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系統識別號 U0002-0308200917300700
DOI 10.6846/TKU.2009.00091
論文名稱(中文) 氣象觀測與通訊星系衛星連結應用分析
論文名稱(英文) Constellation for Weather Observation and Communication Mission with Inter-satellite Links
第三語言論文名稱
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中文) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英文) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
外國學位學校名稱
外國學位學院名稱
外國學位研究所名稱
學年度 97
學期 2
出版年 98
研究生(中文) 簡才倫
研究生(英文) Tsai-Lun Chien
學號 696371078
學位類別 碩士
語言別 繁體中文
第二語言別
口試日期 2009-07-15
論文頁數 112頁
口試委員 指導教授 - 洪祖昌
共同指導教授 - 陳正興
委員 - 陳彥升
委員 - 吳宗達
委員 - 林進豐
關鍵字(中) 衛星星系
衛星連結
方位角
仰角
關鍵字(英) constellation
inter-satellite links
azimuth
elevation
第三語言關鍵字
學科別分類
中文摘要
本論文的主要目的是進行衛星星系之衛星間通訊連結的研究,探討氣象觀測與通訊兩種星系,在加入衛星間通訊連結的設計後,星系性能上的改進。在氣象衛星星系應用衛星連結設計中,將衛星連結應用於Walker參數18/18/4星系,軌道高度為837公里、傾角為60度的重複地面軌跡圓軌道,增加傳送衛星雲圖的時間與次數,能更加即時的將雲圖傳送回台灣地面站。在通訊微衛星星系應用衛星連結設計中,採用軌道高度為800公里圓軌道,模擬傾角為35度Walker參數36/9/0星系,在連續覆蓋台灣半徑2000公里內,增加衛星連結的應用。在通訊衛星星系上增加橫向通訊衛星連結與縱向通訊衛星連結,最後再將縱向與橫向衛星連結合併,使通訊衛星星系形成一組網狀通訊衛星網絡。再利用STK衛星模擬軟體,算出氣象觀測與通訊衛星星系分別應用衛星之間的方位角、仰角及距離關係。分析探討資料數據可以應用在星上自動跟蹤功能的設計與應用,以及衛星功率自動調整的設計。
英文摘要
The main purpose of this thesis is to investigate the advantages of communication link between the satellites in a constellation. Discussions on both the weather observation and communication constellations about the performance improvements after adding inter-satellite links between satellites have been presented in detail. In weather observation constellation with inter-satellite links design, a 18/18/4 Walker constellation with circular orbit at 837km attitude and 60o inclination can increase the time and frequency for downloading satellite weather images drastically. Weather images can be transferred back to Taiwan station almost in real time. In communication constellation satellite with inter-satellite links design, we use the circular orbits at 800km attitude. For continuous coverage of an area centered at Taiwan with radius of 2000km, a 36/9/0 Walker constellation with orbit inclination at 35o has been designed. Three cases have been studied: the horizontal inter-satellite links, to add the vertical inter-satellite links, and to combine horizontal and vertical inter-satellite links. It is concluded that we can make a communication constellation to become satellite communication web. We then calculate the azimuth, elevation and distance between the two links satellites by using STK. The data can be applied in the tracking system design such as the satellite’s antenna and the power adjusting of the satellite’s transmitter.
第三語言摘要
論文目次
目 錄
誌謝	I
中文摘要	II
英文摘要	III
目錄	IV
表目錄	VIII
圖目錄	IX
符 號 說 明	XIII
第一章 序論	1
1-1 前言	1
1-2研究動機與目的	8
第二章 軌道計算與攝動	10
2-1 衛星軌道分類	10
2-2克普勒定律與衛星軌道	11
2-3 軌道六元素	14
2-4 軌道的攝動	16
2-5 地面追蹤	19
第三章 衛星任務與星系設計之分析	23
3-1星系任務規劃之原則	23
3-2 衛星星系參數	24
3-3 覆蓋類型	26
3-4衛星星系任務目標	28
3-5氣象觀測星系設計	33
3-5-1 軌道與傾角之選取	33
3-5-2 CCD覆蓋範圍	37
3-5-3 氣象觀測星系設計	43
3-6通訊衛星星系設計	45
3-6-1軌道與傾角之選取	45
3-6-2衛星涵蓋面積	46
3-6-3通訊品質的考量	47
3-6-4通訊星系設計	48
第四章 氣象觀測衛星星系衛星連結探討與應用分析	50
4-1氣象觀測衛星星系衛星連結	50
4-2衛星連結通訊流程與連結架構	50
4-3衛星連結空間的幾何關係	53
4-3-1 極圓軌道星系	53
4-3-2 近極軌道星系	56
4-4氣象觀測衛星星系衛星連結通訊特性	58
4-4-1 都普勒頻移效應	58
4-4-2 自由空間傳播散失	60
4-5 氣象觀測衛星星系衛星連結模擬	61
4-5-1氣象觀測衛星星系衛星連結模擬	61
4-5-2氣象觀測衛星連結模擬結果	76
第五章 通訊衛星星系衛星連結探討與應用分析	87
5-1通訊衛星星系衛星連結	87
5-2傳統衛星通訊與衛星連結比較	87
5-3通訊衛星星系衛星連結通訊特性	90
5-3-1 都普勒頻移效應	90
5-4通訊衛星星系衛星連結模擬	91
5-4-1通訊衛星星系衛星連結應用模擬	91
5-4-1-1 橫向通訊星系衛星連結模擬	92
5-4-1-2 縱向通訊星系衛星連結模擬	93
5-4-1-3縱向與橫向通訊衛星合併衛星連結模擬	93
5-5通訊衛星連結模擬結果	94
5-5-1橫向通訊衛星連結模擬結果	94
5-5-2橫向通訊衛星連結模擬結果	100
第六章 結論	105
參考文獻	108

表 目 錄
表2-1 Zonal係數表	17
表 3-1設計衛星星系的參數及選取策略	23
表3-2 不同特性軌道類型	33
表3-3 軌道高度(km)與軌道傾角(度)的關係	36
表3-4 不同軌道之衛星通訊系統特性綜整表	45
表3-5 固定軌道高度下的最少總衛星數之軌道傾角	49
表4-1 拍攝地點(1)拍攝時間與衛星連結時間表	64
表4-2 拍攝地點(2)拍攝時間與衛星連結時間表	65
表4-3 拍攝地點(3)拍攝時間與衛星連結時間表	66
表4-4 拍攝地點(4)拍攝時間與衛星連結時間表	67
表4-5 拍攝地點(5)拍攝時間與衛星連結時間表	69
表4-6 拍攝地點(6)拍攝時間與衛星連結時間表	70
表4-7 拍攝地點(7)拍攝時間與衛星連結時間表	71
表4-8 拍攝地點(8)拍攝時間與衛星連結時間表	73
表4-9 拍攝地點(9)拍攝時間與衛星連結時間表	74
表4-10拍攝地點(10)拍攝時間與衛星連結時間表	75
表5-1 傳統通訊與衛星連結優缺點比較	89


圖 目 錄
圖2-1 衛星軌道類型	11
圖2-2 二體運動-圓形軌道	12
圖2-3 軌道-能量關係圖	13
圖2-4 橢圓軌道	14
圖2-5 典型的軌道六元素	15
圖2-6 升交點退行率與軌道關係圖	18
圖2-7 衛星之地面軌跡	19
圖2-8 衛星升交點經度調整值	22
圖3-1 衛星涵蓋幾何關係	25
圖3-2 衛星架構	30
圖3-3 軌道傾角60度,軌道高度837.4公里之週期軌道	37
圖3-4 不同FOV下拍照範圍半徑與軌道高度之關係	37
圖3-5 雲圖擷取部份	38
圖3-6 衛星拍攝角度	39
圖3-7 衛星CCD最大覆蓋範圍	39
圖3-8 拍照地點設定	40
圖3-9 拍照範圍	41
圖3-10觀測範圍與FOV關係	42
圖3-11每個軌道面一顆衛星之地面軌跡	44
圖3-12衛星星系18/18/4之地面軌跡	44
圖3-13仰角為5度、10度衛星覆蓋面積	46
圖4-1 衛星連結通信構想圖	50
圖4-2 執行衛星連結流程示意圖	51
圖4-3 衛星連結網路架構示意圖	52
圖4-4 反向軌道及同向軌道	54
圖4-5 相鄰軌道覆蓋幾何圖	54
圖4-6 典型衛星覆蓋示意圖	55
圖4-7 衛星空間幾何圖	57
圖4-8 衛星仰角及衛星距離	57
圖4-9 氣象觀測星系衛星連結的都普勒頻移	60
圖4-10台灣地面站通訊範圍與10個拍攝地點	62
圖4-11氣象觀測雲圖傳送示意圖	63
圖4-12衛星06→02方位角變化情形	78
圖4-13衛星06→02仰角變化情形	78
圖4-14衛星06→02距離變化情形	79
圖4-15衛星02→06方位角變化情形	80
圖4-16衛星02→06仰角變化情形	80
圖4-17 衛星02→06距離變化情形	81
圖4-18 衛星01→09方位角變化情形	82
圖4-19 衛星01→09仰角變化情形	82
圖4-20 衛星01→09距離變化情形	83
圖4-21 衛星09→01方位角變化情形	84
圖4-22 衛星09→01仰角變化情形	84
圖4-23 衛星09→01距離變化情形	85
圖4-24 衛星編號06→02的方位角速率變化情形	86
圖4-25 衛星編號02→06的方位角速率變化情形	86
圖5-1  通訊衛星衛星連結圖	87
圖5-2  通訊星系衛星連結的都普勒頻移	90
圖5-3  衛星星系36/9/0之地面軌跡	91
圖5-4  橫向通訊衛星連結圖	92
圖5-5  縱向通訊衛星連結圖	93
圖5-6  縱向通訊衛星與橫向通訊衛星合併連結圖	94
圖5-7  橫向衛星82→92連結方位角變化情形	95
圖5-8  橫向衛星82→92連結仰角變化情形	96
圖5-9  橫向衛星82→92連結距離變化情形	96
圖5-10 橫向衛星92→82連結方位角變化情形	97
圖5-11 橫向衛星92→82連結仰角變化情形	97
圖5-12 橫向衛星92→82連結距離變化情形	98
圖5-13 橫向衛星編號82→92方位角速率變化圖	99
圖5-14 橫向衛星編號92→82方位角速率變化圖	99
圖5-15 縱向衛星82-63連結方位角變化情形	100
圖5-16 縱向衛星82-63連結仰角變化情形	101
圖5-17 縱向衛星82-63連結距離變化情形	101
圖5-18 縱向衛星63-82連結方位角變化情形	102
圖5-19 縱向衛星63-82連結仰角變化情形	102
圖5-20 縱向衛星63-82連距離變化情形	103
圖5-21 縱向衛星編號82→63方位角速率變化圖	104
圖5-22 縱向衛星編號63→82方位角速率變化圖	104
參考文獻
參考文獻
[1]	William, W. V. and Dale, L.J., “Meteorological satellites-the very early years, prior to launch of TIROS-1,”Bulletin of the American Meteorological Society, Vol. 75, No. 12, 1994, pp. 2295-2302.
[2]	Stefama Cornara. Theresa W. Beech, Miguel Bell6-Mora, ”Satellite Constellation Mission Analysis and Design,” Acta Astronautwa Vol. 48. No. 5-12, pp. 681--691, 2001.
[3]	George Tyc, John Tulip, Daniel Schulten, ManfredKrischke, Michael Oxfort, ”The RapidEye mission design,” Acta Astronautica Vol.56,pp.213—219,2005.
[4]	Curiel, da S.A., Boland, L., Cooksley, J., Bekhti, M., Stephens, P. and Sun, W., “First results from the disaster monitoring constellation (DMC),” Acta Astronautica, Vol. 56, No. 1-2, January 2005, pp. 261-271.
[5]	Rocken, C., Kuo, Y.H., Sokolovskiy, S., and Anthes, R.A., “The ROCSAT-3/COSMIC mission and applications of GPS radio occultation data to weather and climate,” Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, Remote Sensing Applications of the Global Positioning System, Vol. 5661, 2004, pp. 1-12.
[6]	Lin, C. H. and Hong, Z. C., “Mission and constellation design for low-cost weather observation satellites,” Journal of Spacecraft and Rockets, Vol.42, No.1, January-February 2005, pp.118-123.
[7]	Lin, C. H., Hong, Z. C., Shieh C.-J. “The Constellation Design of Weather Observation Mission for Gravity-Gradient Stabilized Microsatellites” Journal of Mechanics, Vol. 20, No. 3, September 2004
[8]	溫永全,莊傑銘,洪祖昌,“氣象與通訊微衛星星系設計與研究”,中國航太學會/民航學會聯合學術研討會 AASRC/CCAS Joint Conference, 2007, pp. A25-03 2-10.
[9]	Smith, D., Hendrickson, R., “Mission control for the 48-satellite Globalstar constellation,” Journal of Engineering and Applied Science, Vol.2, 1995, pp828-832.
[10]	Kris Maine, Carrie Devieux, Pete Swan, “Overview of IRIDIUM satellite network,” Wescon Conference Record, 1995, p 483-490.
[11]	John Tandler,” AUTOMATING THE OPERATIONS OF THE ORBCOMM CONSTELLATION,” Space Segment Engineering Manager, ORBCOMM Global, L.P., Dulles, Virginia.
[12]	Pierre Fraise, Bernard Coulomb, Bertrand Monteuuis, “SkyBridge LEO Satellites: Optimized for Broadband Communications in the 21St Century,” Jean-Louis Soula,SkyBridge,Alcatel Space Industries
[13]	張博鈞,微衛星通訊星系設計,淡江大學機械與機電工程學系論文,2008年。
[14]	Erick Lansard, Eric Frayssinhes, Jean-Luc Palmade, “ Global Design of Satellite Constellaion:A Multi-Criteria Performance Comparison of Classical Walker Patterns and New Design Patterns,” Acta Astronautica Vol. 42, No. 9, pp. 555-564, 1998.
[15]	Polischuk, G. M., Kozlov, V. I., Ilitchov, V. V., Kozlov, A. G., Bartenev, V. A., Kossenko, V. E., Anphimov, N. A., Revnivykh, S. G., Mr. S. B. Pisarev, A. E. Tyulyakov, B. V. Shebshaevitch, A. B. Basevitch, Y. L. Vorokhovsky,” THE GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM GLONASS-DEVELOPMENT AND USAGE IN THE 21ST CENTURY,” 34th Annual Precise Time and Time Interval (PTTI) Meeting, 2006.
[16]	ALVARO MOZO-GARGIA, ESPERAKA HERRAIZ-MONSECO, ANA BELEN MARTIN-PEIRO, AND MIGUEL M. ROMAY-MERINO, ” Galileo Constellation Design,” John Wiley & Sons, Inc. Vol. 4, No. 4, pp. 9-15, 2001.
[17]	William W. Ward and Franklin W. Floyd, http://history.nasa.gov/SP-4217/ch8.htm,”Thirty Years of Space Communications Research and Development at Lincoln Laboratory” NASA History Office, Washington, D.C., 1997.
[18]	Donald Martin, “Lincoln Experimental Satellites,” http://www.aero.org/publications/martin/martin-8a.html.
[19]	Barritt, P.F. and Habib, E.J., “Tracking and Data Relay Satellite System: an Overview,” AMERICAN INST OF AERONAUTICS AND ASTRONAUTICS, ANNUAL MEETING AND TECHNICAL DISPLAY, 7TH, HOUSTON, TEX., Oct 19-22, 1970.
[20]	Teles J., “Overview of TDRSS,” Advances in Space Research, Vol.16, No.12, 1995, pp.67-76.
[21]	Patterson, D.P., “Teledesic: a global broadband network,” IEEE Aerospace Applications Conference Proceedings, Vol. 4, 21-28 March 1998, pp.547-552.
[22]	Hatlelid, J.E. and Casey, L., “The Iridium system personal communications anytime, anyplace,” Proceeding of the Third International Mobile Satllite Conference, June 1993, pp.285-290.
[23]	Motorola Global Communications, Inc. “Celestri Multimedia LEO System,” Filing before theFCC, June 1997.
[24]	“Successful Intersatellite Communication Experiment Between Midori II (ADEOS-II) and ESA's ARTEMIS,” http://www.jaxa.jp/press/nasda/2003/midori2-artemis_20030404_e.html, April 4, 2003.
[25]	Yuuichi Fujiwara, Masaaki Mokuno, Takashi Jono, ToshihikoYamawaki, Katsuyoshi Arai, Morio Toyoshima, Hiroo Kunimori, Z. Sodnik, A. Bird, B. Demelenne, “Optical inter-orbit communications engineering test satellite,” AIAA 57th international Astronautical Congress Proceedings, Vol.4, 2006 pp.2741-2749.
[26]	Harald Keller, Horst Salzwedel, “Link Strategy for the Mobile Satellite System Iridium,” IEEE 46th Velhicular Technology Conference Proceedings, 1996, pp.1220-1224.
[27]	Keller, H., Salzwedel, H., Freund, U., and Schorcht, G.,   “Examination of the circular polar orbit constellation for the use of intersatellite links,” Proceeding of 1997 IEEE International Conference on Personal Wireless Communications, 1997, pp.283-287.
[28]	Pasquale Maurizio De Carlo, Leonardi Roberto, Graziano Marano, Giuseppe Francesco DeLuca, Michelangelo L’Abbate, Domenico Oricchio, Paolo Venditti, Maria Rosaria Santovito, “Intersatelite link for earth observation satellites constellation,” SPACEOPS, Roma, ITALIA, June 2006,pp.19~23.
[29]	莊傑銘, 簡才倫, 洪祖昌, “氣象觀測為衛星星系設計衛星連結應用”,中國航太學會/民航學會聯合學術研討會 AASRC/CCAS Joint Conference, 2008, pp. 27-05 1-9.
[30]	Wertz, J.R., Larson, W.J., “Space Mission Analysis and Design,”   Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, The Netherland,1991
[31]	Walker. J. G., “Continuous whole-earth coverage by circular-orbit     Satellite patterns,” Technical Report 77044, Royal Aircraft      Establishment, 1977.
[32]	Moshe B. L., Leonid S., Vola L., “EROS System-Satellite Orbit and  constellation Design,” the 22nd Asian Conference on Remote Sensing,     Singapore, Nov.2001
[33]	Basili R., Barry Boehm “ COTS-Based Systems Top 10 List, ” Victor R.Basili and Barry Boehm
[34]	馬德明,徐文江,”微衛星星系覆蓋設計”,科儀新知,2001,第23卷第 一期,pp.60~74.
[35]	Brown, C. D., Spacecraft Mission Design, AIAA Education Series, AIAA, Washington DC, 1992, Chap. 4, pp. 74-76.
[36]	白光弘 編著,”太空通訊科技原理,”台灣東華書局股份有限公       司,2005
[37]	Rider, L., “Optimized polar orbit constellation for redundant earth coverage,” Journal of the Artronautical Sciences, Vol. 33, April-June 1985, pp.147-161.
[38]	Keller, H., Salzwedel, H., Schorcht, G. and Zerbe, V., “Geometric aspects of polar and near polar circular orbits for the use of intersatellite links for global communication,” IEEE 48thVehicular Technology Conference Proceedings, Mar 1998, pp.199-204.
[39]	Ballard, A.H., “Rosette constellations of earth satellites,” IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. AES-16, NO. 5, Sept. 1980, pp.656-673.
[40]	Wang, K.F., He, X.Y. and Zhao, H.L., “The simulation of doppler shift in inter-satellite links,” RADIO ENGINEERING OF CHINA, Vol. 37, NO. 03, 2007, pp.36-38.
[41]	Wnag, L., Zhang, N.T. and Lu, X.F., “Dynamic characters of inter-satellite links in LEO networks,” Journal of Harbin Institute of Technology, Vol. 35, No. 2, Feb. 2003, pp.25-29.
[42]	http://www.emeraldinsight.com/Insight/ViewContentServlet;jsessionid=A3A80CCB9C39BD933189EB2B36464FC5?contentType=Article&Filename=Published/EmeraldFullTextArticle/Articles/1270800601.html
[43]	http://web.mit.edu/deweck/www/research_files/comsats_2004_001_v10/Unit1%20Success%20and%20Failure/unit1_summary.htm
[44]	http://www.sceaonline.org/Files/EA-14%20Freeman_%20Cost%20for%20Laser%20Com.ppt
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