CN109639338B - 一种适用于通导遥一体化应用的全球覆盖星座的设计方法 - Google Patents

一种适用于通导遥一体化应用的全球覆盖星座的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种适用于通导遥一体化应用的全球覆盖星座及其设计方法，该星座统筹考虑通信、导航、遥感载荷的不同覆盖需求，根据不同载荷的覆盖特性，以星座数目最小化为原则设定星座规模，综合通信、导航、遥感任务要求与载荷约束完成星座设计；以初步星座方案为基础，进行星座性能分析验证。

Description

一种适用于通导遥一体化应用的全球覆盖星座的设计方法
技术领域
本发明涉及一种全球覆盖星座的设计方法，特别提供一种面向通信、导航、遥感一体化应用的全球覆盖星座设计方法。
背景技术
目前，在以往星座设计方法中，集中在针对单类载荷特点进行单一任务的星座设计与分析。其中，针对通信需求，从卫星星座设计的角度来看，设计方法大体上可分成三类：第一类是采用地球同步卫星轨道，利用单颗卫星完成全部的覆盖和通信任务，这种方案实现通信的费用少，技术成熟，但由于轨道高度太高无法实现手机上星的目标。第二类方法采用Walker和Ballard星座优化全球覆盖的思想，这种方案星座轨道大都是LEO/MEO，卫星数量多，总体费用很高。第三类是基于区域性覆盖的设计思想，利用多个轨道平面，不同轨道平面的卫星在有旋地球表面上的星下点轨迹相互重合，可实现对部分区域的持续性覆盖，这种方案卫星数量少，但无法满足全球覆盖需求。
传统遥感卫星星座通常采用Walker星座中的δ星座或玫瑰星座等，主要用于全球观测，但基于星座本身无法实现信息的实时回传，没有考虑与通信载荷的一体化应用。
导航星座设计涉及诸多参数的优化组合，星座规模上比通信载荷、遥感载荷的数目都小很多，从提供基础导航服务的角度一般从国家层面进行统一的规划部署。导航增强业务可以通过增加天基和地基两种方式实现，传统的天基导航增强系统都是采用的GEO卫星，但发展受限于轨道资源有限。随着技术提升，LEO卫星定轨精度优于分米级，利用LEO卫星作为导航增强卫星正在逐渐成为一种趋势。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足之处，提供一种面向通导遥一体化应用的全球覆盖星座设计方法，该方法能够提供将通信、遥感、导航载荷与平台高效集成的星座方案，使得全球通导遥一体化应用成为可能。本发明克服了现有星座设计方法仅针对单类型载荷约束，不能兼顾一星多用应用需求的缺点。
本发明的技术解决方案是：
1、一种适用于通信、导航、遥感一体化应用的卫星星座，其特征在于：该星座的星座类型为Walker星座，所述星座由135颗卫星组成，所述卫星的轨道高度为560.994km，所述卫星的轨道倾角为97.64°，所述星座包括9个轨道面，每个轨道面15颗卫星，根据相位关系编号，依次为N1、N2、N3、N4、N5、N6、N7、N8、N9、N10、N11、N12、N13、N14、N15；所述星座的载荷部署方式为：135颗卫星均加装遥感载荷和导航增强载荷，其中每个轨道面选取编号为N1、N2、N4、N5、N7、N8、N10、N11、N13、N14的10颗卫星加装通信载荷。
2、一种适用于通信、导航、遥感一体化应用的卫星星座设计方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：根据卫星轨道的预定高度h，分别计算满足全球实时通信需求的最小通信载荷数量Na，满足光学载荷提供全球图像信息服务的遥感最小载荷数量Nb，星座的最小卫星数量Nmin取Na和Nb中的最大值；
步骤二：根据通信、遥感载荷的载荷使用约束和覆盖要求选择轨道类型和星座构型，其中轨道类型为太阳同步轨道、倾斜圆轨道、回归轨道、冻结轨道之一，星座构型为Walker-星形星座、Walker-玫瑰星座、Walker-δ星座、Walker-σ星座、Walker-Ω星座之一。
步骤三：根据星座性能中关于通信性能、遥感性能、导航性能的要求，确定星座的轨道参数、卫星数量n(n≥Nmin)及各类载荷的部署方案，选取Nc个卫星部署通信载荷，选取Nd个卫星部署光学载荷，选取Ne个卫星部署导航增强载荷，得到初步的星座方案S1；
步骤四：分析验证星座方案S1的通信性能指标、遥感性能指标和导航增强性能指标，其中通信性能指标包括：覆盖百分比、平均覆盖间隙、时间覆盖率；遥感性能指标包括覆盖百分比、重访时间；导航增强性能指标为覆盖重数。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)由于在星座设计中，综合考虑了通信载荷、遥感载荷、导航增强的约束条件和性能需求。因此该方法设计的星座方案可以实现一星多用，满足通信、遥感、导航载荷一体化应用的需求。
(2)由于在星座规模预估阶段，利用了通信与遥感两种载荷的覆盖需求约束去构建轨道高度与载荷数目模型，保证了全球覆盖条件下载荷数目最优，大大降低了星座构建成本。
附图说明
图1是本发明星座设计方法流程图；
图2覆盖带几何关系。
具体实施方式
实施例1
设计一种500km左右轨道高度提供通信、遥感和导航服务的卫星星座。其中通信频段为L频段，速率为24kbps，地面站仰角大于5°，要求实现全球组网，实时获取回传遥感载荷地面分辨率为0.5m，幅宽为20km，实现全球大部分地区一天覆盖重访一次。另外，对于导航载荷要求覆盖重数大于3重，起到一定的导航增强作用。
具体设计如下：
步骤一：根据卫星轨道的预定高度500km，分别计算满足全球实时通信需求的最小通信载荷数量Na，满足光学载荷提供全球图像信息服务的遥感最小载荷数量Nb，星座的最小卫星数量Nmin取Na和Nb中的最大值。
计算通信载荷的最小数量Na
为了实现全球单重覆盖，星座的所有卫星的覆盖面积之和应为地球总面积的两倍。根据图2所示覆盖带几何关系，若单星覆盖范围的半径为θ，那么它的覆盖面积为地球总面积的(1-cosθ)/2，要使星座中所有卫星的单星覆盖面积的总和为全球总面积的两倍，则卫星的总数N1满足下列关系(1)：
Figure GDA0002712483560000041
其中，覆盖带几何中各个角度的转换关系符合以下关系组(2)：
Figure GDA0002712483560000042
Figure GDA0002712483560000043
Figure GDA0002712483560000044
关系式组(2)中，R＝6378km为地球半径，h＝500km为轨道预设高，其中，E＝5°为地面站仰角，α为卫星的视场角。依据上述公式组(2)，可计算得到在500km高度，通信载荷数目为86.3。
遥感载荷的最小数量N遥感满足以下关系(3)
Figure GDA0002712483560000045
其中，Nh为实现全球覆盖需要的最小回归圈数，Nd为卫星每天的运行圈数。
Nh满足以下关系(4)，其中Lc＝40074.16km为赤道长度，fk为遥感载荷的幅宽20km。
Figure GDA0002712483560000046
Nd满足以下关系(5)：
Figure GDA0002712483560000051
其中T为轨道周期，轨道周期T满足以下关系(6)：
Figure GDA0002712483560000052
其中，μ＝398600.44km3/s2为地球引力常量。
依据上述公式，可计算得到在500km高度，遥感载荷数目为131.7。与通信载荷数目86.3相比，遥感载荷数目更多，即卫星总数设计为132颗。
步骤二：根据通信、遥感载荷的载荷使用约束和覆盖要求选择轨道类型和星座构型，选择轨道类型为太阳同步回归圆轨道，星座构型为Walker-δ星座。
通信要求具备全球覆盖能力，则需要选择具备高倾角的近极地轨道。为满足光学载荷的成像条件，需选择太阳同步轨道。同时，太阳同步轨道是近极地轨道，这就可以保证除极区以外的纬度范围的覆盖，再适当选择轨道运行周期就可以保证所有经度地区的覆盖，满足全球覆盖的要求。为了保证光学载荷具备回归特性，选用回归轨道，回归轨道是星下点轨迹周期性重叠的轨道，可实现对同一地区的目标进行多次观察，定期(一个回归周期)得到地面目标的变化信息。
步骤三：根据星座性能中关于通信性能、遥感性能、导航性能的要求，确定星座的轨道参数、卫星数量Nsum及各类载荷的部署方案，得到星座方案S1。
星座方案S1的轨道参数如下，其中轨道高度h为560.99km，轨道倾角i为97.64°。
对于太阳同步轨道升交点赤经Ω满足如下关系(7)：
Figure GDA0002712483560000053
关系(7中)中每个参数的含义如下：
n为轨道的平均角速度，J2为地球非球形摄动项，Re＝6378km为地球半径，a＝Re+h为轨道半长轴，e为偏心率，i为轨道倾角。
根据近似圆轨道e＝0，升交点赤经改写为一天内的变化增量△Ω有如下关系(8)
Figure GDA0002712483560000061
关系(8)中每个参数的含义如下：
Re＝6378km为地球半径，a＝Re+h为轨道半长轴，i＝97.64为轨道倾角。
交点周期可以用关系(9)求解。
Figure GDA0002712483560000062
关系(9中)中每个参数的含义如下：
Re＝6378km为地球半径，a＝Re+h为轨道半长轴，μ＝398600.44km3/s2为地球引力常量，i＝97.64为轨道倾角。
联合交点周期和升交点赤经的方程式，求解方程组得到满足太阳同步回归特性的轨道倾角与半长轴，得到轨道高度为560.99km，倾角为97.64°。
(2)确定卫星总数Nsum
根据步骤一载荷数目的确定的轨道高度560.99km，重新计算得到最小通信载荷数目为88.1，最小遥感载荷数目为134.2，确定卫星总数目为135颗。
(3)确定各类载荷的部署方案S1
因此，星座方案S1的构型为Walker星座、卫星数目为135颗、轨道高度为560.99km、倾角为97.64°；所述星座包括9个轨道面，每个轨道面15颗卫星，根据相位关系编号，依次为N1、N2、N3、N4、N5、N6、N7、N8、N9、N10、N11、N12、N13、N14、N15；所述星座的载荷部署方式为：135颗卫星均加装遥感载荷和导航增强载荷；其中每个轨道面选取编号为N1、N2、N4、N5、N7、N8、N10、N11、N13、N14的10颗卫星加装通信载荷。
步骤五：对星座方案S1的各项性能指标进行分析验证
经过分析验证，本发明提供的一种同时具备通信、遥感和导航服务能力的卫星星座的通信性能指标中的覆盖百分比为100％，平均覆盖间隙为0，时间覆盖率为100％，平均覆盖重数为5.6，可实现全球实时通信需求；遥感性能指标中的覆盖百分比为99.26％，重访时间为17小时，仅在南北极区域无法实现全覆盖，可实现全球大部分区域一天覆盖重访一次的要求；导航性能指标平均覆盖重数为5.6，大于覆盖重数为3的要求，星座可用于导航增强。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种适用于通信、导航、遥感一体化应用的卫星星座设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：根据卫星轨道的预定高度h，分别计算满足全球实时通信需求的最小通信载荷数量Na，满足光学载荷提供全球图像信息服务的遥感最小载荷数量Nb，星座的最小卫星数量Nmin取Na和Nb中的最大值；
步骤二：根据通信、遥感载荷的载荷使用约束和覆盖要求选择轨道类型和星座构型，其中轨道类型为太阳同步轨道、倾斜圆轨道、回归轨道、冻结轨道之一，星座构型为Walker-星形星座、Walker-玫瑰星座、Walker-δ星座、Walker-σ星座、Walker-Ω星座之一；
步骤三：根据星座性能中关于通信性能、遥感性能、导航性能的要求，确定星座的轨道参数、卫星数量n(n≥Nmin)及各类载荷的部署方案，选取Nc个卫星部署通信载荷，选取Nd个卫星部署光学载荷，选取Ne个卫星部署导航增强载荷，得到星座方案S1；
步骤四：分析验证星座方案S1的通信性能指标、遥感性能指标和导航增强性能指标，其中通信性能指标包括：覆盖百分比、平均覆盖间隙、时间覆盖率；遥感性能指标包括覆盖百分比、重访时间；导航增强性能指标为覆盖重数。
2.根据权利要求1所述的适用于通信、导航、遥感一体化应用的卫星星座设计方法，其特征在于：所述星座方案S1中的卫星星座的星座类型为Walker星座，所述星座由135颗卫星组成，所述卫星的轨道高度为560.99km，所述卫星的轨道倾角为97.64°，所述星座包括9个轨道面，每个轨道面15颗卫星，每个轨道面中根据相位关系编号，依次将15颗卫星编号为N1、N2、N3、N4、N5、N6、N7、N8、N9、N10、N11、N12、N13、N14、N15；所述星座的载荷部署方式为：15颗卫星均加装遥感载荷和导航增强载荷，其中每个轨道面中编号为N1、N2、N4、N5、N7、N8、N10、N11、N13、N14的10颗卫星加装通信载荷。
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