CN111049565B - 一种基于多星共位的geo分布式星群轨道系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于多星共位的GEO分布式星群轨道系统，属于卫星通信领域；包括中心节点卫星和2个星组；中心节点卫星和2个星组均位于卫星轨道上；且2个星组对称分布在中心节点卫星的两侧；星组包括n个单星；n为正整数且，n≥3；星组的中心位置位于卫星轨道上；n个单星以星组的中心为圆心，呈环形均匀分布；所述中心节点卫星和2个星组中心距地球表面36000km；且每个星组与中心节点卫星相对于地球中心的夹角a为0.8°‑1°；本发明既能够支持分布式星群内多颗卫星的共位运行，同时多颗卫星之间的相对位置和姿态变化较小。

Description

一种基于多星共位的GEO分布式星群轨道系统
技术领域
本发明属于卫星通信领域，涉及一种基于多星共位的GEO分布式星群轨道系统。
背景技术
地球同步轨道(GEO)是当前高轨通信卫星最常用的轨道，该轨道具有覆盖面积广、相对地面静止、光照条件好等优点。正因如此，GEO轨道也是当前频率轨位最为紧张和拥挤的空间轨道类型。
为了充分利用轨道资源，自上世纪70年代欧洲人提出轨道群控制的概念后，多星共位技术在国外的探讨逐渐深入。进入20世纪80年代后，实际需要更使得利用轨道群的思想实现同步轨道多星共位引起人们广泛的兴趣，欧洲、美国和日本等国家和地区先后发表了不少相关的文章。该技术在80年代后期开始进入实用阶段。例如，日本广播卫星BS-2a、BS-2b在东经110度的静止轨道上共位，印度INSAT3B、INSAT2E在东经93.5度实现共位，韩国ASTRA1A、1B、1C、1D四颗卫星在东经19.2度实现共位。
目前国内外普遍采用集中式的共位隔离策略，即通过对共位卫星进行经度、倾角、偏心率等隔离策略，将共位卫星的空间距离保持在一定安全距离以上。
经度隔离策略，也是最直接的共位策略。通过引入经度差，使得共位双星产生切向隔离距离，并保持该隔离距离大于双星最小允许接近距离。
偏心率隔离策略，即通过引入偏心率差，使得共位双星在径向和切向产生隔离距离，并保持该隔离距离大于双星最小允许接近距离。
单独采用倾角隔离策略，不能保证在任意时刻共位双星法向隔离距离不为零。因此往往采用倾角结合偏心率隔离策略使得共位卫星保持安全隔离距离。
上述共位方法中，经度隔离法利用卫星的经度差进行经度方向的隔离，沿经度方向划分为相等的几份，每一份作为一颗卫星的漂移范围，一般情况下，经度隔离策略仅适合2—3星共位控制；倾角隔离法不能保证在任意时刻共位双星法向隔离距离不为零，当卫星运行至轨道面与赤道面交点时，由倾角偏置引起的法向距离为零(碰撞)，仍需改变其它轨道根数以便使相对距离不为零；偏心率隔离法可以控制卫星沿径向和切向的隔离范围，共位卫星间相对位置呈周期性剧烈变化，星间链路构建较为复杂。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于多星共位的GEO分布式星群轨道系统，既能够支持分布式星群内多颗卫星的共位运行，同时多颗卫星之间的相对位置和姿态变化较小。
本发明解决技术的方案是：
一种基于多星共位的GEO分布式星群轨道系统，包括中心节点卫星和2个星组；中心节点卫星和2个星组均位于卫星轨道上；且2个星组对称分布在中心节点卫星的两侧；星组包括n个单星；n为正整数且，n≥3。
在上述的一种基于多星共位的GEO分布式星群轨道系统，所述中心节点卫星和2个星组中心距地球表面36000km；且每个星组与中心节点卫星相对于地球中心的夹角a为0.8°-1°。
在上述的一种基于多星共位的GEO分布式星群轨道系统，以中心节点卫星相对于地球中心的标准位置为0°；则中心节点卫星的相对于标准位置运动角度幅度范围为-0.05°～0.05°。
在上述的一种基于多星共位的GEO分布式星群轨道系统，所述星组的中心位置位于卫星轨道上；n个单星以星组的中心为圆心，呈环形均匀分布。
在上述的一种基于多星共位的GEO分布式星群轨道系统，所述n个单星分布呈环形的半径r为75km。
在上述的一种基于多星共位的GEO分布式星群轨道系统，所述星组与中心节点卫星的最小间距为15km。
在上述的一种基于多星共位的GEO分布式星群轨道系统，所述中心节点卫星的两侧均设置有天线；每个天线指向均对应星组；天线的波束角度为b为20°-30°。
在上述的一种基于多星共位的GEO分布式星群轨道系统，所述各单星均设置有单星天线，单星天线指向中心节点卫星；单星天线的波束角度为20°-30°。
在上述的一种基于多星共位的GEO分布式星群轨道系统，每个星组中的各单星无星间链路连接；每个星组通过中心节点卫星实现与另一个星组的数据传输。
在上述的一种基于多星共位的GEO分布式星群轨道系统，星组与中心节点卫星之间采用毫米波星间链路实现低速数据传输和激光星间链路实现高速点对点数据传输；采用毫米波星间链路时，频率为60GHz；传输速率大于64kbps；采用激光星间链路时，激光波长为波长1550nm；传输速率为10Gbps。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明与只采用经度隔离策略相比，分布式星群内卫星间距离得到较大提升。采用经度隔离法，在GEO轨道+/-1°范围内，多颗星每颗位保范围+/-0.05°，计算得到卫星间最小经度隔离距离0.2°左右，约合150公里。采用本方案，节点星与其他卫星间隔离距离0.75°左右，约合560公里；星组内卫星间隔离距离130公里左右；
(2)本发明与只采用倾角结合偏心率隔离策略相比，采用本方案，中心节点卫星与其他卫星之间相对位置和姿态变化较小，星间链路构建较为简单，且对中心节点卫星的控制精度要求较小。
附图说明
图1为本发明星群轨道系统示意图；
图2为本发明中心节点卫星和2个星组位置示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
本发明提供一种基于多星共位的GEO分布式星群轨道设计，在星群内同时采用经度隔离、倾角隔离和偏心率隔离策略，在GEO轨道+/-1°范围内，支持不少于7颗卫星组成分布式星群。
GEO分布式星群轨道系统，支持不少于7颗卫星。其中1颗为节点星，地面轨道距离36000km；位于GEO轨道+/-1°范围中心，位保范围+/-0.05°。包括中心节点卫星1和2个星组2；中心节点卫星1和2个星组2均位于卫星轨道上；且2个星组2对称分布在中心节点卫星1的两侧；星组2包括n个单星21；n为正整数且，n≥3；如图1所示。每个星组2与中心节点卫星1相对于地球中心的夹角a为0.8°-1°。其余卫星分为2个星组2，分别位于中心节点卫星1的东侧和西侧，每个星组2采用倾角结合偏心率隔离策略进行多星共位。每个星组2与节点星之间采用经度隔离策略，星组2与中心节点卫星1的最小间距为15km。
以中心节点卫星1相对于地球中心的标准位置为0°；则中心节点卫星1的相对于标准位置运动角度幅度范围为-0.05°～0.05°。星组2的中心位置位于卫星轨道上；n个单星21以星组2的中心为圆心，呈环形均匀分布。n个单星21分布呈环形的半径r为75km。
如图2，中心节点卫星1的两侧均设置有天线11；每个天线11指向均对应星组2；天线11的波束角度为b为20°-30°。各单星21均设置有单星天线，单星天线指向中心节点卫星1；单星天线的波束角度为20°-30°。
每个星组2中的各单星21无星间链路连接；每个星组2通过中心节点卫星1实现与另一个星组2的数据传输。星组2与中心节点卫星1之间采用毫米波星间链路实现低速数据传输和激光星间链路实现高速点对点数据传输；采用毫米波星间链路时，频率为60GHz；传输速率大于64kbps；采用激光星间链路时，激光波长为波长1550nm；传输速率为10Gbps。本发明与只采用倾角结合偏心率隔离策略相比，采用本方案，中心节点卫星与其他卫星之间相对位置和姿态变化较小，星间链路构建较为简单，且对中心节点卫星的控制精度要求较小。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于多星共位的GEO分布式星群轨道系统，其特征在于：包括中心节点卫星(1)和2个星组(2)；中心节点卫星(1)和2个星组(2)均位于卫星轨道上；且2个星组(2)对称分布在中心节点卫星(1)的两侧；星组(2)包括n个单星(21)；n为正整数且n≥3；
所述中心节点卫星(1)和2个星组(2)中心距地球表面36000km；且每个星组(2)与中心节点卫星(1)相对于地球中心的夹角a为0.8°-1°；
以中心节点卫星(1)相对于地球中心的标准位置为0°；则中心节点卫星(1)的相对于标准位置运动角度幅度范围为-0.05°～0.05°；
所述星组(2)的中心位置位于卫星轨道上；n个单星(21)以星组(2)的中心为圆心，呈环形均匀分布；
所述n个单星(21)分布呈环形的半径r为75km；
所述星组(2)与中心节点卫星(1)的最小间距为15km。
2.根据权利要求1所述的一种基于多星共位的GEO分布式星群轨道系统，其特征在于：所述中心节点卫星(1)的两侧均设置有天线(11)；每个天线(11)指向均对应星组(2)；天线(11)的波束角度为b为20°-30°。
3.根据权利要求2所述的一种基于多星共位的GEO分布式星群轨道系统，其特征在于：所述各单星(21)均设置有单星天线，单星天线指向中心节点卫星(1)；单星天线的波束角度为20°-30°。
4.根据权利要求3所述的一种基于多星共位的GEO分布式星群轨道系统，其特征在于：每个星组(2)中的各单星(21)无星间链路连接；每个星组(2)通过中心节点卫星(1)实现与另一个星组(2)的数据传输。
5.根据权利要求4所述的一种基于多星共位的GEO分布式星群轨道系统，其特征在于：星组(2)与中心节点卫星(1)之间采用毫米波星间链路实现低速数据传输和激光星间链路实现高速点对点数据传输；采用毫米波星间链路时，频率为60GHz；传输速率大于64kbps；采用激光星间链路时，激光波长为波长1550nm；传输速率为10Gbps。
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