IGSO星座：一种新型的地球同步轨道方案

单纯采用GEO卫星的区域性卫星移动通信系统也存在一些问题，如：

（1）向高纬度地区用户提供手持机业务较困难、速率不能太高。

（2）向特定地形和存在较多建筑物的城市区域提供卫星移动通信业务很困难。

（3）支持手持终端所需的卫星较大，技术复杂，风险较大。

（4）如果只有一颗卫星，一旦受干扰或者发生故障，整个系统就会瘫痪。

（5）两极附近有盲区。

（6）存在“南山效应”。

（7）发生日凌中断和星蚀现象时系统会中断。

鉴于GEO卫星的这些不足，尤其是GEO卫星对于中高纬度区域始终是低仰角，导致为保证链路可用度所需的衰落余量很大，这样支持手持机通信所需的卫星天线就很大，造成较大的技术难度和风险。

图4-10　GEO卫星覆盖（118°E）

图4-11　两颗GEO卫星覆盖

而采用倾斜对地同步轨道（IGSO）能充分利用GEO的优点，同时克服了高纬度区始终是低仰角的问题。IGSO具有与GEO相同的轨道高度，因此具有与地球自转周期相同的轨道周期，但由于轨道倾角＞0°，因此，其星下点轨迹在地面不是一个点，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。正因为如此，单颗IGSO卫星对特定区域的覆盖性能可能不如一颗GEO卫星，但利用多颗IGSO卫星组成的星座却可以达到比单颗GEO卫星更好的覆盖性能。一方面平均仰角更高；另一方面可以实现多星覆盖，若能保证各颗卫星的传播路径相互独立，则可以在相同的衰落余量条件下实现更高的链路可用度和分集增益。

对于IGSO卫星星座来说，为达到较好的覆盖性能，其可调整的设计参数主要有3个：轨道倾角、右升交点赤经（RAAN）和真近点角。显然，RAAN决定了每颗IGSO卫星过赤道时的经度，为保证较好的覆盖性能，通常要求星座中各IGSO卫星在地面是共轨迹的，并且该经度最好处在所要求覆盖区域的经度范围中心附近。

这里主要针对基本服务区和增强服务区为目标服务区进行IGSO星座设计，通过使用STK仿真软件并适当调整IGSO的轨道倾角来提高覆盖区的平均通信仰角和多星覆盖率。设计中采用单个星座和双星座进行分析，以下为星座参数仿真假设：

（1）单个星座。轨道过赤道位置取118°E，2～4颗IGSO卫星时，轨道倾角分别为30°，45°，55°，70°或者90°。

（2）两个IGSO星座。左右星座轨道过赤道位置范围：75°E～160°E。

4.4.2.1　单IGSO星座

1）2星IGSO星座

表4-1为由2颗卫星组成的IGSO星座参数，2颗卫星在地面的轨迹重合，轨道倾角相同，所不同的是真近点角分别为0°和180°，而RAAN分别为187.5°和7.5°。

表4-1　2星IGSO星座参数

图4-12给出了轨道倾角分别为30°和55°时星座在某时刻的二维覆盖图。仿真中目标区域内以纬度为1°、经度为2°的距离获得采样点，最小通信仰角为10°，通过统计得到星座的覆盖特性。图4-12中只画出了北半球的覆盖区域，南半球的覆盖是与北半球对称的（以下同）。可以看出，基本规律是轨道倾角越小，双星覆盖率越高，极限情况是轨道倾角为0°，此时单星覆盖区域就等于双星不间断覆盖区域。

图4-13～图4-15分别给出了轨道倾角为30°时，2IGSO星座在基本服务区、增强服务区和拓展服务区的覆盖率以及平均通信仰角。可以看出该星座在基本服务区可以实现单星100%覆盖，并且通信仰角能够达到43°以上，在20°左右平均通信仰角能够达到64°，纬度小于40°的地区能够实现双星100%覆盖。但是该星座无法实现增强服务区的无缝覆盖，单星覆盖率只有80%左右，而且平均通信仰角在39°以下。从拓展服务区的仿真图中可以看出该星座的覆盖性能和通信仰角均比较差。

图4-12　30°和55°轨道倾角星座覆盖

（a）轨道倾角30°；（b）轨道倾角55°

图4-13　轨道倾角30°基本服务区的覆盖率及平均通信仰角

图4-14　轨道倾角30°增强服务区的覆盖率及平均通信仰角

图4-15　轨道倾角30°拓展服务区的覆盖率及平均通信仰角

从图4-16、图4-17中可以看出随着轨道倾角的增加，2IGSO星座的双星覆盖率逐渐变小。从不同轨道倾角的平均通信仰角的对比可以看出，随着轨道倾角的增加，基本服务区和增强服务区内低纬度区的性能变差，高纬度区的性能变好。

图4-16　不同轨道倾角星座对基本服务区和增强服务区的覆盖性能

图4-17　不同轨道倾角星座的平均通信仰角对比

从以上几幅图可以看出：①为达到较高的双星覆盖率，轨道倾角应该越小越好；②为使得在高纬度区有较高的仰角，轨道倾角应该越大越好。因此，这里需要折中考虑。

2）3星IGSO星座

表4-2为3颗卫星组成的IGSO星座参数。3星在地面的轨迹重合，轨道倾角相同，真近点角分别是0°，120°，240°，RAAN分别是187.5°，67.5°，307.5°，这样3颗IGSO卫星过赤道时的经度均为118°，并且在相位上相差120°。图4-18分别给出了轨道倾角为30°，45°，55°，70°时星座的覆盖区域。可以看出，随着轨道倾角的增加，星座的不间断覆盖区域面积逐渐增大，但是多星覆盖面积逐渐减少，轨道倾角为45°时整个中国区域可以实现双星不间断覆盖。

表4-2　3星IGSO星座参数

图4-18　3IGSO星座在不同轨道倾角下的覆盖区域

（a）轨道倾角30°；（b）轨道倾角45°；（c）轨道倾角55°；（d）轨道倾角70°

图4-19～图4-21分别给出了轨道倾角为45°时3星IGSO星座对基本服务区、增强服务区和拓展服务区的覆盖率以及平均通信仰角。可以看出该星座在基本服务区可以实现单星和双星100%覆盖，纬度小于25°的地区能够实现三星100%覆盖，并且通信仰角能够达到59°以上，在纬度45°左右平均通信仰角能够达到67°。但是，该星座也无法实现增强服务区的无缝覆盖，单星覆盖率大于80%，平均通信仰角在37°以上，比2IGSO星座性能有所提高。该星座在拓展服务区只有在靠近极区才能达到100%覆盖，但在赤道区域通信仰角较低，只有20°左右。

图4-19　轨道倾角45°星座对基本服务区的覆盖率及平均通信仰角

图4-20　轨道倾角45°星座对增强服务区的覆盖率及平均通信仰角

从图4-22、图4-23中可以看出随着轨道倾角的增加，3IGSO星座均能保证在基本服务区内达到单双星100%覆盖，三星覆盖率逐渐减少。增强服务区仍无法达到无缝覆盖，但较2IGSO星座有了明显的改观。从不同轨道倾角的平均通信仰角的对比可以看出，随着轨道倾角的增加，基本服务区和增强服务区内低纬度区的性能变差，高纬度区的性能变好。

图4-21　轨道倾角45°星座对拓展服务区的覆盖率及平均通信仰角

图4-22　4种轨道倾角IGSO星座对基本服务区的覆盖率及平均通信仰角对比

图4-23　4种轨道倾角IGSO星座对增强服务区的覆盖率及平均通信仰角对比

3）4星IGSO星座

表4-3为4颗卫星组成的IGSO星座参数，4星在地面的轨迹重合，轨道倾角相同，真近点角分别是0°，90°，180°，270°，RAAN分别是187.5°，97.5°，7.5°，270.5°，4颗IGSO卫星过赤道时的经度均为118°，在相位上相差90°。图4-24给出了轨道倾角为50°，70°，90°时4IGSO星座的覆盖区域。可以看出，90°倾角星座的不间断覆盖区域面积要大于50°和70°倾角星座，并且3种倾角均可以使整个中国区域实现双星不间断覆盖。

表4-3　4星IGSO星座参数

图4-24　星座在50°，70°，90°倾角下的二维覆盖图

（a）轨道倾角50°；（b）轨道倾角70°；（c）轨道倾角90°

图4-25～图4-27给出了轨道倾角为50°的4星IGSO星座在基本服务区、增强服务区和拓展服务区的覆盖率及平均通信仰角。可以看出该星座在基本服务区可以实现单星和双星100%覆盖，纬度小于35°的地区能够实现三星100%覆盖，并且通信仰角能够达到56°以上，在45°左右平均通信仰角能够达到71°。但是，该星座也无法实现增强服务区的无缝覆盖，单星覆盖率大于80%，纬度在50°以上能达到单星100%覆盖，平均通信仰角在34°以上，在纬度50°左右平均通信仰角最高达到51°，比3IGSO星座性能有所提高。该星座在拓展服务区的性能，纬度高于60°的区域能达到100%覆盖，在极区平均通信仰角达到最大37°，赤道附近最低只有18°左右。

图4-25　轨道倾角50°星座对基本服务区的覆盖率及平均通信仰角

图4-26　轨道倾角50°星座对增强服务区的覆盖率及平均通信仰角

图4-27　轨道倾角50°星座对拓展服务区的覆盖率及平均通信仰角

图4-28～图4-31给出了基本服务区和增强服务区内不同轨道倾角的覆盖性能及平均通信仰角分布。从基本服务区的分布图中可以看出50°倾角单星、双星以及三星覆盖率均能达到很好的性能，而且通信仰角在这个区域均比70°和90°倾角性能好。从增强服务区的分布图可以看出，随着轨道倾角的增加，单双星覆盖性能变好，三星覆盖性能变差，纬度25°以上单星覆盖率达到100%，随着轨道的倾角的变化，平均通信仰角的变化不是很明显。

图4-28　3种轨道倾角星座对基本服务区的纬度覆盖率分布

4.4.2.2　双IGSO星座

1）1+1IGSO星座

1+1IGSO星座包含两个IGSO卫星，轨道倾角相同，所不同的是真近点角，相位上相差180°。RAAN分别为75°和160°。图4-32分别给出了轨道倾角为30°，45°，55°，70°时星座的覆盖区域示意图。可以看出，随着仰角的增加，覆盖区域逐渐变小，多星覆盖性能下降。30°及45°倾角星座可以实现对整个中国区域的单星100%覆盖。

图4-29　3种轨道倾角星座对基本服务区的平均通信仰角分布

图4-30　3种轨道倾角星座对增强服务区的平均纬度覆盖率分布

图4-31　3种轨道倾角星座对增强服务区的平均通信仰角分布

图4-32　4种不同轨道倾角的1+1IGSO星座的二维覆盖

（a）轨道倾角30°；（b）轨道倾角45°；（c）轨道倾角55°；（d）轨道倾角70°

图4-33～图4-35给出了轨道倾角为30°时1+1IGSO星座在基本服务区、增强服务区和拓展服务区的覆盖率以及平均通信仰角。可以看出该星座在基本服务区可以实现单星100%覆盖，能够实现除低纬度地区的80%以上双星覆盖，随着纬度的增加，通信仰角从55°下降到34°。从增强服务区的仿真图中可以看出，该星座基本能够实现单星覆盖90%以上，双星覆盖率平均在50%以下，平均通信仰角在28°～48°之间，赤道上空达到最大。从拓展服务区的仿真图中可以看出该星座的单星覆盖率在60%以上，双星覆盖率20%以下，通信仰角均低于30°。

图4-36～图4-39给出了基本服务区和增强服务区在不同轨道倾角下的覆盖率以及平均通信仰角对比。对于基本服务区，随着纬度的增加，单星覆盖率不变，但是双星覆盖率下降比较明显，随着轨道倾角的增加，平均通信仰角随纬度增高而变大。对于增强服务区，轨道倾角的增加并没有引起覆盖性能的大幅改变，但平均通信仰角性能变化规律和基本服务区的平均通信仰角变化规律基本相同。从以上仿真结果对比图中可以看出，30°倾角星座的覆盖性能和平均通信仰角性能最好。

图4-33　30°倾角星座对基本服务区的覆盖率及平均通信仰角

图4-34　30°倾角星座对增强服务区的覆盖率以平均通信仰角

图4-35　30°倾角星座对拓展服务区的覆盖率及平均通信仰角

图4-36　基本服务区内不同轨道倾角下的覆盖率对比

图4-37　基本服务区内不同轨道倾角下的通信仰角对比

图4-38　增强服务区内不同轨道倾角下的覆盖率对比

图4-39　增强服务区内不同轨道倾角下的平均通信仰角对比

2）2+1IGSO星座

2+1IGSO星座包含两个IGSO卫星星座，轨道倾角相同，RAAN分别为75°和160°。RAAN为75°的星座包含两颗IGSO卫星，RAAN为160°星座只包含一颗IGSO卫星。根据分集需要，3个卫星之间的相位相差120°。图4-40分别给出了轨道倾角为30°，45°，55°，70°时星座的覆盖区域。可以看出，随着仰角的增加，覆盖区域逐渐变小，多星星覆盖性能下降。30°及45°倾角星座能使整个中国区域实现单星不间断覆盖，30°倾角能够使中国大部区域实现双星不间断覆盖。

图4-41～图4-43给出了轨道倾角为30°时2+1IGSO星座在基本服务区、增强服务区和拓展服务区的覆盖性能以及平均通信仰角。可以看出该星座在基本服务区可以完全实现单星100%覆盖，基本上能够实现双星100%覆盖，随着纬度的增加，平均通信仰角从58°下降到41°。从增强服务区的仿真图中可以看出，该星座基本能够实现单星覆盖90%以上，平均通信仰角在33°～49°之间，低纬度地区通信仰角较高，随着纬度的增加，平均通信仰角变小。从拓展服务区的仿真图中可以看出该星座的单星覆盖率在70%以上，双星覆盖率50%以下，三星覆盖率20%以下，平均通信仰角均低于32°。

图4-40　4种不同轨道倾角的2+1IGSO星座的二维覆盖

（a）轨道倾角30°；（b）轨道倾角45°；（c）轨道倾角55°；（d）轨道倾角70°

图4-41　基本服务区的覆盖性能及平均通信仰角

图4-42　增强服务区的覆盖性能及平均通信仰角

图4-43　拓展服务区的覆盖性能及平均通信仰角

图4-44～图4-47给出了2+1IGSO星座在不同轨道倾角下对基本服务区和增强服务区的覆盖性能及平均通信仰角对比情况。对于基本服务区，随着纬度的增加，单星覆盖率不变，但是双星覆盖率下降比较明显；随着轨道倾角的增加，平均通信仰角高性能区域由低纬度转到高纬度。对于增强服务区，轨道倾角的增加并没有引起覆盖性能的大幅改变，但平均通信仰角性能变化规律和基本服务区的相同。可以看出45°倾角时，双星覆盖率下降不是很明显，但是在基本服务区以及增强服务区内平均通信仰角均分别能达到50°和40°以上，可以考虑作为备选方案。

图4-44　基本服务区内不同轨道倾角下的覆盖率对比

3）2×2IGSO星座

2×2IGSO星座包含两个2IGSO星座，每个星座中的2颗卫星在地面的轨迹重合，轨道倾角相同，RAAN相位上相差180°。表4-4给出了星座参数。图4-48分别给出了轨道倾角为30°，45°，55°，70°时星座的覆盖区域。可以看出，随着仰角的增加，覆盖区域逐渐变大，但是双星以及三星覆盖性能下降。30°倾角星座整个中国区域可以实现双星不间断覆盖。

图4-45　基本服务区内不同轨道倾角下的通信仰角对比

图4-46　增强服务区内不同轨道倾角下的覆盖率对比

图4-47　增强服务区内不同轨道倾角下的通信仰角对比

表4-4　2×2IGSO星座各卫星参数

图4-48　2×2IGSO星座4种不同轨道倾角的二维覆盖

（a）轨道倾角30°；（b）轨道倾角45°；（c）轨道倾角55°；（d）轨道倾角70°

图4-49～图4-51给出了轨道倾角为30°时2×2IGSO星座在基本服务区、增强服务区和拓展服务区的覆盖性能以及平均通信仰角。可以看出，该星座在基本服务区可以实现单星覆盖率100%，除去高于纬度53°，能够实现100%的双星覆盖率和85%以上的三星覆盖率，并且通信仰角能够达到44°以上，在22°左右平均通信仰角能够达到63°。从增强服务区的仿真图中可以看出，该星座基本能够实现单星100%覆盖，双星覆盖率在纬度50°以下最高可以达到99%，三星覆盖率比较差，均在60%以下，平均通信仰角在40°以上，在纬度22°左右达到最高为55°。从拓展服务区的仿真图中可以看出该星座的覆盖性能只有在纬度高于70°时才能达到100%覆盖，在极区平均通信仰角比较低，只有18°。

图4-49　基本服务区的覆盖性能及平均通信仰角

图4-50　增强服务区的覆盖性能及平均通信仰角

图4-51　拓展服务区的覆盖性能及平均通信仰角

图4-52～图4-55给出了2×2IGSO星座在不同轨道倾角对基本服务区和增强服务区内的覆盖性能以及平均通信仰角对比。从基本服务区的对比图中可以看出30°和45°倾角下，单星、双星以及三星覆盖率均能达到很好的性能，随着轨道倾角的增加，双星和三星覆盖性能下降比较明显，这个服务区轨道倾角30°的星座平均通信仰角在纬度20°性能最好，轨道倾角45°星座在纬度35°左右平均通信仰角最好。从增强服务区的仿真图中可以看出，随着轨道倾角的增加，在赤道附近单、双星覆盖性能均变差，平均通信仰角的变化规律和基本服务区相同。

图4-52　基本服务区内不同轨道倾角下的覆盖率对比

图4-53　基本服务区内不同轨道倾角下的平均通信仰角对比

图4-54　增强服务区内不同轨道倾角下的覆盖率对比

图4-55　增强服务区内不同轨道倾角下的平均通信仰角对比

4.4.2.3　单IGSO星座与双IGSO星座的覆盖性能对比

在卫星数量相同的情况下，单IGSO星座和双IGSO星座到底孰优孰劣，需要进行对比分析，下面从覆盖性能的角度对以下几种单IGSO星座和双IGSO星座进行对比分析：

（1）同为2颗，轨道倾角同为30°的2IGSO星座和1+1IGSO星座。

（2）同为3颗，轨道倾角同为30°的3IGSO星座和2+1IGSO星座。

（3）同为4颗，轨道倾角同为70°的4IGSO星座和2×2IGSO星座。

覆盖性能包括覆盖率和平均通信仰角两个方面。

1）2IGSO和1+1IGSO星座

星座参数的设定参照4.4.2.1节以及4.4.2.2节。

图4-56、图4-57给出了2IGSO星座与1+1IGSO星座覆盖率和平均通信仰角在基本服务区以及增强服务区内的对比。对于基本服务区，两者单星覆盖率均为100%，2IGSO单星座的双星覆盖率以及平均通信仰角要好于1+1IGSO双星座。对于增强服务区，1+1IGSO星座的单星覆盖率在90%以上，要好于2IGSO星座，平均通信仰角高于2IGSO星座。因此，如果采用两颗卫星构成IGSO星座，从重点保证基本服务区、兼顾增强服务区的目标出发，应选2星IGSO单星座。

图4-56　基本服务区2IGSO和1+1IGSO星座覆盖率和平均通信仰角对比

图4-57　增强服务区2IGSO和1+1IGSO星座覆盖率和平均通信仰角对比

2）3IGSO和2+1IGSO星座

星座参数的设定参照4.4.2.1节以及4.4.2.2节。

图4-58、图4-59给出了三星IGSO星座与2+1IGSO星座覆盖率和平均通信仰角在基本服务区以及增强服务区内的性能对比。对于基本服务区，两者单星覆盖率均为100%，双星覆盖性能相当，三星覆盖率以及平均通信仰角3IGSO星座要好于2+1IGSO星座。对于增强服务区，2+1IGSO星座的单星覆盖率在90%以上，要好于3IGSO星座，平均通信仰角高于3IGSO星座。

图4-58　基本服务区3IGSO和2+1IGSO星座覆盖率和平均通信仰角对比

图4-59　增强服务区3IGSO和2+1IGSO星座覆盖率和平均通信仰角对比

3）4IGSO和2×2IGSO星座

星座参数的设定参照4.4.2.1节以及4.4.2.2节。

从图4-60、图4-61可以看出，对于基本服务区，两个星座均能达到单星100%覆盖，双星覆盖率4IGSO星座能达到100%，2×2IGSO星座只有在纬度10°以下才能双星100%覆盖，其余纬度带在95%左右，2×2IGSO星座的三星覆盖率均在80%以下，远远不如4IGSO星座，在平均通信仰角性能方面2×2IGSO星座也比4IGSO星座差。对于增强服务区，2×2IGSO星座的单双星覆盖性能优于4IGSO星座，但三星覆盖性能比4IGSO星座差，两者的平均通信仰角相当。

图4-60　基本服务区4IGSO和2×2IGSO星座覆盖率和平均通信仰角对比

图4-61　增强服务区4IGSO和2×2IGSO星座覆盖率和平均通信仰角对比

4.4.2.4　结论

从以上仿真结果可以看出，要满足对基本服务区的100%覆盖和增强服务区的较好覆盖性能，选择3星和4星IGSO星座比较好，综合来看，倾角45°的3星IGSO星座已能较好地满足覆盖需求，即对基本服务区的100%覆盖和增强服务区的较好覆盖，平均通信仰角性能也不错，而卫星数量比4星星座减少了1颗，因此选择3星IGSO星座。而选择2+1IGSO双星座还是3IGSO单星座，从上述对比分析来看，3IGSO单星座能更好地满足基本服务区的覆盖需求，因此选择轨道倾角为45°的3星IGSO单星座较合适。