odyssey系统的六分之一，将具有较高的经济效益。
附图及图面说明：
图1和图2分别示出了本发明的中轨卫星星座(方案一)和椭圆轨道卫星星座(方案二)的示意图；
图3和图4示出了中轨系统覆盖仰角特性，图中横坐标为经度，纵坐标为纬度。其中图3为最小覆盖仰角特性，图4为平均仰角特性。由图3可以看出，星座对我国的最小覆盖仰角为15°(只在东北和西北的部分地区出现最小仰角低于15°的情况，但每天只有数分钟)。由图4可以看出，星座对我国的平均覆盖仰角为40°，除去东北北部和新疆西北部地区外，对我国大部分地区的平均覆盖仰角为45°。
图5和图6示出了椭圆轨道系统覆盖仰角特性，图中横坐标为经度，纵坐标为纬度。其中图5为最小仰角特性，图6为平均仰角特性。由图5可以看出，星座对我国的最小覆盖仰角为15°，除去东北北部、新疆西北部地区之外，对我国大部分地区的最小覆盖仰角为20°。由图6可以看出，星座对我国的平均覆盖仰角为45°，除去西藏西南部、云南南部地区之外，对我国大部分地区的平均覆盖仰角为50°。
图7为每日业务量分布示意图，其中横坐标为当地时间(时)，纵坐标为每日业务量分布百分比(％)。
实施例：本发明的非同步轨道卫星星座是区域性的和时限的。“区域性”是将我国定义为：“将我国领土、领海及其周边地区抽象一个中心在北纬30°东经105°，地心角为26°的球冠区域”。非同步轨道星座将为该区域提供所需求的覆盖特性，而对其它地区的覆盖则不予考虑；时限特性的依据是一天中系统的(业务)负载在不同时段的不均匀性。图7给出了话音业务量在一天内的分布情况。本发明的星座的“时限”特性的选取将保证在给定的时段内支持的业务量最大。
采用中轨卫星星座时：卫星轨道高度10353km，有4个轨道面，每个轨道上一颗卫星，轨道平面的的倾角为42°。在北京时间每天的7点至22点30分的15.5小时内，以15°的最小仰角连续覆盖我国。星座参数如表1所示。
表1 中轨卫星星座参数
| 卫星编号 | 升交点赤经(Ω)(注1) | 初始相角(注2) |
| 1 | 80.5° | 0° |
| 2 | 110.5° | 120° |
| 3 | 140.5° | 240° |
| 4 | 170.5° | 0° |
注1：春分点与升交点对地心的张角在赤道内的量度。
注2：卫星初始运行时刻所在位置与升交点在轨道平面内沿卫星运动方向的量度。
采用椭圆轨道卫星星座时：卫星椭圆轨道的偏心率为0.35，半长轴16732.5km。4个轨道平面，每个轨道上一颗卫星，轨道平面倾角为63.4°。远地点高度16209.375km，近地点高度4496.625km。在北京时间每天的7点至23点30分的16.5小时内，以15°的最小仰角连续覆盖我国。星座参数如表2所示。
表2 椭圆轨道卫星星座参数
注3：轨道近地点与升交点在轨道平面内沿卫星运动方向的量度。注4：TN为卫星位于初始位置，距离首先飞经升交点的时间。
| 卫星编号 | 升交点赤经(Ω) | 近地点辐角(ω)(注3) | TN(注4) |
| 1 | 80.5° | 270° | 0 |
| 2 | 110.5° | 270° | 240分钟 |
| 3 | 140.5° | 270° | 120分钟 |
| 4 | 170.5° | 270° | 0 |
系统投资概算：12颗中轨卫星Odyssey系统投资为18亿美元(见<电信科学>97年第8期)。若以卫星数目的比例计算，本方案的4颗卫星系统需投资为6亿美元。若星座用于建立两个区域性系统，每一系统承担投资的一半，则本方案所需投资仅3亿美元。而我国正在筹建的APMT系统投资为6～7亿美元。
Claims (4)
1.一种综合卫星通信系统，其特征是：它是由同步卫星和非同步卫星构成，所述的同步卫星是我国的一颗同步卫星，它的高度是位于赤道上空36000km左右，所述的非同步卫星是由中轨卫星星座或椭圆轨道卫星星座组成。
2.根据权利要求1所述的综合卫星通信系统，其特征是所述的非同步卫星具有区域性和时间性的，区域性定义为：我国领土、领海及其周边地区，时间特性的依据是一天中系统的负载在不同时段的不均匀性来确定。
3.根据权利要求1或2所述的综合卫星通信系统，其特征是采用中轨卫星星座时，卫星轨道高度为10353km，有4个轨道面，每个轨道上一颗卫星，轨道平面的倾角为42°，在北京时间每天的7点至22点30分的15.5小时内，以15°的最小仰角连续覆盖我国，4个卫星的星座参数分别为：卫星1、2、3、4的升交点赤经分别为80.5°、110.5°、140.5°、170.5°，卫星1、2、3、4的初始相角分别为0°、120°、240°、0°。
4.根据权利要求1或2所述的综合卫星通信系统，其特征是采用椭圆轨道卫星星座时，卫星轨道的偏心率为0.35，半长轴16732.5km，4个轨道平面，每个轨道上一颗卫星，轨道平面倾角为63.4°，远地点高度16209.375km，近地点高度4496.625km，在北京时间每天7点至23点30分的16.5小时内，以15°的最小仰角连续覆盖我国，4个卫星的星座参数分别为：卫星1、2、3、4的升交点赤经分别为80.5°、110.5°、140.5°、170.5°，卫星1、2、3、4的近地点幅角均为270°，4个卫星位于初始位置距离首先飞经升交点的时间TN分别为0分钟、240分钟、120分钟、0分钟。
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