中轨道卫星星座系统的设计与应用

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：中轨道卫星系统为非同步卫星系统，由于卫星相对于地面用户的运动，用户与一颗卫星能够保持通信的时间约为100 min。1）Odyssey系统Odyssey系统是TRW公司推出的中轨道卫星通信系统，它的星座系统采用12颗卫星，分布在倾角为55的3个轨道平面上，轨道高度为10 354 km。2）ICO系统ICO系统又称中圆轨道系统，由Inmarsat发起。Spaceway系统采用GEO和MEO的混合结构，总投资30亿～50亿美元，整个系统由包括8颗同步轨道卫星子系统Spaceway EXP和20颗非同步轨道卫星子系统Spaceway NGSO组成。

中轨道卫星（MEO）相对于高轨道卫星来说，由于轨道高度的降低，可减弱高轨道卫星通信的缺点，并能够为用户提供体积、重量、功率较小的移动终端设备，且只需用较少数目的中轨道卫星便可构成全球覆盖的移动通信系统。

中轨道卫星系统为非同步卫星系统，由于卫星相对于地面用户的运动，用户与一颗卫星能够保持通信的时间约为100 min。卫星与用户之间的链路多采用L波段或S波段，卫星与关口站之间的链路可采用C波段或Ka波段。

本节主要介绍3种典型的MEO星座Odyssey，ICO（Inmarsat-P）和Spaceway。

1）Odyssey系统

Odyssey系统是TRW公司推出的中轨道卫星通信系统，它的星座系统采用12颗卫星，分布在倾角为55的3个轨道平面上，轨道高度为10 354 km。卫星发射重量为1 917 kg，太阳能电池最大可以提供的功率为3 126 W。系统建设费用约为27亿美元，卫星设计寿命为12～15年。

系统最主要的用户终端是手持机。手持机的设计在许多方面决定整个系统的特性，其最大等效全向辐射功率（EIRP）决定了卫星的G／T值，进而决定了卫星的点波束数量和卫星每条信道的功率，也就间接地决定了卫星的大小和成本。Odyssey系统的手持机采用双模式工作，可以同时在Odyssey系统和蜂窝系统中使用，调制方式为CDMA／OQPSK，接收机灵敏度为-133～-100 dBm。系统可以提供各种业务，包括语音、传真、数据、寻呼、报文、定位等。手持机的数据速率可以达到2.4 kb／s，还可以提供4.8～19.2 kb／s的数据速率。

卫星与地面站之间采用Ka频段，下行为19.70～20.0 GHz，上行为29.5～29.84 GHz，可用带宽为340 MHz，采用线性极化。卫星与用户之间下行链路采用L频段1 610～1 626.5 MHz，上行链路采用S频段2 483.5～2 500 MHz，可用带宽为7.5 MHz，采用左旋圆极化。系统的基本设计是基于CDMA方式，将可用的7.5 MHz带宽分为3段，扩频带宽为2.5 MHz。该系统极化采用多波束天线方向图指向地面，姿态控制系统决定卫星的指向，以确保对陆地和海区的连续覆盖。地面控制也可以对指向进行程控，以保证对需求的业务区的最佳覆盖。每颗卫星可以提供19个（或扩展到37个）波束，总容量为2 800条电路，系统可以为100个用户提供一条电路，12颗卫星可在全球范围内为280万用户提供服务。全系统共需要设定16个地面站，每个地面站有多个关口站与公众电话网相连，无星间链路以及星上处理，卫星只作为一个弯管——简单的转发器和矩阵放大器，以保证动态地将功率发送到高需求区。

2）ICO系统

ICO系统又称中圆轨道系统，由Inmarsat发起。Inmarsat于1979年成立，是一个政府间的国际合作组织（自1996年4月15日起转变成私营公司）。该组织成立初期旨在为海运界提供全球遇险安全和航行管理卫星移动通信业务，1982年2月Inmarsat系统正式投入运营。

Inmarsat从成立到现在几十年来技术演进十分迅速，可提供模拟和数字、语音、传真、低中高速数据（600 b／s～64 kb／s）等移动卫星通信业务以及卫星导航和寻呼业务。终端类型繁多，体积也日趋小型化，实际上已经是个人移动卫星通信的雏形。

为满足21世纪的通信市场需求，Inmarsat于1989年组建了21世纪工作小组，并于1991年9月公布了21世纪工程计划，即Inmarsat-P，其主要目标是向全球用户提供手持卫星电话及可与陆地蜂窝网和个人通信网相结合的语音、数据、传真和寻呼业务。Inmarsat对其技术模式做了大量的分析比较工作，着重对静止轨道、中圆轨道和低轨道系统选择决策、基本价格、系统复杂性、卫星数量、在轨管理、卫星寿命、仰角、通信持续时间等各方面因素进行了综合比较，在1993年6月的Inmarsat理事会上，通过了中圆轨道卫星通信系统方案。1994年5月，Inmarsat决定成立一个独立于Inmarsat的新公司来实施Inmarsat-P系统，并命名为ICO系统。

3）Spaceway系统

Spaceway系统又称太空之路系统，是由休斯通信公司提出的卫星网络系统。Spaceway系统提供包括双向语音、高速数据、图像、电话电视会议、多媒体等多种交互宽带通信业务，以满足各种应用需求。最早的两颗Spaceway通信卫星是休斯公司Spaceway全球宽带通信系统的一部分，由美国DIRECTV公司所有并运营。在DIRECTV公司接管休斯公司DTH业务之后，这些卫星改为在全美范围内进行高清本地电视频道的传输。

Spaceway系统采用GEO和MEO的混合结构，总投资30亿～50亿美元，整个系统由包括8颗同步轨道卫星子系统Spaceway EXP和20颗非同步轨道卫星子系统Spaceway NGSO组成。Spaceway EXP使用在4个轨道位置117°W，69°W，26.2°W和9°E上的GEO卫星，主要提供高数据率传送业务。Spaceway NGSO卫星分布在离地面高度为10 352 km的4个圆形轨道平面上，每个平面上有5颗MEO卫星，主要面向先进交互式宽带多媒体通信业务，通过小终端系列提供很大范围的宽带数据速率。Spaceway系统将覆盖全球的4个区域：北美洲、拉丁美洲、亚太地区和欧非中东。每个地区由GEO和MEO卫星共同服务。

Spaceway系统的显著特点是使用多点波束来提供到达超小孔径终端的交互式语音、数据、视频服务业务。

由于商业需求的变化，特别是随着因特网应用的增长，更多的信息量实际上都是宽带和多媒体的。Spaceway通过本地接入宽带网络来按需提供带宽，完善了现有的地面宽带方案。Spaceway系统可以用于发展中地区的乡村电话、因特网访问、电话会议、远程教育、电子医疗、其他交互式数据、图像和视频业务等。其主要针对中小型商场、处于不具有宽带连接地区的遥远分支机构以及在家办公的工作人员。经常需要传输大量数据的用户，敷设光纤线路是比较合算的。对于偶尔需要使用宽带通路且实时性要求很高的用户，Spaceway的使用费用可以比地面接入网更低。

中轨道卫星星座系统的设计与应用

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