CN109977456A - 面向观测任务的卫星组网方案辅助设计系统 - Google Patents

面向观测任务的卫星组网方案辅助设计系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种航天技术领域的面向观测任务的卫星组网方案辅助设计系统，包括地物选择模块、卫星参数设置模块和组网方案设计与优化模块，地物选择模块，用于根据所选择的地物名称，从数据库中获取地物所在地的经纬度和地物的特征数据，卫星参数设置模块，用于设置卫星传感器的探测视场范围和初始轨道根数，组网方案设计与优化模块，用于根据需要观测的地物、观测时间要求和选用的卫星，设计形成所需卫星数量最少的卫星组网方案，三个模块在进行卫星组网方案设计时依次执行。本发明能够在卫星星座方案设计阶段引入观测地物，形成的星座方案针对该地物具备良好的观测效果，在一定的观测时间需求下能够快速输出卫星数量最少的卫星组网方案。

Description

面向观测任务的卫星组网方案辅助设计系统
技术领域
本发明涉及航天技术领域，具体地，涉及一种面向观测任务的卫星组网方案辅助设计系统。
背景技术
随着卫星制造技术的发展和国家航天政策的支持，越来越多组织和机构加入卫星制导与运营行业。由于卫星的制造和发射成本较高，为了提高卫星星座效益降低投入，必须尽可能减少卫星星座建设规模。
在综合考虑卫星性能参数、轨道约束的情况下，目前尚未有针对具体观测任务需求的卫星星座优化设计系统，使得星座方案设计效率不高，难以在设计需求不断变化的情况下快速生成优化的星座方案，延缓了星座建设进程。
经对现有技术的检索，申请号为201610514705.4的中国发明专利公开了一种等时间间隔快速重访卫星星座构型优化设计方法，该方法以实现对任务目标的等时间间隔快速重访为设计目标，采用低倾角回归Walker星座为基本构型，将卫星数目、轨道高度、重访时间间隔、以及单颗卫星的覆盖特性、机动能力以及光学成像性能等指标作为优化约束条件，基于多岛遗传算法以较少的卫星实现了对指定目标的等时间间隔快速重访。该方法设计的卫星星座具有对目标区域实现等时间间隔快速重访的优点，优化得到的卫星星座能够符合任务需求和各项设计约束，可作为快速响应卫星星座部署的参考方案。但该专利申请不能在一定的观测时间需求下能够快速输出卫星数量最少的卫星组网方案，不能提供优化前后的卫星组网方案及其观测时间评估数据，无法进行多个卫星组网方案对比。
再如中国发明专利201710999619.1，专利名称为一种高效卫星星座多目标优化方法，该专利披露了如下技术内容：基于Walker-δ星座构型，确定初始条件，建立星座轨道动力学方程，建立对地覆盖分析模型，建立对地观测分辨率模型；采用序列径向基函数多目标优化策略，以覆盖百分比和地面像元分辨率为目标函数，对轨道高度、轨道倾角、升交点赤经优化；基于l2加权和改进的Pareto适应度函数构造目标函数，采用RBF代理模型代替高耗时星座性能仿真模型优化设计，通过兴趣区间内序列采样对RBF代理模型更新与管理，从而获取满足工程需求的Pareto非劣解集作为卫星星座设计方案，实现星座对目标观测区域的覆盖百分比尽可能高以及有效载荷的像元分辨率尽可能小，降低卫星星座计算成本和设计成本、提高Pareto前沿搜索能力。但该专利申请无法在一定的观测时间需求下能够快速输出卫星数量最少的卫星组网方案，不能提供优化前后的卫星组网方案及其观测时间评估数据。
因此，有必要设计一种能够在卫星星座方案设计阶段引入观测地物、形成的星座方案针对该地物具备良好的观测效果、在一定的观测时间需求下能够快速输出卫星数量最少的卫星组网方案的面向观测任务的卫星组网方案辅助设计系统。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种面向观测任务的卫星组网方案辅助设计系统，本发明能够在卫星星座方案设计阶段引入观测地物、形成的星座方案针对该地物具备良好的观测效果、在一定的观测时间需求下能够快速输出卫星数量最少的卫星组网方案。
本发明涉及一种面向观测任务的卫星组网方案辅助设计系统，包括地物选择模块、卫星参数设置模块和组网方案设计与优化模块，
所述地物选择模块，用于根据所选择的地物名称，从数据库中获取地物所在地的经纬度和地物的特征数据，
所述卫星参数设置模块，用于设置卫星传感器的探测视场范围和初始轨道根数，
所述组网方案设计与优化模块，用于根据需要观测的地物、观测时间要求和选用的卫星，设计形成所需卫星数量最少的卫星组网方案，
所述地物选择模块、所述卫星参数设置模块和所述组网方案设计与优化模块在进行卫星组网方案设计时依次执行。
进一步地，所述地物选择模块支持的地物类型包括如建筑物、桥梁小尺寸的物体，还包括如城市、湖泊大范围的区域。
进一步地，所述卫星参数设置模块包括卫星传感器参数设置模板和卫星轨道参数设置模板，
所述卫星传感器参数设置模板，包括卫星传感器分辨率、视场角和侧摆范围，所述卫星轨道参数设置模板，包括卫星轨道历元时间、轨道倾角、轨道高度、偏心率、近地点幅角、升交点赤经和平近点角。
具体地，根据选择的地物、卫星、需要持续观测的时间长度和两星间相位差，所述组网方案设计与优化模块自动计算出需要的最少卫星数量和最大持续观测时间；
根据选择的地物、卫星、需要的观测时间间隔，所述组网方案设计与优化模块自动计算出需要的最少卫星数量。
进一步地，所述组网方案设计与优化模块自动计算出需要的最少卫星数量和最大持续观测时间的计算包括如下步骤：
步骤1：输入参数自动计算出需要的最少卫星数量Nmin：
在系统中输入需要持续观测的时间T、两颗卫星的相位差为系统自动计算出需要的最少卫星数量Nmin，计算方法为：
其中，Nmin为需要的最少卫星数量、T为需要持续观测的时间、h为卫星高度、re为地球半径、μ为地球引力常数、θ为卫星传感器可视视场半角、为两颗卫星的相位差；
步骤2：系统自动计算实际能够实现的最大持续观测时间TN，计算方法为：
其中，TN为实际能够实现的最大持续观测时间。
进一步地，所述组网方案设计与优化模块根据观测时间间隔要求，自动计算出需要的最少卫星数量的计算包括如下步骤：
步骤1：计算初始卫星组网方案：
在系统中输入需要的观测间隔时间Tr，系统自动计算出需要的最小卫星数量Nmin，计算方法为：
其中，Tr为需要的观测间隔时间，T0为单颗卫星的观测间隔时间，T0的确定方法为在一定时间段内计算单颗卫星对地物的所有观测时间，取观测时间间隔的平均值；
根据计算得到的Nmin，按照Walker星座部署方式生成卫星组网方案；
步骤2：系统输出该卫星组网方案对地物实际的观测间隔时间，并保存该方案；
步骤3：根据卫星轨道倾角允许的取值范围，对卫星轨道倾角i进行优化：
步骤4：依据优化后的卫星轨道参数，采用步骤1中的方法生成新的卫星组网方案；
步骤5：系统根据优化后的卫星组网方案输出对地物实际的观测间隔时间，并保存方案；
步骤6：将两个卫星组网方案、两个实际的观测间隔时间进行数据对比，确定最终选用的方案。
进一步地，步骤3中对卫星轨道倾角i进行优化，包括如下步骤：
步骤3.1：将卫星轨道倾角允许的取值范围按照10等分间隔取值，分别计算卫星对地物的观测间隔时间，取最小观测间隔时间对应的倾角值i1；
步骤3.2：以i1为中心，上一次间隔的0.5倍为间隔，重新生成10个倾角，分别计算对应的观测间隔时间，取最小观测间隔时间对应的倾角值i2；
步骤3.3：计算i2与i1的差值Δi；
步骤3.4：若Δi大于0.1，将i1的值重置为i2，并返回步骤3.2，若Δi小于0.1，则继续步骤3.5；
步骤3.5：将i2作为最终倾角，更新卫星轨道参数，优化结束。
进一步地，根据卫星轨道倾角允许的取值范围，所述组网方案设计与优化模块对卫星轨道参数进行优化，重新计算出需要的最少卫星数量，并输出优化后的卫星组网方案。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明的面向观测任务的卫星组网方案辅助设计系统，在卫星星座方案设计阶段引入了观测地物，使得形成的星座方案能够针对该地物具备良好的观测效果，在一定的观测时间需求下能够快速输出卫星数量最少的卫星组网方案；
2、本发明的面向观测任务的卫星组网方案辅助设计系统，提供的方案设计和优化过程易于计算机编程实现，优化输出结果的稳定性强；
3、本发明的面向观测任务的卫星组网方案辅助设计系统，能够提供优化前后的卫星组网方案及其观测时间评估数据，便于进行多个卫星组网方案对比，确定最佳方案。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
图1为本发明面向观测任务的卫星组网方案辅助设计系统的工作原理图。
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。
实施例
本实施例中，本发明的面向观测任务的卫星组网方案辅助设计系统，包括地物选择模块、卫星参数设置模块和组网方案设计与优化模块，所述地物选择模块，用于根据所选择的地物名称，从数据库中获取地物所在地的经纬度和地物的特征数据，所述卫星参数设置模块，用于设置卫星传感器的探测视场范围和初始轨道根数，所述组网方案设计与优化模块，用于根据需要观测的地物、观测时间要求和选用的卫星，设计形成所需卫星数量最少的卫星组网方案，所述地物选择模块、所述卫星参数设置模块和所述组网方案设计与优化模块在进行卫星组网方案设计时依次执行。
接下来对本发明进行详细的描述。
本发明的目的是提供一种面向观测任务的卫星组网方案辅助设计系统，本发明能够在卫星星座方案设计阶段引入观测地物、形成的星座方案针对该地物具备良好的观测效果、在一定的观测时间需求下能够快速输出卫星数量最少的卫星组网方案。
本发明的一种面向观测任务的卫星组网方案辅助设计系统，包括地物选择模块、卫星参数设置模块和组网方案设计与优化模块，所述地物选择模块，用于根据所选择的地物名称，从数据库中获取地物所在地的经纬度和地物的特征数据，所述卫星参数设置模块，用于设置卫星传感器的探测视场范围和初始轨道根数，所述组网方案设计与优化模块，用于根据需要观测的地物、观测时间要求和选用的卫星，设计形成所需卫星数量最少的卫星组网方案，所述地物选择模块、所述卫星参数设置模块和所述组网方案设计与优化模块在进行卫星组网方案设计时依次执行。
所述地物选择模块支持的地物类型包括如建筑物、桥梁小尺寸的物体，还包括如城市、湖泊大范围的区域。
所述卫星参数设置模块包括卫星传感器参数设置模板和卫星轨道参数设置模板，
所述卫星传感器参数设置模板，包括卫星传感器分辨率、视场角和侧摆范围，所述卫星轨道参数设置模板，包括卫星轨道历元时间、轨道倾角、轨道高度、偏心率、近地点幅角、升交点赤经和平近点角。
根据选择的地物、卫星、需要持续观测的时间长度和两星间相位差，所述组网方案设计与优化模块自动计算出需要的最少卫星数量和最大持续观测时间；
根据选择的地物、卫星、需要的观测时间间隔，所述组网方案设计与优化模块自动计算出需要的最少卫星数量。
所述组网方案设计与优化模块自动计算出需要的最少卫星数量和最大持续观测时间的计算包括如下步骤：
步骤1：输入参数自动计算出需要的最少卫星数量Nmin：
在系统中输入需要持续观测的时间T、两颗卫星的相位差为系统自动计算出需要的最少卫星数量Nmin，计算方法为：
其中，Nmin为需要的最少卫星数量、T为需要持续观测的时间、h为卫星高度、re为地球半径、μ为地球引力常数、θ为卫星传感器可视视场半角、为两颗卫星的相位差；
步骤2：系统自动计算实际能够实现的最大持续观测时间TN，计算方法为：
其中，TN为实际能够实现的最大持续观测时间。
所述组网方案设计与优化模块根据观测时间间隔要求，自动计算出需要的最少卫星数量的计算包括如下步骤：
步骤1：计算初始卫星组网方案：
在系统中输入需要的观测间隔时间Tr，系统自动计算出需要的最小卫星数量Nmin，计算方法为：
其中，Tr为需要的观测间隔时间，T0为单颗卫星的观测间隔时间，T0的确定方法为在一定时间段内计算单颗卫星对地物的所有观测时间，取观测时间间隔的平均值；
根据计算得到的Nmin，按照Walker星座部署方式生成卫星组网方案；
步骤2：系统输出该卫星组网方案对地物实际的观测间隔时间，并保存该方案；
步骤3：根据卫星轨道倾角允许的取值范围，对卫星轨道倾角i进行优化：
步骤4：依据优化后的卫星轨道参数，采用步骤1中的方法生成新的卫星组网方案；
步骤5：系统根据优化后的卫星组网方案输出对地物实际的观测间隔时间，并保存方案；
步骤6：将两个卫星组网方案、两个实际的观测间隔时间进行数据对比，确定最终选用的方案。
步骤3中对卫星轨道倾角i进行优化，包括如下步骤：
步骤3.1：将卫星轨道倾角允许的取值范围按照10等分间隔取值，分别计算卫星对地物的观测间隔时间，取最小观测间隔时间对应的倾角值i1；
步骤3.2：以i1为中心，上一次间隔的0.5倍为间隔，重新生成10个倾角，分别计算对应的观测间隔时间，取最小观测间隔时间对应的倾角值i2；
步骤3.3：计算i2与i1的差值Δi；
步骤3.4：若Δi大于0.1，将i1的值重置为i2，并返回步骤3.2，若Δi小于0.1，则继续步骤3.5；
步骤3.5：将i2作为最终倾角，更新卫星轨道参数，优化结束。
根据卫星轨道倾角允许的取值范围，所述组网方案设计与优化模块对卫星轨道参数进行优化，重新计算出需要的最少卫星数量，并输出优化后的卫星组网方案。
综上所述，本发明的面向观测任务的卫星组网方案辅助设计系统，在卫星星座方案设计阶段引入了观测地物，使得形成的星座方案能够针对该地物具备良好的观测效果，在一定的观测时间需求下能够快速输出卫星数量最少的卫星组网方案；提供的方案设计和优化过程易于计算机编程实现，优化输出结果的稳定性强；能够提供优化前后的卫星组网方案及其观测时间评估数据，便于进行多个卫星组网方案对比，确定最佳方案。
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化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种面向观测任务的卫星组网方案辅助设计系统，其特征在于，包括地物选择模块、卫星参数设置模块和组网方案设计与优化模块，
所述地物选择模块，用于根据所选择的地物名称，从数据库中获取地物所在地的经纬度和地物的特征数据，
所述卫星参数设置模块，用于设置卫星传感器的探测视场范围和初始轨道根数，
所述组网方案设计与优化模块，用于根据需要观测的地物、观测时间要求和选用的卫星，设计形成所需卫星数量最少的卫星组网方案，
所述地物选择模块、所述卫星参数设置模块和所述组网方案设计与优化模块在进行卫星组网方案设计时依次执行。
2.根据权利要求1所述的面向观测任务的卫星组网方案辅助设计系统，其特征在于，所述地物选择模块支持的地物类型包括如建筑物、桥梁小尺寸的物体，还包括如城市、湖泊大范围的区域。
3.根据权利要求2所述的面向观测任务的卫星组网方案辅助设计系统，其特征在于，所述卫星参数设置模块包括卫星传感器参数设置模板和卫星轨道参数设置模板，
所述卫星传感器参数设置模板，包括卫星传感器分辨率、视场角和侧摆范围，
所述卫星轨道参数设置模板，包括卫星轨道历元时间、轨道倾角、轨道高度、偏心率、近地点幅角、升交点赤经和平近点角。
4.根据权利要求2所述的面向观测任务的卫星组网方案辅助设计系统，其特征在于，根据选择的地物、卫星、需要持续观测的时间长度和两星间相位差，所述组网方案设计与优化模块自动计算出需要的最少卫星数量和最大持续观测时间；
根据选择的地物、卫星、需要的观测时间间隔，所述组网方案设计与优化模块自动计算出需要的最少卫星数量。
5.根据权利要求4所述的面向观测任务的卫星组网方案辅助设计系统，其特征在于，所述组网方案设计与优化模块自动计算出需要的最少卫星数量和最大持续观测时间的计算包括如下步骤：
步骤1：输入参数自动计算出需要的最少卫星数量Nmin：
在系统中输入需要持续观测的时间T、两颗卫星的相位差为系统自动计算出需要的最少卫星数量Nmin，计算方法为：
其中，Nmin为需要的最少卫星数量、T为需要持续观测的时间、h为卫星高度、re为地球半径、μ为地球引力常数、θ为卫星传感器可视视场半角、为两颗卫星的相位差；
步骤2：系统自动计算实际能够实现的最大持续观测时间TN，计算方法为：
其中，TN为实际能够实现的最大持续观测时间。
6.根据权利要求4所述的面向观测任务的卫星组网方案辅助设计系统，其特征在于，所述组网方案设计与优化模块根据观测时间间隔要求，自动计算出需要的最少卫星数量的计算包括如下步骤：
步骤1：计算初始卫星组网方案：
在系统中输入需要的观测间隔时间Tr，系统自动计算出需要的最小卫星数量Nmin，计算方法为：
其中，Tr为需要的观测间隔时间，T0为单颗卫星的观测间隔时间，T0的确定方法为在一定时间段内计算单颗卫星对地物的所有观测时间，取观测时间间隔的平均值；
根据计算得到的Nmin，按照Walker星座部署方式生成卫星组网方案；
步骤2：系统输出该卫星组网方案对地物实际的观测间隔时间，并保存该方案；
步骤3：根据卫星轨道倾角允许的取值范围，对卫星轨道倾角i进行优化：
步骤4：依据优化后的卫星轨道参数，采用步骤1中的方法生成新的卫星组网方案；
步骤5：系统根据优化后的卫星组网方案输出对地物实际的观测间隔时间，并保存方案；
步骤6：将两个卫星组网方案、两个实际的观测间隔时间进行数据对比，确定最终选用的方案。
7.根据权利要求6所述的面向观测任务的卫星组网方案辅助设计系统，其特征在于，步骤3中对卫星轨道倾角i进行优化，包括如下步骤：
步骤3.1：将卫星轨道倾角允许的取值范围按照10等分间隔取值，分别计算卫星对地物的观测间隔时间，取最小观测间隔时间对应的倾角值i1；
步骤3.2：以i1为中心，上一次间隔的0.5倍为间隔，重新生成10个倾角，分别计算对应的观测间隔时间，取最小观测间隔时间对应的倾角值i2；
步骤3.3：计算i2与i1的差值Δi；
步骤3.4：若Δi大于0.1，将i1的值重置为i2，并返回步骤3.2，若Δi小于0.1，则继续步骤3.5；
步骤3.5：将i2作为最终倾角，更新卫星轨道参数，优化结束。
8.根据权利要求5所述的面向观测任务的卫星组网方案辅助设计系统，其特征在于，根据卫星轨道倾角允许的取值范围，所述组网方案设计与优化模块对卫星轨道参数进行优化，重新计算出需要的最少卫星数量，并输出优化后的卫星组网方案。
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