CN109918759A - 一种评估星座设计的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种评估星座设计的方法,包括:提供星座性能指标;提供目标函数,其中所述目标函数包括对所述星座性能指标进行加权;选择至少两个星座;以及根据所述目标函数评估所述至少两个星座。通过本发明,可以高效、可靠且精确地评估星座设计,由此确定星座设计中的较优者,为星座系统的前期方案论证提供参考。

Description

一种评估星座设计的方法
技术领域
本发明总的来说涉及轨道设计领域中的星座构型设计技术领域,具体而言,涉及星座性能指标的定义及其对星座构型设计的影响,更具体而言,涉及一种评估星座设计的方法。
背景技术
星座构型设计是轨道设计领域中长期研究的问题,其是指,针对具体的任务需求,给出最优的星座构型。
最优星座构型的选择不可避免地涉及星座构型设计的评判准则,但是仅一个卫星星座,性能指标就可能高达几十甚至上百个,在这种指标繁杂的情况下如何进行星座设计的优劣判断,需要很强的专业知识以及相关的工程经验,并充分理解星座构型的应用需求。
因此,需要一种高效、可靠且精确地评估星座设计的方法。
发明内容
本发明的任务是,提供一种评估星座设计的方法,通过该方法,可以高效、可靠且精确地评估星座设计,由此确定星座设计中的较优者,为星座系统的前期方案论证提供参考。
根据本发明,该任务通过一种评估星座设计的方法来解决,该方法包括:
提供星座性能指标;
提供目标函数,其中所述目标函数包括对所述星座性能指标进行加权;
选择至少两个星座;以及
根据所述目标函数评估所述至少两个星座。
在本发明的一个优选方案中规定,所述星座性能指标包括下列各项中的两个或更多个:
覆盖时间T,其表征将某一区域目标或点目标集合全部覆盖或N%覆盖所用的时间;
覆盖空间百分比PecS,其表征任一采样时刻被卫星覆盖的区域占整个被分析区域的百分比;
平均覆盖重数N_A,其表征任一采样时刻对某一观测目标或网格点同时可见的卫星数目;
平均可通信时长Du_A,其表征某一观测目标或网格点单次可见的平均可通信时长;
覆盖时间百分比PecT,其表征某一观测目标或网格点被一颗或多颗卫星覆盖的时间百分比;
最大覆盖间隙RevTMax,其表征两次覆盖之间的最长时间间隙;
平均覆盖间隙RevT_A,其表征网格点覆盖中断时间的平均长度;
重访时间达标率PecRev,其表征网格点在仿真周期内重访时间达到某一门限的百分比;
平均响应时间MRT,其表征网格点距离本次覆盖间隙结束的时间的平均值;
响应时间达标率PecRT,其表征网格点在仿真周期内响应时间达到某一门限的百分比;
最大通信时延SYMax,其表征自用户终端与星座可通信时刻到下次星座与地面通信网络系统可通信时刻的最长时间长度;
平均通信时延SY_A,其表征自用户终端与星座可通信时刻到下次星座与地面通信网络系统可通信时刻的平均时间长度;
通信时延达标率PecSY,其表征网格点在仿真周期内通信时延达到某一门限的百分比;以及
时间平均间隙TAG,其表征按时间采样求取覆盖间隙的平均值。
通过该优选方案,可以考虑到星座构型的各种参数,由此能够更全面地评判候选构型。
在本发明的另一优选方案中规定,
对于区域目标或点目标集合,目标函数为:
和/或
对于网格点目标,目标函数为:
其中带下角标的系数α,β为星座性能指标的加权系数,它们均为非负值,且为0至1之间的数值,总和为1;带下角标limit的性能指标为用户给定的限制标准值。
通过该优选方案,可以针对区域目标和点目标给出不同的评判准则公式,从而更精准地进行评判。
在本发明的一个扩展方案中规定,该方法还包括:
引入设计约束;以及
根据所述设计约束计算星座性能指标。
通过添加约束条件,能够考虑到更多实际因素或要求,使得评判结果更符合实际需要。
在本发明的另一扩展方案中规定,所述设计约束包括下列各项中的一个或多个:
(1)卫星约束:轨道高度800km,太阳同步轨道;
(2)可通信时间地面处于阴影区;
(3)可通信时长:大于60s;
(4)地面站约束:仰角15°;
(5)44个地面站:作为星座服务对象的地面点目标集合;以及
(6)载荷视场约束:卫星飞行方向±70°,垂直于飞行方向±60°。
通过该优选方案,可以将多种约束条件考虑到构型评判中,由此实现更好的构型选择。在此应当指出,在本发明的教导下,其它约束条件也是可设想的。
在本发明的又一扩展方案中规定,所述至少两个星座包括Walker星座。由于Walker星座的均匀特性,因此通过该扩展方案,可以使得所选择星座构型具有尽量均匀的全球覆盖。
在本发明的一个优选方案中规定,该方法还包括:
利用空间几何确定星座设计的迭代初值。
通过该优选方案,可以显著减小计算量并优化最终选择结果。在本发明的教导下,其它提供迭代初值的算法也是可设想的。
在本发明的一个扩展方案中规定,所述星座为低轨卫星星座。通过该扩展方案,可以选择具有诸如高覆盖性能之类的较优特性的低轨卫星星座,从而优化低轨卫星星座的构型。
附图说明
下面结合附图参考具体实施例来进一步阐述本发明。
图1示出了根据本发明的评估星座设计的方法的流程;
图2示出了44个地面站的星下点覆盖;
图3示出了44个地面站的平均覆盖间隙分布-0523~0720;
图4示出了44个地面站的平均响应时间分布-0523~0720;
图5示出了37个地面站平均通信时延与纬度的关系-0619~0624;
图6示出了37个地面站平均通信时延与经纬度的关系-0619~0624;
图7示出了44个地面站的平均覆盖间隙分布-0823~1020;
图8示出了44个地面站的平均响应时间分布-0823~1020;
图9示出了37个地面站平均通信时延与纬度的关系-0919~0924;
图10示出了37个地面站平均通信时延与经纬度的关系-0919~0924;
图11示出了44个地面站的平均覆盖间隙分布-1023~次年0120;
图12示出了44个地面站的平均响应时间分布-1023~次年0120;
图13示出了37个地面站平均通信时延与纬度的关系-1219~1224;以及
图14示出了37个地面站平均通信时延与经纬度的关系-1219~1224。
具体实施方式
应当指出,各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出,而不一定是比例正确的。在各附图中,给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。
在本发明中,各实施例仅仅旨在说明本发明的方案,而不应被理解为限制性的。
在本发明中,除非特别指出,量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。
在此还应当指出,在本发明的实施例中,为清楚、简单起见,可能示出了仅仅一部分部件或组件,但是本领域的普通技术人员能够理解,在本发明的教导下,可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。
在此还应当指出,在本发明的范围内,“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等,而是允许一定的合理误差,也就是说,所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。
另外,本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出,各方法步骤可以以不同顺序执行。
图1示出了根据本发明的评估星座设计的方法100的流程,其中虚线框表示可选步骤。
在步骤102,提供星座性能指标。
在可选步骤104,引入设计约束,并且根据所述设计约束计算星座性能指标。
在步骤106,提供目标函数,其中所述目标函数包括对所述星座性能指标进行加权。
在步骤108,选择至少两个星座。
在可选步骤110,利用空间几何确定星座设计的迭代初值。
在步骤112,根据所述目标函数评估所述至少两个星座。
本发明所基于的思想是,基于星座构型设计的需求分析,得到星座构型设计评判准则公式中多个(如13个)参数的加权方案,给出星座构型选择的依据。
具体而言,本发明采用如下的技术方案:
首先,给出13个星座性能指标的具体定义,并初步分析应用领域。
其次,针对区域性目标以及网格点目标,给出单一的目标函数。
最后,根据单一的目标函数,针对具体的任务需求选定至少两类星座,做构型比较。
进一步的,本技术方案的具体实现步骤介绍如下:
步骤1,给出13个星座性能指标的具体定义,并初步分析应用领域。
覆盖时间T
覆盖时间即将某一区域目标或点目标集合全部覆盖或N%覆盖所用的时间,仅对区域目标或点目标集合有效。此指标越小越好。
此指标为覆盖性指标,适用于对地观测、通信、导航、气象卫星星座设计。
覆盖空间百分比PecS
覆盖空间百分比即任一采样时刻被卫星覆盖的区域占整个被分析区域的百分比,在做星座设计时,应该取所有采样时刻的平均值PecS_A,仅对区域目标或点目标集合有效。此指标越大越好。
此指标为覆盖性指标,适用于对地观测、通信、导航、气象卫星星座设计。
平均覆盖重数N_A
覆盖重数即任一采样时刻对某一观测目标或网格点同时可见的卫星数目,在做星座设计时,应取所有采样时刻的平均值N_A,若对于区域目标或点目标集合,则计算所有网格点的平均值N_AA。
此指标为覆盖性指标,适用于对地观测、通信、导航、气象卫星星座设计。此指标越大越好。
平均可通信时长Du_A
平均可通信时长Du_A即某一观测目标或网格点单次可见的平均可通信时长,若对于区域目标或点目标集合,则计算所有网格点的平均值Du_AA。
此指标为覆盖性指标,也是计算时延的通信指标,适用于对地观测、通信、导航、气象卫星星座设计。此指标越大越好。
覆盖时间百分比PecT
某一观测目标或网格点被一颗或多颗卫星覆盖的时间百分比,即被一颗或多颗卫星覆盖的次数(次数以一个采样时刻为一次)除以仿真时间内采样时刻的总个数,若对于区域目标或点目标集合,则需要统计所有网格点的平均值PecT_A。
此指标为覆盖性指标,适用于对地观测、通信、导航、气象卫星星座设计。此指标越大越好。
最大覆盖间隙RevTMax
覆盖间隙即两次覆盖的时间间隙,也称重访时间,最大覆盖间隙RevTMax(MaximumCoverage Gap)即网格点的最长覆盖间隙,简称最大间隙,等于最长响应时间(MaximumResponse Time)。若对于区域目标或点目标集合,则计算所有网格点的平均值RevTMax_A。
这个覆盖性能指标只能给出星座对地面覆盖的最恶劣情况,对星座的整体覆盖性能的评估并非好的指标。此指标越小越好。
此指标为计算时延的通信指标,适用于通信卫星星座设计。
平均覆盖间隙RevT_A
平均覆盖间隙RevT_A(Mean Coverage Gap)简称平均间隙,即网格点覆盖中断时间的平均长度,即总的间隙长度除以间隙个数。若对于区域目标或点目标集合,则计算所有网格点的平均值RevT_AA。
其表达式为
此指标为计算时延的通信指标,适用于通信卫星星座设计。此指标越小越好。
重访时间达标率PecRev
重访时间达标率PecRev即网格点在仿真周期内重访时间达到某一门限的百分比。若对于区域目标或点目标集合,则计算所有网格点的平均值PecRev_A。
此指标为计算时延的通信指标,适用于通信卫星星座设计。此指标越大越好。
平均响应时间MRT
响应时间为网格点距离本次覆盖间隙结束(即下次覆盖开始)的时间,平均响应时间MRT(Mean Response Time)即对此网格点的响应时间的平均值。若对于区域目标或点目标集合,则计算所有网格点的平均值MRT_A。
当采样点足够多时,有平均响应时间与时间平均间隙的关系为
由于统计时采样时刻点一般会较多,考虑到上述关系,因此后续做星座覆盖性能指标统计公式时不再考虑“时间平均间隙”指标。
这一覆盖性能指标既考虑了覆盖的统计特性,又考虑了间隙的统计特性,因此很全面的反映了整个系统的性能,是评价响应性最好的覆盖性能指标。此覆盖性能指标对处理通信时延(包括数据的请求和接收时延)非常方便,可以将通信时延直接加到覆盖响应时间中,得到总的响应时间,它表示自用户请求数据到用户接收到该数据的总时间。
此指标为计算时延的通信指标,适用于通信卫星星座设计。此指标越小越好。
响应时间达标率PecRT
响应时间达标率PecRT即网格点在仿真周期内响应时间达到某一门限的百分比。若对于区域目标或点目标集合,则计算所有网格点的平均值PecRT_A。
此指标为计算时延的通信指标,适用于通信卫星星座设计。此指标越大越好。
最大通信时延SYMax
最大通信时延SYMax即自用户终端(或网格点,不构成网络)与星座可通信时刻到下次星座与地面通信网络系统可通信时刻的最长时间长度。若对于区域终端,则计算所有终端或网格点的平均值SYMax_A。
此指标为计算时延的通信指标,适用于通信卫星星座设计。此指标越小越好。
平均通信时延SY_A
平均通信时延SY_A即自用户终端(或网格点,不构成网络)与星座可通信时刻到下次星座与地面通信网络系统可通信时刻的平均时间长度。若对于区域终端,则计算所有终端或网格点的平均值SY_AA。
此指标为计算时延的通信指标,适用于通信卫星星座设计。此指标越小越好。
通信时延达标率PecSY
通信时延达标率PecSY即网格点在仿真周期内通信时延达到某一门限的百分比。若对于区域终端,则计算所有终端或网格点的平均值PecSY_A。
此指标为计算时延的通信指标,适用于通信卫星星座设计。此指标越大越好。
时间平均间隙TAG
时间平均间隙(Time Average Gap)即按时间采样求取覆盖间隙的平均值,其表达式为
此指标为计算时延的通信指标,适用于通信卫星星座设计。此指标越小越好。
步骤2,针对区域性目标以及网格点目标,给出单一的目标函数。
根据上述的13个星座性能参数,可以给出星座性能优劣的评判准则公式,具体介绍如下。
对于区域目标或点目标集合,星座性能指标可通过下式综合表示:
对于网格点目标,星座性能指标可通过下式综合表示:
其中带下角标的系数α,β为星座性能指标的加权系数,均为非负值,其总和为0或1。带下角标limit的性能指标为用户给定的限制标准值。星座设计要求CRegion,Cpoint越小越好。
需要说明的是,在星座设计过程中,星座性能指标统计公式可以假设星座中的卫星是独立的(Separate),也可以设置是一个组(Grouped),需要根据实际星座是否有星间通信、地面点目标或区域目标能否同时与多颗卫星的星上载荷实施任务来确定。
步骤3,根据单一的目标函数,针对具体的任务需求选定至少两类星座,做构型比较。
由于绝大部分星座设计的目的都是针对具体的地面区域目标或者点目标集合,本专利选择更具有代表性的点目标集合作为星座的服务对象,选择两类星座,针对区域目标或者点目标的星座性能优劣的评判准则公式,给出两类星座的构型优劣性结论。
下面结合具体实施例来进一步阐述本发明。
一、星座设计约束
本专利针对我国已经发射的量子通信卫星(墨子号)的后续应用需求,开展低轨卫星星座设计。具体的约束条件有:
(1)卫星约束:轨道高度800km(对应半长轴7178.137),太阳同步轨道
(2)可通信时间:地面处于阴影区
(3)可通信时长:大于60s
(4)地面站约束:仰角15°
(5)44个地面站:即本专利作为星座服务对象的地面点目标集合,具体参见表1以及图1
(6)载荷视场约束:Rectangular,Vertical:60°Horizontal:70°,即卫星飞行方向±70°,垂直于飞行方向±60°。
表1量子通信地面站信息表
上述表格一共给出44个地面站,包含37个境外站,7个境内站(北京、上海、喀什、三亚、广州、成都、中卫)。
二、确定两类星座
首先,介绍星座设计过程中Walker星座的基本概念。星座参考码为T/P/F,其中T为星座中卫星总个数,P为轨道面数,F是用来确定相邻轨道面卫星相对相位的因子(F=0,1,2,3,…,P-1),相邻轨道面卫星的相位相差为F个星座基本单位PU(Pattern Unit),PU=360°/T。
其次,给出两类星座构型作为检验星座优劣评判准则的输入:
(1)第一类星座-星座A
3个轨道面,每个轨道面4颗卫星,轨道面间隔45度(即降交点地方时间隔3小时),最左边的轨道面(种子卫星轨道面)降交点地方时为9:00。
按照Walker星座的设计原则,降交点地方时9:00(种子星,135度均分,135/3=45)、12:00、15:00;T=12、P=3、F=2。
(2)第二类星座-星座B
4个轨道面,每个轨道面3颗卫星,轨道面间隔30度(即降交点地方时间隔2小时),最左边的轨道面(种子卫星轨道面)降交点地方时为9:00。
按照Walker星座的设计原则,降交点地方时9:00(种子星,120度均分,120/4=30)、11:00、13:00、15:00;T=12、P=4、F=2。
三、输入输出要求
(1)输入要求
1)重访时间门限值:30min
2)通信时延门限值:90min
3)响应时间门限值:90min
4)指标限制标准值以及CRegion中用到的星座性能指标的加权系数,参见表2。
(2)输出要求
点目标几何星座性能优劣评价指标结果CRegion,通过此指标判断两类星座优劣。
四、具体仿真结果
根据上文的输入要求,分别仿真计算两类星座的13个性能参数值,再进行统计仿真,得到仿真结果,比较星座的优劣。其中:
(1)覆盖时间T需要根据经验值选择较长的仿真时间段首先计算;
(2)“平均最大通信时延SYMax_A”、“平均平均通信时延SY_AA”、“平均通信时延达标率PecSY_AA”三个时延指标的计算量较大,需要根据覆盖时间T来确定,本专利按照2T的仿真时间计算;
(3)其它8个性能指标考虑地球绕太阳运行的周期为一年,同时考虑轨道的回归特性,选择一年中夏、秋、冬三个时间段的一个回归周期内的做仿真。
具体输出的计算结果如表2所示。
说明:表2中的标“*”的序号11、12、13三项与时延相关的指标,按照5天(约2T)时间计算,其余指标按照表头中列的时间区间(2个回归周期)计算。
由表2可见:
(1)比较13个星座性能指标中的每一个,除“平均重访时间达标率”(夏秋冬)、覆盖时间(冬季时段)、平均覆盖空间百分比(夏季时段)、平均平均可通信时长(冬季时段)、平均覆盖时间百分比(夏季时段)5个(占比5/13)指标外,星座A的都优于星座B;
(2)比较13个星座性能指标加权统计后的相对性能指标统计值CRegion,星座A的统计值CRegion在夏季和秋季时段都小于星座B,只有冬季时段大于A(占比25%,秋季和春季情况相似),同样可以得出星座A的性能优于星座B的结论。
需要说明的是:
(1)“覆盖时间T”的计算并非是单纯的对地面站简单覆盖,若有覆盖时间重复的地面站被覆盖,需要考虑星上载荷的切站时间2min以及载荷稳定时间1min;
(2)本专利仿真的示例为单重覆盖,导致“平均平均覆盖重数N_AA”与“平均覆盖时间百分比PecT_A”结果相近,但并不代表这两个指标冗余,因为我们选择的星座性能指标是具有普适性的指标,对于多重覆盖,这两个指标完全是独立的,代表了星座的不同覆盖特性。“平均平均覆盖重数N_AA”更注重覆盖的重复性,“平均覆盖时间百分比PecT_A”更倾向覆盖的时间均匀性。
可见,对于用户来说,只要告知设计者关注哪些指标,对这些指标关注度的权重比例,即可以判定星座优劣,当然,还可以根据优化算法计算出来的星座构型,用此评判准则公式选择更适合应用需求的星座构型。
虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述,但是本领域技术人员能够理解,这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员在本发明的教导下可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范围,并藉此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。

Claims (8)

1.一种评估星座设计的方法,包括:
提供星座性能指标;
提供目标函数,其中所述目标函数包括对所述星座性能指标进行加权;
选择至少两个星座;以及
根据所述目标函数评估所述至少两个星座。
2.根据权利要求1所述的方法,其中所述星座性能指标包括下列各项中的两个或更多个:
覆盖时间T,其表征将某一区域目标或点目标集合全部覆盖或N%覆盖所用的时间;
覆盖空间百分比PecS,其表征任一采样时刻被卫星覆盖的区域占整个被分析区域的百分比;
平均覆盖重数N_A,其表征任一采样时刻对某一观测目标或网格点同时可见的卫星数目;
平均可通信时长Du_A,其表征某一观测目标或网格点单次可见的平均可通信时长;
覆盖时间百分比PecT,其表征某一观测目标或网格点被一颗或多颗卫星覆盖的时间百分比;
最大覆盖间隙RevTMax,其表征两次覆盖之间的最长时间间隙;
平均覆盖间隙RevT_A,其表征网格点覆盖中断时间的平均长度;
重访时间达标率PecRev,其表征网格点在仿真周期内重访时间达到某一门限的百分比;
平均响应时间MRT,其表征网格点距离本次覆盖间隙结束的时间的平均值;
响应时间达标率PecRT,其表征网格点在仿真周期内响应时间达到某一门限的百分比;
最大通信时延SYMax,其表征自用户终端与星座可通信时刻到下次星座与地面通信网络系统可通信时刻的最长时间长度;
平均通信时延SY_A,其表征自用户终端与星座可通信时刻到下次星座与地面通信网络系统可通信时刻的平均时间长度;
通信时延达标率PecSY,其表征网格点在仿真周期内通信时延达到某一门限的百分比;以及
时间平均间隙TAG,其表征按时间采样求取覆盖间隙的平均值。
3.根据权利要求2所述的方法,其中:
对于区域目标或点目标集合,目标函数为:
和/或
对于网格点目标,目标函数为:
其中带下角标的系数α,β为星座性能指标的加权系数,它们均为非负值,且其为0至1之间的数值,总和为1;带下角标limit的性能指标为用户给定的限制标准值。
4.根据权利要求1所述的方法,还包括:
引入设计约束;以及
根据所述设计约束计算星座性能指标。
5.根据权利要求4所述的方法,其中所述设计约束包括下列各项中的一个或多个:
(1)卫星约束:轨道高度800km,太阳同步轨道;
(2)可通信时间:地面处于阴影区;
(3)可通信时长:大于60s;
(4)地面站约束:仰角15°;
(5)44个地面站:作为星座服务对象的地面点目标集合;以及
(6)载荷视场约束:卫星飞行方向±70°,垂直于飞行方向±60°。
6.根据权利要求1所述的方法,其中所述至少两个星座包括Walker星座。
7.根据权利要求1所述的方法,还包括:
利用空间几何确定星座设计的迭代初值。
8.根据权利要求1所述的方法,其中所述星座为低轨卫星星座。
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