CN111323018B - 基于特征点分析igso卫星对区域覆盖弧段的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于特征点分析IGSO卫星对区域覆盖弧段的方法，过程为：根据给定的初始时刻和轨道参数，并设定时间步长，计算指定时段内每间隔时间步长的各时刻对应的卫星在地心惯性系中的位置；根据给定的目标区域，确定其对应的标志点；判断在指定时段内每间隔时间步长的各时刻，IGSO卫星是否可以对目标区域进行覆盖，记录下可以覆盖所对应的时刻，根据记录的时刻形成覆盖弧段；IGSO卫星是否可以对目标区域进行覆盖为：根据卫星位置计算各标志点对应的临界张角和卫星张角来判断，当存在一个标志点对IGSO卫星不可见时，则认为IGSO卫星在对应时刻不可以对目标区域进行覆盖。根据获取的IGSO卫星对区域覆盖弧度，指导后续利用IGSO卫星进行星地通信的实际工程应用。

Description

基于特征点分析IGSO卫星对区域覆盖弧段的方法

技术领域

本发明涉及一种基于特征点分析IGSO卫星对区域覆盖弧段的方法，属于天基导航与通信技术领域。

背景技术

IGSO指的是地球倾斜同步轨道，由于其轨道周期与地球自转周期相同且具有一定倾角，在地面投影为类似8字型的闭合曲线。IGSO卫星的覆盖范围连续变化，当倾角大于一定值时，IGSO卫星可实现对两极地区的覆盖，因此较GEO卫星更有优势。目前我国在轨IGSO卫星的应用领域主要为导航，后续可以考虑为包括极区在内的大范围目标区域提供通信服务。

传统的通信任务中，GEO卫星的覆盖区与地面相对静止，对于区域目标的覆盖能力不随时间变化；导航任务中，对于区域的导航性能分析时，要分别计算区域内每个采样点对应的几何定位因子；这些方法都不适于直接用于分析IGSO卫星对区域目标的连续覆盖能力。

采用高频段的卫星天线通常为窄波束，依靠天线指向调整功能实现对目标区域的覆盖。实际应用中，目标区域在多数情况下为不规则形状，针对目标区域的覆盖能力分析需要在保证准确性的基础上提高分析效率，因此，需要研究一种基于特征点分析IGSO卫星对区域覆盖弧段的方法，以适应由于IGSO卫星轨道位置变化引起的覆盖情况变化。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于标志点分析IGSO卫星对区域覆盖弧段的方法，解决了导航任务中区域所有采样点几何定位因子计算方法和通信任务中GEO卫星覆盖能力分析方法不能适用于IGSO卫星区域目标覆盖能力分析的缺陷，能够在满足地面仰角和卫星张角约束的情况下，针对地面指定不规则区域分析卫星可以实现连续覆盖的时段，在保证正确性的基础上实现计算效率的提升，根据获取的IGSO卫星对区域覆盖弧度，指导后续利用IGSO卫星进行星地通信的实际工程应用。

本发明的技术方案是：

一种基于特征点分析IGSO卫星对区域覆盖弧段的方法，具体过程为：

根据给定的初始时刻和轨道参数，并设定时间步长，基于轨道动力学方程，计算指定时段内每间隔所述时间步长的各时刻对应的卫星在地心惯性系中的位置；

根据给定的目标区域，确定其对应的标志点；

判断在指定时段内每间隔所述时间步长的各时刻，IGSO卫星是否可以对目标区域进行覆盖，记录下可以覆盖所对应的时刻，根据记录的时刻形成覆盖弧段；

所述IGSO卫星是否可以对目标区域进行覆盖的判断依据为：根据卫星位置计算各标志点对应的临界张角和卫星张角来判断，当存在一个标志点对IGSO卫星不可见时，则认为IGSO卫星在该时刻不可以对目标区域进行覆盖。

进一步地，本发明所述设定时间步长可调整，默认情况可设置为1min。

进一步地，本发明所述根据给定的目标区域，确定其对应的标志点为：

根据设定的间隔，对目标区域边界的各点进行经纬度取值，使得顺序连接各点形成的闭合区域完全包含目标区域；

在获得的边界点中，确定纬度最小点记为A，若存在n点纬度相等，则分别记为A1、A2……An；

在获得的边界点中，确定纬度最大点记为B，若存在m点纬度相等，则分别记为B1、B2……Bm；

在获得的边界点中，确定经度最小点记为C，若存在p点经度相等，则分别记为C1、C2……Cp；

在获得的边界点中，确定经度最大点记为D，若存在q点经度相等，则分别记为D1、D2……Dq；

该目标区域对应的标志点包括A1、A2……An、B1、B2……Bm、C1、C2……Cp、D1、D2……Dq。

进一步地，本发明所述间隔可调整，默认情况可设置为1deg。

进一步地，本发明所述计算各标志点对应的临界张角和卫星张角为：

301根据标志点的地理经度和纬度，计算标志点在地心惯性系中的位置分量；

302标志点在临界仰角ε时对应的卫星张角为

h为轨道高度、R_e为地球半径；令卫星波束半中心角为θ_s，则临界张角为θ_c＝min(θ_ε,θ_s)；

303令

为地心到卫星的矢量，令

为标志点到卫星的矢量，则卫星张角为

进一步地，本发明所述可见性判断条件为：θ_t≤θ_c且

其中，

为地心到标志点的矢量；若满足该判断条件，则该标志点对于IGSO卫星可见，否则为不可见。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

(1)本发明解决了导航任务中区域所有采样点几何定位因子计算方法和通信任务中GEO卫星覆盖能力分析方法不能适用于IGSO卫星区域目标覆盖能力分析的缺陷，能够在满足地面仰角和卫星张角约束的情况下，针对地面指定不规则区域分析卫星可以实现连续覆盖的时段，在保证正确性的基础上实现计算效率的提升，符合后续利用IGSO卫星进行星地通信的实际工程使用要求。

(2)本发明方法面向工程应用，通过选取目标区域经度和纬度的最大、最小值作为代表目标区域的标志点，适用于目标区域形状不规则的情况。

(3)本发明方法与现有技术相比，按照仅需对各标志点的覆盖情况进行判断，即可保证该不规则区域全部满足覆盖条件，可以提高计算分析效率。

(4)本发明方法面向工程应用，在考虑地面仰角和卫星张角约束的前提下判断IGSO卫星对于目标区域的覆盖性能，符合IGSO卫星对指定区域进行星地通信的实际工程要求。

附图说明

图1为IGSO卫星对不规则区域的连续覆盖能力分析的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

本发明基于标志点分析IGSO卫星对区域覆盖弧段的方法，适用于轨道位置实时变化的IGSO卫星，考虑了地面仰角和卫星天线角的约束，可以用于分析IGSO卫星对各种形状不规则的目标区域的覆盖情况。本发明基于标志点分析IGSO卫星对区域覆盖弧段的方法，通过判断卫星在每个时刻对于四个维度的标志点的可见性进行分析。

实施例1：

一种基于特征点分析IGSO卫星对区域覆盖弧段的方法，具体过程为：

根据给定的初始时刻和轨道参数，并设定时间步长，基于轨道动力学方程，计算指定时段内每间隔所述时间步长的各时刻对应的卫星在地心惯性系中的位置分量；根据给定的目标区域，确定其对应的标志点；

判断在指定时段内每间隔所述时间步长的各时刻，IGSO卫星是否可以对目标区域进行覆盖，记录下可以覆盖所对应的时刻，根据记录的时刻形成覆盖弧段；所述IGSO卫星是否可以对目标区域进行覆盖的判断依据为：根据卫星位置计算各标志点对应的临界张角和卫星张角来判断，当存在一个标志点对IGSO卫星不可见时，则认为IGSO卫星在该时刻不可以对目标区域进行覆盖。

实施例2：

如图1所示为本实施方法的分析流程图。本实施例一种基于特征点分析IGSO卫星对区域覆盖弧段的方法，具体过程为：

(1)根据给定的初始时刻和轨道参数，所述轨道参数包括半长轴、偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近地点幅角及真近点角，将初始轨道参数转化为卫星的位置和速度；

基于考虑地球中心引力及J2项摄动影响的轨道动力学方程，设定步长，计算指定时段内每个时刻对应的卫星位置在地心惯性系中的分量，其中，该计算步长可调整，默认情况下为1min。

(2)根据给定的目标区域，确定对应的标志点；具体过程为：

2.1根据设定的间隔，对不规则目标区域边界的各点进行经纬度取值，使得顺序连接各点形成的闭合区域完全包含目标区域，间隔根据情况可调整，默认情况下为1deg；

2.2在获得的边界点中，确定纬度最小点记为A，若存在n点纬度相等，则分别记为A1、A2……An；

2.3在获得的边界点中，确定纬度最大点记为B，若存在m点纬度相等，则分别记为B1、B2……Bm；

2.4在获得的边界点中，确定经度最小点记为C，若存在p点经度相等，则分别记为C1、C2……Cp；

2.5在获得的边界点中，确定经度最大点记为D，若存在q点经度相等，则分别记为D1、D2……Dq；

2.6则该目标区域对应的标志点包括A1、A2……An、B1、B2……Bm、C1、C2……Cp、D1、D2……Dq。

(3)针对当前时刻(流程启动时为初始时刻)，计算各标志点对应的临界张角和卫星张角；具体过程为：

301针对当前时刻，根据标志点的地理经度和纬度，计算标志点在地心惯性系中的位置分量；

302标志点在临界仰角ε时对应的卫星张角为

h为轨道高度、R_e为地球半径；令卫星波束半中心角为θ_s，则临界张角为θ_c＝min(θ_ε,θ_s)；

303令

为地心到卫星的矢量，令

为标志点到卫星的矢量，则卫星张角为

(4)判断各标志点是否对于卫星可见。

可见性判断条件为θ_t≤θ_c且

其中，

为地心到标志点的矢量；若满足该判断条件，则该标志点对于IGSO卫星可见，否则为不可见。

如果有一个标志点对于卫星不可见，则转入步骤(6)，否则转入步骤(5)；

(5)当前时刻IGSO卫星可以对区域进行覆盖，对当前时刻进行记录，并转入步骤(6)。

(6)判断当前时刻是否已到达时段末端，如果未到达时段末端则递推到下一个时刻并转入步骤(3)，如果到达时段末端，根据记录的时刻形成覆盖弧段结果并结束。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于特征点分析IGSO卫星对区域覆盖弧段的方法，其特征在于，具体过程为：

根据给定的初始时刻和轨道参数，并设定时间步长，基于轨道动力学方程，计算指定时段内每间隔所述时间步长的各时刻对应的卫星在地心惯性系中的位置；

根据给定的目标区域，确定其对应的标志点；

判断在指定时段内每间隔所述时间步长的各时刻，IGSO卫星是否可以对目标区域进行覆盖，记录下可以覆盖所对应的时刻，根据记录的时刻形成覆盖弧段；

所述IGSO卫星是否可以对目标区域进行覆盖的判断依据为：根据卫星位置计算各标志点对应的临界张角和卫星张角来判断，当存在一个标志点对IGSO卫星不可见时，则认为IGSO卫星在该时刻不可以对目标区域进行覆盖；

所述根据给定的目标区域，确定其对应的标志点为：

根据设定的间隔，对目标区域边界的各点进行经纬度取值，使得顺序连接各点形成的闭合区域完全包含目标区域；

在获得的边界点中，确定纬度最小点记为A，若存在n点纬度相等，则分别记为A1、A2……An；

在获得的边界点中，确定纬度最大点记为B，若存在m点纬度相等，则分别记为B1、B2……Bm；

在获得的边界点中，确定经度最小点记为C，若存在p点经度相等，则分别记为C1、C2……Cp；

在获得的边界点中，确定经度最大点记为D，若存在q点经度相等，则分别记为D1、D2……Dq；

该目标区域对应的标志点包括A1、A2……An、B1、B2……Bm、C1、C2……Cp、D1、D2……Dq。

2.根据权利要求1所述基于特征点分析IGSO卫星对区域覆盖弧段的方法，其特征在于，所述设定时间步长设置为1min。

3.根据权利要求2所述基于特征点分析IGSO卫星对区域覆盖弧段的方法，其特征在于，所述间隔设置为1deg。

4.根据权利要求1所述基于特征点分析IGSO卫星对区域覆盖弧段的方法，其特征在于，所述计算各标志点对应的临界张角和卫星张角为：

301根据标志点的地理经度和纬度，计算标志点在地心惯性系中的位置分量；

302标志点在临界仰角ε时对应的卫星张角为

h为轨道高度、R_e为地球半径；令卫星波束半中心角为θ_s，则临界张角为θ_c＝min(θ_ε,θ_s)；

303令

为地心到卫星的矢量，令

为标志点到卫星的矢量，则卫星张角为

5.根据权利要求1所述基于特征点分析IGSO卫星对区域覆盖弧段的方法，其特征在于，所述可见性判断条件为：θ_t≤θ_c且

其中，

为地心到标志点的矢量；若满足该判断条件，则该标志点对于IGSO卫星可见，否则为不可见。

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