摘要：衛(wèi)星運(yùn)行的軌跡和趨勢(shì)稱為衛(wèi)星運(yùn)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(diǎn)或圓心上。衛(wèi)星通信系統(tǒng)的軌道可以從不同角度進(jìn)行分類。文章選擇軌道高度這一分類，通過(guò)分析對(duì)比各個(gè)衛(wèi)星，探討了各高度軌道衛(wèi)星的應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星通信系統(tǒng)；衛(wèi)星運(yùn)行軌道；軌道類型；軌道高度；衛(wèi)星通信用戶 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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

1 概述

衛(wèi)星運(yùn)行的軌跡和趨勢(shì)稱為衛(wèi)星運(yùn)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(gè)焦點(diǎn)或圓心上。衛(wèi)星軌道類型是根據(jù)其需要完成的任務(wù)決定的，同時(shí)衛(wèi)星軌道的特性也決定了其任務(wù)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(wèi)星圍繞地球勻速運(yùn)動(dòng)，通信衛(wèi)星最常用該軌道；橢圓軌道在近地點(diǎn)運(yùn)行速度快，在遠(yuǎn)地點(diǎn)運(yùn)行速度慢，可利用在遠(yuǎn)地點(diǎn)速度慢這一特點(diǎn)來(lái)滿足特定區(qū)域，特別是調(diào)整軌道參數(shù)滿足地球高緯度區(qū)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(wèi)星通信系統(tǒng)軌道高度為8000～20000km，兼有低軌和高軌系統(tǒng)的折中性能，中軌衛(wèi)星組成的星座能實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，信號(hào)傳播衰減、延時(shí)和系統(tǒng)復(fù)雜度等均介于低軌和高軌系統(tǒng)之間。

低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)軌道高度為700～2000km，衛(wèi)星對(duì)地球的覆蓋范圍很小，可用于特種通信或由多顆衛(wèi)星組成星座，衛(wèi)星之間由星際鏈路連接，實(shí)現(xiàn)全球的無(wú)縫覆蓋通信。例如，銥星系統(tǒng)是軌道高度為780km，由66顆衛(wèi)星（另13顆備份）組成的星座通信系統(tǒng)。低軌系統(tǒng)具有信號(hào)傳播衰減小、延時(shí)短、可實(shí)現(xiàn)全球覆蓋的優(yōu)點(diǎn)，不過(guò)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)復(fù)雜，運(yùn)行維護(hù)成本高。此外，隨著軌道的降低，大氣阻力成為影響衛(wèi)星軌道參數(shù)的重要因素。一般來(lái)講，當(dāng)衛(wèi)星軌道高度低于700km時(shí)，大氣阻力對(duì)軌道參數(shù)的影響比較嚴(yán)重，修正軌道參數(shù)會(huì)影響衛(wèi)星的壽命。當(dāng)軌道高度高于1000km時(shí)，大氣阻力的影響可以忽略。

高軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)軌道高度在35786km的地球同步軌道（GSO），衛(wèi)星位于最常用的赤道平面。高軌系統(tǒng)單顆衛(wèi)星覆蓋范圍大，傳播信道穩(wěn)定，理論上3顆衛(wèi)星便可覆蓋兩極之外的所有地區(qū)。但高軌系統(tǒng)傳播信號(hào)衰減大、延時(shí)長(zhǎng)，只有一個(gè)軌道平面，因而容納的衛(wèi)星數(shù)量有限。目前運(yùn)營(yíng)中的IntelSat、InmarSat、Thuraya等系統(tǒng)都是高軌系統(tǒng)。大橢圓軌道可為高緯度地區(qū)提供高仰角通信，對(duì)地理上處于高緯度的地區(qū)是很好的選擇。

圖1 高軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)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(dāng)軌道高度為35786km時(shí)，衛(wèi)星運(yùn)行速度與地球的自轉(zhuǎn)速度相同，從地球看上去，衛(wèi)星處于“靜止”狀態(tài)，這也是通常所講的靜止軌道。當(dāng)衛(wèi)星軌道傾角與赤道成90?時(shí)，衛(wèi)星穿越兩極，因此也叫極軌道。當(dāng)衛(wèi)星軌道傾角不是0?或90?時(shí)，稱為傾斜軌道。不過(guò)，一般而言，通信衛(wèi)星都是采用順行軌道。

5 按星下點(diǎn)軌跡分類

如果在衛(wèi)星和地心之間做一條連線，該連線與地面的交點(diǎn)就叫做星下點(diǎn)，在這些星下點(diǎn)連接起來(lái)就是星下點(diǎn)軌跡。由于在衛(wèi)星圍繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，地球本身也在自轉(zhuǎn)，所以衛(wèi)星繞地球運(yùn)行的星下點(diǎn)軌跡不一定每一圈都是重復(fù)的。將星下點(diǎn)軌跡在M個(gè)恒星日繞地球N圈后重復(fù)的軌道叫做回歸/準(zhǔn)回歸軌道（這里M、N是整數(shù)），其余的軌道叫做非回歸軌道。M=1叫回歸軌道；M>1叫準(zhǔn)回歸軌道。

軌道類型之間一般還會(huì)有混合交叉，所以分類只是對(duì)衛(wèi)星軌道觀察角度的不同。

6 對(duì)比分析

篇幅所限，現(xiàn)僅就按軌道高度分類的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，給出如下分析：

6.1 低軌（LEO）

傳輸延時(shí)和功耗都較小，但每顆星的覆蓋范圍也較小，典型系統(tǒng)如銥星系統(tǒng)。支持多跳衛(wèi)星通信，鏈路損耗較小，因而對(duì)衛(wèi)星及其用戶終端的要求不高，微型或者小型衛(wèi)星和用戶終端就方便使用。低軌的代價(jià)是構(gòu)成全球系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)量高達(dá)數(shù)十顆，如銥星系統(tǒng)有66顆衛(wèi)星、Teledisc有288顆衛(wèi)星、Globalstar有48顆衛(wèi)星。由于低軌衛(wèi)星運(yùn)行速度比較快，對(duì)于某一特定的終端用戶來(lái)說(shuō)，從地平線升起至落到地平線之下衛(wèi)星暴露在視野中的時(shí)間短，載波和衛(wèi)星之間的切換比較頻繁，因此，低軌系統(tǒng)組成和控制技術(shù)復(fù)雜、運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)大、建設(shè)成本高。

6.2 中軌（MEO）

傳輸延時(shí)要大于低軌衛(wèi)星，但覆蓋范圍也更大。中軌系統(tǒng)是同步衛(wèi)星系統(tǒng)和低軌系統(tǒng)的折衷，兼有兩者優(yōu)點(diǎn)，又克服兩者不足，仍可采用簡(jiǎn)單的小型衛(wèi)星。若均采用星際鏈路傳輸信號(hào)，遠(yuǎn)距離通信時(shí)，中軌系統(tǒng)在星際鏈路上的延時(shí)會(huì)比低軌系統(tǒng)的低。而且由于中軌系統(tǒng)軌道比低軌系統(tǒng)軌道高很多，單顆衛(wèi)星覆蓋的范圍遠(yuǎn)高于低軌系統(tǒng)，當(dāng)軌道高度達(dá)到10000km時(shí)，單顆衛(wèi)星可覆蓋23.5%地球表面，因而只需要少數(shù)幾顆衛(wèi)星就可以達(dá)到全球覆蓋。十幾顆衛(wèi)星就能提供對(duì)全球絕大部分地區(qū)的雙重覆蓋，系統(tǒng)的可靠性可以通過(guò)分集接收系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)成本也要低于低軌系統(tǒng)。因此，中軌系統(tǒng)在建立全球覆蓋方面是較為優(yōu)越的方案。不過(guò)如果地面終端需要寬帶業(yè)務(wù)，此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上會(huì)有一定困難，低軌系統(tǒng)寬帶業(yè)務(wù)方面較中軌系統(tǒng)優(yōu)越。

6.3 高軌（HEO）

即地球同步靜止軌道。3顆高軌道衛(wèi)星就基本可以實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。傳統(tǒng)的同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)在技術(shù)上最為成熟，但是，同步衛(wèi)星的缺點(diǎn)是較長(zhǎng)的傳播延時(shí)和較大的鏈路損耗，在進(jìn)行移動(dòng)衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)方面存在缺陷。首先，同步衛(wèi)星軌道高，鏈路上損耗大，對(duì)用戶終端的接收性能要求高。該系統(tǒng)難于應(yīng)用移動(dòng)終端通過(guò)衛(wèi)星進(jìn)行通信，這時(shí)只有采用L波段天線，而這就要求衛(wèi)星有效載荷提高，因此不方便通過(guò)小衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)。其次，由于通信鏈路距離長(zhǎng)、傳輸延時(shí)大，通常單跳傳播存在數(shù)百毫秒的延遲，經(jīng)過(guò)星上語(yǔ)音處理后延遲更大，當(dāng)進(jìn)行雙跳通信時(shí)，延時(shí)有時(shí)候達(dá)到數(shù)秒，語(yǔ)音通信用戶此時(shí)將難以接受。通過(guò)星上交換處理能有效解決該問(wèn)題，不過(guò)會(huì)增加星群架構(gòu)復(fù)雜程度、系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成本和風(fēng)險(xiǎn)。

經(jīng)由以上分析可知，衛(wèi)星通信用戶可根據(jù)上述不同的軌道特性和實(shí)際使用需求選取合適的衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行通信。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：郭丞，男，江西新余人，中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院工程師，雙碩士，研究方向：自動(dòng)控制、通信工程。

（責(zé)任編輯：周 瓊）