中軌道地球衛星

中軌道地球衛星主要是指衛星軌道距離地球表面2000～20000km的地球衛星。它屬於地球非同步衛星，主要是作為陸地移動通信系統的補充和擴展，與地面公眾網有機結合，實現全球個人移動通信。因此，其在全球個人移動通信中具有極大的優勢。

中軌道衛星兼具靜止軌道和低軌道地球衛星的優點，可實現真正的全球覆蓋和更有效的頻率復用。其缺點是需要部署大量的衛星，衛星的組網技術和控制切換等比較複雜，投資高，風險大。

國際上推出的主要用於民用通信用的中軌道通信衛星系統計有美國摩托羅拉的銥星系統（iridium）、全球星系統（Global Star）和國際海事衛星組織的P-21系統等。銥星系統由於主導設計思想和經營管理方面的問題已於2000年3月停止運行， 而後兩者仍在使用中。

基本介紹

• 中文名：中軌道地球衛星
• 外文名：Medium orbit earth satellite
• 簡稱：MEO
• 領域：航空航天
• 核心釋義：距離地表2000～20000km的衛星
• 主要功能：移動通信

衛星軌道分類

根椐衛星運行軌道距離地球表面的高度.通常可以將衛星軌道分為以下4類，圖1-9給出了這幾種衛星軌道的大致情況。

(1)低軌道（LEO，Low Earth Orbit）：距離地球表面為700～1500km。

(2)中軌道（MEO,Medium Earth Orbit)：距離地球表面10000km左右。

(3)高橢圓軌道（HEO.High Elliptic Orbit)：距離地球表面的最近點為1000～21000km,最遠點為39500-50600km。

(4)靜止軌道（GEO,Geostationary Earth Orbit)：距離地球表面35786km。

代表衛星介紹

有代表性的中軌道(MEO)衛星主要有lnmarsat-P、Odyssey、MAGSS-14等。Odyssey(奧德賽)系統由TRW空間技術集團公司推出。它由12顆高度約為10000km的衛星分布在傾角55°的3個軌道平面上構成，使用L/S/Ka頻段，每顆衛星具有19個波束，總容量為2800個話路，系統可為100個用戶提供一條電路，12顆衛星可在全球範圍內為280萬用戶提供服務。系統建設費用約為27億美元，衛星的設計壽命為12～15年，1997年投入使用。Inmarsat-P系統(第三代國際海事衛星)是國際海事衛星組織制定的稱作“Project-21”計畫，準備90年代後期耗資10億美元建造一個全新結構的21世紀全球個人衛星移動通信系統。第一、二代海事衛星只使用靜止軌道衛星．只能覆蓋地球緯度70°以上的地區。第三代海事衛星採用同步和中軌道衛星結合的方案，它採用的4顆同步衛星，有超過10米的大天線，並有星上處理功能，可一跳實現手持機之間的通信。中軌道部分由12顆高度約為10000km的衛星構成，也有星上處理功能。系統服務目標是在服務區的各種環境條件下，90%的情況下能看到衛星，此時利用0．25～0．4W發射功率的手持機，通信可靠度為95%，手持機尺寸為300cm³，重300g，零售價為1500美元，系統總投資為25億美元。Inmarsat-P的合作夥伴有Comsat、Hughes、Matra Marcom、Nokia、Ericssion、NEC等，1998～2000年投入使用，壽命為11年，電話費每分鐘2美元。MAGSS-14是歐洲宇航局開發的中軌道全球衛星移動通信系統。它由14顆衛星組成，衛星高度為10354公里，分布在7個軌道平面上，軌道傾角為56°。該角度對中緯度的覆蓋是最優的，它可保證用戶看到一顆衛星的最小仰角為28.5°。在這個高度上，衛星沿軌道旋轉一周的時間為四分之一個恆星日(23小時56分)。這個4:1的諧率使得衛星的地面軌道每天重複，為動態星座(DSC)提供了一些有用的網路覆蓋特性。當用戶仰角為28.5°時，最大傾斜路徑長為12500km，由此推算出來的衛星覆蓋區半徑4650km。衛星運動使得一個地球站與一顆星的平均可見時間長達100min。每顆星有37個波束，可覆蓋全球。

工作原理

中軌道地球衛星主要用於全球個人移動通信功能。下面以Odyssey衛星移動通信系統為例介紹其工作原理。

系統簡介

TRW公司推出的中軌道Odyssey系統的網路結構主要包括空間段、地面段和用戶單元三部分。Odyssey系統的星座採用12顆衛星，分布在傾角為55°的3個軌道平面上，軌道高度為10354km。衛星與地面站之間採用Ka頻段，下行為19.70～20.0GHz，上行為29.50～29.84GHz，可用頻寬340MHz，採用線性極化。衛星與用戶單元之間，下行採用L頻段1610～1626.5MHz，上行採用S頻段2483.5～2500MHz，可用頻寬7.5MHz，採用左旋圓極化。系統的基本設計將基於CDMA方式，系統將可用的7.5MHz頻寬分3段，擴頻頻寬為2.5MHz。該系統計畫採用多波束天線方向圖指向地面，姿態控制系統決定衛星的指向，以確保對陸地和海區的連續覆蓋。地面控制也可對指向進行程控，以保證對需求的業務區的最佳覆蓋。每顆衛星可提供19(或擴展到37)個波束，總容量為2800條電路。全系統共需設定16個地面站，每個地面站有多個關口站與PSTN相連，無星間鏈路及星上處理，衛星只作為一個彎管——簡單的轉發器和矩陣放大器，以保證動態地將功率傳送到高需求區。衛星發射重量為1917kg，太陽能電池最大可提供3126w。

Odyssey系統可作為現存陸地蜂窩移動通信系統的補充和擴展，支持動態、可靠、自動、用戶透明的服務。系統地面段包括衛星管理中心、服務運作中心、地球站、關口站、地面網路等。

系統最主要的用戶終端是手持機。手持機的設計在許多方面決定整個系統的特性，其最大EIRP決定了衛星的G/T值，進而決定了衛星的點波束數量和衛星每信道的功率，也就間接地決定了衛星的大小和成本。0dyssey系統的手持機採用雙模式工作。可以同時在Odyssey系統和陸地蜂窩系統中使用，並可自動切換。在Odyssey系統中使用時，其發射功率大於0.5W，採用4800bps話音編碼，調製方式為CDMA/QPSK，接收機靈敏度為-133～-100dBm。系統可提供各種業務，包括話音、傳真、數據、尋呼、報文、定位等。手持機的數據速率可達2.4kbps，還可提供4.8～19.2kbps的數據速率。

空間段

完整的Odyssey系統星座共有12顆衛星，置於高10354km的圓形軌道上。系統有3個軌道平面，每軌道有4顆星，傾角為55°。傾斜軌道的好處是衛星在所有高度上，在多數時間裡在所有緯度區均能提供高仰角，可以部分星座開始業務。當增加衛星時，仰角越高，覆蓋越寬，可發展多樣化業務。如採用分集接收方式，可進一步提高通過建築物視窗的能力。Odyssey系統星座能做到在全球任何地方都可看到兩顆衛星，只發射6顆衛星就可以開始單星業務。圖7.1給出Odyssey系統的傾斜軌道示意。Odyssey能向大多數陸地地區提供直接覆蓋。

(1)天線設計及覆蓋

每顆衛星產生一個多波束的天線方向圖，並將其確定的覆蓋區分成一組連續的小網孔。一般這些網孔覆蓋一個或多個居民密度大的區。因此，衛星天線要設計成僅能為可見到衛星的部分地區提供覆蓋。天線固定地安裝在衛星星體上，在一顆衛星被分配給一個特別地區期間，要能控制衛星姿態，使得天線保持指向要求的方向。控制天線是Odyssey衛星系統的一個重要的特點，它帶來了許多獨特的好處。

為使天線波束覆蓋區和地面業務區範圍最佳匹配，Odyssey系統進行了大量努力，在任何時候，多數衛星主要為陸地區和海洋區提供服務。在一顆衛星移動到下一個指定區上空之前的過渡期內，使用附加衛星。話務在上升的衛星上建立，在下降的衛星上中斷。移動用戶一般呼叫持續期只有2～3min，任何地區可見每顆衛星的時間幾乎達2h，但衛星僅在提供最高仰角的一段時間內才被使用。衛星的控制為限定符合要求的業務區提供了滿意的靈活性。

由於上、下行鏈路都採用了單獨的功率控制，所以Odyssey衛星系統可為每個用戶提供較高的鏈路餘量。衛星每一分鐘只移動1°，這樣衛星幾乎固定地對著用戶。衛星連續地調整指向，可保證通信並不因切換和交換而中斷。採用可控指向，大多數用戶在一次通話時間裡只需一顆衛星單獨的一個波束為其服務。這就大大簡化了手持機的控制，降低了通話中斷機率。衛星還提供交叉覆蓋，使新用戶能通過正在升高的衛星進行通信。

(2)星上設備

衛星平台是TRW公司的高級星體(AB940)，Odyssey最初向FCC申請時天線波束為19個，擴展業務後最大為37個。表7.1給出衛星平台的幾個重量和功率負載參數。

衛星上L頻段的天線反射器直徑2.5m，S頻段的天線反射器直徑1.6m，兩副Ka頻段天線安裝在面向地球的支撐板上。

Odyssey衛星對正向和反向鏈路採用一種傳統的轉發器信道結構，圖7.2中給出這種轉發器的簡化框圖，備份路徑沒有標出。在反向鏈路中，37個接收波束中每個波束的信號都饋送到低噪聲放大器(LNA)，接著上變頻至Ka頻段，再由一台大功率放大器放大，然後對準地面站天線發射出去。正向鏈路把信號傳送到用戶，並對衛星接收地面站天線的Ka頻段信號進行下變頻、濾波、放大，然後將它們饋送至S頻段天線。中心饋電單元要組合起來，以提供32維等通量(isoflux，即遠用戶和近用戶的功率流密度大致相同)波束。為實現高效率，各發射信道配置了能工作在飽和點附近的功率放大器，轉發器採用了4個矩陣放大器提供動態容量分布。混合網路允許網路把高達25%的衛星傳送功率按規定線路送入一個單獨的波束。通過把衛星定位和控制在需求業務地區的上空，就可將高達75%的容量提供給覆蓋面積只占一顆衛星服務區10%的某地。所有功率控制都是在地面上進行的，衛星通信電子設備把功率自動地送到需要的地方，每顆星至少能提供近3000路話給指定的地區。

地面段

Odyssey衛星系統按計畫要求，每個地區設定一個地球站。分布在全球的地球站總數為10～11個，各地面站配置4副5m直徑的跟蹤天線，每副天線相隔30km，其中3副天線可以與許多衛星同時通信，第4副天線用來跟蹤捕獲一顆輔助衛星，用來實現從一顆衛星切換到另一顆衛星而不至於中斷通信的功能。如果發生暴雨，由於暴雨區的典型直徑小於30km，所以第四副天線還可提供分集接收功能。

Odyssey系統通過消除GEO衛星的雙向單跳400ms傳輸延時，解決同步軌道的時延問題。通過Odyssey網路的總延時，包括話音處理延時，用戶是感覺不出來的。另外，較少的星座和數量相對少的地面站使空間部分的操作費用降至最低。衛星具有自控功能，因此無需實時指令。

用戶終端

Odyssey衛星移動通信系統的用戶終端以手持機為主，在用戶的合作下，在稠密建築物的市區里也能提供適中的但可接受的服務，尋呼功能仍有20dB的附加餘量。

手持機主要的設計出發點就是實用簡單、成本低。用戶會發現在Odyssey衛星移動通信系統中實用的用戶終端和目前陸地蜂窩移動通信系統的手持機沒有明顯差別。Odyssey系統的用戶終端是一種蜂窩手持機的改進型，它既可工作在蜂窩頻率上，又可工作在衛星頻率上。odyssey手持機將採用四線螺旋天線。

Odyssey手持機的平均發射功率約為0.1W。這樣的發射功率對於傳送話音和數字數據是綽綽有餘的，傳送和接收鏈路預算還有6～10dB的餘量，以應付由降雨、植物阻擋等引起的鏈路附加損耗。這裡需指出的是，由於odyssey系統採用高仰角工作，其路徑損耗所要求的餘量比工作在低仰角的LEO系統所要求的要小。

Odyssey手持機可與各種陸地蜂窩系統信令格式兼容。這種兼容性是靠把超大規模積體電路微電子晶片套用在手持機上實現的。利用這種晶片，可使Odyssey與蜂窩互通，並與世界各地的標準相匹配。在歐洲可與GSM互通，在美國可與ADS、AMPS互通。

優勢分析

靜止、中、低三種軌道類型比較表

軌道類型	低	中	靜止
衛星數	數十至數百	一般12	3
空間段成本	最高	最低	中等
衛星壽命（年）	3～7	10～15	10～15
地面通路成本	最高	中等	最低
手持機工作	可以	可以	不能
傳輸延時	覺察不到	覺察不到	差
仰角	差	最好	好
鏈路餘量	10～16dB	7dB	6dB
操作	複雜	中等	最簡單
呼叫轉移	頻繁	稀少	無
建築穿透力	有限	有限	無
階段性啟用	無	可以	可以
開發時間	長	短	長
部署時間	長	中等	短
技術風險	高	低	中等