CN105721040A - 一种区域覆盖推扫星座及其构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种区域覆盖推扫星座，所述区域覆盖推扫星座包括：至少一组推扫卫星群；至少一组推扫卫星群中的卫星轨道要素构型相同，升交点赤经不同。本发明还公开了一种区域覆盖推扫星座的构建方法，包括：选定观测区域，并根据观测区域的形状找到其外截圆；根据所述外截圆的半径，确定推扫卫星组的卫星数量和轨道倾角；计算相邻卫星升交点赤经差；确定推扫卫星星座的构型。本发明针对传统Walker星座构型对区域目标监测成本过高、可操作性不强及容易出现遗漏目标的问题，提出了一种推扫星座构型，该构型可以有效解决有限区域范围的离散全覆盖问题，与传统Walker星座相比，该方法具有更完备的覆盖性能，能够满足非常苛刻的任务需求，具有广泛的应用前景。

Description

一种区域覆盖推扫星座及其构建方法

技术领域

本发明涉及一种区域覆盖推扫星座及其构建方法，尤其是一种基于覆盖带拼接的推扫星座的实现方法，属于航天器星座与轨道设计技术领域。

背景技术

在卫星早期应用中，主要通过单颗卫星来完成任务。但除个别情况外(地球静止轨道)，多数卫星都不能够固定在地球某个点的上空，其覆盖范围总是不断变化的。因此，为利用多颗卫星协同工作共同完成某一特定任务，卫星星座的概念应运而生。卫星星座(简称星座)是指由多颗卫星组成，卫星轨道形成稳定的空间几何构型，卫星与卫星之间保持固定的时空关系，用于完成特定航天任务的卫星系统。

星座构型是对星座中卫星的空间分布、轨道类型以及卫星间相互关系的描述。星座轨道构型是星座的基本要素，反映了星座中卫星的时空布局，是星座覆盖性能、工作性能以及运行维持性能的决定性因素。Walker星座是一类星座构型的统称，它包括星形星座、δ星座、σ星座、w星座、玫瑰星座等，其中Walker-σ星座在工程中得到较为广泛的应用，尤其是针对大面积或全球观测任务而言，具有全球覆盖、纬度带覆盖最有效的特点。

Walker星座是由均匀分布在多个倾斜圆轨道上的卫星组成，卫星轨道的长半轴、偏心率和轨道倾角相同，同一轨道上的卫星沿轨道均匀分布，轨道平面沿赤道均匀分布，且不同轨道平面上的卫星的相位差相同。通常用N/P/F:i来表示Walker星座构型，其中：N表示星座中卫星的总数；P表示星座中轨道平面的数量；F为相位因子，是一个0～P-1之间的整数，用于表示不同轨道平面上卫星的相位差；i为轨道倾角。其覆盖区域可以表示为且最高覆盖纬度与轨道倾角i有关，通常有

图1是一个24/4/1:45°Walker星座的星下点轨迹分布图。可见，该星座的星下点轨迹沿赤道在南北纬45°范围内对称分布。

图2是该星座对南北纬45°范围探测时间间隔统计情况。可见，随着纬度的增高，探测时间间隔不断减少，且以纬度为0°的赤道为对称轴，南半球和北半球是相同的。因此，Walker星座比较适合于全球均匀覆盖的星座设计，并且适合于对静止目标的探测。

在卫星对地观测任务中，针对有限区域范围的全覆盖是一种常见的工作模式。经典的Walker星座并不适用于此类观测任务，存在覆盖性能较低，成本较大的缺点。例如，针对在我国东南海域的一个探测区域，如图3所示。

要求对该区域内的运动目标进行探测，且重访周期最多12小时(43200s)，必须能够发现目标。已知目标的最大运动速度为60km/h，目标监视卫星的轨道高度为500km，监视载荷的对地瞬时覆盖宽度为200km。

按照Walker星座设计方法，下表给出了多种Walker构型对目标区域的覆盖情况。

表1Walker星座对目标区域的覆盖情况

序号	Walker星座构型	最大覆盖时间间隔(s)	平均覆盖时间间隔(s)1 -->
				1	8/4/1	120000	110000
2	12/4/0	95000	70000
				3	15/5/1	68000	45000
4	24/8/4	53000	42000
				5	27/9/5	42000	34000

可见，只有27/9/5构型的Walker星座能够完全满足对目标区域的覆盖要求，也就是说，如果采用Walker星座构型就需要27颗卫星进行组网。显然，对于这样一个小区域的探测任务，成本是相当高的。本发明提出的技术旨在解决Walker星座构型在执行有限区域范围的全覆盖观测任务时覆盖性能较低，成本较大的问题。

发明内容

本发明提供一种区域覆盖推扫星座及其构建方法，并以外截圆定义观测区域面积，将观测区域纬度考虑在内，给出了推扫星座的详细设计方法；然后，将该方法与经典的Walker星座设计方法进行了对比，其优点在于能够以较小的成本实现对有限观测区域的全覆盖，同时避免目标遗漏。

本发明的目的通过以下技术方案来具体实现：

一种区域覆盖推扫星座，所述区域覆盖推扫星座包括：

至少一组推扫卫星群；

所述至少一组推扫卫星群中的卫星轨道要素构型相同，升交点赤经不同。

进一步的，每组所述推扫卫星群由两颗及两颗以上的卫星并列排布构成，每颗所述卫星均部署在不同的轨道平面上。

进一步的，每组所述推扫卫星群中的卫星数量具体包括：

根据区域目标的大小和卫星对地瞬时覆盖带宽，计算满足瞬时全覆盖需求的最少卫星数N，

$N=\mathrm{int}\left(\frac{d}{w}\right)+1$

其中，d定义为目标区域宽度，w定义为卫星对地瞬时覆盖带宽度，int()为取整函数。

更进一步的，所述至少一组推扫卫星群中的卫星轨道要素构型相同，升交点赤经不同，具体为：

所述至少一组推扫卫星群中的每颗卫星轨道要素构型相同，轨道倾角为包络平行四边形的倾斜角，即

i＝α；

所述升交点赤经不同，升交点赤经存在赤经差，每个轨道平面之间的最大升交点赤经差为：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\Ω}=\frac{w}{R_E}rad;$

其中R_E为地球半径。

进一步的，推扫卫星群的组数包括：

根据推扫卫星群的重访周期和任务要求的重访周期，确定推扫星座中推扫卫星群的数量，卫星群数量M为

$M=\frac{T_S}{T_M}.$

其中，T_M为任务要求重访周期，T_S为单组推扫卫星群的重访周期。

本发明还提供了一种区域覆盖推扫星座的构建方法，包括：

步骤一、选定观测区域，并根据观测区域的形状找到其外截圆；

步骤二、根据所述外截圆的半径，确定推扫卫星组的卫星数量和轨道倾角；

步骤三、计算相邻卫星升交点赤经差；

步骤四、确定推扫卫星星座的构型。

进一步的，步骤一中，所述根据观测区域的形状找到其外截圆，是指以观测区域中心为圆心，能够包络全部观测区域的最小圆。

进一步的，步骤二中，所述确定推扫卫星组的卫星数量和轨道倾角，具体包括：

首先通过目标观测区域的纬度确定能够覆盖该区域的轨道倾角；

其次根据外截圆直径和单颗卫星的覆盖带宽度，确定能够实现全覆盖的推扫卫星组中卫星的最少数量。

进一步的，步骤三中，所述计算相邻卫星升交点赤经差，包括：

基于目标区域的纬度，按照球面三角形定理进行计算，保证推扫卫星组在目标区域上空实现无缝拼接。

进一步的，步骤四中，所述确定推扫卫星星座的构型，包括：

确定推扫卫星星座中包含推扫卫星组的数量及其布局；

所述推扫卫星星座中包含推扫卫星组的数量及其布局根据任务要求的重访周期和推扫卫星组实际的重访周期计算得到。

本发明针对传统Walker星座构型对区域目标监测成本过高、可操作性不强及容易出现遗漏目标的问题，提出了一种推扫星座构型，该构型可以有效解决有限区域范围的离散全覆盖问题，与传统Walker星座相比，该方法具有更完备的覆盖性能，能够满足非常苛刻的任务需求，具有广泛的应用前景。

附图说明

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

图1是24/4/1:45°Walker星座的星下点轨迹。

图2是Walker星座对南北纬45°范围探测时间间隔统计情况。

图3是针对在我国东南海域的一个探测区域示意图。

图4是卫星观测带拼接示意图(静态)。

图5是卫星观测带拼接示意图(动态)，可以看出此推扫星座构型无监视盲区。

图6是用于计算相邻推扫卫星升交点赤经差的构型示意图。

图7是一组推扫卫星群的在轨运行三维仿真场景。

图8是一组推扫卫星群的星下点轨迹。

图9是一组推扫卫星群通过目标区域的仿真示意图，可以看出其能够对目标区域实现全覆盖。

图10是推扫卫星星座对目标区域覆盖时间的仿真结果。

具体实施方式

实施例一

本发明实施例一提供了一种区域覆盖推扫星座，所述区域覆盖推扫星座包括：

至少一组推扫卫星群；所述至少一组推扫卫星群中的卫星轨道要素构型相同，升交点赤经不同。

每组所述推扫卫星群由两颗及两颗以上的卫星并列排布构成，每颗所述卫星均部署在不同的轨道平面上。

每组所述推扫卫星群中的卫星数量具体包括：

根据区域目标的大小和卫星对地瞬时覆盖带宽，计算满足瞬时全覆盖需求的最少卫星数N，

$N=\mathrm{int}\left(\frac{d}{w}\right)+1$

其中，d定义为目标区域宽度，w定义为卫星对地瞬时覆盖带宽度，int()为取整函数。

所述至少一组推扫卫星群中的卫星轨道要素构型相同，升交点赤经不同，具体为：

所述至少一组推扫卫星群中的每颗卫星轨道要素构型相同，轨道倾角为包络平行四边形的倾斜角，即

i＝α；

所述升交点赤经不同，升交点赤经存在赤经差，每个轨道平面之间的最大升交点赤经差为：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\Ω}=\frac{w}{R_E}rad;$

其中R_E为地球半径。

推扫卫星群的组数包括：

根据推扫卫星群的重访周期和任务要求的重访周期，确定推扫星座中推扫卫星群的数量，卫星群数量M为

$M=\frac{T_S}{T_M}.$

其中，T_M为任务要求重访周期，T_S为单组推扫卫星群的重访周期。

本发明实施例提供的一种区域覆盖推扫星座，旨在提供一种基于覆盖带拼接的推扫星座概念，该区域覆盖推扫星座能够以较小的成本实现对有限观测区域的全覆盖，同时避免目标遗漏。

实施例二

本发明实施例还提供了一种区域覆盖推扫星座的构建方法，包括：

步骤一、选定观测区域，并根据观测区域的形状找到其外截圆。

所述根据观测区域的形状找到其外截圆，是指以观测区域中心为圆心，能够包络全部观测区域的最小圆。

步骤二、根据所述外截圆的半径，确定推扫卫星组的卫星数量和轨道倾角。

首先通过目标观测区域的纬度确定能够覆盖该区域的轨道倾角；

其次根据外截圆直径和单颗卫星的覆盖带宽度，确定能够实现全覆盖的推扫卫星组中卫星的最少数量。

具体的，推扫卫星组的卫星数量按以下步骤计算：设单颗卫星在轨道高度为h时的对地瞬时覆盖宽度为w。如果w>d，那么，一颗卫星一次过顶即可覆盖整个目标区域，只需要根据对该区域的覆盖时间间隔要求进行星座设计即可。针对w<d的情况。图4所示的是由3颗卫星拼接成的推扫卫星群。图5所示的是3颗推扫卫星群的推扫区域。可见，推扫卫星组可以在观测过程中实现观测区域无缝拼接。

综上，可以利用下式确定推扫卫星组的最少卫星数N，即

$N=\mathrm{int}\left(\frac{d}{w}\right)+1$

其中，符号int表示对结果取整。

所述确定推扫卫星组的卫星数量和轨道倾角，首先通过目标观测区域的纬度确定能够覆盖该区域的轨道倾角，应满足i＞φ，其中φ为目标中心区域纬度；其次根据外截圆直径和单颗卫星的覆盖带宽度，确定能够实现全覆盖的推扫卫星组中卫星的最少数量。

步骤三、计算相邻卫星升交点赤经差ΔΩ。

基于目标区域的纬度，按照球面三角形定理进行计算，保证推扫卫星组在目标区域上空实现无缝拼接。

需要声明的是，所述相邻卫星升交点赤经差ΔΩ的计算，其中推扫星座的每颗卫星都部署在不同的轨道平面上，轨道根数除升交点赤经等间距分布外，其余均保持一致。相邻轨道的升交点赤经差ΔΩ的计算除了与观测区域的纬度相关外，还与外截圆半径相关。

应按以下过程推导，以两颗卫星为例(多颗卫星可依次递推)：

星座构型计算的前提是定义观测区域的外截圆半径，外截圆如图6中阴影部分所示，记圆心处纬度为φ。

如图6所示，S₁、S₂分别为推扫卫星组的两颗邻星。在全覆盖条件下，弧段长度可记为S₁S₂＝w，并可在过地心的圆弧中计算其对应的地心角，可表示为在球面三角形ΔS₁S₂F中，可利用边的余弦公式计算得

在球面三角形ΔBDS₂中，可得

故可知

步骤四、确定推扫卫星星座的构型。

所述推扫卫星星座的构型，包含确定推扫卫星星座中包含推扫卫星组的数量及其布局，推扫卫星组的数量及其布局根据任务要求的重访周期和推扫卫星组实际的重访周期计算得到。

下面将结合仿真案例对该发明加以验证：

首先，确定能够包络全部目标区域的最小外截圆。

然后，确定推扫星座的卫星数量和轨道倾角，即

N＝4,i＝55°

考虑到需要利用星下点轨迹的回归特性，确定卫星的轨道高度为500.67km(每天15圈的回归轨道)，利用STK软件建立推扫星座仿真场景，如图7所示，对应的星下点轨迹如图8所示。图9为推扫卫星组对目标区域的覆盖情况。

在图10中可见，由4颗卫星组成的推扫卫星群对指定目标区域的最大重访时间间隔为85105s(大约24小时)。由于任务要求是12小时，因此，还需要一组推扫卫星群，即共需要8颗2组推扫卫星群组成一个推扫星座就可以实现对目标区域最大12小时时间间隔的全区域覆盖探测。

本发明实施例二提供的一种区域覆盖推扫星座的构建方法，针对传统Walker星座构型对区域目标监测成本过高、可操作性不强及容易出现遗漏目标的问题，提出了一种推扫星座构型，该构型以外截圆定义观测区域面积，将观测区域纬度考虑在内，给出了推扫星座的详细设计方法，可以有效解决有限区域范围的离散全覆盖问题，与传统Walker星座相比，该方法具有更完备的覆盖性能，能够满足非常苛刻的任务需求，具有广泛的应用前景。

Claims (10)

1.一种区域覆盖推扫星座，其特征在于，所述区域覆盖推扫星座包括：

至少一组推扫卫星群；

所述至少一组推扫卫星群中的卫星轨道要素构型相同，升交点赤经不同。

2.如权利要求1所述的区域覆盖推扫星座，其特征在于，每组所述推扫卫星群由两颗及两颗以上的卫星并列排布构成，每颗所述卫星均部署在不同的轨道平面上。

3.如权利要求1或2所述的区域覆盖推扫星座，其特征在于，每组所述推扫卫星群中的卫星数量具体包括：

根据区域目标的大小和卫星对地瞬时覆盖带宽，计算满足瞬时全覆盖需求的最少卫星数N，

$N=\mathrm{int}\left(\frac{d}{w}\right)+1$

其中，d定义为目标区域宽度，w定义为卫星对地瞬时覆盖带宽度，int()为取整函数。

4.如权利要求1或2所述的区域覆盖推扫星座，其特征在于，所述至少一组推扫卫星群中的卫星轨道要素构型相同，升交点赤经不同，具体为：

所述至少一组推扫卫星群中的每颗卫星轨道要素构型相同，轨道倾角为包络平行四边形的倾斜角，即

i＝α；

所述升交点赤经不同，升交点赤经存在赤经差，每个轨道平面之间的最大升交点赤经差为：

$\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&Omega;}=\frac{w}{R_E}rad;$

其中R_E为地球半径。

5.如权利要求1所述的区域覆盖推扫星座，其特征在于，推扫卫星群的组数包括：

根据推扫卫星群的重访周期和任务要求的重访周期，确定推扫星座中推扫卫星群的数量，卫星群数量M为

$M=\frac{T_S}{T_M}.$

其中，T_M为任务要求重访周期，T_S为单组推扫卫星群的重访周期。

6.一种区域覆盖推扫星座的构建方法，包括：

步骤一、选定观测区域，并根据观测区域的形状找到其外截圆；

步骤二、根据所述外截圆的半径，确定推扫卫星组的卫星数量和轨道倾角；

步骤三、计算相邻卫星升交点赤经差；

步骤四、确定推扫卫星星座的构型。

7.如权利要求6所述区域覆盖推扫星座的构建方法，其特征在于，步骤一中，所述根据观测区域的形状找到其外截圆，是指以观测区域中心为圆心，能够包络全部观测区域的最小圆。

8.如权利要求6所述区域覆盖推扫星座的构建方法，其特征在于，步骤二中，所述确定推扫卫星组的卫星数量和轨道倾角，具体包括：

首先通过目标观测区域的纬度确定能够覆盖该区域的轨道倾角；

其次根据外截圆直径和单颗卫星的覆盖带宽度，确定能够实现全覆盖的推扫卫星组中卫星的最少数量。

9.如权利要求6所述区域覆盖推扫星座的构建方法，其特征在于，步骤三中，所述计算相邻卫星升交点赤经差，包括：

基于目标区域的纬度，按照球面三角形定理进行计算，保证推扫卫星组在目标区域上空实现无缝拼接。

10.如权利要求6所述区域覆盖推扫星座的构建方法，其特征在于，步骤四中，所述确定推扫卫星星座的构型，包括：

确定推扫卫星星座中包含推扫卫星组的数量及其布局；

所述推扫卫星星座中包含推扫卫星组的数量及其布局根据任务要求的重访周期和推扫卫星组实际的重访周期计算得到。