不同衛(wèi)星軌道對地覆蓋效果淺析

葉淋美，朱 杰，薛 珂

（國家無線電監(jiān)測中心福建監(jiān)測站，福建 廈門 361000）

1 軌道元素

軌道元素是一組用來描述衛(wèi)星軌道形狀、位置及運動等屬性的參數(shù)，有時稱其為軌道根數(shù)，其組合并不固定，可以根據(jù)不同類型的衛(wèi)星軌道或者為了能夠更好地描述衛(wèi)星運動進行調(diào)整。通?？梢杂梦鍌€常數(shù)和一個隨時間變化的參數(shù)來完整描述一個軌道，稱之為經(jīng)典軌道元素。經(jīng)典軌道元素名稱、定義、取值范圍以及與地球之間的三維關(guān)系如表1和圖1所示。

表1 經(jīng)典軌道元素

圖1 衛(wèi)星軌道元素三維圖

有時，特殊軌道如圓形軌道沒有近地點，也就沒有以近地點為參考的近地點角度和真近點角。因此，會引入一些替代軌道元素，如表2所示。

表2 其他軌道元素

2 不同軌道的地面覆蓋特點

根據(jù)衛(wèi)星軌道高度可以將衛(wèi)星軌道分為：高軌道、中軌道和低軌道，各類軌道的典型衛(wèi)星如圖2所示。為了簡化討論，這里描述的多為圓形軌道。

圖2 典型衛(wèi)星軌道高度

2.1 高軌道衛(wèi)星（GEO）

2.1.1 地球同步軌道

地球同步軌道定義為周期約為24 h 的軌道，軌道高度約為36 000 km。地球同步衛(wèi)星分為同步軌道靜止衛(wèi)星、傾斜軌道同步衛(wèi)星和極地軌道同步衛(wèi)星，三顆同步軌道靜止衛(wèi)星即可實現(xiàn)全球地面覆蓋。

2.1.2 地球傾斜同步軌道和極地同步軌道

傾斜軌道同步衛(wèi)星軌道傾角與地球赤道面存在夾角，其地面星下點軌跡不再是一個靜止的點。圖3模擬了軌道傾角為30°，50°，70°和85°時，地球同步傾斜軌道衛(wèi)星地面軌跡呈“8”字形。當(dāng)傾斜軌道傾角接近90°時，稱之為極地同步軌道。從地球上看，每天衛(wèi)星在同一時間經(jīng)過同一位置，因此，這兩類軌道衛(wèi)星通常用于科研、氣象等信息搜集或者高緯度地球的通信。

圖3 地球同步傾斜軌道衛(wèi)星覆蓋軌跡

2.2 中軌道衛(wèi)星（MEO）

中高度軌道 衛(wèi)星速度比地球自轉(zhuǎn) 速度快，其地面軌 跡不再是與地球自轉(zhuǎn)周期相同的圓周。以MEO 通信衛(wèi)星O3b 系統(tǒng)為例，衛(wèi)星軌道是高度約為8 000km 的圓形赤道軌道，如圖4所示，O3b_FM9（藍色線）單次地面軌跡是沿著赤道平行的一條直線，運行周期小于24 h。改變軌道高度和傾角，軌道傾角增大，高緯度覆蓋效果越好；軌道高度增大，衛(wèi)星周期減小。

圖4 O3b赤道面軌道以及軌道參數(shù)變化的地面軌跡

2.3 低軌道衛(wèi)星（LEO）

低軌道衛(wèi)星與中軌道衛(wèi)星運行特點相似，但其高度更低，傳輸時延更小，衛(wèi)星通信向更高頻段演進，同等條件下，低軌道路徑損耗小，時延低，為低軌衛(wèi)星發(fā)展提供了良好的條件。缺點是地面覆蓋面積減小，需要部署大型衛(wèi)星星座才能實現(xiàn)全球覆蓋。圖5為低軌衛(wèi)星星座“新銥星”的覆蓋圖。由于低軌衛(wèi)星高度較低（新銥星700 km），衛(wèi)星過境速度快，實現(xiàn)長時間連續(xù)通信需要頻繁的衛(wèi)星切換，因此衛(wèi)星通信系統(tǒng)（包括衛(wèi)星和終端）的處理能力要求更高。同時，與地面網(wǎng)絡(luò)的通聯(lián)的信關(guān)站數(shù)量要求也更多。

圖5 新銥星星座覆蓋效果

2.4 特殊軌道

2.4.1 太陽同步軌道（SSO）

SSO 衛(wèi)星的軌道平面和太陽始終保持相對固定的取向，軌道傾角接近90°，衛(wèi)星在兩極附近通過，因此又稱之為近極地太陽同步衛(wèi)星軌道。為使軌道平面始終與太陽保持固定的取向，軌道平面每天平均向地球公轉(zhuǎn)方向（自西向東）移動0.9856°（即360°/y）。這種運動SSO 軌道上衛(wèi)星的太陽光在任務(wù)持續(xù)時間內(nèi)保持大致相同。例如，一顆高度為800 km 的SSO 衛(wèi)星必須具有98.6°的傾斜度，才能與軌道保持恒定的太陽角。SSO軌道衛(wèi)星地面覆蓋與低軌道地面覆蓋特點基本一致，但其軌道傾角一般為大于90°的逆行軌道，星下點軌跡如圖6所示。目前，SSO 是地球科學(xué)和國家安全任務(wù)中最常用的軌道之一。

圖6 SSO軌道衛(wèi)星覆蓋軌跡

2.4.2 高橢圓軌道（Molniya）

對地靜止軌道衛(wèi)星停在赤道上方對位于高緯度地區(qū)通信而言，仰角較低，需要較大功率，覆蓋效果不佳。如圖7 所示，Molniya 軌道可以很好地觀測高緯度，提供了一種有用的靜止軌道替代方法。由于地球引力作用，Molniya 軌道衛(wèi)星在相關(guān)半球的停留時間較長，另一半軌道 上的移動速度非?？臁Ｒ活wMolniya 軌道衛(wèi)星需要12 h，但它在一個半球上花費了大約三分之二的時間，Molniya 軌道衛(wèi)星每24 h 經(jīng)過同一條路徑[1]。圖8為Molniya 軌道衛(wèi)星高緯度覆蓋軌跡，對于在極北或極南的通信很有用。Molniya 軌道上的衛(wèi)星在高緯度中的用途與對地赤道地區(qū)的對地靜止衛(wèi)星相同。俄羅斯通信衛(wèi)星和小天狼星無線電衛(wèi)星目前使用這種軌道。

圖8 Molniya軌道衛(wèi)星覆蓋軌跡

3 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座覆蓋分析

近年來，如Starlink 大型低軌互聯(lián)網(wǎng)通信衛(wèi)星星座相繼建立，為實現(xiàn)全球覆蓋，這些星座以多種軌道組合（不同軌道高度、傾角），表3所示為Starlink星座軌道部署。

表3 Starlink星座軌道參數(shù)[2]

隨機選取當(dāng)前Starlink 在軌運行的若干顆衛(wèi)星，利用衛(wèi)星應(yīng)用軟件進行覆蓋效果仿真，當(dāng)衛(wèi)星數(shù)量為1、2和3時地面24小時的覆蓋軌跡如圖9所示?？梢酝茰y隨著衛(wèi)星數(shù)量的增多，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)部署密集程度大大增加，通信覆蓋能力顯著增強。

圖9 分別為1、2、3顆衛(wèi)星24小時內(nèi)地面覆蓋軌跡效果

圖10為廈門地區(qū)對目前在軌的Starlink 星座進行10 min 衛(wèi)星過境軌跡跟蹤覆蓋效果，統(tǒng)計約有57顆衛(wèi)星在此期間覆蓋該位置，覆蓋時間最短41.55 s，最長10 min。該類型軌道衛(wèi)星在高緯度區(qū)域覆蓋比低緯度區(qū)域更加密集，衛(wèi)星軌跡方向具有明顯特征，這與軌道元素設(shè)計密切相關(guān)。未來，待該星座部署逐步完善，將形成多張有明顯規(guī)律的“織網(wǎng)”覆蓋在地球上空。

圖10 Starlink星座某一時刻衛(wèi)星過境軌跡跟蹤（10 min）

4 結(jié)束語

隨著低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星大量涌入太空，各大星座如同一張張編織網(wǎng)將地球表面層層包裹，使得地面電磁環(huán)境愈加復(fù)雜，地球外空間軌道碎片問題更加嚴(yán)峻。從衛(wèi)星運營者角度，在衛(wèi)星發(fā)射和運營成本高、衛(wèi)星空間資源有限的前提條件下，設(shè)計合適目標(biāo)覆蓋區(qū)域和過境時間的衛(wèi)星軌道，是最大化提升衛(wèi)星工作效能的關(guān)鍵步驟。從衛(wèi)星地面系統(tǒng)部署角度，掌握衛(wèi)星軌道覆蓋規(guī)律，才能進行合理的衛(wèi)星測控和通聯(lián)。從衛(wèi)星系統(tǒng)用戶體驗角度，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)覆蓋率與衛(wèi)星終端通信效果息息相關(guān)，未來多家衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)市場競爭下，用戶體驗效果也將得到提升。