專利名稱：一種綜合衛(wèi)星通信系統(tǒng)框架與星座的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于衛(wèi)星通信領(lǐng)域。
衛(wèi)星通信的業(yè)務(wù)有固定和移動(dòng)業(yè)務(wù)兩類。衛(wèi)星通信系統(tǒng)的衛(wèi)星軌道有兩種同步軌道，即赤道上空?qǐng)A軌道，高度約36000km；非同步軌道，又包括圓軌道和橢圓軌道。其中，圓軌道高度在500-2000km的稱低軌，而高度在10000km左右的稱中軌。衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)主要用于支持位于地面移動(dòng)通信網(wǎng)服務(wù)區(qū)以外用戶的移動(dòng)通信業(yè)務(wù)，其用戶為速率較低的個(gè)人終端。中、低軌系統(tǒng)有利于終端的簡(jiǎn)化和低成本，因此在衛(wèi)星移動(dòng)通信中已占主導(dǎo)地位。由于中、低軌衛(wèi)星與地面有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)必須由多顆衛(wèi)星構(gòu)成特定的星座，以保證對(duì)服務(wù)區(qū)的連續(xù)覆蓋。這類系統(tǒng)通常覆蓋全球，所需衛(wèi)星數(shù)目多、投資大。通常，同步軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)被認(rèn)為是建立只覆蓋特定地區(qū)的區(qū)域性系統(tǒng)的較好選擇，它只需一、兩顆衛(wèi)星，空間段投資省。
銥系統(tǒng)有(Iridium)66顆低軌衛(wèi)星，投資39億美元；而全球星系統(tǒng)(Globalstar)48顆低軌衛(wèi)星，投資24億美元；中軌系統(tǒng)(ICO)10顆中軌衛(wèi)星，投資30億美元。這些非同步衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)都是全球性系統(tǒng)，投資巨大，且只能支持移動(dòng)話音業(yè)務(wù)和低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。
現(xiàn)有的同步衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)有已建立的北美系統(tǒng)(MSAT)和澳大利亞系統(tǒng)(MOBILESAT)，而以中國(guó)為主的亞太系統(tǒng)(APMT)正在籌建。這些系統(tǒng)都只覆蓋特定的區(qū)域，為區(qū)域性系統(tǒng)。MAST，MOBILESAT只支持車載移動(dòng)用戶，而APMT可支持手持機(jī)用戶。其業(yè)務(wù)也只限于話音和低速數(shù)據(jù)。
在我國(guó)衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)量迅速增長(zhǎng)的同時(shí)，有多種新的業(yè)務(wù)也需要衛(wèi)星通信系統(tǒng)來(lái)支持，比如衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù)、邊遠(yuǎn)地區(qū)基本通信(話音和低速數(shù)據(jù))業(yè)務(wù)，高速用戶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和交互多媒體業(yè)務(wù)等。研究的結(jié)果表明，這些新的通信業(yè)務(wù)利用傳播損耗和延時(shí)均較小的非同步軌道衛(wèi)星來(lái)支持較為合理。而對(duì)傳輸延時(shí)有嚴(yán)格限制的某些交互式多媒體業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)，同步衛(wèi)星的長(zhǎng)的傳輸延時(shí)是不能允許的。
對(duì)于我國(guó)的衛(wèi)星移動(dòng)通信，邊遠(yuǎn)地區(qū)基本通信(話音和低速數(shù)據(jù))和高速(寬帶)的交互式多媒體通信來(lái)說(shuō)，已有的或已提出的一些系統(tǒng)(包括國(guó)外提出的系統(tǒng))，都只能支持其中某些業(yè)務(wù)需求，而且它們作為全球系統(tǒng)而所需投資巨大。至今，還沒(méi)有一個(gè)以支持中國(guó)及周邊地區(qū)的上述各種通信業(yè)務(wù)的、低成本的衛(wèi)星通信系統(tǒng)方案。
本發(fā)明提供了一個(gè)支持我國(guó)各類衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)的、低成本的新一代綜合衛(wèi)星通信系統(tǒng)方案，該系統(tǒng)能支持各種類型的業(yè)務(wù)，具有多種功能1、承擔(dān)目前我國(guó)同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)的任務(wù)國(guó)家通信網(wǎng)樞紐站的連接；遠(yuǎn)端用戶的接入(這里主要是指遠(yuǎn)端VSAT(甚小天線口徑衛(wèi)星站)終端的接入)，用于組成不同的專用網(wǎng)，也用于各專用網(wǎng)與公用網(wǎng)的互連(專用網(wǎng)可以是衛(wèi)星網(wǎng)，也可以是地面網(wǎng))；2、支持移動(dòng)通信和邊遠(yuǎn)地區(qū)基本通信；3、支持高速用戶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、因特網(wǎng)的接入和交互式多媒體通信等。
本發(fā)明是以區(qū)域性的時(shí)限的中軌衛(wèi)星星座(方案一)或橢圓軌道衛(wèi)星星座(方案二)與同步衛(wèi)星一起，構(gòu)成我國(guó)的新一代綜合性衛(wèi)星通信系統(tǒng)，衛(wèi)星之間由星際鏈路連接。
同步衛(wèi)星位于赤道上空約36000Km高的“同步軌道”上，衛(wèi)星與地面保持相對(duì)靜止，一顆衛(wèi)星足以覆蓋我國(guó)及其周邊地區(qū)。非同步衛(wèi)星與地面有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，將由若干顆衛(wèi)星組成適當(dāng)?shù)男亲?，以便為我?guó)及其周邊地區(qū)提供服務(wù)。本發(fā)明的非同步衛(wèi)星在10000km左右的高度工作。我國(guó)已建立了較為完善的同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)，它可以作為綜合系統(tǒng)中同步衛(wèi)星部分的基礎(chǔ)，但必須增加星際鏈路和必要的星上處理單元。因此，本發(fā)明的內(nèi)容將包括綜合系統(tǒng)框架和非同步衛(wèi)星星座方案兩部分。
系統(tǒng)框架包括1.系統(tǒng)中各類業(yè)務(wù)的分配由于軌道高度較低的非同步衛(wèi)星無(wú)論在支持移動(dòng)通信、邊遠(yuǎn)地區(qū)基本通信和高速率用戶的接入等方面都十分有利，因此在綜合系統(tǒng)中，同步衛(wèi)星和非同步衛(wèi)星所支持的業(yè)務(wù)重點(diǎn)有所不同。同步衛(wèi)星主要支持的業(yè)務(wù)有1).地面公用網(wǎng)各樞紐站之間的連接，其地面站龐大，成本高；2).遠(yuǎn)端用戶(VSAT終端)的接入；3).構(gòu)成專用網(wǎng)和專用網(wǎng)的連接。非同步衛(wèi)星主要支持的業(yè)務(wù)有1)移動(dòng)通信業(yè)務(wù)；2)提供邊遠(yuǎn)地區(qū)和農(nóng)村的基本通信(話音和低速率數(shù)據(jù))，其用戶終端成本遠(yuǎn)低于VSAT終端；3)用于高速率(可達(dá)2Mb/s)用戶終端的接入；4)提供非實(shí)時(shí)的全球數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)。上述各類業(yè)務(wù)的分配不是絕對(duì)的，必要時(shí)可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)分配。
2.由于非同步衛(wèi)星與地面有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，它應(yīng)由若干顆衛(wèi)星組成的星座來(lái)滿足系統(tǒng)的要求。本發(fā)明對(duì)星座的基本要求是1)對(duì)我國(guó)及其周邊地區(qū)的覆蓋；2)投資少。為了節(jié)省投資，本發(fā)明的非同步軌道衛(wèi)星采用只在每天業(yè)務(wù)高峰期覆蓋我國(guó)的時(shí)限區(qū)域性星座。在非同步衛(wèi)星不能覆蓋的低業(yè)務(wù)量時(shí)段(如深夜和凌晨)，可由同步衛(wèi)星來(lái)支持這些較小的業(yè)務(wù)量。此時(shí)，對(duì)我國(guó)連續(xù)覆蓋的同步衛(wèi)星也處于低負(fù)荷時(shí)段，它有足夠的資源(如功率)來(lái)改善由非同步衛(wèi)星轉(zhuǎn)換至同步衛(wèi)星時(shí)因傳損耗增加所帶來(lái)的不利影響。
本發(fā)明的非同步衛(wèi)星星座有中軌和橢圓軌道兩種方案。
方案一中軌衛(wèi)星星座方案方案由較少數(shù)目的若干中軌衛(wèi)星構(gòu)成星座，圓形軌道高度10000km左右。在一定的仰角條件下，每天可在業(yè)務(wù)高峰期連續(xù)覆蓋我國(guó)。
方案二橢圓軌道衛(wèi)星星座方案方案也由數(shù)目較少的若干顆衛(wèi)星構(gòu)成星座，但軌道為橢圓形。在一定的仰角條件下，在每天的業(yè)務(wù)高峰期可連續(xù)覆蓋我國(guó)。
本發(fā)明提出的綜合系統(tǒng)中，“同步衛(wèi)星”可在當(dāng)前我國(guó)現(xiàn)有的同步衛(wèi)星基礎(chǔ)(在下一代衛(wèi)星星體)上增加星際鏈路和適當(dāng)?shù)男巧咸幚碓O(shè)備即可。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，它是針對(duì)我國(guó)的區(qū)域性衛(wèi)星通信系統(tǒng)方案，是支持多種業(yè)務(wù)的同步和非同步衛(wèi)星相結(jié)合的綜合系統(tǒng)，而國(guó)外推出的可支持相同的多種類型業(yè)務(wù)的綜合系統(tǒng)都是全球性系統(tǒng)。這些系統(tǒng)大約在2000年以后的兩、三年才陸續(xù)運(yùn)行，投資巨大。我國(guó)目前運(yùn)行的衛(wèi)星通信系統(tǒng)支持的固定業(yè)務(wù)包括通信網(wǎng)樞紐站之間的干線，以及構(gòu)成VSAT(甚小天線口徑衛(wèi)星站)系統(tǒng)和專用網(wǎng)等，都是利用同步衛(wèi)星支持的。正在實(shí)施的以我國(guó)為主的亞太衛(wèi)星移動(dòng)通信(APMT)系統(tǒng)也是同步衛(wèi)星系統(tǒng)，它對(duì)手持終端通信和邊遠(yuǎn)地區(qū)基本通信的支持在技術(shù)上都不盡合理，且系統(tǒng)不能支持高速用戶終端的交互式業(yè)務(wù)。本發(fā)明的綜合系統(tǒng)中包括同步衛(wèi)星和非同步衛(wèi)星，它們各自主要地支持特定的一些業(yè)務(wù)類型，同時(shí)系統(tǒng)又是一個(gè)資源可動(dòng)態(tài)分配的綜合性系統(tǒng)。國(guó)外已經(jīng)實(shí)施或計(jì)劃中的非同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)幾乎都采用全球星座，所需投資巨大。本發(fā)明采用只在每天的特定時(shí)段覆蓋我國(guó)及其周邊地區(qū)的所謂“時(shí)限區(qū)域性星座”，由于所需衛(wèi)星數(shù)目少、投資省，使本發(fā)明的實(shí)施在經(jīng)濟(jì)上成為可能。
本發(fā)明提出的包括同步衛(wèi)星和非同步衛(wèi)星在內(nèi)的我國(guó)綜合系統(tǒng)，并給出系統(tǒng)框架和詳盡的時(shí)限區(qū)域性星座方案尚屬首次。
本發(fā)明的綜合系統(tǒng)還可用于非實(shí)時(shí)全球數(shù)據(jù)通信。本發(fā)明采用區(qū)域性非同步衛(wèi)星星座，盡管它不具有連續(xù)覆蓋全球的能力，但可以非實(shí)時(shí)的覆蓋全球。因此，本系統(tǒng)可以用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/轉(zhuǎn)發(fā)方式實(shí)現(xiàn)全球通信。這是完全由我國(guó)自主掌握的衛(wèi)星通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全球通信，對(duì)于外交、軍事和一些特殊通信有著重要意義。
本發(fā)明的重要特點(diǎn)是非同步衛(wèi)星部分采用了區(qū)域性時(shí)限星座，所需衛(wèi)星數(shù)少，因此，投資小。為了進(jìn)行比較，以中軌Odyssey系統(tǒng)為例。該系統(tǒng)由12顆高度約1萬(wàn)公里的中軌衛(wèi)星組成。而本發(fā)明的非同步衛(wèi)星為4顆(1萬(wàn)公里的中軌或1萬(wàn)公里上、下的橢圓軌道衛(wèi)星)。如果系統(tǒng)投資與衛(wèi)星數(shù)目成比例，則本系統(tǒng)所需投資為Odyssey系統(tǒng)的三分之一。然而，本系統(tǒng)星座不僅能對(duì)我國(guó)提供覆蓋，同時(shí)也對(duì)地理位置對(duì)稱(經(jīng)度對(duì)稱)的美國(guó)本土提供了同樣甚至更佳(仰角更高)的覆蓋。因此，若該星座是用于建立兩個(gè)區(qū)域性系統(tǒng)，而每個(gè)系統(tǒng)各承擔(dān)投資的一半，則我國(guó)系統(tǒng)的非同步衛(wèi)星部分所需的投資僅為Odyssey系統(tǒng)的六分之一，將具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。
附圖及圖面說(shuō)明

圖1和圖2分別示出了本發(fā)明的中軌衛(wèi)星星座(方案一)和橢圓軌道衛(wèi)星星座(方案二)的示意圖；圖3和圖4示出了中軌系統(tǒng)覆蓋仰角特性，圖中橫坐標(biāo)為經(jīng)度，縱坐標(biāo)為緯度。其中圖3為最小覆蓋仰角特性，圖4為平均仰角特性。由圖3可以看出，星座對(duì)我國(guó)的最小覆蓋仰角為15°(只在東北和西北的部分地區(qū)出現(xiàn)最小仰角低于15°的情況，但每天只有數(shù)分鐘)。由圖4可以看出，星座對(duì)我國(guó)的平均覆蓋仰角為40°，除去東北北部和新疆西北部地區(qū)外，對(duì)我國(guó)大部分地區(qū)的平均覆蓋仰角為45°。
圖5和圖6示出了橢圓軌道系統(tǒng)覆蓋仰角特性，圖中橫坐標(biāo)為經(jīng)度，縱坐標(biāo)為緯度。其中圖5為最小仰角特性，圖6為平均仰角特性。由圖5可以看出，星座對(duì)我國(guó)的最小覆蓋仰角為15°，除去東北北部、新疆西北部地區(qū)之外，對(duì)我國(guó)大部分地區(qū)的最小覆蓋仰角為20°。由圖6可以看出，星座對(duì)我國(guó)的平均覆蓋仰角為45°，除去西藏西南部、云南南部地區(qū)之外，對(duì)我國(guó)大部分地區(qū)的平均覆蓋仰角為50°。
圖7為每日業(yè)務(wù)量分布示意圖，其中橫坐標(biāo)為當(dāng)?shù)貢r(shí)間(時(shí))，縱坐標(biāo)為每日業(yè)務(wù)量分布百分比(％)。
實(shí)施例本發(fā)明的非同步軌道衛(wèi)星星座是區(qū)域性的和時(shí)限的?！皡^(qū)域性”是將我國(guó)定義為“將我國(guó)領(lǐng)土、領(lǐng)海及其周邊地區(qū)抽象一個(gè)中心在北緯30°東經(jīng)105°，地心角為26°的球冠區(qū)域”。非同步軌道星座將為該區(qū)域提供所需求的覆蓋特性，而對(duì)其它地區(qū)的覆蓋則不予考慮；時(shí)限特性的依據(jù)是一天中系統(tǒng)的(業(yè)務(wù))負(fù)載在不同時(shí)段的不均勻性。圖7給出了話音業(yè)務(wù)量在一天內(nèi)的分布情況。本發(fā)明的星座的“時(shí)限”特性的選取將保證在給定的時(shí)段內(nèi)支持的業(yè)務(wù)量最大。
采用中軌衛(wèi)星星座時(shí)衛(wèi)星軌道高度10353km，有4個(gè)軌道面，每個(gè)軌道上一顆衛(wèi)星，軌道平面的的傾角為42°。在北京時(shí)間每天的7點(diǎn)至22點(diǎn)30分的15.5小時(shí)內(nèi)，以15°的最小仰角連續(xù)覆蓋我國(guó)。星座參數(shù)如表1所示。
表1 中軌衛(wèi)星星座參數(shù)
注1春分點(diǎn)與升交點(diǎn)對(duì)地心的張角在赤道內(nèi)的量度。
注2衛(wèi)星初始運(yùn)行時(shí)刻所在位置與升交點(diǎn)在軌道平面內(nèi)沿衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)方向的量度。
采用橢圓軌道衛(wèi)星星座時(shí)衛(wèi)星橢圓軌道的偏心率為0.35，半長(zhǎng)軸16732.5km。4個(gè)軌道平面，每個(gè)軌道上一顆衛(wèi)星，軌道平面傾角為63.4°。遠(yuǎn)地點(diǎn)高度16209.375km，近地點(diǎn)高度4496.625km。在北京時(shí)間每天的7點(diǎn)至23點(diǎn)30分的16.5小時(shí)內(nèi)，以15°的最小仰角連續(xù)覆蓋我國(guó)。星座參數(shù)如表2所示。
表2 橢圓軌道衛(wèi)星星座參數(shù)
注3軌道近地點(diǎn)與升交點(diǎn)在軌道平面內(nèi)沿衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)方向的量度。注4TN為衛(wèi)星位于初始位置，距離首先飛經(jīng)升交點(diǎn)的時(shí)間。
系統(tǒng)投資概算12顆中軌衛(wèi)星Odyssey系統(tǒng)投資為18億美元(見(jiàn)<電信科學(xué)>97年第8期)。若以衛(wèi)星數(shù)目的比例計(jì)算，本方案的4顆衛(wèi)星系統(tǒng)需投資為6億美元。若星座用于建立兩個(gè)區(qū)域性系統(tǒng)，每一系統(tǒng)承擔(dān)投資的一半，則本方案所需投資僅3億美元。而我國(guó)正在籌建的APMT系統(tǒng)投資為6～7億美元。
權(quán)利要求
1.一種綜合衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其特征是它是由同步衛(wèi)星和非同步衛(wèi)星構(gòu)成，所述的同步衛(wèi)星是我國(guó)的一顆同步衛(wèi)星，它的高度是位于赤道上空36000km左右，所述的非同步衛(wèi)星是由中軌衛(wèi)星星座或橢圓軌道衛(wèi)星星座組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的綜合衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其特征是所述的非同步衛(wèi)星具有區(qū)域性和時(shí)間性的，區(qū)域性定義為我國(guó)領(lǐng)土、領(lǐng)海及其周邊地區(qū)，時(shí)間特性的依據(jù)是一天中系統(tǒng)的負(fù)載在不同時(shí)段的不均勻性來(lái)確定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的綜合衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其特征是采用中軌衛(wèi)星星座時(shí)，衛(wèi)星軌道高度為10353km，有4個(gè)軌道面，每個(gè)軌道上一顆衛(wèi)星，軌道平面的傾角為42°，在北京時(shí)間每天的7點(diǎn)至22點(diǎn)30分的15.5小時(shí)內(nèi)，以15°的最小仰角連續(xù)覆蓋我國(guó)，4個(gè)衛(wèi)星的星座參數(shù)分別為衛(wèi)星1、2、3、4的升交點(diǎn)赤經(jīng)分別為80.5°、110.5°、140.5°、170.5°，衛(wèi)星1、2、3、4的初始相角分別為0°、120°、240°、0°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的綜合衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其特征是采用橢圓軌道衛(wèi)星星座時(shí)，衛(wèi)星軌道的偏心率為0.35，半長(zhǎng)軸16732.5km，4個(gè)軌道平面，每個(gè)軌道上一顆衛(wèi)星，軌道平面傾角為63.4°，遠(yuǎn)地點(diǎn)高度16209.375km，近地點(diǎn)高度4496.625km，在北京時(shí)間每天7點(diǎn)至23點(diǎn)30分的16.5小時(shí)內(nèi)，以15°的最小仰角連續(xù)覆蓋我國(guó)，4個(gè)衛(wèi)星的星座參數(shù)分別為衛(wèi)星1、2、3、4的升交點(diǎn)赤經(jīng)分別為80.5°、110.5°、140.5°、170.5°，衛(wèi)星1、2、3、4的近地點(diǎn)幅角均為270°，4個(gè)衛(wèi)星位于初始位置距離首先飛經(jīng)升交點(diǎn)的時(shí)間TN分別為0分鐘、240分鐘、120分鐘、0分鐘。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種中國(guó)綜合衛(wèi)星通信系統(tǒng),它是由同步衛(wèi)星和若干個(gè)非同步衛(wèi)星構(gòu)成,所述的非同步衛(wèi)星是由中軌衛(wèi)星或橢圓軌道衛(wèi)星星座組成,具有區(qū)域性和時(shí)限性,即非同步衛(wèi)星采用只在每天業(yè)務(wù)高峰期覆蓋我國(guó)的時(shí)限區(qū)域性星座,在非同步衛(wèi)星不能覆蓋的低業(yè)務(wù)量時(shí)段如深夜和凌晨,可由同步衛(wèi)星來(lái)支持這些小的業(yè)務(wù)量。這樣既保證了我國(guó)的衛(wèi)星通信的需要,又使本發(fā)明的投資成本小。因此,本發(fā)明提供了一個(gè)支持我國(guó)各類衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)的、低成本的新一代衛(wèi)星通信系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)還可用于非實(shí)時(shí)全球數(shù)據(jù)通信,它是完全由我國(guó)自主掌握的衛(wèi)星通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全球通信,對(duì)于外交、軍事和一些特殊通信具有重要意義。
文檔編號(hào)H04B7/185GK1268814SQ9911476
公開(kāi)日2000年10月4日 申請(qǐng)日期1999年3月31日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月31日
發(fā)明者吳詩(shī)其, 胡劍浩, 劉剛, 錢敬華 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)