卫星通信专题：轨道类型有哪些？

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本期为大家推出卫星通信专题,主要科普一下卫星的轨道类型,以及相应的用途。

卫星轨道是卫星所遵循的轨迹。轨道在一个平面内,形状像一个椭圆,在远地点的延伸最大,在近地点的延伸最小。根据物理定律,随着与地球距离的增加,卫星在轨道上的移动速度会变慢。

那么,最为有利的卫星轨道有哪些呢?我们一起来看看。

一、与赤道面成64°角的椭圆轨道

这种类型的轨道特别稳定,因为地球引力势不均匀,而且由于它的倾角,使卫星在轨道周期的大部分时间里都能覆盖高纬度地区,因为它经过远地点。例如,俄罗斯Molniya系统的卫星采用了这种轨道,周期为12小时。图1显示了轨道的几何形状。卫星保持在远地点以下区域的上空有大约八个小时的时间间隔。在不同轨道上有三个相控卫星,可以保证连续覆盖。

图1 Molniya卫星轨道

二、圆形LEO

圆形低轨道卫星的高度是恒定的,等于几百公里。周期大约是一个半小时。这类轨道倾斜度接近90°,可保证由于卫星和地球自转的联合运动而长期覆盖全球,如图2所示。这类卫星轨道,被大部分的侦察观测卫星所使用。

如果卫星配备了存储信息的手段,就可以建立存储转发通信。由几十颗低高度卫星组成的星座,可以在全球范围内提供实时通信。例如,在780公里的轨道上有66颗卫星的铱星系统。如图3所示。也可以设想倾角小于90°的非极地轨道。

图2 圆形极地近地轨道

图3 铱星系统

三、圆形MEO

圆形中轨道,也被称为中间圆形轨道(ICO),其高度约为10000公里,倾角约为50°。周期约是六个小时。由大约10 - 15颗卫星组成的星座,保证了对世界的持续覆盖,允许全球实时通信。这类计划中的系统是ICO系统(由国际海事卫星组织(INMARSAT)的21号项目产生,但没有实施),该系统由10颗卫星组成,在45度倾斜的平面上。O3B是一个高度为8063公里,由20颗卫星组成的MEO圆轨道卫星星座的特例。每个卫星有12个可操控的Ka波段天线,其中2个用于网关,10个用于用户终端,如图4所示。

图4 O3B作为中地球轨道(MEO)卫星星座的示例

四、零倾角圆形轨道(赤道轨道)

最受欢迎的是地球同步卫星轨道,该卫星根据地球自转的规律,在地球赤道平面上,在距离地面35786公里的高空绕地球运行。周期等于地球自转的周期。因此,卫星看起来像一个固定在天空中的点,在卫星的可见区域(地球表面的43%),确保作为无线电中继实时持续运行。在上世纪90年代,某些赤道小国,想把赤道上空据为己有,不允许别国使用赤道轨道,然而没技术实力自己玩不起,没人搭理。ITU最后说了,要占用频谱和轨道,先登记,先到先得,呵呵了。

图5直观显示了极地轨道、倾斜轨道、赤道轨道和同步轨道的类型和区别。

图5 各种轨道类型示例

五、混合系统

一些系统可能包括圆形和椭圆轨道的组合。目前这样发方案已经进行了研究,以确定如何将来自不同轨道的卫星结合起来以实现通信和网络目标,尽管这些已用于导航卫星系统。例如北斗导航系统,如图6所示,空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座,与其他卫星导航系统相比高轨卫星更多,抗遮挡能力强,尤其低纬度地区性能优势更为明显。

图6 北斗三号导航系统星座示意图

轨道类型选择需要考虑哪些因素?

轨道的选择取决于任务的性质、可接受的干扰和发射装置的性能。

被覆盖地区的范围和纬度:与广泛的观点相反,卫星的高度并不是一个决定因素,在链接预算中,对一个给定的地球覆盖。传播衰减随距离的平方反比而变化,这有利于低轨道卫星,因为它的高度较低。然而,这忽略了一个事实,即被覆盖的区域是通过一个更大的立体角看到的。其结果是卫星天线增益的减少,抵消了距离的优势。低轨卫星在特定时间和特定地点只提供有限的地球覆盖范围。除非安装提供低指向性从而几乎全向辐射的低增益天线(分贝数量级),否则地面站必须配备卫星跟踪装置,这就增加了成本。因此,地球同步卫星对于持续覆盖广大区域显得特别有用。然而,它不允许覆盖极地地区,而倾斜椭圆轨道或极地轨道上的卫星可以到达极地地区。

倾斜角:在倾斜或极椭圆轨道上的卫星可在某些时候出现在头顶,从而使市区内的通信得以建立,而不会因倾斜角在0?70°之间而遇到大型建筑物所构成的障碍。对于地球同步卫星,仰角随着地面站和卫星之间的纬度或经度差异的增加而减小。

传输持续时间和延迟:地球同步卫星为可见范围内的观测站提供连续的中继,但无线电波从一个观测站到另一个观测站的传播时间约为0．25秒。这就需要在电话通道上使用回声控制设备或数据传输的特殊协议。对于互联网,性能增强协议(PEP)已被引入,以有效利用卫星链路资源。卫星在低轨道上运动时,传播时间缩短。因此,卫星能同时看到的近站之间的传输时间很低,但如果只考虑存储转发传输,那么远站之间的传输时间可能会很长(几个小时)。对于大型LEO卫星星座,需要复杂的动态路由机制,对星座内的卫星进行管理。

干扰:相对于与之通信的站点而言,地球同步卫星在天空中占据着固定的位置。通过规划频段和轨道位置来保证系统之间的抗干扰。以相同频率运行的相邻卫星之间的轨道间距很小,导致干扰水平增加,这阻碍了新卫星的安装。不同的系统可以使用不同的频率,但这受到国际电信联盟(ITU)《无线电条例》(RR)为空间无线电通信分配的有限频带的限制。在这种情况下,我们可以提到轨道频谱资源是有限的。在轨道卫星中,每个系统的几何形状随时间而变化,一个系统相对于另一个系统的几何形状是可变的,很难同步。因此,干扰的可能性很高。

发射装置的性能:可以发射的卫星重量随着高度的增加而减少,火箭要想把卫星或航天器送入太空,需要克服来自地球的引力,因此研发重型大推力火箭,成为航天大国竞相角逐的硬科技。

最近几年,低轨卫星的发展十分迅速,尤其是马斯克的Starlink计划,几乎改变了卫星发展的历史,以每隔一周的时间频率往低轨道打几十颗卫星,这让全世界其他国家怎么玩?成千上万颗低轨卫星,犹如达摩克利斯之剑高悬,任何一个国家的小动作,都可能会被一双双太空之眼清晰记录。

有人说,马斯克做的事不会成功,他只是会用那点异想天开的想法圈钱,成为世界首富的疯子。一个敢作梦,并且把梦变成真实的人,背后依靠的是超强的科技实力和产业整合能力。

我们应该培养更多像马斯克一样凭科技创新实力上位的人,少一些坐而联想靠EDG征服世界的人。

太空中的秘密角逐

2019年12约27日,重达8吨的实践二十号卫星,在海南文昌航天发射场成功发射,经过数天飞行和变轨,最终定点于东经105．5°的地球同步轨道,用于在轨新技术试验。

作为当时国内最重最先进的通信卫星,实践二十号卫星上携带了16项科学载荷,因此可以更好的发挥在轨验证效能。毕竟一颗卫星只能做若干件事,在众多科学试验项目重,实践二十号卫星最终选择了以Q/V频段通信为代表的甚高通量通信载荷、激光通信、深冷回路等十余项国际领先的“前沿性、战略性”技术试验载荷,其中多项为国际或中国国内首次,技术含金量高。

据悉,实践二十号卫星已经成功完成了包括超高速激光通信技术、太赫兹技术在内的多项核心关键技术首次在轨验证。

本来实践二十号卫星在自己的地盘上勤勤恳恳的干活,日出而作,日落而息,挖土种菜,犁田插秧,验证我们的高通量通信能力。

太平洋彼岸某超级大国凭借其航天强国的技术优势,每年研制并发射用于特殊用途的侦察卫星,在浩瀚的太空俯视蓝色星球的每一个角落,甚至在太空跟踪监视着每一颗有价值的卫星。

在2020年的某一天,某超级大国的一颗编号为USA-271的航天器,竟然神不知鬼不觉地悄悄靠近正在日常劳作的实践二十号卫星,企图上演一场太空追逐。国外某关注在轨卫星轨迹的网站,记录了这惊心动魄的一幕。图7中,代表实践二十号的绿色轨道只是在正常的画圈圈,代表USA-271的灰色轨道却做出了异常动作,一个侧身变轨,悄悄地接近实践二十号,企图窥视跟踪我方卫星,最近距离只有几十公里。

图7 USA-271靠近实践二十号

一旦USA-271展示其不可告人的神秘装备,极有可能损害我方卫星,简直欺人太甚!幸好我方及时发现这一不寻常举动,迅速采取机动规避,在不到两天时间内,成功脱离USA-271的跟踪监视。图8显示了这一机动规避过程,不得不说,技术实力还是挺强的。

图8 实践二十号机动规避USA-271

据悉,USA-271是一颗高轨巡视卫星,可以将其视为监视卫星的卫星,它可以通过近距离抵近机动获取目标卫星的在轨工作情况,由米国军方负责运营。

类似的太空事件经常存在,只有自身的实力足够强大,才无所畏惧任何挑衅。

本期的卫星专题,卫星轨道类型到此结束,欢迎继续关注。

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参考文献

[1]．G?RARD MARAL,MICHEL BOUSQUET,ZHILI SUN．SATELLITE COMMUNICATIONS SYSTEMS．

[2]．北斗卫星导航系统