CN109583055B - 一种基于覆盖圆的卫星星下点轨迹分布优化调整方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供基于覆盖圆的卫星星下点轨迹分布优化调整方法，包括以下内容：覆盖圆的构建，包括：目标点在覆盖圆上的投影、卫星星下点轨迹和覆盖区域在覆盖圆上的投影、卫星降交点地方时在覆盖圆上的表示；基于覆盖圆的覆盖性能分析优化；基于覆盖圆的相位调整分析方法；拓展覆盖圆用于多目标覆盖性能分析优化方法。本发明更加直观实用，能够在同一个框架下同时考虑卫星相位保持和覆盖性能优化问题，并能对多目标覆盖性能优化问题给出一种直观有效的解决方案，可用于卫星星座设计和在轨卫星星座的性能调优；还能够通过直观的方式为揭示这种偏离对覆盖性能的影响规律提供一种有效途径。
Description
技术领域
本发明属于空间对地观测与导航技术领域，涉及一种基于覆盖圆的卫星星下点轨迹分布优化调整方法。
背景技术
遥感卫星在环境监测、军事侦察、地理测绘等领域发挥着重要作用。遥感卫星通常采用太阳同步回归轨道，以保证稳定的摄影条件、电量状态和地面覆盖性能。随着目标数的增加和时效要求的提高，单颗遥感卫星已经无法满足需求。通过同时运行多颗遥感卫星构成星座，可以有效提高对地覆盖次数和信息获取时效。
当前我国太阳同步回归轨道遥感卫星的长期运行管理中，卫星轨道维持主要采用基于卫星星下点轨迹的维持方法。在相同回归特性太阳同步卫星组成的星座中，星座对地面目标覆盖性能与其星下点轨迹分布有很大的关系，卫星进出接收站冲突等问题也需通过星下点轨迹分布的调整来解决。因此，星下点轨迹分布是卫星星座构型设计和调整的重要参数。
目前对星下点轨迹分布的优化和调整并没有十分准确实用的方法。一方面是对多目标覆盖性能的优化缺少有效手段。由于当前覆盖性能分析优化多采用网格点分析法，星下点轨迹分布对覆盖性能的影响规律认识不够，当目标数目增多时，会造成计算量迅速增加。另一方面是对相位保持和覆盖性能等多种因素的综合考虑不够，缺少在统一的框架下分析的手段，难以做到兼顾。鉴于此，如何提供一种快速、准确、直观、方便且基于覆盖圆的卫星星下点轨迹分布优化调整方法是本领域技术人员需要解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中太阳同步回归轨道遥感卫星星座的目标轨迹分布优化没有十分准确实用方法的难题，而提出一种快速、准确、直观、方便且基于覆盖圆的卫星星下点轨迹分布优化调整方法。
本发明方法是通过下述技术方案实现的：
设计一种基于覆盖圆的卫星星下点轨迹分布优化调整方法，包括如下步骤：
步骤一：首先，构建覆盖圆，包括目标点在覆盖圆上的投影、卫星星下点轨迹和覆盖区域在覆盖圆上的投影、卫星降交点地方时在覆盖圆上的表示；
步骤二：然后，基于步骤一构建的覆盖圆进行覆盖性能分析优化方法；
步骤三：接着，基于构建的覆盖圆进行覆盖圆的相位调整分析方法；
步骤四：最后，拓展覆盖圆，并将其用于多目标覆盖性能分析优化。
优选的，在所述构建覆盖圆以及拓展覆盖圆基础上通过星下点轨迹分布对覆盖性能和卫星相位进行分析优化。
优选的，所述的覆盖圆为一个抽象的单位圆，将目标点、卫星星下点轨迹及其覆盖区域、卫星降交点地方时按照一定规则在覆盖圆上投影表示，通过各要素在覆盖圆上的相互位置关系分析卫星对目标的覆盖性能以及卫星的相位关系对卫星星下点轨迹分布进行优化。
优选的，所述投影规则为：以目标点所在纬度上的地面某点为起点，向西将目标纬度圈上的点依次顺时针投影到所构建的抽象圆上，使该纬度圈上每经过相邻两次降轨对应于覆盖圆上的一圈；所述目标纬度圈上的点包括包括目标点：
具体投影规则如下：
其中：θ为覆盖圆中对应点所处的角度，逆时针为正；λ与λ0分别为目标点经度和起点经度，D为卫星轨道回归周期天数，R为卫星轨道回归圈数；函数mod(x，y)表示x用y取模；k为0到D-1的整数，代表第k天；卫星星下点轨迹在覆盖圆中的投影用卫星星下点轨迹与目标纬度的交点在覆盖圆上的投影表示；卫星在目标纬度圈上可覆盖的点在覆盖圆上的投影即为卫星覆盖区域在覆盖圆上的投影。
优选的，所述卫星降交点地方时通过覆盖圆弧的半径表示，具体方法如下：在覆盖圆外构建一个半径为覆盖圆两倍的辅助圆；将辅助圆与覆盖圆之间不同半径的圆由内而外对应于一天的24小时；保持各卫星在覆盖圆上覆盖圆弧的角度范围和位置不变，沿半径方向投影到其降交点地方时所对应半径的圆上。
优选的，所述步骤二中基于覆盖圆的覆盖性能分析优化方法的步骤为：根据目标点在覆盖圆中投影是否被覆盖圆弧所覆盖来分析其被卫星覆盖次数，并根据目标点每天在覆盖圆中投影的变化规律分析其重访间隔；根据目标点每天在覆盖圆中投影的变化规律，通过调整覆盖圆上各卫星覆盖圆弧的分布使卫星覆盖次数和重访间隔得到优化。
优选的，所述步骤三中卫星的相位关系调整优化方法为：利用卫星相位差变化量与覆盖圆上覆盖圆弧或星下点轨迹相对位置的变化量一致的特点，通过在覆盖圆上对覆盖圆弧或星下点轨迹相对位置调整某一角度来使卫星相位差调整相应角度。
优选的，所述拓展覆盖圆为将面向单目标纬度圈的覆盖圆向多目标多纬度圈的拓展，具体方法为：将覆盖圆沿圆心法线进行拉伸成为一个圆筒，圆筒轴线方向对应于不同的纬度，圆筒上垂直于轴线的不同横切面为不同纬度上的覆盖圆；此时，不同纬度目标点都可在覆盖圆筒上投影，而卫星覆盖区域此时在圆筒上不是投影为圆弧而是条带；通过调整各卫星覆盖条带在圆筒上的分布可对卫星对多目标覆盖性能进行同时优化，方法与单纬度覆盖圆上的分析和优化类似。
有益效果
本发明提出的一种基于覆盖圆的卫星星下点轨迹分布优化方法，有益效果在于：
(1)本发明方法具有快速、准确、直观、方便的特点；同时，与现有技术相比，本发明更加直观实用，能够在同一个框架下同时考虑卫星相位保持和覆盖性能优化问题，并能对多目标覆盖性能优化问题给出一种直观有效的解决方案，可用于卫星星座设计和在轨卫星星座的性能调优；
(2)此外，由于大气阻力摄动等原因，卫星实际星下点轨迹与设计有一定的偏离，本发明方法与现有技术相比，还能够通过直观的方式为揭示这种偏离对覆盖性能的影响规律提供一种有效途径。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1为本发明方法中从目标纬度圈投影至覆盖圆的原理示意图；
图2为本发明方法中覆盖圆上的卫星覆盖圆弧和目标点位置示意图；
图3为本发明方法中基于覆盖圆的覆盖性能分析优化方法的基本流程图；
图4为本发明方法实施例仿真验证中覆盖圆中目标跳变规律示意图；
图5为本发明方法实施例仿真验证中实验卫星覆盖圆弧分布优化思路示意图；
图6为本发明方法实施例仿真验证中不作星下点轨迹调整时的三星相位变化；
图7为本发明方法实施例仿真验证中卫星覆盖圆弧分布优化调整示意图；
图8为本发明方法实施例仿真验证中星下点轨迹调整前后三颗卫星整体对某目标的重访间隔随时间变化图；
图9为本发明方法实施例仿真验证中卫星通过星下点轨迹调整后三星相位变化图；
图10为本发明方法实施例仿真验证中卫星星座覆盖圆弧均匀分布时的覆盖圆；
图11为本发明方法实施例仿真验证中卫星星座覆盖圆弧分布初步优化结果；
图12为本发明方法实施例仿真验证中星下点轨迹调整前后四星整体对某目标的重访间隔变化图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参阅附图1-附图3所示，本发明的一种基于覆盖圆的卫星星下点轨迹分布优化调整方法，包括如下步骤：
步骤一：首先，构建覆盖圆，包括目标点在覆盖圆上的投影、卫星星下点轨迹和覆盖区域在覆盖圆上的投影、卫星降交点地方时在覆盖圆上的表示；
步骤二：然后，基于步骤一构建的覆盖圆进行覆盖性能分析优化方法；
步骤三：接着，基于构建的覆盖圆进行覆盖圆的相位调整分析方法；
步骤四：最后，拓展覆盖圆，并将其用于多目标覆盖性能分析优化。
在所述构建覆盖圆以及拓展覆盖圆基础上通过星下点轨迹分布对覆盖性能和卫星相位进行分析优化；所述的覆盖圆为一个抽象的单位圆，将目标点、卫星星下点轨迹及其覆盖区域、卫星降交点地方时按照一定规则在覆盖圆上投影表示，通过各要素在覆盖圆上的相互位置关系分析卫星对目标的覆盖性能以及卫星的相位关系对卫星星下点轨迹分布进行优化；所述投影规则为：以目标点所在纬度上的地面某点为起点，向西将目标纬度圈上的点依次顺时针投影到所构建的抽象圆上，使该纬度圈上每经过相邻两次降轨对应于覆盖圆上的一圈；所述目标纬度圈上的点包括包括目标点：
具体投影规则如下：
其中：θ为覆盖圆中对应点所处的角度，逆时针为正；λ与λ0分别为目标点经度和起点经度，D为卫星轨道回归周期天数，R为卫星轨道回归圈数；函数mod(x，y)表示x用y取模；k为0到D-1的整数，代表第k天；卫星星下点轨迹在覆盖圆中的投影用卫星星下点轨迹与目标纬度的交点在覆盖圆上的投影表示；卫星在目标纬度圈上可覆盖的点在覆盖圆上的投影即为卫星覆盖区域在覆盖圆上的投影。
所述卫星降交点地方时通过覆盖圆弧的半径表示，具体方法如下：在覆盖圆外构建一个半径为覆盖圆两倍的辅助圆；将辅助圆与覆盖圆之间不同半径的圆由内而外对应于一天的24小时；保持各卫星在覆盖圆上覆盖圆弧的角度范围和位置不变，沿半径方向投影到其降交点地方时所对应半径的圆上。所述步骤二中基于覆盖圆的覆盖性能分析优化方法的步骤为：根据目标点在覆盖圆中投影是否被覆盖圆弧所覆盖来分析其被卫星覆盖次数，并根据目标点每天在覆盖圆中投影的变化规律分析其重访间隔；根据目标点每天在覆盖圆中投影的变化规律，通过调整覆盖圆上各卫星覆盖圆弧的分布使卫星覆盖次数和重访间隔得到优化。所述步骤三中卫星的相位关系调整优化方法为：利用卫星相位差变化量与覆盖圆上覆盖圆弧或星下点轨迹相对位置的变化量一致的特点，通过在覆盖圆上对覆盖圆弧或星下点轨迹相对位置调整某一角度来使卫星相位差调整相应角度。所述拓展覆盖圆为将面向单目标纬度圈的覆盖圆向多目标多纬度圈的拓展，具体方法为：将覆盖圆沿圆心法线进行拉伸成为一个圆筒，圆筒轴线方向对应于不同的纬度，圆筒上垂直于轴线的不同横切面为不同纬度上的覆盖圆；此时，不同纬度目标点都可在覆盖圆筒上投影，而卫星覆盖区域此时在圆筒上不是投影为圆弧而是条带；通过调整各卫星覆盖条带在圆筒上的分布可对卫星对多目标覆盖性能进行同时优化，方法与单纬度覆盖圆上的分析和优化类似。
实验验证
1.仿真验证
本发明实施例用于3颗在轨卫星的星下点轨迹优化调整
参阅附图4-附图6所示，基于以上方法对3颗卫星星下点轨迹进行优化调整，目标有两个：一是优化整体覆盖性能，二是优化星间相位差。
1)目标的跳变规律
该算例中卫星的回归周期为D天，回归圈数R圈。利用覆盖圆进行分析，首先观察目标在覆盖圆中的变化规律，如图4所示为卫星覆盖圆上目标的跳变规律示意图。
从图4(a)中可知，目标点经过9天可回归邻轨，运行轨迹大致为一个九角星形，覆盖圆弧位于星角位置时能覆盖目标。每一个九角星形向负方向转动
与下一个九角星形相衔接，如图4(b)所示；经过D天后目标位置回归原点，如图4(c)所示。
2)考虑覆盖性能的覆盖圆弧分布原则
根据目标点在覆盖圆中的位置跳变规律，可以得出覆盖圆弧分布的以下结论：
为了避免短时间内对目标的多次覆盖，使覆盖时间分布均匀，三颗卫星覆盖圆弧大致应相隔0个或2个星角，不可间隔1个或3个星角；
由于九角星形向负方向作微小转动，卫星覆盖圆弧与星角的位置会逐渐发生变化。对于单星而言，若覆盖圆弧宽度比星角间的间隙小(较低纬度目标)，则可能陷入星角间隙而导致该9天内无覆盖，而造成重访间隔变长达13天；若覆盖圆弧宽度更小(更低纬度目标)，则可能导致该覆盖圆弧连续两个9天陷入星间间隙，造成重访间隔可长达22天。因此，单星覆盖区的位置选择应尽量避免陷入星角间隙，而对于多星覆盖问题，各星覆盖区应能起到互补作用避免同时陷入星角间隙。
以北纬25°某目标为例，该纬度上各卫星覆盖圆弧的宽度小于星角间隙。为了使覆盖达到最优效果，覆盖圆弧分布选择如图5(a)所示布局。该布局中，尽量将01、02、03星的覆盖圆弧连成片，从而使其起到互补作用避免出现同时陷入星角间隙而增大重访间隔。或者选择图5(b)所示布局。该布局中在01星覆盖圆弧因其他原因无法选择图5(a)位置时，选择与该位置间隔一个星角的位置，从而也可对0203星起到补充作用。
3)考虑星间相位调整的覆盖圆弧调整方法
选择该卫星某时间段作为研究算例，通过轨道仿真推演可知该时间段内若保持各星条带和倾角不作调整，降交点地方时之差将发生较大的变化，导致了相位差发生较大变化。如图6所示，01与03星的相位差后期已达50°，为避免出现接收站冲突需作调整。
欲使01星和03星的相位差增加60°以上，则在覆盖圆上03星覆盖圆弧相对01星覆盖圆弧需向顺时针方向转动60°以上。
综合考虑覆盖性能，可得出覆盖圆弧分布调整的方案，如图7所示。
2.本发明实施例用于在论卫星星座轨迹分布优化调整
参阅附图7-附图10所示，设在论卫星星座由四颗SAR卫星组成，考虑其对北纬25°某目标的覆盖性能优化问题。
该星座每颗星具有左右侧视能力。01-04星降交点地方时分别为23:00，5:00，7:00，2:00。由于SAR成像时间不受光照条件限制，因此每天01星-04星成像时间分布为23:00和11:00附近，5:00和17:00附近，7:00和19:00附近，2:00和14:00附近。以每天23:00为一天时间起算点，可构建覆盖圆如下所示。(图中以星下点轨迹均匀分布的情况为例)。
1)每日目标线段变化规律
每日目标线段相比前一天向前跳跃了6格(一格跨度为
)。
2)考虑覆盖性能的覆盖圆弧分布原则。
为了提高总的覆盖次数，需使每个覆盖圆弧穿过尽量多的目标线段，为了减小重访间隔，需使目标线段上以及相隔6格的目标线段上相邻两次穿过覆盖圆弧的间距尽量短。
据此对覆盖圆进行简要的分析后可对各覆盖圆弧之间的相对位置关系设定初步的约束。
(a)减小相邻两天覆盖的重访间隔。首先需要02星与03星的外围覆盖圆弧互相补缺，其次需要尽可能使03星的外围覆盖圆弧缺口逆时针向前跳跃了6格后可落在01星内侧覆盖圆弧上。这就初步约束了01星、02星和03星的相对位置。
(b)减少每天相邻覆盖的重访间隔。需要考察每个目标线段上的分隔情况，在(a)的基础上对01星、02星和03星的相对位置进行微调，并利用04星的覆盖圆弧进行相应补缺。
由此可得到一个初步优化结果如图11所示。
图12为星下点轨迹调整前后四星整体对目标的重访间隔变化图，图中可知优化后的最大重访间隔比采取均匀分布的方法减小了。
以上虽然结合了附图描述了本发明的实施方式，但是对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。
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披露的技术范围内，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。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种基于覆盖圆的卫星星下点轨迹分布优化调整方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：构建覆盖圆，包括目标点在覆盖圆上的投影、卫星星下点轨迹和覆盖区域在覆盖圆上的投影、卫星降交点地方时在覆盖圆上的表示；
所述的覆盖圆为一个抽象的单位圆，将目标点、卫星星下点轨迹及其覆盖区域、卫星降交点地方时按照一定规则在覆盖圆上投影表示，通过各要素在覆盖圆上的相互位置关系分析卫星对目标的覆盖性能以及卫星的相位关系对卫星星下点轨迹分布进行优化；
所述投影规则为：以目标点所在纬度上的地面某点为起点，向西将目标纬度圈上的点依次顺时针投影到所构建的抽象圆上，使该纬度圈上每经过相邻两次降轨对应于覆盖圆上的一圈；所述目标纬度圈上的点包括目标点：
具体投影规则如下：
其中：
为覆盖圆中对应点所处的角度，逆时针为正；
与
分别为目标点经度和起点经度，D为卫星轨道回归周期天数，R为卫星轨道回归圈数；函数mod(x，y)表示x用y取模；k为0到D-1的整数，代表第k天；卫星星下点轨迹在覆盖圆中的投影用卫星星下点轨迹与目标纬度的交点在覆盖圆上的投影表示；卫星在目标纬度圈上可覆盖的点在覆盖圆上的投影即为卫星覆盖区域在覆盖圆上的投影；
所述卫星降交点地方时通过覆盖圆弧的半径表示，具体方法如下：在覆盖圆外构建一个半径为覆盖圆两倍的辅助圆；将辅助圆与覆盖圆之间不同半径的圆由内而外对应于一天的24小时；保持各卫星在覆盖圆上覆盖圆弧的角度范围和位置不变，沿半径方向投影到其降交点地方时所对应半径的圆上
步骤二：基于步骤一构建的覆盖圆进行覆盖性能分析优化；
步骤三：基于构建的覆盖圆进行覆盖圆的相位调整分析；
步骤四：拓展覆盖圆，并将其用于多目标覆盖性能分析优化；
所述拓展覆盖圆为将面向单目标纬度圈的覆盖圆向多目标多纬度圈的拓展，具体方法为：将覆盖圆沿圆心法线进行拉伸成为一个圆筒，圆筒轴线方向对应于不同的纬度，圆筒上垂直于轴线的不同横切面为不同纬度上的覆盖圆；此时，不同纬度目标点都可在覆盖圆筒上投影，而卫星覆盖区域此时在圆筒上不是投影为圆弧而是条带；通过调整各卫星覆盖条带在圆筒上的分布可对卫星对多目标覆盖性能进行同时优化。
2.根据权利要求1所述的一种基于覆盖圆的卫星星下点轨迹分布优化调整方法，其特征在于，在所述构建覆盖圆以及拓展覆盖圆基础上通过星下点轨迹分布对覆盖性能和卫星相位进行分析优化。
3.根据权利要求1所述的一种基于覆盖圆的卫星星下点轨迹分布优化调整方法，其特征在于，所述步骤二中基于覆盖圆的覆盖性能分析优化方法的步骤为：根据目标点在覆盖圆中投影是否被覆盖圆弧所覆盖来分析其被卫星覆盖次数，并根据目标点每天在覆盖圆中投影的变化规律分析其重访间隔；根据目标点每天在覆盖圆中投影的变化规律，通过调整覆盖圆上各卫星覆盖圆弧的分布使卫星覆盖次数和重访间隔得到优化。
4.根据权利要求1所述的一种基于覆盖圆的卫星星下点轨迹分布优化调整方法，其特征在于，所述步骤三中卫星的相位调整优化方法为：利用卫星相位差变化量与覆盖圆上覆盖圆弧或星下点轨迹相对位置的变化量一致的特点，通过在覆盖圆上对覆盖圆弧或星下点轨迹相对位置调整某一角度来使卫星相位差调整相应角度。
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