不同卫星轨道对地覆盖效果浅析

叶淋美，朱 杰，薛 珂

（国家无线电监测中心福建监测站，福建 厦门 361000）

1 轨道元素

轨道元素是一组用来描述卫星轨道形状、位置及运动等属性的参数，有时称其为轨道根数，其组合并不固定，可以根据不同类型的卫星轨道或者为了能够更好地描述卫星运动进行调整。通常可以用五个常数和一个随时间变化的参数来完整描述一个轨道，称之为经典轨道元素。经典轨道元素名称、定义、取值范围以及与地球之间的三维关系如表1和图1所示。

表1 经典轨道元素

图1 卫星轨道元素三维图

有时，特殊轨道如圆形轨道没有近地点，也就没有以近地点为参考的近地点角度和真近点角。因此，会引入一些替代轨道元素，如表2所示。

表2 其他轨道元素

2 不同轨道的地面覆盖特点

根据卫星轨道高度可以将卫星轨道分为：高轨道、中轨道和低轨道，各类轨道的典型卫星如图2所示。为了简化讨论，这里描述的多为圆形轨道。

图2 典型卫星轨道高度

2.1 高轨道卫星（GEO）

2.1.1 地球同步轨道

地球同步轨道定义为周期约为24 h 的轨道，轨道高度约为36 000 km。地球同步卫星分为同步轨道静止卫星、倾斜轨道同步卫星和极地轨道同步卫星，三颗同步轨道静止卫星即可实现全球地面覆盖。

2.1.2 地球倾斜同步轨道和极地同步轨道

倾斜轨道同步卫星轨道倾角与地球赤道面存在夹角，其地面星下点轨迹不再是一个静止的点。图3模拟了轨道倾角为30°，50°，70°和85°时，地球同步倾斜轨道卫星地面轨迹呈“8”字形。当倾斜轨道倾角接近90°时，称之为极地同步轨道。从地球上看，每天卫星在同一时间经过同一位置，因此，这两类轨道卫星通常用于科研、气象等信息搜集或者高纬度地球的通信。

图3 地球同步倾斜轨道卫星覆盖轨迹

2.2 中轨道卫星（MEO）

中高度轨道 卫星速度比地球自转 速度快，其地面轨 迹不再是与地球自转周期相同的圆周。以MEO 通信卫星O3b 系统为例，卫星轨道是高度约为8 000km 的圆形赤道轨道，如图4所示，O3b_FM9（蓝色线）单次地面轨迹是沿着赤道平行的一条直线，运行周期小于24 h。改变轨道高度和倾角，轨道倾角增大，高纬度覆盖效果越好；轨道高度增大，卫星周期减小。

图4 O3b赤道面轨道以及轨道参数变化的地面轨迹

2.3 低轨道卫星（LEO）

低轨道卫星与中轨道卫星运行特点相似，但其高度更低，传输时延更小，卫星通信向更高频段演进，同等条件下，低轨道路径损耗小，时延低，为低轨卫星发展提供了良好的条件。缺点是地面覆盖面积减小，需要部署大型卫星星座才能实现全球覆盖。图5为低轨卫星星座“新铱星”的覆盖图。由于低轨卫星高度较低（新铱星700 km），卫星过境速度快，实现长时间连续通信需要频繁的卫星切换，因此卫星通信系统（包括卫星和终端）的处理能力要求更高。同时，与地面网络的通联的信关站数量要求也更多。

图5 新铱星星座覆盖效果

2.4 特殊轨道

2.4.1 太阳同步轨道（SSO）

SSO 卫星的轨道平面和太阳始终保持相对固定的取向，轨道倾角接近90°，卫星在两极附近通过，因此又称之为近极地太阳同步卫星轨道。为使轨道平面始终与太阳保持固定的取向，轨道平面每天平均向地球公转方向（自西向东）移动0.9856°（即360°/y）。这种运动SSO 轨道上卫星的太阳光在任务持续时间内保持大致相同。例如，一颗高度为800 km 的SSO 卫星必须具有98.6°的倾斜度，才能与轨道保持恒定的太阳角。SSO轨道卫星地面覆盖与低轨道地面覆盖特点基本一致，但其轨道倾角一般为大于90°的逆行轨道，星下点轨迹如图6所示。目前，SSO 是地球科学和国家安全任务中最常用的轨道之一。

图6 SSO轨道卫星覆盖轨迹

2.4.2 高椭圆轨道（Molniya）

对地静止轨道卫星停在赤道上方对位于高纬度地区通信而言，仰角较低，需要较大功率，覆盖效果不佳。如图7 所示，Molniya 轨道可以很好地观测高纬度，提供了一种有用的静止轨道替代方法。由于地球引力作用，Molniya 轨道卫星在相关半球的停留时间较长，另一半轨道 上的移动速度非常快。一颗Molniya 轨道卫星需要12 h，但它在一个半球上花费了大约三分之二的时间，Molniya 轨道卫星每24 h 经过同一条路径[1]。图8为Molniya 轨道卫星高纬度覆盖轨迹，对于在极北或极南的通信很有用。Molniya 轨道上的卫星在高纬度中的用途与对地赤道地区的对地静止卫星相同。俄罗斯通信卫星和小天狼星无线电卫星目前使用这种轨道。

图8 Molniya轨道卫星覆盖轨迹

3 卫星互联网星座覆盖分析

近年来，如Starlink 大型低轨互联网通信卫星星座相继建立，为实现全球覆盖，这些星座以多种轨道组合（不同轨道高度、倾角），表3所示为Starlink星座轨道部署。

表3 Starlink星座轨道参数[2]

随机选取当前Starlink 在轨运行的若干颗卫星，利用卫星应用软件进行覆盖效果仿真，当卫星数量为1、2和3时地面24小时的覆盖轨迹如图9所示。可以推测随着卫星数量的增多，卫星网络部署密集程度大大增加，通信覆盖能力显著增强。

图9 分别为1、2、3颗卫星24小时内地面覆盖轨迹效果

图10为厦门地区对目前在轨的Starlink 星座进行10 min 卫星过境轨迹跟踪覆盖效果，统计约有57颗卫星在此期间覆盖该位置，覆盖时间最短41.55 s，最长10 min。该类型轨道卫星在高纬度区域覆盖比低纬度区域更加密集，卫星轨迹方向具有明显特征，这与轨道元素设计密切相关。未来，待该星座部署逐步完善，将形成多张有明显规律的“织网”覆盖在地球上空。

图10 Starlink星座某一时刻卫星过境轨迹跟踪（10 min）

4 结束语

随着低轨卫星互联网卫星大量涌入太空，各大星座如同一张张编织网将地球表面层层包裹，使得地面电磁环境愈加复杂，地球外空间轨道碎片问题更加严峻。从卫星运营者角度，在卫星发射和运营成本高、卫星空间资源有限的前提条件下，设计合适目标覆盖区域和过境时间的卫星轨道，是最大化提升卫星工作效能的关键步骤。从卫星地面系统部署角度，掌握卫星轨道覆盖规律，才能进行合理的卫星测控和通联。从卫星系统用户体验角度，卫星网络覆盖率与卫星终端通信效果息息相关，未来多家卫星网络市场竞争下，用户体验效果也将得到提升。