卫星通信系统轨道类型研究

摘要：卫星运行的轨迹和趋势称为卫星运行轨道，其轨道近似于椭圆或者圆形，地球就处于椭圆的焦点或圆心上。卫星通信系统的轨道可以从不同角度进行分类。文章选择轨道高度这一分类，通过分析对比各个卫星，探讨了各高度轨道卫星的应用情况。

关键词：卫星通信系统；卫星运行轨道；轨道类型；轨道高度；卫星通信用户 文献标识码：A

中图分类号：TN929 文章编号：1009-2374（2015）27-0010-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.27.006

1 概述

卫星运行的轨迹和趋势称为卫星运行轨道，其轨道近似于椭圆或者圆形，地球就处于椭圆的一个焦点或圆心上。卫星轨道类型是根据其需要完成的任务决定的，同时卫星轨道的特性也决定了其任务特性。

2 按轨道形状分类

可分为圆形轨道和椭圆轨道。圆形轨道上的卫星围绕地球匀速运动，通信卫星最常用该轨道；椭圆轨道在近地点运行速度快，在远地点运行速度慢，可利用在远地点速度慢这一特点来满足特定区域，特别是调整轨道参数满足地球高纬度区域的通信需要。

3 按轨道高度分类

可分为中轨（MEO）、低轨（LEO）和高轨（HEO）。

中轨卫星通信系统轨道高度为8000～20000km，兼有低轨和高轨系统的折中性能，中轨卫星组成的星座能实现全球覆盖，信号传播衰减、延时和系统复杂度等均介于低轨和高轨系统之间。

低轨卫星通信系统轨道高度为700～2000km，卫星对地球的覆盖范围很小，可用于特种通信或由多颗卫星组成星座，卫星之间由星际链路连接，实现全球的无缝覆盖通信。例如，铱星系统是轨道高度为780km，由66颗卫星（另13颗备份）组成的星座通信系统。低轨系统具有信号传播衰减小、延时短、可实现全球覆盖的优点，不过实现的技术复杂，运行维护成本高。此外，随着轨道的降低，大气阻力成为影响卫星轨道参数的重要因素。一般来讲，当卫星轨道高度低于700km时，大气阻力对轨道参数的影响比较严重，修正轨道参数会影响卫星的寿命。当轨道高度高于1000km时，大气阻力的影响可以忽略。

高轨卫星通信系统轨道高度在35786km的地球同步轨道（GSO），卫星位于最常用的赤道平面。高轨系统单颗卫星覆盖范围大，传播信道稳定，理论上3颗卫星便可覆盖两极之外的所有地区。但高轨系统传播信号衰减大、延时长，只有一个轨道平面，因而容纳的卫星数量有限。目前运营中的IntelSat、InmarSat、Thuraya等系统都是高轨系统。大椭圆轨道可为高纬度地区提供高仰角通信，对地理上处于高纬度的地区是很好的选择。

图1 高轨卫星通信系统波束覆盖情况

4 按轨道倾角分类

可分为赤道轨道、极轨道和倾斜轨道。赤道轨道的倾角为0?，当轨道高度为35786km时，卫星运行速度与地球的自转速度相同，从地球看上去，卫星处于“静止”状态，这也是通常所讲的静止轨道。当卫星轨道倾角与赤道成90?时，卫星穿越两极，因此也叫极轨道。当卫星轨道倾角不是0?或90?时，称为倾斜轨道。不过，一般而言，通信卫星都是采用顺行轨道。

5 按星下点轨迹分类

如果在卫星和地心之间做一条连线，该连线与地面的交点就叫做星下点，在这些星下点连接起来就是星下点轨迹。由于在卫星围绕地球转动的同时，地球本身也在自转，所以卫星绕地球运行的星下点轨迹不一定每一圈都是重复的。将星下点轨迹在M个恒星日绕地球N圈后重复的轨道叫做回归/准回归轨道（这里M、N是整数），其余的轨道叫做非回归轨道。M=1叫回归轨道；M>1叫准回归轨道。

轨道类型之间一般还会有混合交叉，所以分类只是对卫星轨道观察角度的不同。

6 对比分析

篇幅所限，现仅就按轨道高度分类的卫星通信系统，给出如下分析：

6.1 低轨（LEO）

传输延时和功耗都较小，但每颗星的覆盖范围也较小，典型系统如铱星系统。支持多跳卫星通信，链路损耗较小，因而对卫星及其用户终端的要求不高，微型或者小型卫星和用户终端就方便使用。低轨的代价是构成全球系统的卫星数量高达数十颗，如铱星系统有66颗卫星、Teledisc有288颗卫星、Globalstar有48颗卫星。由于低轨卫星运行速度比较快，对于某一特定的终端用户来说，从地平线升起至落到地平线之下卫星暴露在视野中的时间短，载波和卫星之间的切换比较频繁，因此，低轨系统组成和控制技术复杂、运营风险大、建设成本高。

6.2 中轨（MEO）

传输延时要大于低轨卫星，但覆盖范围也更大。中轨系统是同步卫星系统和低轨系统的折衷，兼有两者优点，又克服两者不足，仍可采用简单的小型卫星。若均采用星际链路传输信号，远距离通信时，中轨系统在星际链路上的延时会比低轨系统的低。而且由于中轨系统轨道比低轨系统轨道高很多，单颗卫星覆盖的范围远高于低轨系统，当轨道高度达到10000km时，单颗卫星可覆盖23.5%地球表面，因而只需要少数几颗卫星就可以达到全球覆盖。十几颗卫星就能提供对全球绝大部分地区的双重覆盖，系统的可靠性可以通过分集接收系统实现，系统成本也要低于低轨系统。因此，中轨系统在建立全球覆盖方面是较为优越的方案。不过如果地面终端需要宽带业务，此系统实现上会有一定困难，低轨系统宽带业务方面较中轨系统优越。

6.3 高轨（HEO）

即地球同步静止轨道。3颗高轨道卫星就基本可以实现全球覆盖。传统的同步卫星通信系统在技术上最为成熟，但是，同步卫星的缺点是较长的传播延时和较大的链路损耗，在进行移动卫星通信业务方面存在缺陷。首先，同步卫星轨道高，链路上损耗大，对用户终端的接收性能要求高。该系统难于应用移动终端通过卫星进行通信，这时只有采用L波段天线，而这就要求卫星有效载荷提高，因此不方便通过小卫星实现。其次，由于通信链路距离长、传输延时大，通常单跳传播存在数百毫秒的延迟，经过星上语音处理后延迟更大，当进行双跳通信时，延时有时候达到数秒，语音通信用户此时将难以接受。通过星上交换处理能有效解决该问题，不过会增加星群架构复杂程度、系统运营成本和风险。

经由以上分析可知，卫星通信用户可根据上述不同的轨道特性和实际使用需求选取合适的卫星通信系统进行通信。

参考文献

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作者简介：郭丞，男，江西新余人，中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院工程师，双硕士，研究方向：自动控制、通信工程。

（责任编辑：周 琼）