衛星通信系統軌道類型研究

摘要：衛星運行的軌跡和趨勢稱為衛星運行軌道，其軌道近似于橢圓或者圓形，地球就處于橢圓的焦點或圓心上。衛星通信系統的軌道可以從不同角度進行分類。文章選擇軌道高度這一分類，通過分析對比各個衛星，探討了各高度軌道衛星的應用情況。

關鍵詞：衛星通信系統；衛星運行軌道；軌道類型；軌道高度；衛星通信用戶 文獻標識碼：A

中圖分類號：TN929 文章編號：1009-2374（2015）27-0010-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.27.006

1 概述

衛星運行的軌跡和趨勢稱為衛星運行軌道，其軌道近似于橢圓或者圓形，地球就處于橢圓的一個焦點或圓心上。衛星軌道類型是根據其需要完成的任務決定的，同時衛星軌道的特性也決定了其任務特性。

2 按軌道形狀分類

可分為圓形軌道和橢圓軌道。圓形軌道上的衛星圍繞地球勻速運動，通信衛星最常用該軌道；橢圓軌道在近地點運行速度快，在遠地點運行速度慢，可利用在遠地點速度慢這一特點來滿足特定區域，特別是調整軌道參數滿足地球高緯度區域的通信需要。

3 按軌道高度分類

可分為中軌（MEO）、低軌（LEO）和高軌（HEO）。

中軌衛星通信系統軌道高度為8000～20000km，兼有低軌和高軌系統的折中性能，中軌衛星組成的星座能實現全球覆蓋，信號傳播衰減、延時和系統復雜度等均介于低軌和高軌系統之間。

低軌衛星通信系統軌道高度為700～2000km，衛星對地球的覆蓋范圍很小，可用于特種通信或由多顆衛星組成星座，衛星之間由星際鏈路連接，實現全球的無縫覆蓋通信。例如，銥星系統是軌道高度為780km，由66顆衛星（另13顆備份）組成的星座通信系統。低軌系統具有信號傳播衰減小、延時短、可實現全球覆蓋的優點，不過實現的技術復雜，運行維護成本高。此外，隨著軌道的降低，大氣阻力成為影響衛星軌道參數的重要因素。一般來講，當衛星軌道高度低于700km時，大氣阻力對軌道參數的影響比較嚴重，修正軌道參數會影響衛星的壽命。當軌道高度高于1000km時，大氣阻力的影響可以忽略。

高軌衛星通信系統軌道高度在35786km的地球同步軌道（GSO），衛星位于最常用的赤道平面。高軌系統單顆衛星覆蓋范圍大，傳播信道穩定，理論上3顆衛星便可覆蓋兩極之外的所有地區。但高軌系統傳播信號衰減大、延時長，只有一個軌道平面，因而容納的衛星數量有限。目前運營中的IntelSat、InmarSat、Thuraya等系統都是高軌系統。大橢圓軌道可為高緯度地區提供高仰角通信，對地理上處于高緯度的地區是很好的選擇。

圖1 高軌衛星通信系統波束覆蓋情況

4 按軌道傾角分類

可分為赤道軌道、極軌道和傾斜軌道。赤道軌道的傾角為0?，當軌道高度為35786km時，衛星運行速度與地球的自轉速度相同，從地球看上去，衛星處于“靜止”狀態，這也是通常所講的靜止軌道。當衛星軌道傾角與赤道成90?時，衛星穿越兩極，因此也叫極軌道。當衛星軌道傾角不是0?或90?時，稱為傾斜軌道。不過，一般而言，通信衛星都是采用順行軌道。

5 按星下點軌跡分類

如果在衛星和地心之間做一條連線，該連線與地面的交點就叫做星下點，在這些星下點連接起來就是星下點軌跡。由于在衛星圍繞地球轉動的同時，地球本身也在自轉，所以衛星繞地球運行的星下點軌跡不一定每一圈都是重復的。將星下點軌跡在M個恒星日繞地球N圈后重復的軌道叫做回歸/準回歸軌道（這里M、N是整數），其余的軌道叫做非回歸軌道。M=1叫回歸軌道；M>1叫準回歸軌道。

軌道類型之間一般還會有混合交叉，所以分類只是對衛星軌道觀察角度的不同。

6 對比分析

篇幅所限，現僅就按軌道高度分類的衛星通信系統，給出如下分析：

6.1 低軌（LEO）

傳輸延時和功耗都較小，但每顆星的覆蓋范圍也較小，典型系統如銥星系統。支持多跳衛星通信，鏈路損耗較小，因而對衛星及其用戶終端的要求不高，微型或者小型衛星和用戶終端就方便使用。低軌的代價是構成全球系統的衛星數量高達數十顆，如銥星系統有66顆衛星、Teledisc有288顆衛星、Globalstar有48顆衛星。由于低軌衛星運行速度比較快，對于某一特定的終端用戶來說，從地平線升起至落到地平線之下衛星暴露在視野中的時間短，載波和衛星之間的切換比較頻繁，因此，低軌系統組成和控制技術復雜、運營風險大、建設成本高。

6.2 中軌（MEO）

傳輸延時要大于低軌衛星，但覆蓋范圍也更大。中軌系統是同步衛星系統和低軌系統的折衷，兼有兩者優點，又克服兩者不足，仍可采用簡單的小型衛星。若均采用星際鏈路傳輸信號，遠距離通信時，中軌系統在星際鏈路上的延時會比低軌系統的低。而且由于中軌系統軌道比低軌系統軌道高很多，單顆衛星覆蓋的范圍遠高于低軌系統，當軌道高度達到10000km時，單顆衛星可覆蓋23.5%地球表面，因而只需要少數幾顆衛星就可以達到全球覆蓋。十幾顆衛星就能提供對全球絕大部分地區的雙重覆蓋，系統的可靠性可以通過分集接收系統實現，系統成本也要低于低軌系統。因此，中軌系統在建立全球覆蓋方面是較為優越的方案。不過如果地面終端需要寬帶業務，此系統實現上會有一定困難，低軌系統寬帶業務方面較中軌系統優越。

6.3 高軌（HEO）

即地球同步靜止軌道。3顆高軌道衛星就基本可以實現全球覆蓋。傳統的同步衛星通信系統在技術上最為成熟，但是，同步衛星的缺點是較長的傳播延時和較大的鏈路損耗，在進行移動衛星通信業務方面存在缺陷。首先，同步衛星軌道高，鏈路上損耗大，對用戶終端的接收性能要求高。該系統難于應用移動終端通過衛星進行通信，這時只有采用L波段天線，而這就要求衛星有效載荷提高，因此不方便通過小衛星實現。其次，由于通信鏈路距離長、傳輸延時大，通常單跳傳播存在數百毫秒的延遲，經過星上語音處理后延遲更大，當進行雙跳通信時，延時有時候達到數秒，語音通信用戶此時將難以接受。通過星上交換處理能有效解決該問題，不過會增加星群架構復雜程度、系統運營成本和風險。

經由以上分析可知，衛星通信用戶可根據上述不同的軌道特性和實際使用需求選取合適的衛星通信系統進行通信。

參考文獻

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作者簡介：郭丞，男，江西新余人，中國商用飛機有限責任公司上海飛機設計研究院工程師，雙碩士，研究方向：自動控制、通信工程。

（責任編輯：周 瓊）