CN106249253B - 低轨通信和导航增强混合星座的优化设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种低轨通信和导航增强混合星座的优化设计方法，包括：确定卫星轨道类型；确定卫星轨道高度；确定最小观测仰角；选取星座构型；确定轨道倾角；确定卫星数量；确定轨道面数与相位因子；优化选取初始升交点赤经；分析低轨通信和导航增强混合星座的覆盖性能；遍历结束后比较所有满足设计要求的混合星座参数，选择最优解。优点为：结合通信和导航增强星座设计各个阶段需要考虑的因素，可以设计出满足用户需求、星座性能优、卫星数目少、而且星座间具有较好兼容互操作能力的低轨通信和导航增强混合星座。

Description

低轨通信和导航增强混合星座的优化设计方法
技术领域
本发明属于混合星座优化设计技术领域，具体涉及一种低轨通信和导航增强混合星座的优化设计方法。
背景技术
卫星通信系统按照其覆盖情况分为区域系统和全球系统。目前，利用卫星实现全球实时通信有两种方案：(1)利用3颗(或3颗以上)GEO卫星基本实现全球实时通信。(2)利用MEO、LEO卫星组成全球星座实现全球通信。MEO卫星高度在20000km左右，而LEO卫星高度在700～1500km之间。由一定数量的MEO、LEO卫星组成的星座可为全球提供不间断的实时通信，如铱星系统星座由66颗高度约为780km的卫星组成，卫星分布在6个轨道面上；全球星系统星座由48颗高度约为1414km的卫星组成，卫星分布在8个轨道平面上，两种系统都能够实现全球实时通信。
卫星导航系统可以在全球范围内为用户提供全天候的、连续精确的位置、速度和时间信息，具有巨大的军事和经济效益，引起了世界各国的广泛关注。目前已经在轨并提供服务的导航星座包括：美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS系统和中国的北斗卫星导航系统。目前正在建设中的导航星座包括：欧盟的Galileo系统、印度的IRNSS区域导航卫星系统以及日本的QZSS准天顶卫星导航系统。
低轨通信和导航增强混合星座的优化设计是一个星座参数多目标优化的过程，通过优化设计，使服务区获得最优的星座性能，满足成本和性能的约束。在目前的导航星座设计中，考虑的边界约束条件主要是星座的覆盖性能、导航精度等，例如《采用遗传算法的低轨区域通信星座优化设计》(郦苏丹等，通信学报，2005年8月第26卷第8期)、《低轨卫星通信系统星座设计与性能仿真》(刘绍奎等，全球定位系统，2014年6月第39卷第3期)、《卫星星座协同优化设计研究》(常辉，华中科技大学博士学位论文，2012年12月)、《非静止轨道卫星星座设计和星际链接研究》(吴廷勇，电子科技大学博士学位论文，2008年1月)、《非静止轨道卫星移动通信系统网络关键技术研究》(刘刚，电子科技大学博士学位论文，2003年12月)、《多层卫星通信网络结构设计与分析》(肖楠等，现代防御技术，2012年6月第40卷第3期)、《基于LEO极轨道星座的卫星网络路由算法研究》(段思睿，北京邮电大学博士学位论文，2014年6月)、《卫星星座一体化优化设计研究》(范丽，国防科学技术大学博士学位论文，2006年3月)、《基于遗传算法的卫星星座设计》(曾喻江，华中科技大学博士学位论文，2007年4月)、《近地轨道卫星星座设计时的轨道模型》(白鹤峰等，国防科技大学学报，1999年第21卷，第2期)。现有低轨通信星座和导航星座大部分均为分别设计，方法所考虑的边界约束条件数量有限，导致所设计的星座工作性能有限，而且针对利用低轨星座同时进行卫星通信和增强中轨导航卫星系统的研究较少，缺乏这种特殊应用下的混合星座优化设计方法。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种低轨通信和导航增强混合星座的优化设计方法，在低轨通信和导航增强混合星座设计过程中，还考虑混合星座中两个卫星星座的兼容性、初始升交点赤经选择等问题，由此设计的星座具有较好的工作性能，能够同时满足低轨卫星通信和增强中轨导航卫星系统的需求。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种低轨通信和导航增强混合星座的优化设计方法，包括以下步骤：
步骤1：确定混合星座中每个卫星的卫星轨道类型为圆形轨道，其偏心率e＝0，近地点幅角ω＝0；
步骤2：初步确定卫星轨道高度，包括：
步骤2.1：确定混合星座中每个卫星的第一备选轨道集合；其中，第一备选轨道集合为符合设计需求的轨道高度范围；
步骤2.2：对第一备选轨道集合进一步优选，得到由若干个轨道高度值组成的第二备选轨道集合；
步骤3：综合考虑当地地形导致的观测障碍因素，根据用户需求确定最小观测仰角；
步骤4：判断混合星座设计过程中是否需要考虑进动的影响，当需要考虑进动影响时，根据进动速度相同的条件，确定混合星座构型为两个Walker星座混合，然后执行步骤5；
当不需要考虑进动影响时，确定混合星座构型为Walker星座和极轨星座，然后执行步骤6；
步骤5：根据用户服务区纬度的需求以及所确定的混合星座构型，选定轨道倾角范围；
对第一备选轨道集合的轨道高度范围按预设间隔，轨道倾角范围根据用户需求设定，在该轨道高度范围和轨道倾角范围内，分别计算不同轨道倾角和轨道高度下的轨道面进动速度，选择进动速度相同的若干组轨道高度值和轨道倾角值；
对于所选择到的若干组轨道高度值和轨道倾角值，优先选取轨道高度值属于或接近第二备选轨道集合的若干组回归轨道高度值和对应的轨道倾角值；若没有满足第二备选轨道集合的轨道高度值，则不考虑第二备选轨道集合；然后执行步骤7；
步骤6：根据用户服务区纬度的需求以及所确定的混合星座构型，选定轨道倾角范围；优先选取轨道高度值属于或接近第二备选轨道集合的若干组回归轨道高度值；然后执行步骤7；
步骤7：确定混合星座中每个星座包含的卫星数量范围；
步骤8：确定轨道面数与相位因子范围；具体为：以步骤7确定的卫星数量范围为已知值，选择覆盖性能最优的轨道面数与相位因子范围；
步骤9：分别优化选取混合星座中每个星座的初始升交点赤经范围；具体优化方法为：利用遗传算法优化选取混合星座中每个星座的初始升交点赤经范围；
步骤10：当考虑进动影响时，采用以下方法优化选取：
确定了每个混合星座的卫星轨道类型、最小观测仰角、卫星数量范围、轨道面数与相位因子范围、初始升交点赤经范围、以及若干组成对的轨道高度值和轨道倾角值；则：
按预设间隔，对最小观测仰角、卫星数量范围、轨道面数与相位因子范围、初始升交点赤经范围、以及若干组成对的轨道高度值和轨道倾角值进行优化选取，计算每组配置得到的混合星座参数所对应的低轨通信和导航增强混合星座的覆盖性能；
当优化选取结束时，执行步骤11；
当不考虑进动影响时，采用以下方法优化选取：
确定了每个混合星座的卫星轨道类型、最小观测仰角、卫星数量范围、轨道面数与相位因子范围、初始升交点赤经范围、第二备选轨道集合和轨道倾角范围；则：
按预设间隔，对最小观测仰角、卫星数量范围、轨道面数与相位因子范围、初始升交点赤经范围、第二备选轨道集合和轨道倾角范围进行优化选取，计算每组配置得到的混合星座参数所对应的低轨通信和导航增强混合星座的覆盖性能；
当优化选取结束时，执行步骤11；
步骤11：选择混合星座覆盖性能最优的混合星座参数，作为最终设计得到的混合星座参数值。
优选的，步骤2.1中，第一备选轨道集合通过以下方法设计得到：
根据空间辐射环境影响筛选备选轨道，得到符合设定轨道高度范围的第一备选轨道集合。
优选的，空间辐射环境影响包括：地球辐射带范艾伦带、内辐射带a1∈[2000,8000]km和外辐射带a2∈[15000,20000]km；为避免范艾伦带的干扰，且设计的星座为低轨星座，所确定的第一备选轨道集合为卫星轨道高度范围为700～1500km的集合。
优选的，步骤2.2中，对第一备选轨道集合进一步筛选，得到由若干个轨道高度值组成的第二备选轨道集合，具体为：
根据轨道回归特性和避免共振轨道要求对第一备选轨道集合进一步筛选，得到第二备选轨道集合。
优选的，根据轨道回归特性和避免共振轨道要求对第一备选轨道集合进一步筛选，得到第二备选轨道集合，具体为：
步骤2.2.1，运用回归条件估算得到卫星的回归圈数n，包括：
步骤2.2.1.1，根据开普勒定理，可得卫星运行周期Ts与轨道高度a关系为
其中，地球半径Re＝6378.137km，地球引力常数μ＝398601.58km3/s2；
步骤2.2.1.2，步骤2.1确定的第一备选轨道集合为轨道高度范围，代入公式(2)，从而确定卫星运行周期Ts的范围；
步骤2.2.1.3，根据卫星运行周期Ts与地球自转周期Te的关系，即公式(3)，可以得到k/n的取值范围；
Ts/Te＝k/n (3)
其中：
k为回归天数；
n为回归圈数；
Ts为卫星运行周期；
Te为地球自转周期，Te＝86164s；
步骤2.2.1.4，任意选取k的值，即可计算得到n的取值范围，由于k和n均为整数，因此可得n的若干个值；
步骤2.2.2，对于选取的k的值以及对应得到的多个n的值，均执行以下操作：
步骤2.2.2.1，将选取的k的值以及n的值反代回公式(3)，得到卫星运行周期Ts；
步骤2.2.2.2，将卫星运行周期Ts代入公式(2)，计算得到卫星轨道高度a；
因此，选取每一组k的值以及n的值，均可得到一个卫星轨道高度a的值；不同的k的值以及对应的n的值即可计算得到多个回归轨道高度，多个回归轨道高度即组成第二备选轨道集合。
优选的，步骤5中，采用以下公式计算各个轨道倾角下轨道面的进动速度：
—星座轨道面进动速度；
ns—星座轨道上卫星的角速度；
J2—地球非球形摄动的二阶带谐项系数J2＝1.0826×10-3；
e—星座轨道上卫星的偏心率；
Re—地球半径；
a—星座轨道上卫星的轨道高度，为步骤2确定的轨道高度；
i—星座轨道上卫星的轨道倾角。
本发明提供的低轨通信和导航增强混合星座的优化设计方法具有以下优点：
(1)在星座轨道高度和轨道倾角的选择过程中，综合考虑了混合星座的功能和星座的进动特性，使设计的混合星座中的两星座拥有相同的轨道面进动速度，从而提高星座间的兼容性，使两星座能够协同工作，同时实现通信和导航增强两种功能。
(2)本发明涉及了星座设计方法、以及星座初始升交点赤经优化设计方法，结合通信和导航增强星座设计各个阶段需要考虑的因素，可以设计出满足用户需求、星座性能优、卫星数目少、而且星座间具有较好兼容互操作能力的低轨通信和导航增强混合星座。
附图说明
图1为本发明提供的低轨通信和导航增强混合星座的工程设计方法的流程示意图；
图2为卫星对地面的覆盖示意图；
图3为地球中心角二维示意图；
图4为地球中心角三维示意图；
图5为S>2λmax时同一轨道面相邻两颗卫星的覆盖情况示意图；
图6为S<2λmax时同一轨道面相邻两颗卫星的覆盖情况示意图；
图7为极轨星座构型示意图(从北极点观察)。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
结合图1，本发明提供一种低轨通信和导航增强混合星座的优化设计方法，包括以下步骤：
步骤1：确定混合星座中每个卫星的卫星轨道类型为圆形轨道，其偏心率e＝0，近地点幅角ω＝0；
具体的，由于圆形轨道中卫星轨道的高度、速度变化均较小，作为导航定位的卫星也常是圆形轨道。由于受到J2摄动的影响，当低轨星座的轨道倾角不为64.43°或116.57°时，椭圆轨道将产生拱点漂移，仅使用与中高纬度地区，覆盖范围较小，不能够实现全球覆盖。因此本发明选取混合星座为圆形轨道，偏心率e＝0，近地点幅角ω＝0。
步骤2：初步确定卫星轨道高度，包括：
步骤2.1：确定混合星座中每个卫星的第一备选轨道集合；其中，第一备选轨道集合为符合设计需求的轨道高度范围；
具体的，第一备选轨道集合通过以下方法设计得到：
根据空间辐射环境影响筛选备选轨道，得到符合设定轨道高度范围的第一备选轨道集合。
空间辐射环境影响包括：地球辐射带范艾伦带、内辐射带a∈[2000,8000]km和外辐射带a∈[15000,20000]km；为避免范艾伦带的干扰，S2.1所确定的第一备选轨道集合中，各卫星轨道高度范围为700～1500km。
步骤2.2：对第一备选轨道集合进一步优选，得到由若干个轨道高度值组成的第二备选轨道集合；
为了便于卫星的轨道控制和星座的长期性能分析，从应用角度出发，希望卫星星下点轨迹具有周期重复性，星座设计通常选择使用回归轨道，即卫星运行周期与地球自转周期成整数比。
本步骤具体为：根据轨道回归特性和避免共振轨道要求对第一备选轨道集合进一步筛选，得到第二备选轨道集合，包括：
步骤2.2.1，运用回归条件估算得到卫星的回归圈数n，包括：
步骤2.2.1.1，根据开普勒定理，可得卫星运行周期Ts与轨道高度a关系为
其中，地球半径Re＝6378.137km，地球引力常数μ＝398601.58km3/s2；
步骤2.2.1.2，步骤2.1确定的第一备选轨道集合为轨道高度范围，即：700～1500km，代入公式(2)，从而确定卫星运行周期Ts的范围；
步骤2.2.1.3，根据卫星运行周期Ts与地球自转周期Te的关系，即公式(3)，可以得到k/n的取值范围；
Ts/Te＝k/n (3)
其中：
k为回归天数；
n为回归圈数；
Ts为卫星运行周期；
Te为地球自转周期，Te＝86164s；
步骤2.2.1.4，任意选取k的值，即可计算得到n的取值范围，由于k和n均为整数，因此可得n的若干个值；
步骤2.2.2，对于选取的k的值以及对应得到的多个n的值，均执行以下操作：
步骤2.2.2.1，将选取的k的值以及n的值反代回公式(3)，得到卫星运行周期Ts；
步骤2.2.2.2，将卫星运行周期Ts代入公式(2)，计算得到卫星轨道高度a；
因此，选取每一组k的值以及n的值，均可得到一个卫星轨道高度a的值；不同的k的值以及对应的n的值即可计算得到多个回归轨道高度，多个回归轨道高度即组成第二备选轨道集合。
参见表1，为计算得到的一组低轨星座回归轨道的参数：
表1低轨星座回归轨道参数
回归天数/恒星日 回归圈数/圈 轨道高度/km
1 12，13，14 1666，1261，893
2 25，27，29 1461，1070，725
3 38，40，41，43 1381，1121，998，768
步骤3：综合考虑当地地形导致的观测障碍因素，根据用户需求确定最小观测仰角；
覆盖范围随着最大地球中心角λmax的变化是离散变化的，且与最小观测仰角εmin和轨道高度有关；覆盖面积随着仰角增加而减小，这将导致需要的卫星数量大大增多；如果εmin确定，那么轨道高度降低，覆盖性能就会到达一个极限，必须要增加一个轨道面和n颗卫星来提高覆盖性能；综合考虑当地地形导致的观测障碍等因素，根据用户的需求确定最小观测仰角。
步骤4：判断混合星座设计过程中是否需要考虑进动的影响，当需要考虑进动影响时，根据进动速度相同的条件，确定混合星座构型为两个Walker星座混合，然后执行步骤5；
当不需要考虑进动影响时，确定混合星座构型为Walker星座和极轨星座，然后执行步骤6；
具体的，轨道类型有很多种，例如Walkerδ星座；有间隙的极轨星座；赤道轨道星座；赤道轨道星座的补充；椭圆轨道等。星座的构型决定了覆盖性能与高度等的关系，选择构型时，最主要考虑的是覆盖性能。由于本设计是为了设计低轨通信和导航增强的混合星座，因此设计方法中主要考虑极轨星座和Walker星座。
(1)极轨星座
极轨星座是一个非常有效，又能够允许相邻卫星有覆盖重叠。但是，极轨星座有两个原则性的缺点：第一，星座的覆盖空缺导致覆盖和卫星相对位置是不对称的，因此，在相对位置不对称的区域两侧的卫星必须与星座中其他位置的卫星的运动模式不同。第二，极轨星座在极地区域的覆盖性能最好，然而这些地区很少有人或设备需要卫星星座的服务；与之相反，需求更多的中纬度区域的覆盖性能较差。因此，我们需要研究能够改善在极地区域的过度覆盖这一情况的方法，以使中纬度区域的覆盖性能有所提高。
由图7还可以得出星座的另一个关键特点——在极点处的轨道冲突问题。很多现实中的星座采取了将交叉点展开的方法来避免碰撞。卫星间的碰撞是一个问题，然而，对于圆形轨道，这一问题比在极轨星座构型中更加严重。每一个圆形轨道都与另一个圆形轨道相交两次。无论这些交叉是很多轨道同时在极点处相交，还是在全球展开，都不重要。真正重要的是碰撞成对发生的可能性，而这只取决于成对发生的轨道交叉。因此，只要卫星轨道数和卫星总个数相同，所有星座的构型都有相同的碰撞可能性。
(2)Walker星座
Walker星座是星座构型中最对称的构型。这种星座中最常用的是Walker Delta星座，这种构型包括T颗卫星，P个轨道面，每个轨道面上均匀分布S颗卫星。所有的轨道面相对于赤道都有相同的轨道倾角i。(对于不同的星座设计目的，参考平面可以不是地球的赤道面，然而，鉴于摄动取决于相对于赤道面的轨道倾角，因此这是最实用的参考平面。)与极轨构型不同的是，Walker星座P个轨道面的上升节点是以360deg/P的间隔绕着赤道均匀分布的。在每一个轨道平面，S颗卫星是以360deg/S的间隔均匀分布的。
Walker星座的一个优点就是它在经度方向是完全对称的。由于上升节点和下降节点能够覆盖整个赤道，这一构型虽然没有一些极轨星座具有的功能，然而Walker星座通过降低倾角，实现了目前人口最集中区域，即中纬度区域的高度覆盖。Walker星座最大的优势之一就是它包含有限数量的卫星，而且所有卫星都可以被识别、被研究，这种完整性使它们成为了最便于分析的星座设计构型，因此很多星座都采用Walker星座；
因此，考虑进动速度的情况下，根据进动速度相同的条件选取两个Walker星座混合；不考虑进动速度的情况下，由于极轨星座和Walker星座的优势互补，因此优选一个极轨星座和一个Walker星座混合；
步骤5：根据用户服务区纬度的需求以及所确定的混合星座构型，选定轨道倾角范围；
对第一备选轨道集合的轨道高度范围按预设间隔，轨道倾角范围根据用户需求设定，在该轨道高度范围和轨道倾角范围内，分别计算不同轨道倾角和轨道高度下的轨道面进动速度，选择进动速度相同的若干组轨道高度值和轨道倾角值；
其中，采用以下公式计算各个轨道倾角下轨道面的进动速度：
—星座轨道面进动速度；
ns—星座轨道上卫星的角速度；
J2—地球非球形摄动的二阶带谐项系数J2＝1.0826×10-3；
e—星座轨道上卫星的偏心率；
Re—地球半径；
a—星座轨道上卫星的轨道高度，为步骤2确定的轨道高度；
i—星座轨道上卫星的轨道倾角。
对于所选择到的若干组轨道高度值和轨道倾角值，优先选取轨道高度值属于或接近第二备选轨道集合的若干组回归轨道高度值和对应的轨道倾角值；若没有满足第二备选轨道集合的轨道高度值，则不考虑第二备选轨道集合；然后执行步骤7；
步骤6：根据用户服务区纬度的需求以及所确定的混合星座构型，选定轨道倾角范围；优先选取轨道高度值属于或接近第二备选轨道集合的若干组回归轨道高度值；然后执行步骤7；
步骤7：确定混合星座中每个星座包含的卫星数量范围；
在覆盖性能相当的情况下，选择数量最少的卫星数量；
星座设计要求根据服务区域的需求设计覆盖重数的要求，服务的质量可以通过星座对该区域的覆盖性能来衡量，单星对地面的覆盖情况如图2所示。其中Re为地球半径，a为卫星高度，ε为观测仰角，为卫星星下视角。只有当卫星对用户的仰角高于ε时，用户才能同卫星建立联系，星下视角对应的地面覆盖区即为卫星的覆盖区。
星下视角地面覆盖的地心角λ及覆盖半径r的计算公式为：
r＝Reλ (6)
由于卫星的在轨运动，卫星覆盖区也在地面移动，因此就会对地面服务区产生覆盖时隙和覆盖间隙。为了提高对某区域的覆盖率，需要多颗卫星组成星座，依靠各卫星对目标区域覆盖时隙的相互接续来完成，从而可以确定卫星数量。
步骤8：确定轨道面数与相位因子范围；具体为：以步骤7确定的卫星数量范围为已知值，选择覆盖性能最优的轨道面数与相位因子范围；
步骤9：分别优化选取混合星座中每个星座的初始升交点赤经范围；具体优化方法为：利用遗传算法优化选取混合星座中每个星座的初始升交点赤经范围；
步骤10：当考虑进动影响时，采用以下方法优化选取：
确定了每个混合星座的卫星轨道类型、最小观测仰角、卫星数量范围、轨道面数与相位因子范围、初始升交点赤经范围、以及若干组成对的轨道高度值和轨道倾角值；则：
按预设间隔，对最小观测仰角、卫星数量范围、轨道面数与相位因子范围、初始升交点赤经范围、以及若干组成对的轨道高度值和轨道倾角值进行优化选取，计算每组配置得到的混合星座参数所对应的低轨通信和导航增强混合星座的覆盖性能；
当优化选取结束时，执行步骤11；
当不考虑进动影响时，采用以下方法优化选取：
确定了每个混合星座的卫星轨道类型、最小观测仰角、卫星数量范围、轨道面数与相位因子范围、初始升交点赤经范围、第二备选轨道集合和轨道倾角范围；则：
按预设间隔，对最小观测仰角、卫星数量范围、轨道面数与相位因子范围、初始升交点赤经范围、第二备选轨道集合和轨道倾角范围进行优化选取，计算每组配置得到的混合星座参数所对应的低轨通信和导航增强混合星座的覆盖性能；
当优化选取结束时，执行步骤11；
其中，分别分析极轨星座和Walker星座的覆盖情况，对参数进行优化选取，可采用以下方法：
(1)极轨星座
假设N颗卫星在某一给定轨道面上均匀分布，则每颗卫星相差S＝360/N的角度，λmax是最大地球中心角。地球中心角是由地心出发，从子卫星指向目标飞行器的角度，如图3和图4所示。
同一轨道面上卫星间的间隔决定了该轨道面能否连续覆盖，以及连续覆盖区域的宽度。如果S>2λmax，则整个覆盖带都是不连续的，如图5所示；若S<2λmax，那么有一条以两卫星连线为中心线，宽度为2λsat的较窄的带，能够实现实时覆盖，这条带通常被称为连续覆盖带，如图6所示。宽度满足公式：
cosλsat＝cosλmax/cos(S/2) (7)
在如图(S<2λmax)所示情况下，地面轨迹和覆盖圆被投射在一个假想的、不转动的地球上。如果卫星星座能够连续覆盖整个不转动的地球，那么这一星座也会覆盖真正地球的整个表面，而且我们也不需要考虑地球转动是否会影响星座的覆盖性能。然而，如果设计一个星座允许有覆盖间隙，那么我们就需要考虑地球转动可能导致的一个覆盖间隙接着一个覆盖间隙，这种情况下覆盖间隙可能会比我们计算的不能连续覆盖的时间要长。
关于覆盖模式，如果在相邻轨道面的卫星是同方向运行的，那么
DmaxS＝λsat+λmax (8)
如果在相邻轨道面的卫星是反方向运行的，那么
DmaxO＝2λstreet (9)
基于覆盖带这一概念，设计极轨星座。在这种星座中，有m个过极地的轨道面，每个轨道上有n颗卫星，能够实现全球连续覆盖。如图7所示，在任何时刻，都有一半卫星向北运行，另一半卫星向南运行。在这两个覆盖区域内，分别满足公式(8)定义的DmaxS。在这两个区域之间，由于卫星反方向运行，使覆盖区域出现空缺。因此，为实现连续覆盖，利用公式(9)中定义的DmaxO能够减少反方向运行产生的覆盖空缺。若用m个极轨面实现连续覆盖，要满足：
(m+1)λstreet+(m-1)λmax>180deg (10)
卫星的数量是由覆盖带的宽度决定的，而不是由轨道高度决定。由此可知，极轨星座的覆盖范围不是随轨道高度连续、平稳地变化的。
(1)Walker星座
星座设计要求对服务区域提供两重覆盖，服务的质量可以通过星座对该区域的覆盖性能来衡量，单星对地面的覆盖情况如图2所示。其中Re为地球半径，a为卫星高度，ε为观测仰角，为星下视角。只有当卫星对用户的仰角高于ε时，用户才能同卫星建立联系，星下视角对应的地面覆盖区即为卫星的覆盖区。
星下视角地面覆盖的地心角λ及覆盖半径r的计算公式为：
r＝Reλ (6)
由于卫星的在轨运动，卫星覆盖区也在地面移动，因此就会对地面服务区产生覆盖时隙和覆盖间隙。为了提高对某区域的覆盖率，需要多颗卫星组成星座，依靠各卫星对目标区域覆盖时隙的相互接续来完成。星座优化的目的是用尽量少的卫星资源，或在给定卫星数目的条件下，通过合理的轨道配置来提高系统的性能。
步骤11：选择混合星座覆盖性能最优的混合星座参数，作为最终设计得到的混合星座参数值。
综上所述，本发明提供的低轨通信和导航增强混合星座的优化设计方法，充分考虑了低轨通信和导航增强混合星座设计每个阶段需要考虑的因素，给出了低轨通信和导航增强卫星星座设计的步骤，按照所述设计方法，能够设计出满足用户需求、星座性能优、卫星数目少的低轨通信和导航增强混合星座。具体具有以下优点：
(1)在星座轨道高度和轨道倾角的选择过程中，综合考虑了混合星座的功能和星座的进动特性，使设计的混合星座中的两星座拥有相同的轨道面进动速度，从而提高星座间的兼容性，使两星座能够协同工作，同时实现通信和导航增强两种功能。
(2)给出了星座初始升交点赤经的选择方法，可以实现混合星座中的两个卫星星座系统最佳的互操作性能。
(3)本发明涉及了星座设计方法、以及星座初始升交点赤经优化设计方法，结合通信和导航增强星座设计各个阶段需要考虑的因素，可以设计出满足用户需求、星座性能优、卫星数目少、而且星座间具有较好兼容互操作能力的低轨通信和导航增强混合星座。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种低轨通信和导航增强混合星座的优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：确定混合星座中每个卫星的卫星轨道类型为圆形轨道，其偏心率e＝0，近地点幅角ω＝0；
步骤2：初步确定卫星轨道高度，包括：
步骤2.1：确定混合星座中每个卫星的第一备选轨道集合；其中，第一备选轨道集合为符合设计需求的轨道高度范围；
步骤2.2：对第一备选轨道集合进一步优选，得到由若干个轨道高度值组成的第二备选轨道集合；
步骤3：综合考虑当地地形导致的观测障碍因素，根据用户需求确定最小观测仰角；
步骤4：判断混合星座设计过程中是否需要考虑进动的影响，当需要考虑进动影响时，根据进动速度相同的条件，确定混合星座构型为两个Walker星座混合，然后执行步骤5；
当不需要考虑进动影响时，确定混合星座构型为Walker星座和极轨星座，然后执行步骤6；
步骤5：根据用户服务区纬度的需求以及所确定的混合星座构型，选定轨道倾角范围；
对第一备选轨道集合的轨道高度范围按预设间隔，轨道倾角范围根据用户需求设定，在该轨道高度范围和轨道倾角范围内，分别计算不同轨道倾角和轨道高度下的轨道面进动速度，选择进动速度相同的若干组轨道高度值和轨道倾角值；
对于所选择到的若干组轨道高度值和轨道倾角值，优先选取轨道高度值属于或接近第二备选轨道集合的若干组回归轨道高度值和对应的轨道倾角值；若没有满足第二备选轨道集合的轨道高度值，则不考虑第二备选轨道集合；然后执行步骤7；
步骤6：根据用户服务区纬度的需求以及所确定的混合星座构型，选定轨道倾角范围；优先选取轨道高度值属于或接近第二备选轨道集合的若干组回归轨道高度值；然后执行步骤7；
步骤7：确定混合星座中每个星座包含的卫星数量范围；
步骤8：确定轨道面数与相位因子范围；具体为：以步骤7确定的卫星数量范围为已知值，选择覆盖性能最优的轨道面数与相位因子范围；
步骤9：分别优化选取混合星座中每个星座的初始升交点赤经范围；具体优化方法为：利用遗传算法优化选取混合星座中每个星座的初始升交点赤经范围；
步骤10：当考虑进动影响时，采用以下方法优化选取：
确定了每个混合星座的卫星轨道类型、最小观测仰角、卫星数量范围、轨道面数与相位因子范围、初始升交点赤经范围、以及若干组成对的轨道高度值和轨道倾角值；则：
按预设间隔，对最小观测仰角、卫星数量范围、轨道面数与相位因子范围、初始升交点赤经范围、以及若干组成对的轨道高度值和轨道倾角值进行优化选取，计算每组配置得到的混合星座参数所对应的低轨通信和导航增强混合星座的覆盖性能；
当优化选取结束时，执行步骤11；
当不考虑进动影响时，采用以下方法优化选取：
确定了每个混合星座的卫星轨道类型、最小观测仰角、卫星数量范围、轨道面数与相位因子范围、初始升交点赤经范围、第二备选轨道集合和轨道倾角范围；则：
按预设间隔，对最小观测仰角、卫星数量范围、轨道面数与相位因子范围、初始升交点赤经范围、第二备选轨道集合和轨道倾角范围进行优化选取，计算每组配置得到的混合星座参数所对应的低轨通信和导航增强混合星座的覆盖性能；
当优化选取结束时，执行步骤11；
步骤11：选择混合星座覆盖性能最优的混合星座参数，作为最终设计得到的混合星座参数值。
2.根据权利要求1所述的低轨通信和导航增强混合星座的优化设计方法，其特征在于，步骤2.1中，第一备选轨道集合通过以下方法设计得到：
根据空间辐射环境影响筛选备选轨道，得到符合设定轨道高度范围的第一备选轨道集合。
3.根据权利要求2所述的低轨通信和导航增强混合星座的优化设计方法，其特征在于，空间辐射环境影响包括：地球辐射带范艾伦带、内辐射带a1∈[2000,8000]km和外辐射带a2∈[15000,20000]km；为避免范艾伦带的干扰，且设计的星座为低轨星座，所确定的第一备选轨道集合为卫星轨道高度范围为700～1500km的集合。
4.根据权利要求2所述的低轨通信和导航增强混合星座的优化设计方法，其特征在于，步骤2.2中，对第一备选轨道集合进一步筛选，得到由若干个轨道高度值组成的第二备选轨道集合，具体为：
根据轨道回归特性和避免共振轨道要求对第一备选轨道集合进一步筛选，得到第二备选轨道集合。
5.根据权利要求4所述的低轨通信和导航增强混合星座的优化设计方法，其特征在于，根据轨道回归特性和避免共振轨道要求对第一备选轨道集合进一步筛选，得到第二备选轨道集合，具体为：
步骤2.2.1，运用回归条件估算得到卫星的回归圈数n，包括：
步骤2.2.1.1，根据开普勒定理，可得卫星运行周期Ts与轨道高度a关系为
其中，地球半径Re＝6378.137km，地球引力常数μ＝398601.58km3/s2；
步骤2.2.1.2，步骤2.1确定的第一备选轨道集合为轨道高度范围，代入公式(2)，从而确定卫星运行周期Ts的范围；
步骤2.2.1.3，根据卫星运行周期Ts与地球自转周期Te的关系，即公式(3)，可以得到k/n的取值范围；
Ts/Te＝k/n (3)
其中：
k为回归天数；
n为回归圈数；
Ts为卫星运行周期；
Te为地球自转周期，Te＝86164s；
步骤2.2.1.4，任意选取k的值，即可计算得到n的取值范围，由于k和n均为整数，因此可得n的若干个值；
步骤2.2.2，对于选取的k的值以及对应得到的多个n的值，均执行以下操作：
步骤2.2.2.1，将选取的k的值以及n的值反代回公式(3)，得到卫星运行周期Ts；
步骤2.2.2.2，将卫星运行周期Ts代入公式(2)，计算得到卫星轨道高度a；
因此，选取每一组k的值以及n的值，均可得到一个卫星轨道高度a的值；不同的k的值以及对应的n的值即可计算得到多个回归轨道高度，多个回归轨道高度即组成第二备选轨道集合。
6.根据权利要求1所述的低轨通信和导航增强混合星座的优化设计方法，其特征在于，步骤5中，采用以下公式计算各个轨道倾角下轨道面的进动速度：
—星座轨道面进动速度；
ns—星座轨道上卫星的角速度；
J2—地球非球形摄动的二阶带谐项系数J2＝1.0826×10-3；
e—星座轨道上卫星的偏心率；
Re—地球半径；
a—星座轨道上卫星的轨道高度，为步骤2确定的轨道高度；
i—星座轨道上卫星的轨道倾角。
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