Introduction to Satellite Communication 3rd Edition

1.3
Satellite Orbit Configurations
Having already introduced the concept of GEO and non-GEO satellites, we can
now examine some of the technical particulars. Behavior of a satellite in Earth
orbit follows Kepler’s laws of planetary motion (Figure 1.18), which can be restated
for artificial satellites as follows:
1. The orbit of each satellite is an ellipse with the Earth centered at one focus.
2. The line joining the satellite and the center of the Earth sweeps out equal
areas in equal times. The area is bounded by the arc segment of the orbit
and two lines that extend from the center of the Earth.

---

1.3
Satellite Orbit Configurations
21
Figure 1.18
Illustration of Kepler’s laws of planetary motion.
3. The square of the period of a satellite is proportional to the cube of its
mean distance from the center of the Earth. That relationship is plotted in
Figure 1.19 to give an idea of the relationship between altitude and orbital
period.
Figure 1.20 provides three classical Earth-orbit schemes and their basic proper-
ties. LEO systems employ satellites at altitudes ranging from 500 to 1,000 km.
Over that range, the orbit period is between 1.6 and 1.8 hours, the higher orbit
resulting in a slightly longer period of revolution. The reason for that small change
in period is that it is the distance from the center of the Earth that determines the
period, not the elevation above sea level. The altitude of a medium Earth orbit
(MEO) is around 10,000 km (a period of about 6 hours). Between 2,000 and 8,000
km, there is an inhospitable environment for electronic components produced by
the Van Allen radiation belt.
The principal advantage of LEO satellites is the shorter range that the radio
signal has to traverse, requiring less power and minimizing propagation delay. The
range of delay for a single up-down hop is shown at the top of the right-hand
graph in Figure 1.19. Their short orbital period produces relatively brief durations
when a given satellite can serve a particular user. For altitudes in the range of
8,000 to 10,000 km, a MEO satellite has a much longer period and thus tends to