2. 卫星轨道与星座基础

星间链路能否建立，首先取决于两颗卫星在空间中的相对几何关系。要判断“什么时候能连、能连多久、距离多远”，就必须先把卫星轨道描述清楚，再把单颗卫星扩展成星座，最后落到可见性判据上。本节围绕这条主线展开：开普勒轨道参数 → 常见轨道类型（LEO/MEO/GEO）→ Walker 星座构型 → 星间可见性关系，为后续链路几何建模提供输入。

一、开普勒轨道六参数：把一条轨道“钉”在惯性空间里

在理想二体模型下，卫星绕地球的运动由六个开普勒参数唯一确定。它们可以分成两组理解：一组决定轨道的形状与大小，另一组决定轨道在空间中的姿态与相位。

• 半长轴 a：决定轨道尺度，直接关联轨道周期。圆轨道时 a 即轨道半径。
• 偏心率 e：描述轨道扁平程度。e=0 为圆轨道，0<e<1 为椭圆轨道。LEO 通信星座通常取 e≈0。
• 轨道倾角 i：轨道平面与赤道面的夹角。i=0° 为赤道轨道，i=90° 为极轨道，i≈53°~55° 是常见的中纬度覆盖星座倾角。
• 升交点赤经 Ω：轨道平面绕地轴旋转的方位，决定轨道面在惯性空间中的朝向。
• 近地点幅角 ω：从升交点到近地点沿轨道方向的角度，决定椭圆长轴在轨道面内的指向。
• 真近点角 ν（或平近点角 M）：描述卫星当前在轨道上的位置，是随时间变化最快的参数。

工程上常把 a、e、i、Ω、ω 称为“轨道根数”，把 ν 或 M 视为随时间演化的状态量。链路几何建模的第一步，就是把某一时刻的 (a,e,i,Ω,ω,ν) 转换为地心惯性系（ECI）下的位置矢量 r 和速度矢量 v，再转换到地固系或相对坐标系中计算星间距离与视线遮挡。

二、LEO / MEO / GEO：三类轨道的链路含义

按轨道高度划分，通信卫星主要分布在三个区域，它们对星间链路的影响差异显著。

以 LEO 为例，高度 550 km 时轨道周期约 95.6 min，卫星相对地面以约 7.6 km/s 运动。若两颗同轨卫星相位差 1°，沿轨间距约 96 km，星间距离变化在秒级就可达数百米，链路指向与多普勒必须实时更新。而 GEO 卫星在惯性系中仍以约 3.07 km/s 运动，但相对地面静止，星间几何在小时尺度上变化缓慢，链路预算可以按准静态处理。

三、Walker 星座：用规则构型换取连续覆盖

单颗 LEO 卫星覆盖范围有限，必须用星座实现全球或区域连续覆盖。Walker 星座是最常用的规则构型，用三个参数描述：T/P/F。

• T：星座卫星总数。
• P：轨道面数量，T 颗卫星均匀分布在 P 个轨道面上。
• F：相位因子，取值 0~P-1，决定相邻轨道面之间的卫星相位错开量。

同一轨道面内，卫星按 360°/ (T/P) 均匀分布；相邻轨道面的升交点赤经相差 360°/P；相邻轨道面之间的相位差为 F × 360°/T。以 Walker 24/6/2 为例：24 颗卫星、6 个轨道面，每面 4 颗，面内间隔 90°，相邻面升交点赤经差 60°，相邻面相位错开 2×360°/24=30°。这种规则性使得星座覆盖具有可预测的重复性，便于链路调度。

Walker 星座通常采用 Delta 或 Star 两种排布。Delta 构型中相邻轨道面卫星运动方向一致，星间链路可形成稳定的网格；Star 构型则通过极区交汇形成不同拓扑。选择哪种，取决于是否需要在极区建立跨面链路。

四、星间可见性：从几何到判据

两颗卫星“可见”意味着它们之间的视线不被地球遮挡，且距离在链路可捕获范围内。核心判据是：地心到星间连线的距离大于地球半径加最小余量。

设两颗卫星 ECI 位置为 r₁、r₂，则地心到连线的最短距离为：

d = |r₁ × r₂| / |r₂ - r₁|
可见条件：d > R_E + h_min
其中 R_E ≈ 6378 km，h_min 为大气/地形余量，通常取 100~200 km

同时还要检查星间距离是否超过链路最大作用距离，以及是否满足天线视场角约束。对于 LEO 星座，同轨相邻卫星通常始终可见，跨轨卫星在极区附近可见性增强，在赤道附近因轨道面夹角而周期性中断。可见性随时间的变化，正是链路几何建模要输出的核心结果。

把上述内容串起来：开普勒六参数给出单星位置，轨道类型决定链路的时间尺度与覆盖特性，Walker 构型给出星座的规则拓扑，可见性判据则把几何关系转化为“可连/不可连”的布尔结果。后续链路几何建模，就是在这四层基础上计算距离、仰角、方位角、多普勒和可见时间窗口。