NGSO星座的特点及应用优势

采用NGSO卫星星座实现全球覆盖是本节研究的重点。基于NGSO星座实现全球覆盖的系统已有很多，如前所述，主要集中在LEO星座、MEO星座方面。下面主要探讨基于40星和48星LEO极轨星座、10星MEO星座和6星IGSO星座。以下所有的星座覆盖性能统计分析，用户终端最低通信仰角取值均为10°。

4.5.2.1　40星LEO极轨星座

倾斜轨道LEO星座无法覆盖高纬度地区，而要实现全球无缝覆盖，且星间链路易于建立，采用轨道倾角接近90°的极轨星座是最佳办法。星座设计利用覆盖带组合的方法，组成星座的卫星轨道高度一致，轨道倾角相同，同一轨道内的卫星间隔相同，从而形成均匀一致的覆盖带，利用不同轨道平面覆盖带的组合实现全球覆盖。

对于同向运行轨道，由于相邻轨道卫星同向运行，卫星之间的相互位置基本稳定，可以使相邻轨道卫星错位排列，形成卫星覆盖区的互补；对于反向运行轨道面，相邻轨道卫星反向运行，卫星之间的相对位置变化较大，覆盖带宽度要求反向运动轨道面夹角比同向轨道面夹角小。经分析比较，采用40／5／3的LEO极轨星座能基本实现全球覆盖，该星座的技术参数如表4-6所示。

表4-6　40星极轨星座的主要技术参数

（续表）

从图4-68、图4-69可以看出，该星座对全球的覆盖率达到100%，双星覆盖率大于38%，星座保证用户终端具有32°以上的平均通信仰角。

图4-68　40星LEO极轨星座覆盖性能

图4-69　40星LEO极轨星座平均通信仰角

4.5.2.2　48星LEO极轨星座

从上一节可知，40星极轨星座对纬度30°以下的区域双星覆盖率小于60%，最低低于40%，且纬度50°以下中低纬度带的平均通信仰角小于39°，要想提高通信性能，必须增加轨道面和卫星数量。基于此，设计了一种48星的极轨星座，具体参数如表4-7所示。

表4-7　48星极轨星座的主要技术参数

如图4-70所示，该星座对全球的覆盖率达到100%，双星覆盖率大于62%，三星覆盖率大于17%。该星座保证用户终端具有最低13.5°、平均最小35°的仰角，各纬度带的平均通信仰角如图4-71所示。

图4-70　48星极轨星座的覆盖性能

图4-71　48星极轨星座对各纬度带的平均通信仰角

48星极轨星座能够实现全球不间断覆盖，星座卫星间同样具有星间链路。星间链路可采用W形连接，即每颗卫星有4条星间链路：两条轨道内链路，两条轨道间链路。两个反向轨道面之间没有星间链路。星间链路构型如图4-72所示。

图4-72　星间链路

同轨面卫星之间的星间链路几何关系固定，异轨面之间的星间链路几何关系如表4-8所示。

表4-8　异轨之间星间链路的几何分析

异轨面卫星之间的方位角和俯仰角在两极地区变化剧烈，并且可能同时存在多个星间链路，造成星间链路相互之间的干扰，故在两极地区系统将关闭部分异轨面星间链路。

4.5.2.3　10星MEO星座

上述采用LEO星座的优点是轨道高度低、空间传播距离小、传播损耗较小、时延较低、有利于提供实时业务。缺点是终端与卫星之间的相对运动速度较快，多普勒频移较大；波束间切换与星间切换频繁，容易造成掉话；而且卫星数量多，网络拓扑切换频繁，系统控制较复杂。因此，可以考虑轨道高度较高的中轨星座，这样，卫星数量相对较少，终端与卫星之间的相对运动速度较慢，多普勒频移较小，波束间切换与星间切换也不那么频繁，网络拓扑与系统控制相对LEO星座较为简单。综合分析比较，采用轨道高度为10 355 km的MEO较为合适（ICO系统也是该高度）。星座参数如表4-9所示，各卫星参数如表4-10所示。

表4-9　10星MEO星座的主要技术参数

表4-10　10星MEO星座卫星的主要轨道参数

1）覆盖性能

（1）相位因子0。采用仿真软件，调整各轨道参数，使得星座的覆盖性能达到最优。图4-73、图4-74分别给出了该星座的三维和二维覆盖图。从图中可以看出该星座能够实现对全球的无缝覆盖。图4-75给出了该星座的纬度覆盖特性，统计出了单星、双星和三星覆盖率，该星座具有很好的单星覆盖率。图4-76给出了该星座平均通信仰角随着纬度的变化规律，该星座在中低纬度地区平均通信仰角能够达到50°以上。

图4-73　MEO星座三维覆盖

图4-74　MEO星座二维覆盖

图4-75　MEO星座覆盖率随纬度变化

图4-77给出了异轨相邻卫星在一个回归周期的AER曲线，MEO11和MEO23之间一直可见，距离在8000～23000 km变化，方位角在85°～275°之间变化，仰角在-13°～-45°之间变化，且按轨道周期呈周期性变化。其距离变化几乎呈周期性的线性变化，距离变化率约为

（23 000-8 000）／［3 600×（24／4）／4］≈2.78 km／s

图4-76　MEO星座平均通信仰角随纬度变化

方位角变化同样如此，变化率约为

（275°-85°）／（3 600×24／8）≈0.017 59°／s

同样，仰角变化率大约为

（45°-13°）／（3 600×24／8／2）≈0.005 93°／s

可见，其变化率是较慢的，但异轨星间链路天线与同轨面星间链路天线位于同一侧，可能存在干扰。

图4-77　MEO星座异轨邻星方位角、俯仰角、距离随时间变化关系

（2）相位因子1。图4-78、图4-79分别给出了该星座的三维和二维覆盖图，可以看出该星座能够实现对全球的无缝覆盖。图4-80给出了该星座的纬度覆盖特性，统计了单星、双星和三星的覆盖率，可以看出，该星座具有很好的单星覆盖率，中纬度地区的双星覆盖率也在80%以上。图4-81给出了该星座平均通信仰角随纬度的变化规律，中低纬度地区平均通信仰角能达到42°以上，但在两极地区，仰角较低，最低只有18°。图4-82给出了星间AER变化情况。

图4-78　MEO星座三维覆盖

图4-79　MEO星座二维覆盖

图4-80　MEO星座覆盖率随纬度变化

图4-81　MEO星座平均通信仰角随纬度变化

图4-82　MEO星座异轨邻星方位角、俯仰角、距离随时间变化关系

2）性能对比

相位因子为0时，异轨两颗邻星的方位角的变化范围为85°～275°。去除方位角变化比较大的时间段，异轨链路的天线应放置在卫星的前后两端，可能会存在与同轨天线相互干扰的情况。相位因子为1时，异轨相邻卫星的方位角变化范围为50°～130°或230°～310°，去除方位角变化比较大的时间段，异轨链路的天线应放置在卫星的左右两侧，不会存在相互干扰。不考虑干扰问题，两者均能满足系统设计要求，下面针对两种星座类型的不同轨道倾角进行仿真。仿真的轨道倾角分别为40°，45°，50°，通过仿真找到变化趋势，从而选取一个合适的轨道倾角。

（1）相位因子0。图4-83和图4-84给出了相位因子为0，轨道倾角分别为40°，45°，50°时星座的覆盖率和平均通信仰角对比，各个倾角的星座都可实现全球100%的单星覆盖率，而平均通信仰角以纬度35°为分界，低于该纬度的平均通信仰角按照50°，45°，40°星座的顺序逐次增大，高于该纬度的平均通信仰角按照50°，45°，40°星座的顺序逐次减小。

图4-83　不同轨道倾角覆盖率对比

图4-84　不同轨道倾角平均通信仰角对比

（2）相位因子1。图4-85和图4-86给出了相位因子为1，轨道倾角分别为40°，45°，50°时星座的覆盖率和平均通信仰角对比，与相位因子为0的规律几乎相同，各个倾角的星座都可实现全球100%的单星覆盖率，而平均通信仰角以纬度36°为分界，低于该纬度的平均通信仰角按照50°，45°，40°星座的顺序逐次增大，高于该纬度的平均通信仰角按照50°，45°，40°星座的顺序逐次减小。

图4-85　不同轨道倾角覆盖率对比

图4-86　不同轨道倾角平均通信仰角对比

（3）两者对比。图4-87和图4-88给出了轨道倾角为45°时两种相位因子的覆盖性能对比。

通过上面的仿真分析可得：①两种相位因子的MEO星座均能满足全球覆盖的要求。②相位因子为0时，同轨异轨天线在同一侧，可能会存在干扰。③通过不同倾角的分析，3个角度均能满足单星100%覆盖，随着轨道倾角的增加，多星覆盖率增加，平均通信仰角最高值从低纬度到中高纬度地区转移；由于基本服务区和增强服务区属于纬度小于55°的中低纬度地区，综合来看，45°倾角星座对这两个区域的覆盖性能更好，对包含两极地区的拓展服务区来说，覆盖性能也能兼顾，因此选择45°倾角作为10星MEO星座的轨道倾角。④同一轨道倾角，不同的相位因子的覆盖率交替变化，赤道和两极地区的平均通信仰角差别比较大，中间变化趋势相当。

4.5.2.4　6星HEO星座

图4-87　同一轨道倾角不同相位因子的覆盖率对比

图4-88　同一轨道倾角不同相位因子的平均通信仰角对比

还可以采用20 000 km左右的HEO轨道。相对LEO和MEO来说，空间传播距离和传播损耗更大，时延较高，但是卫星数量相对更少，终端与卫星之间的相对运动速度更慢，多普勒频移更小，波束间切换与星间切换也不那么频繁，网络拓扑与系统控制更为简单。综合分析比较，可以采用轨道高度为20 183.6 km的6星HEO。星座参数如表4-11所示。

表4-11　6星HEO星座的主要参数

调整各轨道参数，达到最优。各个卫星参数如表4-12所示。

表4-12　HEO星座的各卫星主要参数

1）星座覆盖性能

图4-89、图4-90分别给出了该星座的相位因子为0和1的二维覆盖图，可以看出该星座能够实现对全球的无缝覆盖。图4-91和图4-92给出了该星座两种相位因子的纬度覆盖特性，统计了单星、双星和三星的覆盖率，可以看出，该星座具有很好的单星覆盖率，低纬度和高纬度地区双星覆盖率能达到100%，中纬度地区的双星覆盖率也在80%以上。图4-93、图4-94给出了该星座平均通信仰角随着纬度的变化规律，可以看出，该星座平均通信仰角均在24°以上，中低纬度地区平均通信仰角能够达到37°以上，但是相位因子为0时，中低纬度带通信仰角较高且变化平缓，相位因子为1时，低纬度和高纬度地区通信仰角相对较低，因此，单从覆盖性能来看，对于我国来说，选用0相位因子更合适。

图4-89　HEO星座二维覆盖（0相位因子）

图4-90　HEO星座二维覆盖（1相位因子）

图4-91　HEO星座覆盖率随纬度变化的分布（0相位因子）

图4-92　HEO星座覆盖率随纬度变化的分布（1相位因子）

图4-93　平均通信仰角（0相位因子）

图4-94　平均通信仰角（1相位因子）

2）星间链路特性

图4-95、图4-96分别给出了两个轨道面相邻卫星之间的链路特性，包括方位角、俯仰角和距离随时间的变化关系。可以看出，0相位因子星座AER各参数曲线连续且变化较为平缓，与10星MEO星座0相位因子条件下的邻星链路特性类似，其方位角在80°～270°之间、仰角在-20°～-50°之间、距离在19 000～42 000 km之间变化，但是由于异轨星间链路天线和同轨星间链路天线位于同一侧，可能存在相互干扰。1相位因子各参数曲线存在突变情况，那是因为过轨道面交叉时卫星位置关系发生了变化所致，去除方位角变化比较大的时间段，异轨星间链路天线和同轨星间链路天线应在不同侧，不存在干扰问题。

图4-95　异轨邻星方位角俯仰角和距离随时间变化关系（0相位因子）

图4-96　异轨邻星方位角俯仰角和距离随时间变化关系（1相位因子）

4.5.2.5　6星IGSO星座

初步分析，采用6颗IGSO卫星，两两分别位于3个轨道面，组成IGSO星座，能够实现对全球的无缝覆盖，IGSO卫星轨道及各星的基本参数分别如表4-13和表4-14所示，对轨道倾角分别取30°，45°，55°进行对比分析，选择覆盖性能最好的轨道倾角。

表4-13　IGSO卫星轨道基本参数

表4-14　IGSO星座各卫星基本参数

图4-97和图4-98分别给出了45°倾角的星座三维和二维覆盖图（由于南北对称，图中给出的是北半球的情况）。从图中可以看出该星座能够实现对全球的无缝覆盖。

图4-97　IGSO星座三维覆盖（45°倾角）

图4-98　IGSO星座二维覆盖（45°倾角）

图4-99～图4-101给出了星座的覆盖性能，分别对30°，45°和55°倾角星座的单星、双星和三星覆盖性能进行统计与对比分析。图4-102给出的是各星座平均通信仰角随纬度的变化对比。从上述图中可以看出，各星座都能实现对全球100%的单星覆盖。在双星覆盖性能方面，轨道倾角越低的星座对较低纬度区域的覆盖性能越好，轨道倾角越高的星座对较高纬度地区的覆盖性能越好，中间纬度带存在覆盖性能的“凹陷”，如轨道倾角30°星座能对纬度45°以下及75°以上实现100%的双星覆盖，而轨道倾角55°的星座能对纬度20°以下及52°以上实现100%双星覆盖。三星覆盖率都能达到23%以上，但倾角45°星座能达到34%以上，较其他星座高。通信仰角方面，45°倾角星座的平均通信仰角均在35°以上，且包括我国在内的基本服务区的平均通信仰角达到42°以上，纬度40°以下区域的平均通信仰角较55°倾角星座高。综合以上分析，选择星座的轨道倾角为45°时整体性能最优。

图4-99　各星座单星覆盖性能

图4-100　各星座双星覆盖性能

图4-101　各星座三星覆盖性能

图4-102　各星座平均通信仰角