CN102891713B - 适用于中高纬度区域覆盖的低轨道微小卫星编队系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种适用于中高纬度区域覆盖的低轨道微小卫星编队系统。该编队系统基于Flower星座设计“表面投影”理论，在回归周期初始时刻由各卫星构成紧凑的几何空间构形，并保证该拓扑结构相对于地面各点具有周期重复特性；编队中各卫星均采用形状完全一致的近极椭圆轨道；编队内部在保证无链路重叠的情况下，建立多条永久星间链路。本发明所提供的卫星编队系统能够大大降低地面跟踪控制系统的复杂度，有利于星间链路的优化和通信可靠性的提高，保证了良好的地面中高纬度区域多重覆盖特性，在空间通信领域具有广阔的应用价值和发展前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种卫星编队系统，具体的说是一种适用于中高纬度区域覆盖的低轨道微小卫星编队系统。
背景技术
近年来，新一代空间无线通信任务对卫星编队系统的吞吐量、实时性和鲁棒性提出了更高的要求。基于Walkerδ星座设计理论的卫星系统是目前应用最广的全球覆盖卫星系统，并应用于美国Globalstar、俄罗斯GLONASS、欧洲Galileo等卫星导航系统设计。虽然此类系统凭借良好的普适性和商用价值仍是目前卫星系统商品化的主流，但在区域（尤其是中高纬度地区）覆盖性能及具有单颗虚拟大卫星功能的卫星网络构建方面，却存在着很大的局限性。首先，分散的卫星分布无法最优化区域覆盖特性，同时也限制了星间链路（ISL）的配置及优化；其次，Walker星座本身对卫星失效较为敏感，系统的抗毁性难以保证；第三，在目前已投入使用的卫星系统中，ISL还未得到充分地应用，无法从网络级别对系统进行设计。由此看来，本发明所提供的具有ISL及紧凑拓扑结构、满足中高纬度区域覆盖的卫星编队系统将对空间导航、地面探测、星地无线通信等领域的发展起到十分关键的推动作用。
Flower卫星星座理论自2003年提出以来，在全球导航系统的优化及区域导航卫星星座设计方面备受关注。其优势特性在于：星座中所有卫星均具有周期重复的共地面轨迹，采用小偏心率的椭圆轨道，结合灵活的轨道倾角设定可以在远地点附近的低速驻留区内实现大容量的星地数据传输，区域覆盖性能优于传统的Walker星座。国内学者对Flower星座的应用可行性也进行了一系列相关研究。《宇航学报》2007年第3期中的文章“Flower卫星星座设计方法研究”设计了一个能够不依赖地面测控站为GEO卫星提供导航定位服务的Flower卫星星座系统，该系统包含两个Flower星座，且卫星在星座中均匀分布，通过仿真验证了其对中高轨道宇航飞行器提供导航定位服务的可行性。但是这种由多个Flower星座构成的系统由于卫星空间分布均匀且不紧凑，不适合用于地面区域覆盖，且设计中也没有考虑ISL的构建，因此该系统不具备良好的稳定性和星间组网功能。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种能够有效增强卫星系统稳定性、提高星地通信质量，具有ISL和特定几何拓扑、空间分布相对紧凑、适用于区域多重覆盖的低轨道微小卫星编队系统。
本发明的目的是这样实现的：
（1）组成编队的17颗低轨道微小卫星在轨道周期的初始时刻构成带有几何中心点且空间半径约为1000km的圆形拓扑结构，位于几何中心点的卫星为编队的中心卫星，其他16颗卫星在圆周上均匀分布，轨道周期初始时刻设为中心卫星经过赤道平面的时刻；
（2）所配置的32条ISL采用均匀分布原则，避免链路重叠造成的编队内部通信干扰，其中16条ISL设置在中心卫星与各圆周卫星之间，另外16条设置在各圆周卫星之间，将各圆周卫星沿拓扑边界两两相连构成闭合环形；
（3）星载探测设备均为30°基本圆锥形，中心卫星对地为正视状态，圆周上各卫星对地为侧视状态且沿着空间拓扑半径向外发散，侧视角为5°，中心卫星及圆周上四颗卫星的星载设备处于工作状态，其余各卫星起备用或补偿作用，卫星编队重点实现对北半球30°至90°纬度范围的区域多重覆盖。正视状态是视场方向正对地心。
所述的适用于中高纬度区域覆盖的低轨道微小卫星编队系统，其特征是：所述的中心卫星及圆周上四颗卫星是两两间隔且间隔相等。
本发明的方法的主要特点如下：
卫星编队拓扑结构具有良好的对称性和紧凑性，便于ISL的灵活配置和优化，有利于各编队卫星协作实现虚拟大卫星功能，进而从网络层面上增强了地面动态局域网通信协在卫星编队中的适用性，且该编队系统可进一步扩展应用于多层轨道卫星网络的构建。
附图说明
图1为本发明带有星间链路的低轨微小卫星编队拓扑结构仿真结果图；
图2为在一个回归周期内链路0-1 AER参数随时间变化的仿真结果图；
图3为正视状态下卫星对地覆盖示意图；
图4为侧视状态下卫星对地覆盖示意图；
图5为本发明卫星编队系统对地覆盖范围仿真结果图；
图6为本发明卫星编队中各卫星初始时刻空间位置参数Ω和M0设置结果表；
图7为本发明卫星编队中心卫星与圆周卫星间ISL各几何参数变化范围仿真结果表；
图8为各圆周卫星间ISL各几何参数变化范围仿真结果表；
图9为本发明卫星编队系统在不同覆盖重数要求下对应的时间参数仿真结果表。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细的描述：
结合图1。本发明的卫星编队系统中每颗卫星均属于一个10-1-8(NP-Nd-Ns)Flower星座，回归周期为1天，其间所有卫星在轨运行10圈。
各卫星轨道的形状一致，轨道基本参数设置如下：
轨道倾角i＝85.0°，采用近极轨道；
近地点高度hp＝1500km；
近地点幅角ω＝270°，保证远地点位于北半球且星下点轨迹的形状关于中心经度对称；
求得轨道半长轴a＝9084km；
轨道偏心率e＝0.13745。
卫星在单个轨道周期初始时刻的位置由其升交点赤径Ω及初始时刻平均异常角M0决定，
卫星编队内32条ISL配置如图1所示。
结合图2。所示链路0-1（0号卫星与1号卫星间的ISL）的AER（代表链路方位角、俯仰角和链路长度）曲线图以及图7，可得ISL特性如下：1）链路俯仰角最大变化范围仅为15.3°（0-7链路），各参数变化均具有周期性，有利于降低星载设备复杂度，保证链路切换或跟踪时的准确性、实时性；2）参数曲线连续无中断，适合建立永久ISL；3）中心卫星与各圆周卫星间最大相对距离为1583km，星载天线通过发射功率和增益设置有能力满足这一通信距离。
结合图3、图4和图5。中心卫星对地为正视状态，编号为1、3、5、7的工作卫星对地为侧视状态，图5中覆盖区域中心部分的覆盖重数高于边界部分。
结合图6。本发明的编队系统中17颗卫星初始时刻空间位置参数设置如图6所示，编队共包含9个轨道面，各卫星升交点赤径分布于ΔΩ＝9.37°的范围内。
结合图8可知各圆周卫星间链路长度最大值约为610km，因此信息交互时延较短，便于提高卫星网络的数据处理能力。
结合图9。可知，区域各点每次单重覆盖持续时间约为30min，覆盖持续时间随覆盖重数增加而缩短，四重和五重覆盖单次持续时间均低于15min，此时需要增加备用星来延长覆盖时间，以实现大容量的星地信息传输。实际应用中可以通过调整星载设备视场方向来满足区域各点覆盖重数的不同要求，提高通信系统的可靠性及灵活性；还可以通过调整i和ω两个参数进行远地点方位重定向，调整覆盖区域。
Claims (1)
1.一种适用于中高纬度区域覆盖的低轨道微小卫星编队系统，其特征是：
(1)组成编队的17颗低轨道微小卫星在轨道周期的初始时刻构成带有几何中心点且空间半径约为1000km的圆形拓扑结构，位于几何中心点的卫星为编队的中心卫星，其他16颗卫星在圆周上均匀分布，轨道周期初始时刻设为中心卫星经过赤道平面的时刻；
(2)所配置的32条ISL采用均匀分布原则，避免链路重叠造成的编队内部通信干扰，其中16条ISL设置在中心卫星与各圆周卫星之间，另外16条设置在各圆周卫星之间，将各圆周卫星沿拓扑边界两两相连构成闭合环形；
(3)星载探测设备均为30°基本圆锥形，中心卫星对地为正视状态，圆周上各卫星对地为侧视状态且沿着空间拓扑半径向外发散，侧视角为5°，中心卫星及圆周上四颗卫星的星载设备处于工作状态，其余各卫星起备用或补偿作用，卫星编队重点实现对北半球30°至90°纬度范围的区域多重覆盖；
所述的中心卫星及圆周上四颗卫星是两两间隔且间隔相等。
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