CN106685518B - 一种geo电子侦察卫星轨道部署方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种GEO电子侦察卫星轨道部署方法，包括步骤：获取预侦察的地面通信终端波束宽度γ和目标卫星轨道倾角∠SMB；根据获取的信息，判断是否满足地面通信终端上行信号全概率截获的部署条件；如果满足，则存在全概率截获的轨道部署，进入下一步骤；计算GEO电子侦察卫星与目标卫星的地心角限制λ；根据基于波束宽度、目标卫星轨道倾角的约束条件，求出全概率截获的轨道部署相位角的取值范围；根据轨道部署相位角的范围，进行GEO电子侦察卫星的轨道部署。本发明能实现全概率信号截获，提高对高频段IGSO通信卫星上行信号的侦察效能。

Description

一种GEO电子侦察卫星轨道部署方法

技术领域

本发明涉及无线电侦察领域，尤其涉及一种GEO电子侦察卫星轨道部署方法。

背景技术

目前，对于电子侦察卫星的轨道部署研究与侦察效能分析，基本都是针对低轨电子侦察卫星进行优化与分析的。低轨电子侦察卫星的星座设计一般直接借鉴低轨卫星星座设计的成果，如基于低轨Delta星座，归纳影响区域覆盖性能的主要因素，并进行优化设计，实现区域的连续覆盖。虽然针对低轨电子侦察卫星的侦察效能分析，已具有较多的研究，但是，针对同步轨道电子侦察卫星轨道部署研究及侦察效能分析方面的文献几乎没有，虽然有方法在考虑通信卫星相互之间不受电磁干扰的条件下，采用遗传算法对GSO(GEO)通信卫星的轨位进行优化，实现轨位数量的增加，但它是针对合作目标进行优化的，对非合作的电子侦察轨道部署没有实质性的参考意义。

鉴于以上分析，目前对GEO电子侦察卫星轨道部署的研究非常欠缺。所以，本发明提出了一种GEO电子侦察卫星轨道部署方法，以实现全概率信号截获，提高对高频段IGSO通信卫星上行信号的侦察效能。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种GEO电子侦察卫星轨道部署方法，用以实现目标卫星地面通信终端上行信号全概率截获。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

提供一种GEO电子侦察卫星轨道部署方法，包括以下步骤：

步骤S1.获取预侦察的地面通信终端波束宽度γ和目标卫星轨道倾角∠SMB；

步骤S2.根据获取的地面通信终端波束宽度γ和目标卫星轨道倾角∠SMB，判断是否满足全概率截获的部署条件；如果满足，则存在全概率截获的轨道部署，进入下一步骤；

步骤S3.计算GEO电子侦察卫星与目标卫星的地心角限制λ；

步骤S4.根据基于地心角限制、目标卫星轨道倾角的约束条件，求出全概率截获的轨道部署相位角的取值范围；

步骤S5.根据轨道部署相位角的范围，进行GEO电子侦察卫星的轨道部署。

其中，

优选的，步骤S2中所述的满足全概率截获的部署条件是：

满足公式

式中，γ为地面通信终端的波束宽度，R_e为地球半径，r为侦察卫星/目标卫星的地心距，∠SMB为目标卫星的轨道倾角。

优选的，步骤S3中，根据公式及地面通信终端的波束宽度γ，获得GEO电子侦察卫星与目标卫星的地心角限制λ，式中R_e和r分别为地球半径和卫星的地心距。

优选的，步骤S4中所述的约束条件是指满足公式|MC|≤arccos((2cosλ+D)/E)，

其中，D＝1-cos∠SMB，E＝1+cos∠SMB；

式中，MC代表轨道部署相位角，λ为步骤S3中获得的GEO电子侦察卫星与目标卫星的地心角限制，∠SMB为目标卫星的轨道角度。

本发明有益效果如下：

通过建立判断全概率截获的部署条件，以及建立轨道部署相位角和目标卫星轨道倾角、地面通信终端波束宽度之间的关系，来确定全概率截获的轨道部署相位角的取值范围，以实现全概率信号截获，提高对高频段IGSO通信卫星上行信号的侦察效能。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1.通信终端波束宽度与地心角之间的关系示意图；

图2.侦察卫星与目标卫星的轨道位置关系示意图；

图3.地面通信终端波束宽度与目标卫星轨道倾角的约束关系示意图；

图4.轨道部署相位角随目标卫星轨道倾角的变化关系的示意图；

图5.目标卫星与侦察卫星在不同时刻的覆盖区域示意图；

图6.仿真流程图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本发明的具体应用环境如下：

空间中有侦察卫星B和目标卫星S，侦察卫星B与目标卫星S形成的地心角为λ。地面通信终端在地球表面上位于点N，并位于∠SOB的角平分线上，如图1所示。假设地面通信终端的波束宽度为γ，波束中心对准目标卫星S进行通信，

根据上述应用场景中的各卫星和地面通信终端的位置关系，当地面通信终端与目标卫星S进行通信时，如果需要侦察卫星B对通信终端实现主瓣信号侦收，则在不同地面位置需要的通信终端波束宽度是不同的。其中，地面通信终端在点N时，需求的波束宽度γ最大。

根据点N的特点及三角形边角定理，可以得到波束宽度与地心角间的约束关系：

式中，λ为侦察卫星B与目标卫星S形成的地心角，γ为地面通信终端的波束宽度，R_e和r分别为地球半径和侦察(目标)卫星的地心距，可以分别设为6371km与42164km。

只有当侦察卫星与目标卫星满足地心角与波束宽度的约束关系，侦察卫星才能实现任意位置通信终端(波束宽度为γ)上行信号的主瓣侦收，即全概率信号截获。对于不满足约束的，只能部分时间实现主瓣侦收，不能实现全概率信号截获。对于同步轨道目标卫星往往具有一定的倾角，特别是军用目标卫星，下面将针对这类IGSO倾斜地球同步轨道目标卫星，分析GEO静止轨道电子侦察卫星的轨道部署方法，以实现地面通信终端信号的全概率截获。

本发明的一个具体实施例，公开了一种GEO电子侦察卫星轨道部署方法。

本实施例中，侦察卫星与目标卫星具有不同的轨道倾角(侦察卫星为静止轨道，零倾角；目标卫星为IGSO具有一定的小倾角)，且侦察卫星的相位角超前目标卫星，如图2所示。侦察卫星轨道与目标卫星轨道同在42164km(地心距)左右高度的天球球面上(以下公式推导按照归一化考虑)。图2中，点C、M分别为侦察卫星、目标卫星在初始时刻的轨道位置，则∠MOC为侦察卫星超前目标卫星的相位角(即为目标卫星经过赤道面时，两颗卫星的星下点经度差，大小与MC一致，因此用MC来表示轨道部署相位角)，点B、S分别为侦察卫星、目标卫星在时刻t的轨道位置，则弧长MS＝BC，∠SMB即为目标卫星的轨道倾角，弧长SB即为对应的侦察卫星与目标卫星的地心角。

根据球面三角形边角定理，可得：

cos SB＝cos MB cos MS+sin MB sin MS cos∠SMB (2)

将MB＝BC+MC＝MS+MC代入上式，并利用三角函数关系化简得到：

D＝1-cos∠SMB (4)

E＝1+cos∠SMB (5)

在确定的MC、∠SMB条件下，根据公式(3)可以求得SB的最大值、最小值分别为：

MaxSB＝max(SB)＝arccos((E cos MC-D)/2) (6)

MinSB＝min(SB)＝arccos((E cos MC+D)/2) (7)

对于预侦察的地面通信终端波束宽度γ，根据公式(1)反应的约束关系，可以求得对应的地心角λ。

当MaxSB≤λ时，可以实现地面通信终端信号的全概率截获；当MinSB＞λ时，将无法实现地面通信终端信号的主瓣侦收。所以，将公式(6)代入MaxSB≤λ，得到全概率截获的轨道部署方法如下：

|MC|≤arccos((2cosλ+D)/E) (8)

本实施例中，假定地面通信终端的波束宽度为20°，目标卫星轨道为IGSO轨道(倾角为5°，经过赤道面的星下点经度为150°)。

根据上述原理，实施例的一种实现全概率信号截获的GEO电子侦察卫星轨道部署方法，具体包括步骤：

步骤S1.获取预侦察的地面通信终端波束宽度γ和目标卫星轨道倾角∠SMB。

步骤S2.根据获取的地面通信终端波束宽度γ和目标卫星轨道倾角∠SMB，判断是否满足全概率截获的部署条件；如果满足，则存在全概率截获的轨道部署，进入下一步骤。

优选的，所述全概率截获的部署条件是指是否满足公式(9)：

如果满足，则存在全概率截获的轨道部署，进入下一步骤；反之，则对于地面通信终端波束宽度γ和目标卫星轨道倾角∠SMB这个条件下，不存在全概率截获的轨道部署。

上述公式(9)是通过以下方法获得的：

对于公式(8)，即|MC|≤arccos((2cosλ+D)/E)，只有当λ≥∠SMB时，三角反函数才有意义，即存在全概率截获的轨道部署方法。将公式(1)代入λ≥∠SMB，并化简得到

上述公式(9)表明：

当地面通信终端波束宽度与目标卫星轨道倾角满足该关系时，存在全概率截获的轨道部署策略；反之，无论怎么定点部署GEO侦察卫星都无法实现地面通信终端信号的全概率截获，即不存在全概率截获的轨道部署策略。

考虑到地面通信终端波束宽度一般最大不超过180°，则用图3可以表示上述公式的意义。在曲线上方区域存在全概率截获的轨道部署策略，反之，在曲线下方区域不存在。

步骤S3.计算GEO电子侦察卫星与目标卫星的地心角限制λ。

具体地，根据公式及地面通信终端的波束宽度γ，获得GEO电子侦察卫星与目标卫星的地心角限制λ。式中，R_e和r分别为地球半径和侦察卫星/目标卫星的地心距，本实施例中分别设为6371km与42164km。

当MaxSB≤λ时，可以实现地面通信终端信号的全概率截获；当MinSB＞λ时，将无法实现地面通信终端信号的主瓣侦收。

所以，将公式(6)代入MaxSB≤λ，即可得到全概率截获的轨道部署方法：

步骤S4.根据基于地心角限制、目标卫星轨道倾角的约束条件，求出全概率截获的轨道部署相位角的取值范围。

具体地，所述约束条件是指满足公式°MC°≤arccos((2cosλ+D)/E)，根据上述公式求出全概率截获的轨道部署相位角。实施例具体确定的全概率截获的轨道部署相位角为[-6.865°,6.865°]。

上述公式中，D＝1-cos∠SMB，E＝1+cos∠SMB，∠SMB为目标卫星的轨道角度。

根据所述公式，可以得到不同的地面通信终端波束宽度γ条件下，轨道部署的相位角随目标卫星轨道倾角∠SMB的变化关系，如图4所示。

从图中可以看出：对于确定的地面通信终端波束宽度，只要轨道部署相位角与目标卫星轨道倾角组合形成的坐标点，位于对应曲线与纵坐标轴形成的区域范围内，就能实现该地面通信终端主瓣信号的全概率截获。例如，对于波束宽度为20°的地面通信终端，当目标卫星倾角分别为2°、4°、6°、8°时，轨道部署相位角的范围可以分别为[-8.252°,8.252°]、[-7.491°,7.491°]、[-6.011°,6.011°]、[-2.847°,2.847°]。

步骤S5.根据上一步计算的轨道部署相位角的范围，进行GEO电子侦察卫星的轨道部署。

为验证轨道部署的正确性，假设GEO侦察卫星的定点经度为143.135°，进行截获概率的仿真计算。此时，目标卫星与侦察卫星在不同时刻的覆盖区域示意如图5所示。

考虑5°仰角要求及目标卫星南北向漂移，则目标卫星与侦察卫星始终重叠的覆盖区约为70°N～70°S、140°E～74°W(需去掉部分边缘区域)。考虑经度与纬度都采用1°间隔对该区域进行网格划分，将地面通信终端定点在网格点上，并且波束中心对准目标卫星进行通信，采用高精度轨道模型进行仿真分析。令截获概率的表示方式如下：

上式中，p_r为截获概率，t_c为仿真时间(假设1天)，n为仿真时间内对目标卫星和侦察卫星的仰角始终满足5°要求的地面通信终端总个数(即网格点数)，t_i为第i个地面通信终端能够被侦察卫星实现主瓣信号侦收的时间。具体的仿真流程如图6所示。

通过仿真计算，覆盖区域内共有20727个网格点，满足仰角要求的地面通信终端个数为17799个，对地面通信终端主瓣侦收时间的总和为1.5378e9s，按照公式(10)计算得到的截获概率为100％，即能够实现地面通信终端信号的全概率截获，因而验证了轨道部署策略的正确性。

综上所述，本发明实施例提供了一种实现全概率信号截获的GEO电子侦察卫星轨道部署方法，根据给定的地面通信终端波束宽度和目标卫星轨道倾角，具体实施GEO电子侦察卫星的轨道部署，实现地面通信终端信号的全概率截获，提高对高频段IGSO通信卫星上行信号的侦察效能。本方法还通过数值仿真验证轨道部署方法的正确性。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种GEO电子侦察卫星轨道部署方法，其特征在于，包括步骤：

步骤S1.获取预侦察的地面通信终端波束宽度γ和目标卫星轨道倾角∠SMB；S表示目标卫星在时刻t的轨道位置，M表示目标卫星在初始时刻的轨道位置，B表示侦察卫星在时刻t的轨道位置；

步骤S2.根据获取的地面通信终端波束宽度γ和目标卫星轨道倾角∠SMB，判断是否满足全概率截获的部署条件；如果满足，则存在全概率截获的轨道部署，进入下一步骤；所述的满足全概率截获的部署条件是：

式中，R_e为地球半径，r为侦察卫星/目标卫星的地心距；

步骤S3.计算GEO电子侦察卫星与目标卫星的地心角限制λ

步骤S4.根据基于地心角限制、目标卫星轨道倾角的约束条件，求出全概率截获的轨道部署相位角的取值范围；所述约束条件是指满足公式

D＝1-cos∠SMB，E＝1+cos∠SMB

式中，C为侦察卫星在初始时刻的轨道位置，表示轨道部署相位角；

步骤S5.根据轨道部署相位角的范围，进行GEO电子侦察卫星的轨道部署。