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从本质上说，所有星座设计有一个基本要求：要保证地面上的通信服务区的任意点在给定的最小仰角之上至少能够看到一颗卫星，也就是说要满足通信服务区的覆盖问题。
卫星星座的覆盖要求是由星座所要完成的任务所决定的。不同的任务确定不同的覆盖方式，一般地说，星座的覆盖形式可以分为四种：第一种是全时全球覆盖，指对全球连续覆盖；第二种是全时地带覆盖，即对特定的纬度范围的地带进行连续覆盖；第三种是全时区域覆盖，指对某些区域进行连续覆盖；第四种是分时区域覆盖，即在时间上对指定覆盖区域间断覆盖，这四种覆盖方式如图2-15所示。
图2-15 星座覆盖的四种形式
卫星星座的设计决定了整个卫星通信系统的性能和费用。星座设计的第一步是确定星座的轨道几何结构，使之能够最佳地完成所要求的任务。星座的选择取决于业务所要求的覆盖区域和几何链路的可用性。
针对圆轨道的卫星星座，设计参数主要有以下8个：
● 星座的卫星数量；
● 卫星轨道平面数量；
● 卫星轨道平面的倾角；
● 不同轨道平面的相对间隔；
● 每一轨道平面拥有的卫星数；
● 同一轨道平面内卫星相对相位；
● 相邻轨道平面卫星的相对相位；
● 每颗卫星的轨道高度。
圆极轨道星座的特点是所有卫星倾角为90°，所有轨道平面相交于南北极点，故星座中的卫星在天球上是不均匀的分布：卫星在赤道平面上最稀疏，相互间的间隔最大；在两极处最密集，相互间的间隔最小。在考虑极轨道星座对全球的覆盖时，只需要考虑对赤道连续覆盖；在考虑对球冠区域的覆盖时，只需要考虑对球冠的最低纬度圈连续覆盖。极轨道卫星星座一般用于全球覆盖和极冠地区的覆盖，是一种地带性的覆盖方法。
图2-16给出了从极点观察时，圆极轨道星座的轨道在赤道平面上的投影。图中轨道平面上的箭头指示了卫星的飞行方向。由图可见，在极轨道星座中，相邻轨道平面间的卫星存在着顺行和逆行两种轨道。顺行轨道两轨道平面的卫星之间空间相位关系是保持固定的，逆行轨道两轨道平面的卫星之间空间相位关系则是变化的。
图2-16 圆极轨道星座的轨道在赤道平面上的投影示意图
对这种顺行轨道卫星之间空间相位关系和逆行轨道卫星之间空间相位关系差别性是否进行分别处理就形成了两种类型的星座：不考虑轨道间卫星相位关系的圆极轨道卫星星座；考虑轨道间卫星相位关系的圆极轨道卫星星座。通过分析证明后者较优，主要表现为在相同条件下组成星座所需的卫星数量较少。
以下介绍不考虑轨道间卫星相位的圆极轨道卫星星座分析方法。这种星座所有卫星的轨道高度、轨道面间隔、同一轨道面内的卫星间隔都相同，从而形成均匀一致的覆盖面。设计时先使同一轨道平面中的卫星形成封闭均匀一致的覆盖带，然后将不同的轨道平面组合起来，只要满足给定纬度圈上不同轨道平面覆盖带能够连续衔接，就可保证对该纬度圈以上的所有地域的覆盖。这种星座设计方法不考虑不同轨道面之间卫星的相位关系。下面是此种星座设计的有关计算公式。
式中，α、Ψ和δ即为前面讨论中已给出的公式2-42、公式2-51和公式2-52；Q P 为每轨道面卫星数；P为轨道平面数；N为星座中的卫星总数。式中输入量是E、h和φ P ，中间选取量是Q P ；输出量是P和N。还需注意式中Q P 选取必须满足cosα＜cos（π/Q P ）。
利用上面计算公式，对圆极轨道卫星星座一些典型轨道高度h所需卫星数量N之间的计算结果如图2-17所示。计算时取值：E=10°，R E =6371.03km，全球覆盖星座φ P =0°，球冠覆盖星座φ P =30°。
图2-17 不考虑轨道间卫星相位关系的圆极轨道星座轨道高度与卫星总数关系
图2-18给出了从极点观察时，优化后圆极轨道星座的轨道在赤道平面上的投影。
对于顺行轨道平面，已通过合理选取相邻轨道平面卫星之间的相位关系，使得覆盖带以外的覆盖区交错重叠，形成连续的无缝覆盖，从而增大顺行轨道平面间的相位差，减少星座所需的轨道平面的数量；对于逆行轨道平面，由于卫星之间存在着相对运动，不能保持覆盖带以外覆盖区的交错重叠覆盖特性，因此无法利用覆盖带以外的覆盖区域。两种轨道分别处理情况见图2-19。
图2-18 优化后圆极轨道星座的轨道在赤道平面上的投影示意图
图2-19 优化后圆极轨道星座相邻轨道平面覆盖的几何关系
由图2-19可见圆极轨道星座顺行轨道平面之间经度差Δ 1 和逆行轨道平面之间经度差Δ 2 如下式所示：
式中，α为单星覆盖的半地心角宽度；Ψ为单轨道平面覆盖带半地心角宽度。
图2-20给出了极轨道星座在覆盖纬度φ P 以上的球冠区域时，在纬度圈φ P 上的覆盖特性示意图。
图2-20 优化圆极轨道星座计算相关参数示意图
图2-20中α′和Ψ′是以纬度圈中心为参考计量的纬度圆心角，它们与覆盖半地心角α和轨道平面的覆盖带半地心角宽度Ψ关系如下：
对此覆盖带类似有圆极轨道星座顺行轨道平面之间经度差
和逆行轨道平面之间经度差
如下式所示：
由图2-20可见，为了实现对仰角φ P 以上的球冠区域的连续覆盖，所需轨道面数P需要满足如下等式
将公式2-63代入上式可得下式
再将公式2-62代入得
解出P得
最后可以利用公式2-65及前述的α和Ψ表达式得如下组合公式
式中，符号int表示其后面括弧中数据取整数；Δγ为顺行轨道相邻轨道面相邻卫星之间的相位差。
根据公式2-66，对优化圆极轨道卫星星座一些典型轨道高度h所需卫星数量N之间的计算结果如图2-21所示。计算时取值：E=10°，R E =6371.03km，全球覆盖星座φ P =0°，球冠覆盖星座φ P =30°。
图2-21 考虑轨道间卫星相位关系的圆极轨道星座轨道高度与卫星总数关系
对比图2-17可以看出，在相同约束条件下，考虑卫星相位关系的星座卫星数量比不考虑卫星相位关系的星座卫星数量要少。
圆极轨道星座虽然能够通过较简单的解析方法确定轨道参数，但是通过对极轨道星座的参数进行分析可以知道，由于相隔1个轨道的两个轨道面上的卫星具有相同的相位，因此在轨道面数量多于2的极轨道星座中，将出现星座卫星在轨道交点（南北极点）相互碰撞的情况。为消除星座中卫星的碰撞，同时保持解析方法在确定星座参数时的可用性，人们展开了圆近极轨道星座的研究。
卫星轨道平面与赤道平面的夹角为80°～100°（除90°）时的轨道称为近极轨道。由于各轨道面的倾角不等于90°，因此各轨道面的交点不会集中在南北极点上，而在南北极附近形成的相位不同，卫星就不会在交点处发生碰撞。
由于圆近极轨道星座的倾角接近90°，因此，仍可以采用覆盖带分析的方法，采用解析方法确定最优星座参数。
圆近极轨道星座中顺行轨道面之间的经度差
和逆行轨道面之间的经度差
有下述近似式
式中，i为轨道倾角，且有
将公式2-62、公式2-63和公式2-67代入上式，经整理可得轨道面数P如下式所示
利用公式2-68及其他相关公式可给出下述一组全球覆盖圆近极轨道星座计算公式
式中Δγ′为顺行轨道相邻轨道面相邻卫星之间的相位差。
根据公式2-69，对圆近极轨道一些典型轨道高度h所需卫星数量N之间的计算结果如图2-22所示。计算时取值：E=10°，R E =6371.03km，i=85°，全球覆盖星座φ P =0°，球冠覆盖星座φ P =30°。
图2-22 考虑轨道间卫星相位关系的圆近极轨道（轨道倾角85°）星座轨道高度与卫星总数关系
比较图2-22和图2-21知，在其他条件相同情况下，在低轨道，两者所需卫星数量无差别，在中轨道，圆近极轨道星座所需卫星数略高于圆极轨道星座。
极轨道和近极轨道星座中卫星在运行空域上的分布是不均匀的，卫星在赤道和低纬度地区间隔较大，覆盖特性较差，而在极地地区非常密集，覆盖特性很好。因此，对于卫星数量较多的极/近极轨道星座，系统在极点附近需要关闭一些卫星转发器以避免相互间的干扰，但转发器的频繁开启和关闭又会引起如星座拓扑结构的频繁变化等其他问题。另一方面，由于极地和高纬度地区的业务相对较小，星座系统资源的浪费比较严重。以上是极轨道和近极轨道星座不足之处。
圆赤道轨道星座是倾角为零的圆轨道星座。星座中所有卫星均匀地分布于特定高度的单个赤道轨道平面上。由于卫星的零纬度特性，星座能够为全球低/中纬度区域提供带状的连续覆盖。对于轨道高度均为h的Q E 颗圆赤道轨道卫星组成的星座，根据图2-10可以获得如下覆盖特性公式
式中，α 为单颗卫星覆盖的半地心角；φ E 为星座能够连续覆盖的最高纬度；Q E 为圆赤道轨道上卫星数。
前已提及，地球静止轨道卫星是倾角和偏心率都为零，周期等于地球自转周期的顺行轨道卫星。因此，它是圆赤道轨道卫星的特例。根据计算，当地球站天线可视仰角为5°时，单颗静止卫星可视覆盖面积约为地球表面积的38%，覆盖南北地区最大纬度值约为76°。三颗在赤道上彼此间隔120°的静止卫星组成星座可以覆盖南北极区以外以赤道为中心的整个地球表面，而且小部分表面有重叠，如图2-23所示。对于地球上任何点而言，卫星都是静止的，因此不需要地球站的天线周期性的跟踪卫星运动，这就简化了地球站大口径天线跟踪系统，并可取消地球站小口径天线跟踪系统，可以显著降低建站所需的造价。
图2-23 地球静止轨道星座
圆赤道轨道星座能够为全球低/中纬度区域提供带状的连续覆盖，而圆极轨道星座能够提供球冠连续覆盖，两者结合起来可以提供全球连续覆盖。假设星座所有卫星的高度相同，则为实现连续覆盖，应保证赤道轨道星座连续覆盖的最高纬度值φ E 和极轨道星座连续覆盖的最低纬度值φ P 相等。将公式2-70中φ E 代入公式2-64可得
根据公式2-71，可以在给定极轨道星座轨道平面数量P和每轨道平面卫星数量Q P ，以及赤道轨道卫星数量Q E 的情况下，求解单颗卫星的最大覆盖半地心角α，从而确定所需的最低轨道高度h。通过仿真计算，得到多个正交圆轨道星座参数如表2-1所示。计算时取值，地球半径R E =6371.03km，仰角E=10°。表中N为星座总卫星数，φ E 为分界纬度值。
由表2-1中的参数可以看出：
（1）在赤道轨道和极轨道均只有1个轨道平面的情况下：如果轨道平面上卫星数量相同，赤道星座和极轨道星座的连续覆盖区域恒以纬度45°为界，如表中第1、7行和第13行所示；如果轨道平面上卫星数量不同，则轨道平面卫星数量互换时，其他参数不变，连续覆盖的分界纬度值按90°互余，如表中第2和第6行、第8和第12行所示。
表2-1 正交圆轨道星座参数
（2）随着赤道轨道平面内卫星的增加，星座全球覆盖所需的轨道高度下降，分界纬度上升，但降低和增加的幅度越来越小，如表中第1到4行所示。
（3）在总的卫星数量相同的情况下，卫星在轨道平面上分布较均匀时，星座轨道高度要求就较低。例如，卫星数量同为8颗时，4+4分布所需轨道高度为11973km，就低于3+5分布所需轨道高度17603km。
倾斜圆轨道是应用最多的一类卫星轨道，利用这种卫星轨道可以进行各种覆盖形式的星座设计。目前，在星座设计领域，倾斜圆轨道主要用于全球性覆盖和地带性覆盖的情况。
最常用的倾斜圆轨道星座有两种，一种是英国人Walker的Delta星座，另一种是美国人Ballard的玫瑰（Rosette）星座。前者所以称Delta星座，是因为从极点观察时，包含3个轨道平面的星座地面轨迹构成一个希腊字母Δ，如图2-24（a）所示；后者所以称玫瑰星座，因为从极点观察时星座的轨迹如同一朵盛开鲜花的花瓣，如图2-24（b）所示。
图2-24 倾斜圆轨道星座极点俯视示意图
在卫星轨道高度相同、覆盖性能接近的条件下，Delta星座和玫瑰星座比极/近极轨道星座所需的卫星数少，这是因为前者星座中卫星在运行空域面上的分布更加均匀。因此，Delta星座和玫瑰星座更适合于设计全球连续覆盖的卫星通信系统。
Walker的Delta星座采用3元参数组T/P/F来描述其星座。其中T代表星座的卫星总数，P代表星座的轨道平面数量，F为相位因子，取值为0到P-1之间的整数。
通常再给定卫星的轨道高度h和倾角i，便可以完全确定此星座所有卫星的位置。于是，也常将Delta星座用5元参数组标识为：T/P/F/：h：i或T/P/F/：i：h。
Walker的研究结果给出了最优全球单重、两重、三重和四重覆盖的Delta星座参数，卫星数量N=5～15时最优全球单重覆盖Delta星座的参数见表2-2。
表2-2 最优全球单重覆盖Delta星座参数（最小用户仰角10°）
Ballard也采用了3个参数来描述其星座：N，P，m。N代表星座的卫星总数，P代表星座的轨道面数量，m称为协因子，确定了卫星在轨道面内的初始相位。协因子是一个非常重要的玫瑰星座参数，它不仅影响卫星初始时刻在天球上的分布，也影响卫星组成的图案在天球上的运行速率。
图2-25 最坏观察点几何关系示意图
Ballard采用了最坏观察点的最大地心角最小化准则对星座进行了优化。可以证明，任意时刻地球表面上的最坏观察点是某3颗卫星的星下点所构成的球面三角形的中心，该点到这3颗卫星星下点的地心角距相等，如图2-25所示。且有地球上最坏观察点到其相邻三颗卫星所组成的球面三角形的中心角距是所有的星下点所组成的球面三角形中的中心角距的最大值，因此，星座的设计目标就是选取适当的轨道参数，使得该值最小。
Ballard的研究表明，为保证星座的全球覆盖，卫星的最小覆盖半地心角α必须不小于最坏观察点与卫星间的最大半地心角。Ballard给出了当N=5～15时最优全球单重覆盖玫瑰星座的参数见表2-3。
表2-3 最优全球单重覆盖玫瑰星座参数（最小用户仰角10°）
用地带覆盖思想设计的卫星星座，能够保证对包含在该地带内的区域的持续覆盖。对于地带性覆盖星座较为优化的设计方法，目前国际上公认的是Rider倾斜圆轨道卫星星座设计方法，本章参考文献[5]利用这种卫星星座设计方法针对覆盖中国的要求进行的具体设计如下：
中国国土主要分布在北纬3°～54°的地带内，根据Rider算法的基本要求，采用每条轨道平面至少拥有三颗卫星以满足产生持续的覆盖通道，在满足覆盖南北纬3°～54°的情况下，在轨道平面数量和覆盖通道的半地心角为已知的条件下，可以根据需要给出单个轨道平面内的卫星数量，相应计算得出卫星的轨道高度，从而给出整个卫星星座的参数。表2-4给出了计算机仿真得到的地带性覆盖星座设计结果（覆盖南北纬3°～54°）。
表2-4 地带性覆盖星座设计示例（用户仰角10°）
（续表）
大椭圆轨道卫星星座一般用于高纬度或者极区附近区域的覆盖，因为这类区域是静止轨道卫星无法覆盖到或者覆盖仰角很低的地区。在此星座设计过程中，首先需要确定覆盖区域范围（目标覆盖区域），然后选取合适的轨道参数，使卫星在远地点时能够覆盖目标区域。其设计思路如下：
（1）倾角：倾角选为63.4°或116.6°，以保证轨道的拱线在轨道平面上不变，即卫星远地点相对地面固定。
（2）轨道周期和半长轴：采用回归轨道，以保证每次卫星位于远地点时均能对确定区域进行覆盖。回归周期一般为1恒星日、1/2恒星日、1/3恒星日和1/4恒星日。回归周期越长，卫星远地点距离越远。轨道周期确定了，半长轴也就确定了。
（3）轨道偏心率、远地点和近地点高度：偏心率大，轨道构成的椭圆狭长，远地点高度高，近地点高度低，卫星在远地点停留的时间长，在近地点停留的时间短；偏心率小，轨道趋向于圆轨道，远、近地点的高度接近，卫星在轨道各个位置飞行的时间相近。椭圆轨道偏心率的选择需要考虑多种因素。从卫星的有效利用率来看，偏心率越大越好，这样卫星在远地点的停留时间占整个运行周期的绝大部分，覆盖时间长。但是偏心率增大，远地点高度上升，也会增加信号传输损耗和时延。同时，偏心率增大，轨道近地点高度下降，卫星受到地球大气层阻力的影响较大。
（4）升交点赤经和近地点幅角：升交点赤经决定了某一时刻轨道面与地球的相对位置，近地点幅角决定了卫星位于远地点时的纬度。选定升交点赤经和近地点幅角使卫星轨道的远地点位于目标覆盖区域的上空。
显然，实现连续覆盖（即全时覆盖）给定目标覆盖区域所需卫星数N应满足下述公式：
式中，T E 和T S 依次为地球自转周期和一颗卫星完全覆盖目标区域的时间。
前已提及苏联的闪电（Molniya）通信卫星就是采用大椭圆轨道。同时，此卫星轨道1个平均恒星日运行2圈，属于回归轨道。此卫星在12个小时的轨道周期中，有近11小时的时间处于北半球高纬度地区（即目标区域）。对于这种轨道卫星，对目标区域要实现每天24小时全时通信，则需要3颗卫星。