CN109918761A - 一种分析星座的覆盖性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分析星座的覆盖性能的方法，包括下列步骤：提供星座的覆盖性能指标的分类和定义；利用Matlab调用STK以便根据所述定义为各分类的覆盖性能指标生成数据；与用户交互以接收用户输入；以及根据所述用户输入和所生成的数据计算覆盖性能。通过本发明，可在星座任务设计前期进行多个星座构型覆盖性能计算分析，并针对用户需求，提出多种不同的星座构型建议，并可利用Matlab调用STK的方式快速计算出相应的覆盖性能指标。

Description

一种分析星座的覆盖性能的方法

技术领域

本发明总体而言涉及轨道设计专业中星座构型对地面的覆盖性能分析技术领域，具体而言，涉及到星座构型设计的理论分析、仿真技巧、步骤、合理性等相关技术，更具体而言，涉及一种分析星座的覆盖性能的方法。

背景技术

在卫星应用早期，主要通过单颗卫星来完成相应任务。卫星是依靠地球万有引力提供向心力飞行的航天器，它始终以一定速度绕地球飞行，因此，除个别特殊情况(如地球静止轨道卫星)外，卫星是不能够固定在地球某点的上空的，因此其覆盖区域总是随着时间的变化而不断变化，而且这种变化的规律严格受轨道根数(例如轨道高度和轨道倾角)的制约。因此，在大多数情况下，单靠一颗卫星难以实现全球或特定区域的不间断通信、侦察、探测目的。解决问题的一个最直接的方法就是利用多颗卫星协同工作，共同完成同一任务，这些卫星的运动在时间和空间上遵循一定的规律，使得对目标区域的覆盖能够实现补充和衔接，保证目标区域能够以任务要求的时间间隔和覆盖重数被卫星覆盖。这就是卫星星座。

由于星座中卫星数目众多，成本昂贵，建设周期长，运行管理复杂，因此在星座设计前期必须综合考虑各种影响因素，以便在满足用户需求的情况下尽可能减少经济成本。这就需要在前期对可能的星座构型进行覆盖分析，给出用户所关注的性能指标，再结合星座构型的特点，选出经济成本最优的星座。但是，星座覆盖计算耗时较长，单靠STK计算需要手动去调节各种参数，容易出错，而后再对数据进行处理所需时间更长。

Matlab是当前科学计算和工程应用领域最先进的数学计算和仿真分析软件，它提供的许多分析研究模块和高级数学计算功能能够显著增强STK的分析计算能力，从而大大扩展STK的应用领域。因此，为了能够充分利用Matlab的强大数学计算功能，STK软件专门针对Matlab软件开发了Matlab软件的连接模块，从而支持与Matlab的联合计算和仿真分析应用。这种核心的支持能力，体现在STK提供了超过200多个Matlab格式化的命令，使得Matlab用户就像使用Matlab自身附带的工具包一样来使用STK进行宇航空间领域的仿真分析与数学计算。

因此，如何利用Matlab来分析星座的覆盖性能，是目前需要解决的一个问题。

发明内容

本发明的任务是，提供一种分析星座的覆盖性能的方法，通过该方法，可在星座任务设计前期进行多个星座构型覆盖性能计算分析，并针对用户需求，提出多种不同的星座构型建议，并可利用Matlab调用STK的方式快速计算出相应的覆盖性能指标。

根据本发明，一种分析星座的覆盖性能的方法来解决，该方法包括下列步骤：

提供星座的覆盖性能指标的分类和定义；

利用Matlab调用STK以便根据所述定义为各分类的覆盖性能指标生成数据；

与用户交互以接收用户输入；以及

根据所述用户输入和所生成的数据计算覆盖性能。

在本发明的一个优选方案中规定，所述性能指标包括下列各项中的一个或多个：

覆盖百分比，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；

覆盖重数，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；

可通信时长，其表征某一观测目标或网格点单次可见的可通信时长；

重访时间，其表征当前时刻的覆盖间隙；

响应时间，其表征网格点距离本次覆盖间隙结束的时间；

通信时延，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时间长度；以及

GDOP，其表征用户和可见卫星在空间几何分布的好坏。

通过该优选方案，可以考虑到与星座覆盖性能的各种参数，由此能够更精确地计算星座覆盖性能。

在本发明的另一优选方案中规定，利用Matlab调用STK以便根据所述定义为各分类的性能指标生成数据包括：

提供用于计算相应覆盖性能指标的函数；以及

调用所述函数以执行所述计算。

通过该优选方案，可以通过调用各种函数来计算相应指标，从而提高精确度和效率。

在本发明的又一优选方案中规定，与用户交互以接收用户输入包括：

利用Matlab的图形界面与用户交互；以及

从所述Matlab的图形界面的相应域接收用户输入。

通过该优选方案，可以直观地接收用户输入。例如，用户可以向用户系统的相应框中输入参数值。

在本发明的另一优选方案中规定，与用户交互以接收用户输入包括：

通过Matlab的图形界面批量导入星座参数。

可以高效地接收用户输入。例如，可以向应用程序中导入Excel数据表格，从而批量地录入各种参数。

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分析星座的覆盖性能的方法的流程。

图2示出了用于分析星座覆盖性能的图形界面的示意图；

图3示出了用于分析星座通信时延的图形界面的示意图；

图4示出了星座覆盖性能计算的输入和输出；

图5示出了星座通信时延计算的输入和输出；

图6示出了设置覆盖计算时间的窗口；

图7示出了星座相关参数输入；

图8示出了覆盖区域输入；

图9示出了载荷参数输入；

图10示出了地面站参数输入；

图11示出了覆盖指标门限值设定；

图12示出了覆盖指标计算内容；

图13示出了覆盖性能计算输出详表；以及

图14示出了两类地面站的参数输入。

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，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。

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。

本发明利用STK强大的星座覆盖性能计算能力，再结合Matlab数据处理的优势，采用Matlab调用STK的方式进行星座覆盖性能计算，用户可根据任务需求自定义星座的个数、覆盖指标，适用于任务前期需要进行多个星座的覆盖仿真分析。

图1示出了根据本发明的分析星座的覆盖性能的方法100的流程。

在步骤102，提供星座的覆盖性能指标的分类和定义。所述性能指标例如可以包括：覆盖百分比，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；覆盖重数，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；可通信时长，其表征某一观测目标或网格点单次可见的可通信时长；重访时间，其表征当前时刻的覆盖间隙；响应时间，其表征网格点距离本次覆盖间隙结束的时间；通信时延，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时间长度；和/或GDOP，其表征用户和可见卫星在空间几何分布的好坏。

在步骤104，利用Matlab调用STK以便根据所述定义为各分类的覆盖性能指标生成数据。例如，可以调用专用函数或子函数来为各分类的覆盖性能指标分别生成相应数据。

在步骤106，与用户交互以接收用户输入。例如可以通过用户界面来输入或导入用户数据。

在步骤108，根据所述用户输入和所生成的数据计算覆盖性能。

下面详细阐述计算覆盖性能的具体过程。

步骤1，给出典型星座性能指标的分类及具体定义

随着越来越多应用星座的提出和应用，星座规模越来越大，星座的构型也越来越复杂，需要同时考虑的星座的各种复杂性能指标也越来越多，尤其是星座构型与系统的各种性能之间的关系。同时，对于不同的任务，考虑指标的侧重点也不一样，结果也有所不同。结合工程实际，给出用户关注较多的星座性能分类如下表。

表1星座覆盖性能种类

星座性能	参数
		覆盖百分比	覆盖时间、覆盖空间百分比、覆盖时间百分比
覆盖重数	最大覆盖重数、最小覆盖重数、平均覆盖重数
		可通信时长	最大可通信时长、最小可通信时长、平均可通信时长
重访时间	最大覆盖间隙、最小覆盖间隙、平均覆盖间隙、重访时间达标率
		响应时间	最大响应时间、最小响应时间、平均响应时间、响应时间达标率
通信时延	最大通信时延、最小通信时延、平均通信时延、通信时延达标率
		GDOP	卫星导航几何因子

上述覆盖性能含义以及计算方法如下表。

表2星座覆盖性能含义及计算方法

步骤2，对各类性能指标利用Matlab调用STK进行数据生成

由于STK为Matlab提供的连接支持代码具有固定格式，一般为“string”型语句，而Matlab一般以实数的形式进行数据交换，这对星座参数的输入和覆盖指标结果的输出非常不便。因此，这里将STK为Matlab提供的代码以子函数的形式进行封装，输入输出简单明了，操作简单。下表给出星座覆盖计算中常用Matlab调用STK的封装函数。

表3星座覆盖计算常用Matlab调用STK函数

为了方便用户调用，针对每一种覆盖性能指标，编写子函数进行计算。针对表1的覆盖性能种类，一共给出32个覆盖计算子函数供用户选择，如下表。

表4星座各类覆盖性能计算函数

通过调用上表函数，用户可以根据任务需求同时进行各种覆盖性能计算，免去了手动设置STK导出数据再进行数据处理的繁杂流程。

步骤3，利用Matlab图形界面功能GUI为用户提供直观输入接口并进行覆盖计算

为了更好地运用步骤2中的函数，利用Matlab图形界面功能GUI将所有函数进行封装，为用户提供了较为直观的输入接口，方便进行覆盖性能计算。由于通信时延计算输入与覆盖性能计算输入有所不同，因此将通信时延和覆盖性能计算分两个GUI界面进行设计。

在GUI界面设计中，为方便用户对多个星座进行仿真，大部分输入变量以Excel的形式进行输入，用户只需根据特性格式编写Excel，通过Matlab GUI将其导入，调用函数即可自动计算相关覆盖性能。星座性能计算GUI界面如图2和图3。

下面以一具体实施例来阐述本发明。

一、星座覆盖性能计算GUI所需设计量

根据步骤1给出的典型星座性能指标的分类及具体定义，结合工程任务仿真需求，给出星座覆盖性能计算所需的设计输入以及输出内容见图4。

二、星座通信时延计算GUI所需设计量

星座通信时延计算输入和输出内容见图5。

三、星座覆盖性能计算GUI使用方法

为了更清晰地说明星座覆盖性能计算GUI的使用方法，将图2中的各个部分进行详细说明。

因为在工程实际中，有些卫星载荷工作时间要求地面必须处在阴影区域，而一年四季中地面阴影时长并不相同。针对这种情况，采用对一年中的三个时间段进行仿真(春分和秋分相同)。如图6，如果载荷对地面光照无约束，用户自定义仿真时间即可；如果载荷对地面光照有约束，那用户需要自定义每个季度的仿真时间，如不定义，则以默认仿真时间为准。覆盖计算时间设置见图6。

星座覆盖计算中，需要用户自定义种子卫星的轨道参数和星座构型参数。常用卫星轨道参数的输入形式有两种，一种是轨道六根数，一种是太阳同步轨道参数。图7给出用户需要导入的卫星轨道参数的Excel详细格式以及Walker星座的构型参数格式。在编写过程中，用户可以给定多个星座进行仿真计算，一行种子卫星轨道根数对应一行星座构型，以此来进行多个星座参数的输入。这里的轨道根数格式是在STK J2000系下的平根数，地球半径为6378.14km，外推模型为J2Perturbation，卫星轨道历元为场景的初始时刻。星座相关参数输入见图7。

覆盖区域分为两种，一种是针对全球的纬度带覆盖，另一种是针对多个目标点的覆盖计算。纬度带覆盖区域用Excel进行编写，多个目标点的文件则用.pnt文件进行修改编写，具体编写格式见图8。

常用的卫星载荷分为两种，一种是圆锥形载荷，另一种是矩形载荷，用户可以根据需求选择某一种载荷进行输入。载荷输入的Excel编写格式见图9。

地面站属性参数的Excel编写格式见图10。其中光照属性设置时，以标志位的形式输入，0为无光照约束，1为仅地面站处于光照可见，2为仅地面站处于阴影区可见。

在计算覆盖重数达标率、通信时长达标率、重访时间达标率和响应时间达标率时需要用户自定义响应的门限值，如图11，这里有关时间的门限值的单位均为分钟。覆盖指标门限值设定见图11。

给定相关输入后，用户可根据任务需求定义需要输出的内容，如图12。选择好计算内容后，点击覆盖性能计算，程序自动运行计算，待所有结果计算完毕，弹出“计算已完成”对话框。如果是针对三个季度分别进行仿真计算的需求，计算完成后会生成3个Excel文件，分别是夏至、秋分和冬至的覆盖计算结果；如果只计算某一段时间的覆盖性能，则生成1个Excel文件。覆盖指标计算内容见图12。

覆盖性能计算结果保存在Excel文件中，详细内容见图13，一共包含7个Sheet表格，用户可根据需求选择任务需求查看对应内容。

四、星座通信时延计算GUI使用方法

如图3，星座通信时延计算的输入与覆盖性能计算的输入有所不同，相同部分在上节已经介绍，这里不再赘述，仅介绍不同的部分。在通信时延计算中，需要定义通信地面站和终端地面站的相关参数，此外，为了计算通信时延达标率，还需要给定通信时延的门限值。地面站相关参数以Excel的格式输入，具体编写格式见图14，其中光照属性设置说明见图10。

点击“通信时延计算”，程序自动运行，待所有结果计算完毕，弹出“计算已完成”对话框，并生成通信时延计算结果。结果包括每个终端地面站的通信时延、最大通信时延、平均通信时延和通信时延达标率。

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应当理解，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形方案、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 (5)

1.一种分析星座的覆盖性能的方法，包括下列步骤：

提供星座的覆盖性能指标的分类和定义；

利用Matlab调用STK以便根据所述定义为各分类的覆盖性能指标生成数据；

与用户交互以接收用户输入；以及

根据所述用户输入和所生成的数据计算覆盖性能。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述性能指标包括下列各项中的一个或多个：

覆盖百分比，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；

覆盖重数，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；

可通信时长，其表征某一观测目标或网格点单次可见的可通信时长；

重访时间，其表征当前时刻的覆盖间隙；

响应时间，其表征网格点距离本次覆盖间隙结束的时间；

通信时延，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时间长度；以及

GDOP，其表征用户和可见卫星在空间几何分布的好坏。

3.根据权利要求1所述的方法，其中利用Matlab调用STK以便根据所述定义为各分类的性能指标生成数据包括：

提供用于计算相应覆盖性能指标的函数；以及

调用所述函数以执行所述计算。

4.根据权利要求1所述的方法，其中与用户交互以接收用户输入包括：

利用Matlab的图形界面与用户交互；以及

从所述Matlab的图形界面的相应域接收用户输入。

5.根据权利要求1所述的方法，其中与用户交互以接收用户输入包括：

通过Matlab的图形界面批量导入星座参数。