一种区域覆盖兼顾全球的混合轨道IGSO星座

摘要

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。

说明书

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。