CN106209205A - 一种重点区域按需覆盖的全球通信星座设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于卫星通信技术领域，尤其涉及一种重点区域按需覆盖的全球通信星座设计方法。具体为该星座包括若干个沿赤道均匀分布的轨道平面，每个轨道平面上仅有一颗卫星。卫星的轨道周期为地球自转周期的整数分之一，星座中所有卫星的星下点轨迹重合。通过调整星座的回归周期、轨道倾角、偏心率、近地点幅角、第一颗卫星的升交点地理经度和平近点角等设计参数，星座能够根据任务需要，按需对重点区域提供高仰角的通信覆盖服务。本发明方法设计的星座能实现区域覆盖，通过调整星座设计参数即可针对南/北半球的特定区域提供星下点轨迹重复、高仰角的通信服务，使达到覆盖要求所需的卫星数目减少，空间和地面系统的复杂性也较低，因而系统更加经济。

Description

一种重点区域按需覆盖的全球通信星座设计方法

技术领域

本发明属于卫星通信技术领域，尤其涉及一种重点区域按需覆盖的全球通信星座设计方法。

背景技术

近二十多年来，卫星通信系统发展迅猛，受到了世界各国的广泛关注。在已有的通信系统中，美国的“铱星”(Iridium)系统能够为全球提供无线移动通信服务，该系统由6个轨道面上的66颗卫星构成，轨道高度为785km，轨道倾角为86.4度。美国的“全球星”(GlobalStar)系统能够为南/北纬70度以内的区域提供无缝隙的移动通信服务，该星座由分布在8个轨道面上的48颗卫星构成，轨道高度为1414km，轨道倾角为45度。“铱星”和“全球星”等系统的优势在于可以覆盖地球上的绝大部分地区并提供较低的通讯延迟，但是低轨全球星座高昂的发射和维护成本使其并不适用于区域覆盖任务，此外低轨道卫星的运动速度快，卫星间或载波间切换频繁，导致系统控制复杂、技术风险大。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种重点区域按需覆盖的全球通信星座设计方法，其特征在于，所述方法的步骤为

(1)确定期望的按需覆盖区域，明确这些区域的地形特征；

(2)确定星座的卫星数量和轨道面数；共地面轨迹星座由n个轨道高度、轨道倾角相同的轨道面组成，n个轨道面沿赤道均匀分布，每个轨道面只有1颗卫星；

(3)根据覆盖条带宽度和通信延迟要求确定星座回归周期1/j和轨道高度，j为回归轨道设计参数；

(4)根据期望按需覆盖区域的地理纬度确定轨道倾角i；

(5)根据期望高仰角覆盖区域的地理分布、地形特征、期望高仰角时刻和同步卫星干扰情况，分别确定卫星偏心率e、近地点幅角ω以及第一颗卫星的升交点地理经度λ₀和第一颗卫星的平近点角M₀；

(6)调整星座中其余卫星的升交点赤经和平近点角，使得所有的卫星具有相同的星下点轨迹；升交点赤经差为ΔΩ＝|Ω₁-Ω₂|，其中Ω₁和Ω₂分别表示相邻两个轨道面的升交点赤经，ΔM表示卫星2滞后于卫星1的相位，如果地球自转ΔΩ的时间和卫星2在其轨道平面上运行ΔM的时间相同，则卫星1和卫星2具有相同的星下点轨迹。

共地面轨迹星座中所有卫星的轨道高度、偏心率、倾角和近地点幅角都相同。

轨道面的数量n决定了地面重访间隔，提高n能缩小地面重访间隔。

所述星座回归周期小于地球自转周期时，星下点轨迹为重复的曲线；当回归周期等于地球自转周期时，星下点轨迹为一个静止的8字形状，进一步当轨道倾角i＝0°时，卫星的星下点轨迹退化为一个点；通过调整星座回归周期，增强星座覆盖范围或者降低星座通信延迟。

所述轨道倾角i决定了卫星能够覆盖的纬度范围，轨道倾角越大，则星座能够按需覆盖的纬度范围越广。

所述卫星偏心率e和近地点幅角ω决定了星座星下点轨迹的形状，和星座对南/北半球覆盖的占空比，只有当e≠0时，才会出现近地点幅角ω，e和ω的不同取值将使得星下点轨迹倾斜方向和程度发生改变。

所述第一颗卫星的升交点地理经度λ₀和第一颗卫星的平近点角M₀不影响星下点轨迹的形状，调整λ₀能够使得星下点轨迹沿着赤道平行移动，调整M₀能够改变卫星在星下点轨迹上的相位；通过更改星座中第一颗卫星的升交点地理经度λ₀，能使目标区域位于星座的高仰角覆盖区域之内，并避开发生频率冲突的地球同步轨道卫星。

有益效果

本发明方法设计的星座能实现区域覆盖，通过调整星座设计参数即可针对南/北半球的特定区域提供星下点轨迹重复、高仰角的通信服务。此外共轨迹星座使得达到覆盖要求所需的卫星数目大大减少，空间和地面系统的复杂性也相对较低，因而系统更加经济。

附图说明

图1本发明方法的步骤流程图；

图2卫星轨道根数示意图；

图3共地面轨迹星座中两相邻轨道面上卫星的空间几何关系示意图；

图4a-4h分别为1～8个轨道面及卫星数的星下点轨迹；

图5圆轨道卫星覆盖几何关系示意图；

图6a-6h分别为回归周期为1、1/2、1/3、1/4、1/5、1/6、1/7和1/8恒星日时星座的星下点轨迹和高仰角覆盖区域，其中仰角为60度；

图7a-7f分别为轨道倾角为0°、20°、40°、60°、80°和90°情况下星座的星下点轨迹和高仰角覆盖区域仿真图；

图8a-8h分别为偏心率为0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6和0.7的情况下星座的星下点轨迹和高仰角覆盖区域仿真图；

图9a-9h分别为近地点幅角为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°时星座的星下点轨迹和高仰角覆盖区域；

图10a-10d分别为第一颗卫星升交点地理经度λ₀为0°、30°、60°、90°时星座高仰角覆盖区域的变化情况；

图11a-11d分别为第一颗卫星的平近点角M₀为0°、30°、60°、90°时星座在星下点轨迹上的相位的变化情况。

具体实施方式

本发明提出了一种重点区域按需覆盖的全球通信星座设计方法，图1本发明方法的步骤流程图，该方法所设计的星座能够为南/北半球的特定区域提供高仰角的通信覆盖服务。

在介绍本发明的实现方法之前，首先在地心惯性系下定义描述卫星状态的轨道6根数，参见图2，各轨道根数及其作用如下：

(1)轨道形状参数a和e：a为轨道半长轴，e为轨道偏心率。

(2)轨道平面参数i和Ω：i为轨道倾角，Ω为升交点赤经，即在X-Y平面内从X轴到升交点转过的角度。

(3)拱线定向参数ω：ω为近地点幅角，即在轨道平面内从升交点到近地点转过的角度。

(4)卫星相位参数θ或M：θ为真近点角，即在轨道平面内从近地点到卫星转过的角度；θ也可用平近点角M表示。

本发明的实现方法如下：共地面轨迹星座由n个轨道高度和倾角相同的轨道面组成，n个轨道面沿赤道均匀分布，即相邻两轨道面的升交点赤经差为ΔΩ＝2π/n，每个轨道面只有1颗卫星。通过调整相邻轨道面之间的升交点赤经差和相邻轨道面上卫星的相位差，使得所有的卫星具有相同的星下点轨迹。图3展示了共地面轨迹座中相邻轨道面上卫星的空间几何关系示意图，其中Ω₁和Ω₂分别表示相邻轨道面的升交点赤经，升交点赤经差为ΔΩ＝|Ω₁-Ω₂|，ΔM表示卫星2滞后于卫星1的相位，如果地球自转ΔΩ的时间和卫星2在其轨道平面上运行ΔM的时间相同，则卫星1和卫星2具有相同的星下点轨迹。假设卫星在1个恒星日内围绕地球旋转j圈后星下点轨迹重复，即卫星的回归周期为1/j恒星日。那么共地面轨迹星座中相邻轨道面卫星应满足的条件为

$\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\Ω}}{\mathrm{\Δ}M}=-\frac{{\mathrm{\ω}}_e}{{\mathrm{\ω}}_s}=-\frac{1}{j}---\left(1\right)$

共地面轨迹星座的设计参数可表示为

n,j,i,e,ω,λ₀,M₀ (2)

其中n为星座中轨道面及卫星的数量，通过n可计算得到相邻轨道面的升交点赤经差ΔΩ。j为回归轨道设计参数，1/j为回归轨道周期，根据回归周期可计算得到轨道半长轴a，对于圆轨道可得到一组离散的卫星轨道高度，根据j和ΔΩ可计算得到相邻轨道面上卫星的相位差ΔM。i为星座中所有卫星的轨道倾角。e和ω为所有卫星的偏心率和近地点幅角。λ₀为星座中第一颗卫星的升交点地理经度，而M₀为星座中第一颗卫星的平近点角。

每个轨道平面上仅有一颗卫星，所有卫星的轨道高度、偏心率、倾角和近地点幅角都相同。

通过调整星座的运行周期，增强星座覆盖范围或者降低星座通信延迟。

通过选择与期望按需覆盖区域的最大纬度值相近的轨道倾角，增强对高纬度地区的覆盖性能。

通过更改星座的偏心率和近地点幅角，调整星座对南/北半球覆盖的占空比，并调整星下点轨迹在特定区域的方向。

通过更改星座中第一颗卫星的升交点地理经度，使目标区域位于星座的高仰角覆盖区域之内，并避开可能发生频率冲突的地球同步轨道卫星。

下面通过仿真图分析调整各设计参数对星座星下点轨迹的影响。

调整轨道面及卫星数量：

n决定了星座中轨道面及卫星的数量，假设共轨迹星座的回归周期为1/2恒星日，卫星采用圆轨道且轨道倾角为45°，则图4a-4h分别展示了1～8个轨道面及卫星数的星下点轨迹。

通过上图发现增加轨道面及卫星数n能缩短卫星重访间隔，但不改变星下点轨迹的形状。

调整回归周期：

不同的回归周期对应了离散的轨道高度，假设卫星在一个恒星日内围绕地球飞行j圈后星下点轨迹重复，那么卫星轨道周期可表示为T＝T_sd/j，其中T_sd＝86164.1s为一个恒星日。进一步可通过下式计算得到卫星半长轴a。

$T=\frac{T_{sd}}{j}=2\mathrm{\π}\sqrt{\frac{a^3}{\mathrm{\μ}}}---\left(3\right)$

其中地球引力常数μ＝398601.2km³/s²，对于圆轨道而言，通过下式可计算得到卫星的轨道高度h。

$T=\frac{T_{sd}}{j}=2\mathrm{\π}\sqrt{\frac{{(R_e+h)}^3}{\mathrm{\μ}}}---\left(4\right)$

其中R_e＝6378.145km为地球半径，不同回归周期T对应的轨道高度h如表1所示。

表1 回归轨道参数

对于回归轨道而言，轨道高度的不同将对卫星的覆盖特性产生影响，图5展示了单颗卫星对地覆盖的几何关系示意图。

其中E是观察点对卫星的仰角，R_e为地球半径，β是卫星的半视角，α是卫星和观察点之间的地心角。他们之间的关系为：

$\begin{array}{c}\mathrm{\β}=\arcsin \[\frac{R_e}{h+R_e}\cos E\]\\ \mathrm{\α}=arcsin\[\frac{h+R_e}{R_e}sin\mathrm{\β}\]-\mathrm{\β}\end{array}---\left(5\right)$

假设星座包含4个轨道面，每个轨道面上放置1颗圆轨道卫星，卫星的轨道倾角为60度。图6a-h分别展示了回归周期为1、1/2、1/3、1/4、1/5、1/6、1/7和1/8恒星日，星座的星下点轨迹和高仰角覆盖区域，其中仰角为60度。需要说明的是覆盖区域中条形斑纹的疏密代表星下点运动的速率，条状斑纹越密代表星下点运动速度越慢，反之代表星下点运动速度越快。当回归周期为1恒星日时，星座的星下点轨迹为8字型封闭曲线，星座的覆盖区域仅限于卫星穿越赤道经度附近的局部区域。随着回归周期的不断缩短，卫星的轨道高度逐渐降低，同时星座的覆盖条带逐渐变窄，但是覆盖范围更广也更加密集。在任务设计中，需要根据任务要求选择合适的轨道高度，以提高覆盖条带宽度或者降低通信延迟。

调整轨道倾角:

下面以图6b的情况为例，说明改变轨道倾角对星下点轨迹和高仰角覆盖区域的影响，图7a-f分别展示了轨道倾角为0°、20°、40°、60°、80°和90°情况下，星座的星下点轨迹和高仰角覆盖区域仿真图。当轨道倾角i＝0°时，覆盖区域为与赤道平行的条带，随着轨道倾角的增加，星座对高纬度地区的覆盖范围逐渐增大，其中轨道倾角与星下点轨迹的南北纬最大值相同。在任务设计中，星座的轨道倾角可选择与期望覆盖区域的最大纬度值相近。

调整偏心率和近地点幅角：

由于只有当e≠0时(即为椭圆轨道)，才会存在近地点幅角ω，因此下面首先以图7d为例，分析偏心率对星座星下点轨迹和覆盖区域的影响，图8a-h分别展示了偏心率为0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6和0.7的情况下，星座的星下点轨迹和高仰角覆盖区域仿真图。调整偏心率不改变星下点穿越赤道的位置，但是改变星下点轨迹倾斜的程度，还改变卫星下点轨迹在特定区域的方向。此外还随着偏心率的提高，卫星近地点的高仰角覆盖区域变小，卫星通过目标区域上空的时间变短，而卫星远地点的高仰角覆盖区域变大，卫星通过目标区域上空的时间变长。

进一步在图8h的基础上分析近地点幅角为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°时对星座星下点轨迹和高仰角覆盖区域的影响，如图9a-h所示。偏心率和近地点幅角的综合作用能够改变星下点穿越赤道的位置，改变星座星下点轨迹倾斜的程度，并调整南/北半球覆盖的占空比。在星座设计过程中，应合理选择卫星的偏心率和近地点幅角，改变星下点轨迹穿越赤道的位置，并考虑期望覆盖区域的地形特点，使远地点附近区域对应的星下点轨迹以合适的方向穿越期望的按需覆盖区域，获得较高的可视仰角和可视时长。

调整升交点地理经度和平近点角：

调整星座第一颗卫星的升交点地理经度λ₀和平近点角M₀不影响星下点轨迹的形状。下面首先在图9h的基础上分析λ₀为0°、30°、60°、90°时对星座星下点轨迹和高仰角覆盖区域的改变作用，如图10a-d所示。改变星座第一颗卫星的升交点地理经度λ₀，能够使得星下点轨迹和高仰角覆盖区域沿赤道平行移动。从而改变了特定区域的高仰角覆盖性能和最高仰角到达时间。在星座设计过程中，应合理选择第一颗卫星的升交点地理经度λ₀，使得目标区域位于星座的高仰角覆盖区域之内。此外第一颗卫星升交点地理经度λ₀的选取还应使得使星下点轨迹在合理的位置穿越赤道，以避开可能发生频率冲突的同步卫星。

下面以图10d为例，进一步分析第一颗卫星的平近点角M₀分别为0°、30°、60°、90°时对星座星下点轨迹和高仰角覆盖区域的改变作用，参见图11a-d。更改第一颗卫星的平近点角M₀能够改变卫星在星下点轨迹上的相位。因而在星座设计的过程中，应合理选择第一颗卫星的平近点角，在期望时刻达到最大仰角。

Claims (7)

1.一种重点区域按需覆盖的全球通信星座设计方法，其特征在于，所述方法的步骤为

(1)确定期望的按需覆盖区域，明确这些区域的地形特征；

(2)确定星座的卫星数量和轨道面数；共地面轨迹星座由n个轨道高度、轨道倾角相同的轨道面组成，n个轨道面沿赤道均匀分布，每个轨道面只有1颗卫星；

(3)根据覆盖条带宽度和通信延迟要求确定星座回归周期1/j和轨道高度，j为回归轨道设计参数；

(4)根据期望按需覆盖区域的地理纬度确定轨道倾角i；

(5)根据期望高仰角覆盖区域的地理分布、地形特征、期望高仰角时刻和同步卫星干扰情况，分别确定卫星偏心率e、近地点幅角ω以及第一颗卫星的升交点地理经度λ₀和第一颗卫星的平近点角M₀；

(6)调整星座中其余卫星的升交点赤经和平近点角，使得所有的卫星具有相同的星下点轨迹；升交点赤经差为ΔΩ＝|Ω₁-Ω₂|，其中Ω₁和Ω₂分别表示相邻两个轨道面的升交点赤经，ΔM表示卫星2滞后于卫星1的相位，如果地球自转ΔΩ的时间和卫星2在其轨道平面上运行ΔM的时间相同，则卫星1和卫星2具有相同的星下点轨迹。

2.根据权利要求1所述的一种重点区域按需覆盖的全球通信星座设计方法，其特征在于，所述共地面轨迹星座中所有卫星的轨道高度、卫星偏心率e、轨道倾角i和近地点幅角ω都相同。

3.根据权利要求1所述的一种重点区域按需覆盖的全球通信星座设计方法，其特征在于，轨道面的数量n决定了地面重访间隔，提高n能缩小地面重访间隔。

4.根据权利要求1所述的一种重点区域按需覆盖的全球通信星座设计方法，其特征在于，所述星座回归周期小于地球自转周期时，星下点轨迹为重复的曲线；当回归周期等于地球自转周期时，星下点轨迹为一个静止的8字形状，进一步当轨道倾角i＝0°时，卫星的星下点轨迹退化为一个点；通过调整星座回归周期，增强星座覆盖范围或者降低星座通信延迟。

5.根据权利要求1所述的一种重点区域按需覆盖的全球通信星座设计方法，其特征在于，所述轨道倾角i决定了卫星能够覆盖的纬度范围，轨道倾角越大，则星座能够按需覆盖的纬度范围越广。

6.根据权利要求1所述的一种重点区域按需覆盖的全球通信星座设计方法，其特征在于，所述卫星偏心率e和近地点幅角ω决定了星座星下点轨迹的形状，和星座对南/北半球覆盖的占空比，只有当e≠0时，才会出现近地点幅角ω，e和ω的不同取值将使得星下点轨迹倾斜方向和程度发生改变。

7.根据权利要求1所述的一种重点区域按需覆盖的全球通信星座设计方法，其特征在于，所述第一颗卫星的升交点地理经度λ₀和第一颗卫星的平近点角M₀不影响星下点轨迹的形状，调整λ₀能够使得星下点轨迹沿着赤道平行移动，调整M₀能够改变卫星在星下点轨迹上的相位；通过更改星座中第一颗卫星的升交点地理经度λ₀，能使目标区域位于星座的高仰角覆盖区域之内，并避开发生频率冲突的地球同步轨道卫星。