CN107786257B - 一种用于航空器监测的星座优化方法和装置 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种用于航空器监测的星座优化方法和装置，涉及卫星星座设计技术领域，所述方法包括：生成航空器飞行的时空特征点；根据所述特征点确定满足航空器监测任务特点的星座回归周期设计；根据卫星间的可视判别条件以及星间距离和卫星相对速度的约束条件确定星间链路；对所述航空器飞行任务的覆盖性能进行计算。基于航空器飞行的任务特点，在充分分析航路地理上的不均衡性和时间上的涨落特性，提出了航空器飞行监测的区域星座优化方法，包括星座覆盖性能的优化和星座成本优化，使星座系统对所有航空器的监测性能均得到充分发挥。对于后续航空器飞行监测任务，基于本发明可以实现星座系统的快速构建、优化设计。

Description

一种用于航空器监测的星座优化方法和装置

技术领域

本发明涉及卫星星座设计技术领域，具体涉及一种用于航空器监测的星座优化方法和装置。

背景技术

航空器如飞机是各种交通运输工具中较为快捷、迅速的一种，因此成为备受人们喜欢和优先考虑的先进交通运输方式。随着我国经济的不断快速发展，航空器在国民经济和社会发展中起着越来越重要的作用。航空器运营最为重要的宗旨就是“安全、维护空中交通持续和加速空中交通活动”。我国是一个幅员辽阔、自然灾害较多、国际和国内安全及治安任务很重的国家，受制于地理条件和经济条件的约束，地面通信网只覆盖了国土面积的约15％，仅仅依靠传统的“黑匣子”或低空通信链路技术无法满足航空器大范围远程监测的任务需要。当前航空器飞行期间主要利用飞机通信寻址与报告系统(ACARS，AircraftCommunications Addressing and ReportingSystem)实现通信，最为主要的是靠甚高频(VHF，Very High Frequency)空地通信系统。但由于VHF雷达的覆盖区域范围限制，存在海洋、沙漠及山区等监控盲区，雷达视距限制等诸多限制因素。归结起来，主要存在以下主要问题：

(1)甚高频通信主要是视距传播，通信范围只限于视距范围之内，通信距离受到很大限制。

(2)高频通信虽然可以做到超视距传输，但是受电离层不稳定因素影响较大，不能提供稳定可靠的通信链路，可靠性差。

(3)高频和甚高频的频谱资源限制较大，影响无线通信能力的增强。

(4)受地面场站分布的限制，山区、大洋及荒漠等地区无法实现通信实时覆盖。

单纯依靠已有的地面移动通信网络还远远不能满足大范围移动航空器的通信需求，尤其是在人类活动较少的乡村地区、沙漠、远离岸边的海洋、岛屿以及极区，由于地理条件和经济成本等客观因素的影响而导致缺乏地面基站而无法满足基本的通信要求。2009年法航AF447航班在大西洋上空失事和2014年马航MH370航班失踪事件，无不引发了国际航空界对利用现代通信卫星技术替代传统黑匣子或低空数据链进行实时飞行通信的思考。

国外星座系统发展起步较早，已建成“铱星”、“海事卫星”以及“全球星”等多个大型星座系统，部分星座能够提供针对航空器的卫星通信服务，但由于已建成的星座系统均不是针对航空器飞行任务需求设计，因此，结合大流量航空数据通信需求，建立适应航空交通运行规律，满足航空器交通运行实践的星座系统具有极其重要的意义。

发明内容

本发明提供一种用于航空器监测的星座优化方法和装置，实现航空器远程监测飞行任务的星座优化设计。

为了实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：

第一方面，本发明提供一种用于航空器监测的星座优化方法，包括：

生成航空器飞行的时空特征点；

根据所述特征点确定满足航空器监测任务特点的星座回归周期设计；

根据卫星间的可视判别条件以及星间距离和卫星相对速度的约束条件确定星间链路；

对所述航空器飞行任务的覆盖性能进行计算。

优选地，所述的方法还包括：根据航空器飞行任务的覆盖特性以及星座系统自身成本与设计任务需求比较，根据比较结果确定是否调整星座参数，不满足则调整星座参数重复步骤S101至S104，直到满足任务需求为止。

优选地，所述的方法还包括：根据卫星数量、轨道面数、轨道高度计算星座系统的成本。

优选地，生成航空器飞行的特征点包括：

根据所述航天器飞行的时间和位置信息确定航空器飞行的四维特征点。

优选地，对所述航空器飞行任务的覆盖性能进行计算包括：

根据所述航空器飞行期间的空间和时间的变化关系，计算星座对所述航空器飞行期间的覆盖性能的约束条件；

确定星座监测的最大覆盖间隙和覆盖百分比表达式；

计算星座系统对航空器飞行期间的覆盖性能指标。

优选地，所述覆盖性能指标包括以下至少之一：

每条航线最大覆盖间隙、每条航线平均覆盖率、所有航线最大覆盖间隙、所有航线平均覆盖率。

第二方面，本发明还提供一种用于航空器监测的星座优化装置，包括：

特征模块，设置为生成航空器飞行的时空特征点；

周期模块，设置为根据所述特征点确定满足航空器监测任务特点的星座回归周期设计；

约束模块，设置为根据卫星间的可视判别条件以及星间距离和卫星相对速度的约束条件确定星间链路；

覆盖模块，设置为对所述航空器飞行任务的覆盖性能进行计算。

优选地，所述的装置还包括：

调整模块，设置为根据航空器飞行任务的覆盖特性以及星座系统自身成本与设计任务需求比较，根据比较结果确定是否调整星座参数。

优选地，所述的装置还包括：

成本模块，设置为根据卫星数量、轨道面数、轨道高度计算星座系统的成本。

优选地，所述特征模块生成航空器飞行的特征点包括：

根据所述航天器飞行的时间和位置信息确定航空器飞行的四维特征点。

优选地，所述覆盖模块对所述航空器飞行任务的覆盖性能进行计算包括：

根据所述航空器飞行期间的空间和时间的变化关系，计算星座对所述航空器飞行期间的覆盖性能的约束条件；

确定星座监测的最大覆盖间隙和覆盖百分比表达式；

计算星座系统对航空器飞行期间的覆盖性能指标。

本发明和现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明的技术方案，基于航空器飞行的任务特点，在充分分析航路地理上的不均衡性和时间上的涨落特性，提出了航空器飞行监测的区域星座优化方法，包括星座覆盖性能的优化和星座成本优化，使星座系统对所有航空器的监测性能均得到充分发挥。对于后续航空器飞行监测任务，基于本发明可以实现星座系统的快速构建、优化设计。

附图说明

图1为本发明实施例的一种用于航空器监测的星座优化方法的流程图；

图2为本发明实施例的一种用于航空器监测的星座优化装置的结构示意图；

图3为本发明实施例1的不同高度和卫星数量的星座对航空器最大覆盖间隙性能示意图；

图4为本发明实施例1的不同高度和卫星数量的星座对航空器的平均覆盖间隙性能示意图。

具体实施方式

为使本发明的发明目的、技术方案和有益效果更加清楚明了，下面结合附图对本发明的实施例进行说明，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例和实施例中的特征可以相互任意组合。

如图1所示，本发明实施例提供一种用于航空器监测的星座优化方法，包括：

S101、生成航空器飞行的时空特征点；

S102、根据所述特征点确定满足航空器监测任务特点的星座回归周期设计；

S103、根据卫星间的可视判别条件以及星间距离和卫星相对速度的约束条件确定星间链路；

S104、对所述航空器飞行任务的覆盖性能进行计算。

本发明实施例提供的用于航空器监测的星座优化方法，适用于星座系统，服务的对象是航空器。针对拟定给出的航空器(即飞机)飞行路线，有针对性的设计服务于航空器监测的星座系统，并进行优化。本发明实施例利用星座系统监测航空器，对于移动通信网络、基站、雷达部署不全面的越洋飞行任务和跨海飞行任务尤为重要和有意义。

本发明实施例针对拟定航空器(即飞机)的飞行路线，利用步骤S101生成飞行路线的特征点，为步骤S104中星座对航空器航线飞行期间的覆盖计算提供数据。步骤S102结合航空器远程监测任务需求，设计星座的轨道参数。步骤S103根据可视条件确定星间链路。步骤S104星座覆盖性能评估是对飞机飞行期间的特征点覆盖情况统计。本发明实施例计算并统计周期期间各采样时间采样特征点的覆盖情况。

所述的方法还包括：根据航空器飞行任务的覆盖特性以及星座系统自身成本与设计任务需求比较，根据比较结果确定是否调整星座参数，不满足则调整星座参数重复上述步骤S101至S104，直到满足任务需求为止。

本发明实施例进行迭代反复，调整参数，直到找到满足任务需求的星座为止。

所述的方法还包括：根据卫星数量、轨道面数、轨道高度计算星座系统的成本。

步骤S101中生成航空器飞行的特征点包括：

根据所述航天器飞行的时间和位置信息确定航空器飞行的四维特征点。

步骤S103中对所述航空器飞行任务的覆盖性能进行计算包括：

根据所述航空器飞行期间的空间和时间的变化关系，计算星座对所述航空器飞行期间的覆盖性能的约束条件；

确定星座监测的最大覆盖间隙和覆盖百分比表达式；

计算星座系统对航空器飞行期间的覆盖性能指标。

其中，所述覆盖性能指标包括以下至少之一：

每条航线最大覆盖间隙、每条航线平均覆盖率、所有航线最大覆盖间隙、所有航线平均覆盖率。

如图2所示，本发明实施例还提供一种用于航空器监测的星座优化装置，包括：

特征模块，设置为生成航空器飞行的时空特征点；

周期模块，设置为根据所述特征点确定满足航空器监测任务特点的星座回归周期设计；

约束模块，设置为根据卫星间的可视判别条件以及星间距离和卫星相对速度的约束条件确定星间链路；

覆盖模块，设置为对所述航空器飞行任务的覆盖性能进行计算。

优选地，所述的装置还包括：

调整模块，设置为根据航空器飞行任务的覆盖特性以及星座系统自身成本与设计任务需求比较，根据比较结果确定是否调整星座参数。

优选地，所述的装置还包括：

成本模块，设置为根据卫星数量、轨道面数、轨道高度计算星座系统的成本。

所述特征模块生成航空器飞行的特征点包括：

根据所述航天器飞行的时间和位置信息确定航空器飞行的四维特征点。

所述覆盖模块对所述航空器飞行任务的覆盖性能进行计算包括：

根据所述航空器飞行期间的空间和时间的变化关系，计算星座对所述航空器飞行期间的覆盖性能的约束条件；

确定星座监测的最大覆盖间隙和覆盖百分比表达式；

计算星座系统对航空器飞行期间的覆盖性能指标。

实施例1

在卫星星座对航空器飞行监测任务中，监测性能包括每条航线最大覆盖间隙、平均覆盖率，所有航线最大覆盖间隙、所有航线平均覆盖率，星座性能包括星座成本以及星间链路数量，从而满足最小卫星数量情况下最佳监测覆盖性能。需要设计的任务参数包括回归天数、回归圈数、卫星数量、轨道面数、相位因子以及轨道倾角。首先，以这些任务参数为自变量，推导建立了星座所有卫星在仿真周期任意时刻的空间轨道参数的解析表达式，根据航空器飞行在航期间的经纬高以及时间的四维数据计算仿真每个时刻星座对航空器的监测性能，然后，通过分析获取这些任务参数对航空器飞行监测的影响规律，结合多目标优化方法提出了航空器远程飞行监测星座设计优化方法。

(1)单星参数的优化选择

航空器具有以天为单位的重复周期性，因此，为了实现星下点轨迹周期性重叠，采用回归轨道。为了减少航空器与卫星通信距离，便于机载天线的小型化，提高飞机与卫星的通信质量。同时考虑范·艾伦辐射带对卫星器件使用寿命的影响，减少星上载荷开关机频繁度等，本实施例选择低轨圆轨道类型星座。由于800公里以下受大气阻尼和原子氧侵蚀的影响也将减少卫星的寿命，轨道高度拟选择在800Km～1500Km之间。根据航空器远程飞行的时间特点，最长航行时间不会大于一天,设置任务仿真周期为2天。不同的回归天数、回归圈次以及轨道倾角决定了卫星的轨道高度。

考虑地球扁率J₂的摄动影响，回归轨道公式如下：

设轨道近地点高度为P，则

其中，a为轨道半长轴，e为轨道偏心率，R_E为地球半径。

地球自旋和J₂项摄动使得卫星升交点经度在一个轨道周期内的总变化量为

其中，i为轨道倾角，J₂为地球二阶摄动项，w_E为地球自转角速度，Δλ为升交点经度变化率，μ为地球引力常数。

若：

m×2π＝n×Δλ

其中，m表示回归天数，n表示回归圈数。

则，卫星在用m天的时间运行n圈后，星下点轨迹重复变化。

覆盖角θ与轨道高度h和最低仰角E的关系式为：

(2)星座参数的优化选择

由于单星星下点随着卫星运行一起移动，无法对地面覆盖区域提供持续的数据通信服务，因此通常采用星群协同的工作方式，依靠各卫星覆盖区域拼接完成对特定区域的持续通信。星座以各条轨道对赤道参考平面有相同的倾角，以及节点按照等间隔均匀分布为特征。设有P个轨道面，它们对参考平面倾角等于i。每条轨道的升交点以等间隔2π/P均匀分布。每条轨道面上有S颗卫星，按照等间隔2π/S均匀分布。相邻平面的对应序号的卫星之间的相位差为

其中，N为轨道圈数，F＝0,1,...,P-1。任一条轨道上的一颗卫星经过它的升交点时，相邻的东侧轨道上的对应卫星已经越过他自己的升交点，并覆盖了Δu地心角。T是星座的卫星数量，N＝PS，F是在不同轨道内的卫星相对位置的量纲为1的量，称为相位因子，可以从0到P-1的任意整数。用T/P/F构成星座的结构参数或参考码，加上轨道面倾角i以及轨道高度h，一起完成了星座的构型确定。

(3)星座对航空器越洋飞行监测覆盖性能的建模

根据中国民航局下发的《航空承运人航空器追踪监控实施指南》要求，在领域范围以外水域上的空域中的航空器以15分钟或更短周期获取配备相应机载设备的航空器位置信息，完成航空器的追踪功能。采用覆盖率、覆盖间隔以及星间链路连通性作为航空器越洋飞行监测的覆盖性能指标。

假设任意一架航空器为θ_k(k＝1,2,...,n)，n表示不同航空器的编号，得到所有时刻所有航空器的最大覆盖间隙为，如图3所示

F_{Gaptime，max}＝max(F_Gaptime(w,j,h,t,k))

其中，F_Gaptime,max为星座在仿真周期中航空器覆盖的最大覆盖间隙。取所有航空器航路飞行覆盖中的最大间隙。w,j,h,t,k分别是纬度、经度、高程以及第k架航空器。

通过对所有航线的覆盖率进行平均，得到总的平均覆盖百分比，如图4所示

F_{CovPerf，ave}＝ave(F_CovPerf(w,j,h,t,k))

其中，F_CovPerf,ave为星座在仿真周期中航空器覆盖的平均百分比。

星座系统的成本性能项定义为

其中，CAS是星座系统的成本项，λ₁和λ₂分别为卫星数和轨道高度，T为星座卫星数量，h为星座轨道高度。

为了减少飞机与卫星之间的通信距离，采用星间链路技术，通过增加卫星和星际链路的数量提高卫星星座的数据连通性。星座中两卫星的视线到地心的距离为：

h_t＝rcos(d/2)

其中，r为星座中卫星地心距，d为两卫星的地心角距。其次，星间链路的构建需要满足星间距离和卫星相对速度的约束条件。

h为轨道高度，h_atm为地球电离层高度，r_ISL为两颗卫星的星间距离，d_max为星座间最大通信距离，v_r为卫星相对运动速度，v_rmax为卫星相对运动速度最大值。

最后，还需满足在轨道坐标系中星间链路的方位、俯仰和距离(AER)特性。轨道坐标系定义为：X轴沿速度方向，Y轴沿负轨道法线方向，Z轴指向地球中心。卫星m至卫星n的星间链路的方位角

定义为从轨道坐标系X轴方向至链路方向在XY平面的投影，俯仰角θ_s定义为从链路方向在XY平面的投影至链路方向的角度。链路方位角

和俯仰角θ_s可由下式计算：

其中，x,y,z分别表示卫星m轨道坐标系对应坐标轴在惯性坐标系中的指向，r_ISL为两颗卫星之间的链路矢量。r_n，r_m分别为两颗卫星的地心矢量，θ_s和为星间链路指向在卫星坐标系下的方位角和俯仰角。r_sxy为卫星星间链路矢量在卫星坐标系xy平面上的投影。建立星间链路天线的约束条件可表示为：

(θ_smax-θ_smin)/2＜θ_half

其中，θ_smax和θ_smin分别为俯仰角的最大和最小值。

和

分别表示方位角的最大和最小值。θ_half表示天线能够转动的最大角度的一半，

表示天线转动角速度的极限值。

至此，建立了航空器越洋飞行监测所有任务参数的优化设计方法，从而充分发挥各种构型条件下的覆盖监测能力，实现星座覆盖性能的最大化。

虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (9)

1.一种用于航空器监测的星座优化方法，其特征在于，包括：

生成航空器飞行的时空特征点；

根据所述特征点确定满足航空器监测任务特点的星座回归周期设计；

根据卫星间的可视判别条件以及星间距离和卫星相对速度的约束条件确定星间链路，包括：星间链路的构建需要满足星间距离和卫星相对速度的约束条件为：

其中，h为轨道高度，h_atm为地球电离层高度，r_ISL为两颗卫星的星间距离，d_max为星座间最大通信距离，v_r为卫星相对运动速度，v_rmax为卫星相对运动速度最大值，r_n，r_m分别为两颗卫星的地心矢量，r为星座中卫星地心距，R_e为地球半径；对所述航空器飞行任务的覆盖性能进行计算，包括：

根据所述航空器飞行期间的空间和时间的变化关系，计算星座对所述航空器飞行期间的覆盖性能的约束条件，包括：建立星间链路天线的约束条件表示为：

(θ_smax-θ_smin)/2＜θ_half

其中，θ_smax和θ_smin分别为俯仰角的最大和最小值，

和分别表示方位角的最大和最小值，θ_half表示天线能够转动的最大角度的一半，

表示天线转动角速度的极限值；卫星m至卫星n的星间链路的方位角

定义为从轨道坐标系X轴方向至链路方向在XY平面的投影，俯仰角θ_s定义为从链路方向在XY平面的投影至链路方向的角度；

确定星座监测的最大覆盖间隙和覆盖百分比表达式，包括：

假设任意一架航空器为θ_k(k＝1,2,...,n)，n表示不同航空器的编号，得到所有时刻所有航空器的最大覆盖间隙为：

F_{Gaptime，max}＝max(F_Gaptime(w,j,h,t,k))

其中，F_Gaptime,max为星座在仿真周期中航空器覆盖的最大覆盖间隙，w,j,h,t,k分别是纬度、经度、高程、时间以及第k架航空器；

通过对所有航线的覆盖率进行平均，得到总的平均覆盖百分比

F_{CovPerf，ave}＝ave(F_CovPerf(w,j,h,t,k))

其中，F_CovPerf,ave为星座在仿真周期中航空器覆盖的平均百分比；

计算星座系统对航空器飞行期间的覆盖性能指标，包括：星座系统的成本性能项定义为：

其中，CAS是星座系统的成本项，λ₁和λ₂分别为卫星数和轨道高度，N为轨道圈数，h为星座轨道高度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：还包括：根据航空器飞行任务的覆盖特性以及星座系统自身成本与设计任务需求比较，根据比较结果确定是否调整星座参数，不满足则调整星座参数重复步骤S101至S104，直到满足任务需求为止。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：还包括：根据卫星数量、轨道面数、轨道高度计算星座系统的成本。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：生成航空器飞行的特征点包括：

根据所述航空器飞行的时间和位置信息确定航空器飞行的四维特征点。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述覆盖性能指标包括以下至少之一：

每条航线最大覆盖间隙、每条航线平均覆盖率、所有航线最大覆盖间隙、所有航线平均覆盖率。

6.一种用于航空器监测的星座优化装置，其特征在于，包括：

特征模块，设置为生成航空器飞行的时空特征点；

周期模块，设置为根据所述特征点确定满足航空器监测任务特点的星座回归周期设计；

约束模块，设置为根据卫星间的可视判别条件以及星间距离和卫星相对速度的约束条件确定星间链路，包括：星间链路的构建需要满足星间距离和卫星相对速度的约束条件为：

其中，h为轨道高度，h_atm为地球电离层高度，r_ISL为两颗卫星的星间距离，d_max为星座间最大通信距离，v_r为卫星相对运动速度，v_rmax为卫星相对运动速度最大值，r为星座中卫星地心距，R_e为地球半径；覆盖模块，设置为对所述航空器飞行任务的覆盖性能进行计算，包括：

根据所述航空器飞行期间的空间和时间的变化关系，计算星座对所述航空器飞行期间的覆盖性能的约束条件，包括：建立星间链路天线的约束条件表示为：

(θ_smax-θ_smin)/2＜θ_half

其中，θ_smax和θ_smin分别为俯仰角的最大和最小值，

和

分别表示方位角的最大和最小值，θ_half表示天线能够转动的最大角度的一半，表示天线转动角速度的极限值；

确定星座监测的最大覆盖间隙和覆盖百分比表达式，包括：

假设任意一架航空器为θ_k(k＝1,2,...,n)，n表示不同航空器的编号，得到所有时刻所有航空器的最大覆盖间隙为：

F_{Gaptime，max}＝max(F_Gaptime(w,j,h,t,k))

其中，F_Gaptime,max为星座在仿真周期中航空器覆盖的最大覆盖间隙，w,j,h,t,k分别是纬度、经度、高程、时间以及第k架航空器；

通过对所有航线的覆盖率进行平均，得到总的平均覆盖百分比

F_{CovPerf，ave}＝ave(F_CovPerf(w,j,h,t,k))

其中，F_CovPerf,ave为星座在仿真周期中航空器覆盖的平均百分比；

计算星座系统对航空器飞行期间的覆盖性能指标，包括：星座系统的成本性能项定义为：

其中，CAS是星座系统的成本项，λ₁和λ₂分别为卫星数和轨道高度，N为轨道圈数，h为星座轨道高度。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于：还包括：

调整模块，设置为根据航空器飞行任务的覆盖特性以及星座系统自身成本与设计任务需求比较，根据比较结果确定是否调整星座参数。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于：还包括：

成本模块，设置为根据卫星数量、轨道面数、轨道高度计算星座系统的成本。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于：所述特征模块生成航空器飞行的特征点包括：

根据所述航空器飞行的时间和位置信息确定航空器飞行的四维特征点。

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