CN109840360A - 一种卫星临边探测方式下星座最小规模设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星临边探测方式下星座最小规模设计方法，包括如下步骤：步骤A：计算临边探测方式下单星覆盖空域对应的地心角和单星不能覆盖的空白空域对应的地心角，步骤B：计算填补空白空域需要的卫星数量，构成一组无覆盖空白空域的卫星，步骤C：代入地理纬度要求计算这一组卫星覆盖空域对应的地心角，步骤D：对照全球360°全覆盖的要求计算需要的总的卫星数量。采用本发明确定的卫星星座数量，能够适应全球不同地理纬度带不同海拔高度以上空域全覆盖观测需求，确保了星座满足应用要求的同时使用的卫星数量最少，能够显著优化卫星星座方案。

Description

一种卫星临边探测方式下星座最小规模设计方法

技术领域

本发明涉及卫星星座设计领域，还涉及卫星轨道设计领域。

背景技术

随着卫星技术的不断发展，卫星服务于国民经济和国防建设的能力越来越强，各行各业对卫星的任务功能要求也日趋复杂，往往需要多颗卫星组网协同配合实现既定功能。当前大多数卫星均为直接对地探测方式，在装载成像相机或合成孔径雷达等有效载荷时，卫星对地面的可探测区域直观，对于覆盖探测需求设计方法已较为成熟。但是临边探测方式与直接对地探测方式不同，是对关注区域上空空域的探测，使得卫星探测时覆盖区域的计算方法与直接对地探测有所不同，因此，需要改变以往的设计方法，实现卫星星座规模优化设计。

发明内容

本发明针对卫星采用临边探测方式，对全球指定纬度区域的一定高度以上空域进行信息获取的需求，提出了一种确定卫星最小数量规模的设计方法，该方法能够满足某一地理纬度带全覆盖的要求，而且能够应用于任意海拔高度空域的探测任务，通过不同卫星轨道高度的迭代计算，能够得到随卫星轨道高度不同卫星星座最小规模的变化曲线，便于开展卫星星座的优化设计。目前没有发现同本发明类似的技术说明或报道。

本发明具体通过以下方案实现：

一种卫星临边探测方式下星座最小规模设计方法，适用于在任意地理纬度和海拔高度空域要求下的卫星星座最小数量设计，采用多颗卫星视场拼接的方式实现全球一定地理纬度空域的全覆盖，并且对拼接时是否满足地理纬度要求进行了有效性判断，星座内所有卫星的轨道高度一致，且均采用0°倾角轨道，通过代入不同轨道高度值迭代计算得到不同轨道高度下卫星星座最小规模；具体包括如下步骤：

步骤A：计算临边探测方式下单星覆盖空域对应的地心角和单星不能覆盖的空白空域对应的地心角；

步骤B：计算填补空白空域需要的卫星数量，构成一组无覆盖空白空域的卫星；

步骤C：代入地理纬度要求计算这一组卫星覆盖空域对应的地心角；

步骤D：对照全球360°全覆盖的要求计算需要的总的卫星数量。

所述步骤A中通过以下公式计算单星覆盖空域对应的地心角α：

式中，ψ₂为观测空域高度对应的地心角的余角，R为地球半径，h为需要观测的空域高度；

单星未覆盖空域对应的地心角β：

β＝2(α₁-α)。

式中，α₁为单星临边探测可覆盖最高纬度值。

所述步骤B分为两种类型：

类型一：当最高纬度值α₁小于90°，即覆盖不超过极点的情况

采用卫星视场紧密衔接部署方式后，所能够覆盖的地理纬度为gama：

式中，R为地球半径，α₁为单星临边探测可覆盖最高纬度值，α为单星覆盖空域对应的地心角；

若多星视场拼接后能够覆盖的地理纬度gama能够满足需要的覆盖的地理纬度X，即gama>X时，可证明可通过多星拼接满足要求；为了填补单星的未覆盖空域，需要填补的卫星数量L为：L＝[β/α]+1，其中β为单星未覆盖空域对应的地心角；

因此，L颗卫星加上原本的1颗卫星构成无空白空域的卫星组，卫星组的卫星数量M为：M＝L+1＝[β/α]+2；

类型二：当最高纬度值α₁达到90°及以上，即覆盖到极点的情况

卫星能够覆盖的纬度必然满足X的要求，仅需要通过多颗卫星视场拼接将单颗卫星的探测空白区域填补完整，即可满足全球一定地理纬度X的全覆盖要求；因此这种情况下需要的卫星总数量K为：K＝[β/α]+2，其中β为单星未覆盖空域对应的地心角；

至此类型二所需要的所有步骤完成，后续步骤C、步骤D仅针对类型一。

所述步骤C中M颗卫星总共能够覆盖的空域对应的地心角δ为：δ＝2α+β+Lα，其中，α为单星覆盖空域对应的地心角，β为单星未覆盖空域对应的地心角，L为需要填补的卫星数量；

但是，上述覆盖范围的两侧存在部分空域不满足地理纬度X的要求，其对应的地心角ψ需要去除，ψ的计算方法为：

式中，α₁为单星临边探测可覆盖最高纬度值，R为地球半径，X为需要的覆盖的地理纬度。

因此，一个卫星组M颗卫星在一定地理纬度要求下有效覆盖范围对应的地心角为θ，其计算方法为：

θ＝δ-2ψ。

式中，δ为一组M颗卫星总共能够覆盖的空域对应的地心角，ψ为不满足地理纬度要求的空域对应的地心角。

所述步骤D中对于整个地球360°地心角，需要的卫星组数量N为N＝[360/θ]；

由于N为向下取整，因此部署N组卫星后仍然留有一定的空白区域待填补；设这部分空白区域对应的地心角为Δ，那么：

若Δ≤α-ψ,则需要再增加1颗卫星，即卫星总数K为：K＝N×M+1；

若Δ≥α+β-ψ，则需要再增加1组卫星，即卫星总数K为：K＝(N+1)×M；

若α-ψ＜Δ＜α+β-ψ，则需要增加Q颗卫星和卫星总数K为：K＝N×M+Q+1。

本发明具有以下有益效果：

利用本发明所述方法，能够实现满足特定地理纬度带上方特定高度空域全覆盖要求的临边探测卫星星座最小数量规模设计，解决星座设计中数量优化的问题。本发明涉及的方法通过简单数值计算即可实施，不需要借助复杂的仿真工具。

附图说明

图1为临边探测方式覆盖示意图。

图2为本发明中的卫星观测覆盖原理图(南北极剖面视角)。

图3为本发明中的卫星观测覆盖原理图(赤道剖面视角)。

图4为本发明中的两星视场紧密衔接示意图。

图5为本发明中的多颗卫星拼接覆盖空域示意图。

图6为本发明中的一定地理纬度覆盖对应的地心角。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明中涉及的卫星探测方式是临边探测方式，卫星运行轨道倾角为0°。由于卫星对地覆盖能力与探测有效载荷的工作模式有关，本发明涉及的卫星探测载荷是指具备360°环扫探测工作模式的有效载荷，其对地探测示意图如图1所示。

具体设计方法如下：

设卫星运行高度为H，地球半径为R，需要观测的空域高度为h，要求覆盖的地理纬度带为X。各个相关参数如图2～图5所示。

步骤A：计算临边探测方式下单星覆盖空域对应的地心角和单星不能覆盖的空白空域对应的地心角。

单星临边探测可覆盖最高纬度值α₁：

单星覆盖空域对应的地心角α：

单星未覆盖空域对应的地心角β：

β＝2(α₁-α)

步骤B：计算填补空白空域需要的卫星数量，构成一组无覆盖空白空域的卫星。

类型一：当最高纬度值α₁小于90°，即覆盖不超过极点的情况

为填补单星未覆盖空域，需要多颗卫星视场紧密衔接填补未覆盖空域。由于视场是弧形，最高可覆盖地理纬度为视场交点。采用卫星视场紧密衔接部署方式后，所能够覆盖的地理纬度为gama：

若多星视场拼接后能够覆盖的地理纬度gama能够满足需要的覆盖的地理纬度X，即gama>X时，可证明可通过多星拼接满足要求。为了填补单星的未覆盖空域，需要填补的卫星数量L为：

L＝[β/α]+1

因此，L颗卫星加上原本的1颗卫星构成无空白空域的卫星组，卫星组的卫星数量M为：

M＝L+1＝[β/α]+2

类型二：当最高纬度值α₁达到90°及以上，即覆盖到极点的情况

卫星能够覆盖的纬度必然满足X的要求，仅需要通过多颗卫星视场拼接将单颗卫星的探测空白区域填补完整，即可满足全球一定地理纬度X的全覆盖要求。因此这种情况下需要的卫星总数量K为：

K＝[β/α]+2

至此类型二所需要的所有步骤完成，后续步骤C、步骤D仅针对类型一。

步骤C：代入地理纬度要求计算这一组卫星覆盖空域对应的地心角。

那么，M颗卫星总共能够覆盖的空域对应的地心角δ为：

δ＝2α+β+Lα

但是，上述覆盖范围的两侧存在部分空域不满足地理纬度X的要求，其对应的地心角ψ需要去除，ψ的计算方法为：

因此，一个卫星组M颗卫星在一定地理纬度要求下有效覆盖范围对应的地心角为θ

θ＝δ-2ψ

步骤D：对照全球360°全覆盖的要求计算需要的总的卫星数量。

对于整个地球360°地心角，需要的卫星组数量N为N＝[360/θ]

由于N为向下取整，因此部署N组卫星后仍然留有一定的空白区域待填补。设这部分空白区域对应的地心角为Δ，那么：

若Δ≤α-ψ,则需要再增加1颗卫星，即卫星总数K为：

K＝N×M+1

若Δ≥α+β-ψ，则需要再增加1组卫星，即卫星总数K为：

K＝(N+1)×M

若α-ψ＜Δ＜α+β-ψ，则需要增加Q颗卫星和卫星总数K为：

K＝N×M+Q+1。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种卫星临边探测方式下星座最小规模设计方法，其特征在于：采用多颗卫星视场拼接的方式实现全球一定地理纬度空域的全覆盖，并且对拼接时是否满足地理纬度要求进行了有效性判断；星座内所有卫星的轨道高度一致，且均采用0°倾角轨道，通过代入不同轨道高度值迭代计算得到不同轨道高度下卫星星座最小规模。

2.如权利要求1所述的一种卫星临边探测方式下星座最小规模设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤A：计算临边探测方式下单星覆盖空域对应的地心角和单星不能覆盖的空白空域对应的地心角；

步骤B：计算填补空白空域需要的卫星数量，构成一组无覆盖空白空域的卫星；

步骤C：代入地理纬度要求计算这一组卫星覆盖空域对应的地心角；

步骤D：对照全球360°全覆盖的要求计算需要的总的卫星数量。

3.如权利要求1所述的一种卫星临边探测方式下星座最小规模设计方法，其特征在于，所述步骤A中通过以下公式计算单星覆盖空域对应的地心角α：

式中，ψ₂为观测空域高度对应的地心角的余角，R为地球半径，h为需要观测的空域高度；

单星未覆盖空域对应的地心角β：

β＝2(α₁-α)；

式中，α₁为单星临边探测可覆盖最高纬度值。

4.如权利要求1所述的一种卫星临边探测方式下星座最小规模设计方法，其特征在于，所述步骤B分为两种类型：

类型一：当最高纬度值α₁小于90°，即覆盖不超过极点的情况

采用卫星视场紧密衔接部署方式后，所能够覆盖的地理纬度为gama：

式中，R为地球半径，α₁为单星临边探测可覆盖最高纬度值，α为单星覆盖空域对应的地心角；

若多星视场拼接后能够覆盖的地理纬度gama能够满足需要的覆盖的地理纬度X，即gama>X时，可证明可通过多星拼接满足要求；为了填补单星的未覆盖空域，需要填补的卫星数量L为：L＝[β/α]+1，其中β为单星未覆盖空域对应的地心角；

因此，L颗卫星加上原本的1颗卫星构成无空白空域的卫星组，卫星组的卫星数量M为：M＝L+1＝[β/α]+2；

类型二：当最高纬度值α₁达到90°及以上，即覆盖到极点的情况

卫星能够覆盖的纬度必然满足X的要求，仅需要通过多颗卫星视场拼接将单颗卫星的探测空白区域填补完整，即可满足全球一定地理纬度X的全覆盖要求；因此这种情况下需要的卫星总数量K为：K＝[β/α]+2，其中β为单星未覆盖空域对应的地心角；

至此类型二所需要的所有步骤完成，后续步骤C、步骤D仅针对类型一。

5.如权利要求1所述的一种卫星临边探测方式下星座最小规模设计方法，其特征在于，所述步骤C中M颗卫星总共能够覆盖的空域对应的地心角δ为：δ＝2α+β+Lα，其中，α为单星覆盖空域对应的地心角，β为单星未覆盖空域对应的地心角，L为需要填补的卫星数量；

但是，上述覆盖范围的两侧存在部分空域不满足地理纬度X的要求，其对应的地心角ψ需要去除，ψ的计算方法为：

式中，α₁为单星临边探测可覆盖最高纬度值，R为地球半径，X为需要的覆盖的地理纬度；

因此，一个卫星组M颗卫星在一定地理纬度要求下有效覆盖范围对应的地心角为θ，其计算方法为：

θ＝δ-2ψ；

式中，δ为一组M颗卫星总共能够覆盖的空域对应的地心角，ψ为不满足地理纬度要求的空域对应的地心角。

6.如权利要求1所述的一种卫星临边探测方式下星座最小规模设计方法，其特征在于，所述步骤D中对于整个地球360°地心角，需要的卫星组数量N为N＝[360/θ]；

由于N为向下取整，因此部署N组卫星后仍然留有一定的空白区域待填补；设这部分空白区域对应的地心角为Δ，那么：

若Δ≤α-ψ,则需要再增加1颗卫星，即卫星总数K为：K＝N×M+1；

若Δ≥α+β-ψ，则需要再增加1组卫星，即卫星总数K为：K＝(N+1)×M；

若α-ψ＜Δ＜α+β-ψ，则需要增加Q颗卫星和卫星总数K为：K＝N×M+Q+1。