低轨卫星测控技术分析之一：Globalstar卫星轨道现状和控制历程

Globalstar低轨移动卫星通信系统提供了全球无缝话音、信息和IoT服务，虽然该系统服役超过了20年，但在低轨移动卫星系统中，仍然一枝独秀，过去5年公司收入连续以7%速率增长，IoT业务年增长率更是超过14%。Globalstar初始设计工作卫星数量48颗、分布在8个轨道面。但从2013年2月6日最后一次发射到现在，只有35个卫星处于工作状态，没有公开资料能看出它现在的运行情况和服务能力。我们对它的轨道现状和覆盖能力情况进行了分析，并通过真实数据分析了它的星座保持策略和实际控制效果。结果表明Globalstar系统现有的35个工作卫星基本均匀对地覆盖，尽管离设计的48颗有差距，但仍然可以为高纬度地面用户提供仰角大于10°、平均通话时间大于14m的全球无缝覆盖。一、基本情况

Globalstar从1998年02月14日一箭4星发射以来，共发射16次，将两代共84颗Globalstar卫星送入轨道，一代卫星和二代卫星的外形如图1所示，卫星采用弯管式转发器设计，馈线链路使用C频段、用户链路使用L和S频段。截止2021年4月25日，有34个卫星处于工作状态、1个处于半工作状态，具体情况如下：

（1）一代卫星

1998年02月14～2007年10月20日，共发射12次、60颗一代卫星，每颗星重450公斤，设计寿命7.5年；

（2）二代卫星

2010年10月19日～2013年2月6日最后一次发射，共发射4次、24颗二代卫星，卫星重700公斤，设计寿命15年。

      (a)一代              (b) 二代

图1 Globalstar卫星外形

二、轨道现状

截止2021年4月，这35个卫星分布在8个轨道面，图2是它们在空间的分布情况，图3(a)是星下点分布图，可以看出35颗卫星分布比较均匀，图 3(b)是它们天线对地覆盖情况，可以看出除了南北极外，基本覆盖全球。

图2 2021年4月35颗卫星空间分布

(a) 实时星下        (b) 天线覆盖

图3  2021年4月25日35颗卫星分布

三、覆盖能力

地面用户可见卫星的仰角越高，通信质量越好，但也意味着需要更多的卫星。Globalstar最初设计是48颗星，目前只有35颗星能够正常工作，因此相对最初设计指标，覆盖能力会下降。下表是在地理位置纬度0°和40°的用户在不同仰角条件下，我们对Globalstar的35颗卫星的可视率和每次通话的平均时间计算结果。由表可以看出，在现有35颗卫星的条件下，在低纬度地区无法满足仰角10°条件下的100%覆盖，只有在高纬度地区能保证有良好的仰角条件。

四、初期星座建立

以2011年7月13日Globalstar发射的6颗星为代表进行星座建立分析，图 4(a)标出了这6这颗星将进入的5个轨道面，图4(b)是星座控制完成后这6颗卫星实际在的轨道面情况，与图 4(a)一致。

(a) 目标轨道      (b) 实际轨道

图4 目标轨道面和实际轨道面

（1）轨道控制策略

卫星在925km高度与1413km高度相比，每天升交点赤经变化0.76°，Globalstar就是利用这个差值，先利用火箭将6颗卫星送入925km高度，让它们升交点赤经以每天0.76°的速率漂移，当这些卫星快进入一个需要的轨道面时，抬高其中的一个卫星轨道到1413km高度，该卫星将留在该轨道面，其它的卫星继续漂移，直到所有卫星都进入各自的目标轨道面。

（2）实际控制情况

图 5是6颗星从入轨开始直到星座形成期间轨道高度变化情况，细节如下：

1）第1颗星2011年7月21日开始控制，到7月27日，经过5次控制，轨道高度由925km抬高到1413km。

2）第2颗星2011年9月17日开始控制，到9月22日，经过5次控制，轨道高度由925km抬高到1413km。

3）第3颗星2011年9月17日开始控制，到9月21日，经过2次控制，轨道高度由925km抬高到1140km，持续到2012年1月5日，经过4次控制，1月19日轨道高度由1140km抬高到1413km。

4）第4颗星2011年11月17日开始控制，到11月20日，经过5次控制，轨道高度由925km抬高到1413km。

5）第5颗星2012年1月8日开始控制，到1月19日，经过5次控制，轨道高度由925km抬高到1413km。

6）第6颗星2012年7月29日开始控制，到8月1日，经过6次控制，轨道高度由925km（中间抬高到984km）抬高到1413km。

由图5的轨道高度和升交点赤经变化情况，可以看出控制完成后，6颗星轨道高度相同，2颗星在一个轨道面上，其它4颗星在不同的轨道面。图5  6颗星高度和升交点赤经变化

图6画出了从6颗卫星入轨在一个轨道面，到170天形成目标轨道面，并一起保持的实际轨道面的变化过程。

(a) 刚入轨     (b) 入轨14天

(c) 入轨70天   (d) 入轨130天

(e) 入轨170天  (f)入轨380天

图6 实际轨道面变化

五、运行期间轨道控制

Globalstar二代星座建立后，只进行过一次轨道高度的控制调整，即在2017年2～3月对在轨卫星进行了一次轨道调整，将所有卫星的轨道高度抬高或降低了几km，以调整卫星间相位差，下面是编号37739卫星的控制情况：

图 7画出了编号37739卫星轨道高度变化过程，其中图 7(a)是8年的时间跨度，高度基本没变化，这期间只在2017年的3月进行了一次轨道控制。图 7(b)画出了这次轨道高度变化的细节，由图可以看出，2017年3月20日，卫星的轨道高度由1413.62km降低770m至1412.85km，由此造成卫星每天向前漂移0.674°，到26日抬高轨道到1413.62km，总共持续共6天，相位调整了6×0.674≈4°。

图7 编号37739卫星高度变化

六、小结（1）Globalstar现有工作状态卫星35个，尽管离设计的48颗相比有差距，但仍然可以为高纬度地面用户提供仰角大于10°、平均通话时间大于14min的全球无缝覆盖；（2）为使一箭多星发射的多个卫星进入不同的轨道面，Globalstar星座形成的策略是利用轨道高度差造成的每天升交点经度差，通过时间积累，当卫星进入目标轨道面时，提升其中一颗卫星的轨道高度到目标轨道，其它卫星继续漂移，直到所有卫星都进入目标轨道面；（3）当星座形成后，不再进行轨道面的调整，只有当相位相差较大时，再统一对各个卫星的轨道高度进行微调。

网址：低轨卫星测控技术分析之一：Globalstar卫星轨道现状和控制历程 http://c.mxgxt.com/news/view/200803

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