卫星轨道分类概述

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：按照卫星轨道的高度、倾角、运转周期的不同，可把卫星分为不同的类型。倾斜轨道卫星：0°＜i＜90°，轨道面倾斜于赤道平面。），故轨道的长半轴a=42 164.6／N 2／3 km或42 164.6N 2／3 km；非同步卫星：T≠24或24／N，24N。其轨道称为对地静止轨道，有自然的和人工的两种。LEO卫星分布在500～2 000 km的圆或椭圆轨道上，星座一般由几千颗卫星组成。GEO卫星网络技术成熟，对地覆盖特性好，但是轨道过高，链路容易受损，且传输时延过大。

按照卫星轨道的高度、倾角、运转周期的不同，可把卫星分为不同的类型。若按卫星离地面最大高度通常可把卫星分作3类：

（1）低轨卫星：h max＜5 000 km，周期T小于4 h，称为LEO卫星。

（2）中轨卫星：5 000 km＜h max＜20 000 km，周期T为4～12 h，称为MEO卫星。

（3）高轨卫星：h max＞20 000 km周期T大于12 h。

若按倾角i的大小，卫星可分为：

（1）赤道轨道卫星：i=0°，轨道面与赤道面重合。

（2）极轨道卫星：i=90°，轨道面穿过地球的南北两极，即与赤道面垂直。

（3）倾斜轨道卫星：0°＜i＜90°，轨道面倾斜于赤道平面。

若按卫星的运转周期，卫星通常又可分为：

（1）同步卫星：运转周期T=24恒星时，故轨道的长半轴a=42 164.6 km。

（2）准同步卫星：T=24／N或24N恒星时（N=2，3，4，5，…），故轨道的长半轴a=42 164.6／N 2／3 km或42 164.6N 2／3 km；

（3）非同步卫星：T≠24或24／N，24N。

在卫星通信中，通常按卫星同地球之间的相对位置的关系，将卫星分成两大类：

（1）对地静止卫星：相对于地球表面任一点，卫星位置保持固定不变。其轨道称为对地静止轨道，有自然的和人工的两种。自然的对地静止轨道只有一条，即赤道平面上唯一的一条圆形同步轨道（以地心为圆心，半径R=42 164.6 km，运行方向与地球自转方向一致）。它是克拉克在1945年提出的，1965年以来已被成功地广泛应用。在理想条件下，卫星入轨后，无需再为克服地心引力而消耗能量，故称之为“自然的”。人工的对地静止轨道可以有许多同心圆，因此，卫星进入这一轨道后，具有传输时延长的缺点，有人提出低高度的人工对地静止通信卫星的设想，在地面上不断地向卫星发射激光或微波能量供给卫星，助其克服地心引力的影响，保持正常运转。

（2）对地非静止卫星：相对地球表面任一点，卫星位置不断地变化。

不同类型的卫星，各有不同的特点和用途。在卫星通信中，到目前为止，以对地静止卫星用得最多，非静止卫星也有一定的应用。

（1）LEO卫星网络轨道距离地面1 000～2 000 km。LEO卫星分布在500～2 000 km的圆或椭圆轨道上，星座一般由几千颗卫星组成。单颗卫星可见时间短，需要波束之间切换和卫星之间切换。LEO卫星的优点很多，因为轨道低，所以星地链路性能优越，传输时延小，同时小卫星技术的应用使得卫星体积小，便于发射。但是，LEO卫星构成的星座建立周期长，审问控制系统相对复杂，系统投资巨大，如Iridium系统投资34亿美元。卫星切换平均每10 min一次，波束切换平均每1～2 min一次。数目众多的信关站需要快速跟瞄系统，需要考虑多普勒效应。卫星轨道低，通信仰角为10.0°左右，因为仰角快速变化，信号传输路径有差异。现在应用和正在研究的LEO星座很多，如大家熟悉的Celestri，Globalstar，Skybridge和Feledesie，还有GEstarsys，FAISATOrbeonun等几十个星座。几十个国家都拥有自己的LEO星座计划，或民用或军用，星数目不等，大多采用星上处理和星间链路等先进技术。

由于轨道高度较低，星地间的传播时延小，链路传播损耗低，但是覆盖范围十分有限，如果要实现大面积的覆盖则需要建立很大的星座，投资巨大；同时，轨道低造成节点绕地球运动的速度大，对光信号的瞄准、捕获，链路的保持提出了很高的要求。

（2）MEO卫星网络与前者相比，星地间传播时延较大，但远距离信息传输时延要低于LEO卫星，且只需要较少数量的卫星即可实现全球和区域的覆盖。MEO卫星位于两个范·艾伦带之间的轨道上，星座一般由十几颗卫星构成，单颗卫星可视时间为1～2 h。作为GEO和LEO卫星的折中，MEO卫星双跳传输时延大于LEO卫星，但是作为一个系统，考虑星间链路整个长度、星上处理和上下行链路等因素，MEO星座时延性能优于LEO星座，而且满足400 ms传输时延要求；相对于LEO卫星，MEO星座切换概率降低，多普勒效应减小，空间控制系统和天线跟瞄系统简化，一般能实现20°～30°通信仰角。在研和实验中主要的MEO星系统有Odyssey，ICO（Inmarsat-P），MAGSS-14，Orblink，Leonet和Spaceway等。

（3）GEO卫星网络技术成熟，对地覆盖特性好，但是轨道过高，链路容易受损，且传输时延过大。从早期的单颗GEO卫星到后来的GEO星座，包括军事和商业用途。Spaceway，Astrolink，Euroskyway，Kastar，Inmarsat，Intelsat，VSAT等民用GEO系统取得了成功。军事用途的GEO卫星系统包括FLTSATCOM，DSCS，UFO，Milstar，TDRSS等。其中Milstar-2系统GEO卫星有星上处理能力，星间有链路，是美国下一代主要的战术卫星通信平台。

GEO星地间距离长（高度为35 786 km），链路易受损，不支持地面手持机等小功率用户。同时传输时延大，不能满足CCITI建议的400 ms传输时延要求。由于GEO轨道倾角为0°，卫星不能覆盖极地地区，高纬度地区通信仰角小。

对地静止卫星的主要优点是：①地球站天线易于保持对准卫星，不需复杂的跟踪系统；②通信连续，不必频繁更换卫星；③多普勒频移可忽略；④对地面的视区面积和通信覆盖区面积大，自然的对地静止轨道上的一颗卫星可覆盖全球面积的42.4%，便于实施广播和多址联结；⑤信道的绝大部分在自由空间中，工作稳定，通信质量高。

主要缺点是：①卫星的发射和在轨监控的技术复杂；②传输损耗和传输时延都很大（人工低高度对地静止轨道都能有效克服）；③两极附近有盲区；④有日凌终端和星蚀现象；⑤自然的对地静止轨道只有一条，能容纳的卫星数量有限；⑥在战时易受敌方干扰和摧毁。

对地非静止卫星的优缺点大体与此相反。各个轨道上的卫星网络具有各自的优点，但同时其固有的缺陷又限制了进一步的应用。因此，综合各层卫星的优势建立多层卫星网络以获得更佳的传输质量、传输效率显得非常必要。

卫星轨道分类概述

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