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第13章卫星星座设计;
早期发射的卫星由于火箭推力的限制,往往将单颗卫星送入较低高度(几百千米至几千千米)的卫星轨道,在这些轨道上运行的卫星与地球之间存在快速的相对运动关系,如苏联的第一颗人造卫星Sputnik(见图13-1)的轨道高度为567km,其卫星轨道参数和特性参见第1、2章的内容。;
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13.1辐射影响;
地球的液体核和固体核外部硬壳之间的相对运动产生了地磁场。图13-2给出了磁场线绕地球伸展的情况。;
一般在距离地球很近的地方磁场线呈对称均匀分布,而在距离地球较远的地方,由于从太阳流向地球的能量流与地磁场之间互感的影响,地磁线变形了。在很远的地方,太阳与地磁相遇的地方称为弓形冲波,很像集中于飞机翅膀下的压力波。另一方面,地球的磁极和地极不一致,因此磁赤道(磁纬度)和地理赤道(地理纬度)是不一样的。地磁纬度的计算式为
其中,α为地理纬度,β为地理经度。;
太阳黑子的周期变化会导致空间辐射环境的大幅度波动。虽然纬度、高度、轨道倾角都会引起辐射环境的很大变化,但是在实际中通常只考虑辐射效应更为集中的两个范·艾伦辐射带。被捕获的电子和质子沿着图13-3所示的磁力线向北或向南运动。磁力线在磁极附近被反射;统计上,它们在赤道附近停留的时间比在磁极处停留的时间要长。因而,范·艾伦辐射带围绕在地磁赤道附近,卫星的位置离辐射带中心越近,在空间停留的时间越长,总辐射就越强。;
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选择一条辐射强度衰减的轨道,能降低辐射的潜在危害。在这一条件不具备的轨道上,卫星就要选用防辐射器件,或者采用适当的屏蔽。这两种选择的成本都很高,前者是因为制造成本很高,后者是因为辐射屏蔽很重。随着电子器件的发展,电子器件可以承受的辐射总剂量增大了。但是,对于许多卫星组成的星群来说,要使所有器件达到较高的防辐射能力,就要开发新的技术。目前一些新的、成本相对较低的生产工艺已经问世,这些生产工艺能使总剂量降低,且在防“单数值翻转”方面也可以加以利用。;
13.2卫星轨道;
位于同旋近赤道轨道内的卫星有两个周期:一个是参照惯性空间(??河背景)的真实轨道周期,另一个是以地球上的静止物体为参照物的直观轨道周期。真实轨道周期由式(22)给出,而对于地球上静止的观测者来说,直观轨道周期P为;
一个精确的恒星日为23.9344h,精确计算时可以用它来代替式(13-2)中的数值24。表13-1给出了不同的轨道高度与仰角对应的不同P和T。表13-1还给出了卫星相对于观测者的可见时间,此处没有考虑大气折射效应,并假定通信仰角可以达到0°。轨道高度与可见范围见图13-4。;;
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13.2.2对地静止轨道
如表13-1所示,当近赤道轨道卫星的轨道高度为35786km时,其轨道周期与地球自转周期相同,地面观测者与卫星的相对运动速度为零,因此称该类卫星轨道为对地静止轨道(GEO)。世界早期的通信卫星均采用对地静止轨道,后续建立的跟踪与中继卫星系统、DBS卫星系统、VSAT卫星系统等也采用GEO轨道。单颗GEO卫星的最大覆盖范围参见示意图13-5。;
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13.2.3倾斜圆轨道
LEO和MEO卫星星座常常采用倾斜圆轨道(简称倾斜轨道)。倾斜轨道的倾角越大,卫星在飞行中扫过的地球表面积就越大,如图13-6所示。;
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例如,若LEO卫星位于相对于赤道30°倾角的轨道上,则卫星会在某个时刻扫过南北纬约30°之间的某个区域,倾斜轨道LEO卫星的覆盖范围就是距离赤道约±30°的地表带,
其大小由轨道高度和卫星天线波束宽度决定。倾斜轨道上的LEO卫星围绕地球一周的时间为90~100min,当卫星下一次旋转到地球的同一侧时,地球上的地面站已经不在原来的位置了。因此往往采用同一轨道面内多颗卫星的空间构型,这些卫星相距一定角度。如图13-7所示,星座包含4颗LEO卫星,轨道面内的相邻卫星之间间隔90°。;
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倾斜轨道卫星和地面站之间传输数据时,最简单、成本最低的方法是当卫星处于地面站视线外的轨道上空时,卫星先将所需要的数据存储起来,当卫星进入地面站的视线范围
内时,卫星将数据迅速传递给地面站,这种方法称为前向存储,一些LEO系统(如Orbcomm卫星系统)就具备此项功能。也就是说,当地面用户不能经由Orbcomm卫星建
立起与地面站之间的联系时,将信息存储直至地面站进入卫星的视野后再发送。卫星通信的下行链路传输速率很快,这样才能保证LEO卫星中存储的信息在进入地面站视线范围
内时快速传送给地面站。;
位于同一轨道面内的相邻的两个卫星之间可以建立星间链路(ISL,InterSatelliteLink),使LEO卫星数据
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