CN112073112B - 一种多重覆盖的可重构星座的构建方法及可重构星座 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多重覆盖的可重构星座的构建方法及可重构星座，方法包括S1，初步构型包括沿不同经线分布的多个同轨道高度的准极轨道面，准极轨道面上设有多个卫星；S2，根据全球连续服务可靠性要求R、卫星设计寿命T、单星可靠性r和单星补网周期t获得星座经度覆盖带重数n，

S3，获取单星覆盖地心角α；S4，据公式

获得满足星座经度覆盖带重数为n的准极轨道面上卫星数量S'和准极轨道面数量P'的多个数值组合，用户从多个数值组合中选择一个，完成构建。实现了极轨道低轨卫星多重覆盖星座设计，降低了对单星的可靠性要求和成本，解决了低轨卫星互联网卫星过设计、高成本、补网周期要求高等瓶颈问题，为提供低轨卫星互联网电信级可靠性运营服务奠定基础。

Description

一种多重覆盖的可重构星座的构建方法及可重构星座

技术领域

本发明涉及卫星组网领域，特别是涉及一种多重覆盖的可重构星座的构建方法及可重构星座。

背景技术

随着低轨卫星互联网的发展，对服务可靠性、连续性、资源调配灵活性的要求越来越高，对低卫星成本、批量化生产的要求也与日俱增，这就要求低轨卫星星座在提高服务可靠性、连续性的同时降低对单星可靠性的要求，对星座互补备份做优化设计。传统的卫星互联网星座多采用单重覆盖的准极轨道星座设计，必然导致单星可靠性要求极高，无法满足低成本、批量化生产的需求，单颗卫星失效后无法满足全球连续覆盖的要求，以及存在过设计、高成本、补网周期要求高等瓶颈问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种一种多重覆盖的可重构星座的构建方法及可重构星座。

为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种多重覆盖的可重构星座的构建方法，包括：步骤S1，构建所述可重构星座的初步构型，所述初步构型包括沿不同经线分布的多个同轨道高度的准极轨道面，每个准极轨道面上设有多个卫星；步骤S2，根据设置的全球连续服务可靠性要求R、卫星设计寿命T、单星可靠性r和单星补网周期t获得星座经度覆盖带重数

步骤S3，获取单星覆盖地心角α，

其中，E表示已知的星地最小通信仰角，H为轨道高度，Re为地球半径；步骤S4，根据公式

获得满足星座经度覆盖带重数为n的准极轨道面上卫星数量S'和准极轨道面数量P'的多个数值组合，用户从多个数值组合中选择一个组数值合，完成可重构星座的构建。

在本发明的一种优选实施方式中，设准极轨道面上卫星最大数量为N(S)，设准极轨道面最大数量为N(O)，则准极轨道面上卫星数量S'取值范围为1到N(S)，准极轨道面数量P'取值范围为1到N(O)，将对卫星数量S'和准极轨道面数量P'进行双重迭代循环取值获得N(S)*N(O)个取值组合，在不超过预计卫星成本的情况下选择一个最优的取值组合，完成可重构星座的构建。

上述多重覆盖的可重构星座的构建方法方法，从卫星补网周期、连续服务可靠性出发，根据设置参数获取同轨道高度的可重构星座的星座经度覆盖带重数，根据星座经度覆盖带重数获取准极轨道面上卫星数量S'和准极轨道面数量P'，完成可重构星座的构建，大幅度降低了对单星可靠性的要求，进而降低了单星成本，大幅度改善了卫星过设计、高成本、生产周期短等瓶颈问题，该方法使得星座具有多重全球连续覆盖的功能，大幅度提高了星座的服务可靠性和连续性，实现了星座覆盖区域互补和重构，实现了卫星服务资源的动态调配，提高了卫星互联网星座组网的灵活性，更易于卫星批产化生产，为提供低轨卫星互联网电信级可靠性运营服务奠定基础。

为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种多重覆盖的可重构星座，包括沿不同经线分布的多个同轨道高度的准极轨道面，每个准极轨道面上设有多个卫星；所述可重构星座的星座经度覆盖带重数为n，

其中，所述R表示全球连续服务可靠性要求，所述T表示卫星设计寿命，所述r表示单星可靠性，所述t表示单星补网周期；准极轨道面上卫星数量S'和准极轨道面数量P'满足如下等式关系：

其中，α表示单星覆盖地心角，

E表示已知的星地最小通信仰角，H为轨道高度，Re为地球半径。

在本发明的一种优选实施方式中，当所述可重构星座中所有卫星均正常工作时，单星覆盖星下点半锥角为β，

当所述可重构星座中全部或部分准极轨道面有卫星失效时，失效卫星原覆盖区域由其它卫星覆盖，其它卫星覆盖星下点半锥角为β'，所述β'的获取过程包括：获取单个准极轨道面上卫星失效的最大数量M，设参数变量m＝1，2，……，M；通过公式

依次计算m＝1、m＝2、……、m＝M时的单星覆盖地心角调整值α'；将M个单星覆盖地心角调整值α'依次代入公式

中求得M个β'，将个β'中的最大值作为最终的其它卫星覆盖星下点半锥角β'。

上述技术方案：在部分准极轨道面有卫星失效时，利用其它卫星对失效卫星原来覆盖区域进行覆盖，确保卫星服务连续稳定，增强了卫星网络通信可靠性，使得本星座具有很好的可重构性。

在本发明的一种优选实施方式中，轨道倾角为i的准极轨道同向轨道面升交点赤经差Δ1＇以及反向轨道面升交点赤经差Δ2＇分别为：

其中，所述Δ1＝α+c，所述Δ2＝2c，所述

上述多重覆盖的可重构星座能大幅度降低了对单星可靠性的要求，进而降低了单星成本，大幅度改善了卫星过设计、高成本、生产周期短等瓶颈问题，该方法使得星座具有多重全球连续覆盖的功能，大幅度提高了星座的服务可靠性，实现了星座覆盖区域互补和重构，实现了卫星服务资源的动态调配，提高了卫星互联网星座组网的灵活性，更易于卫星批产化生产，为提供低轨卫星互联网电信级可靠性运营服务奠定基础；对传统的同向轨道面升交点赤经差Δ1和反向异准极轨道面升交点赤经差Δ2进行了修正处理，增强了星座可靠性；本星座卫星同轨道高度，当卫星失效时，便于该卫星原覆盖区域由其他同轨道高度的卫星进行覆盖，确保星座服务的连续性和可靠性。

附图说明

图1是本发明一种优选实施方式中圆轨道卫星覆盖特性示意图；

图2是本发明一种优选实施方式中卫星经度覆盖带示意图；

图3是本发明一种优选实施方式中相邻轨道面覆盖示意图；

图4是本发明一种优选实施方式中极轨道星座极点观察投影示意图。

附图标记：

1顺行轨道面；2逆行轨道面；3卫星覆盖区边缘；4星下点；5卫星；6观察点。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明公开一种多重覆盖的可重构星座的构建方法，在一种优选实施方式中，该方法包括：

步骤S1，构建可重构星座的初步构型，初步构型包括沿不同经线分布的多个同轨道高度的准极轨道面，每个准极轨道面上设有多个卫星5；

步骤S2，根据设置的全球连续服务可靠性要求R、卫星设计寿命T、单星可靠性r和单星补网周期t获得星座经度覆盖带重数n，

全球连续服务可靠性要求R、卫星设计寿命T、单星可靠性r和单星补网周期t可根据星座的设计目标以及实际单星产品的生产周期和性能进行设置，用户可利用现有的可靠性等级的单星完成多重覆盖的可重构星座设计，降低了对单星可靠性的要求。

步骤S3，获取单星覆盖地心角α，

如图1所示，E表示已知的星地最小通信仰角

H为轨道高度，Re为地球半径，

步骤S4，根据公式

获得满足星座经度覆盖带重数为n的准极轨道面上卫星数量S'和准极轨道面数量P'的多个数值组合，用户从多个数值组合中选择一个数值组合，完成可重构星座的构建。

在一种优选实施方式中，设准极轨道面上卫星最大数量为N(S)，设准极轨道面最大数量为N(O)，则准极轨道面上卫星数量S'取值范围为1到N(S)，准极轨道面数量P'取值范围为1到N(O)，将对卫星数量S'和准极轨道面数量P'进行双重迭代循环取值获得N(S)*N(O)个取值组合，在不超过预计卫星成本的情况下选择一个最优的取值组合，完成可重构星座的构建。

在本实施方式中，N(O)和N(S)可根据经验设置。卫星成本与星座的卫星总量正相关，在预计卫星成本确定后，能确定出最大预计卫星数量，在所有取值组合中选择一个最接近或等于最大预计卫星数量的取值组合。

本发明还公开了一种多重覆盖的可重构星座，在一种优选实施方式中，该可重构星座包括沿不同经线分布的多个同轨道高度的准极轨道面，每个准极轨道面上设有多个卫星5；

可重构星座的星座经度覆盖带重数为n，

其中，R表示全球连续服务可靠性要求，T表示卫星设计寿命，r表示单星可靠性，t表示单星补网周期；

准极轨道面上卫星数量S'和准极轨道面数量P'满足如下等式关系：

其中，α表示单星覆盖地心角，

E表示已知的星地最小通信仰角，H为轨道高度，Re为地球半径。

在一种优选实施方式中，当可重构星座中所有卫星5均正常工作时，单星覆盖星下点4半锥角为β，

当可重构星座中全部或部分准极轨道面有卫星5失效时，失效卫星5原覆盖区域由其它卫星5覆盖，其它卫星5覆盖星下点半锥角为β'，β'的获取过程包括：

获取单个准极轨道面上卫星失效的最大数量M，设参数变量m＝1，2，……，M，M为正整数；

通过公式

依次计算m＝1、m＝2、……、m＝M时的单星覆盖地心角调整值α'；

将M个单星覆盖地心角调整值α'依次代入公式

中求得M个β'，将M个β'中的最大值作为最终的其它卫星覆盖星下点半锥角β'。

在一种优选实施方式中，如图2和图3所示，轨道倾角为i的准极轨道同向轨道面升交点赤经差Δ1＇以及反向轨道面升交点赤经差Δ2＇分别为：

其中，Δ1＝α+c，Δ2＝2c，

如图3左侧子图表示两个同向轨道面，如图3左侧子图表示两个反向轨道面，和图4所示，顺行轨道面1之间或者逆行轨道面2之间均为同向轨道面，顺行轨道面1和逆行轨道面2之间为反向轨道面。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种多重覆盖的可重构星座的构建方法，其特征在于，包括：

步骤S1，构建所述可重构星座的初步构型，所述初步构型包括沿不同经线分布的多个同轨道高度的准极轨道面，每个准极轨道面上设有多个卫星；

步骤S2，根据设置的全球连续服务可靠性要求R、卫星设计寿命T、单星可靠性r和单星补网周期t获得星座经度覆盖带重数n，

步骤S3，获取单星覆盖地心角α，

其中，E表示已知的星地最小通信仰角，H为轨道高度，Re为地球半径；

步骤S4，根据公式

获得满足星座经度覆盖带重数为n的每一个准极轨道面上卫星数量S'和准极轨道面数量P'的多个数值组合，用户从多个数值组合中选择一个数值组合，完成可重构星座的构建。

2.如权利要求1所述的多重覆盖的可重构星座的构建方法，其特征在于，设准极轨道面上卫星最大数量为N(S)，设准极轨道面最大数量为N(O)，则准极轨道面上卫星数量S'取值范围为1到N(S)，准极轨道面数量P'取值范围为1到N(O)，将对卫星数量S'和准极轨道面数量P'进行双重迭代循环取值获得N(S)*N(O)个取值组合，在不超过预计卫星成本的情况下选择一个最优的取值组合，完成可重构星座的构建。

3.一种多重覆盖的可重构星座，其特征在于，包括沿不同经线分布的多个同轨道高度的准极轨道面，每个轨道面上设有多个卫星；

所述可重构星座的星座经度覆盖带重数为n，

其中，所述R表示全球连续服务可靠性要求，所述T表示卫星设计寿命，所述r表示单星可靠性，所述t表示单星补网周期；

每一个准极轨道面上卫星数量S'和准极轨道面数量P'满足如下等式关系：

其中，α表示单星覆盖地心角，

E表示已知的星地最小通信仰角，H为轨道高度，Re为地球半径。

4.如权利要求3所述的多重覆盖的可重构星座，其特征在于，当所述可重构星座中所有卫星均正常工作时，单星覆盖星下点半锥角为β，

当所述可重构星座中全部或部分准极轨道面有卫星失效时，失效卫星原覆盖区域由其它卫星覆盖，其它卫星覆盖星下点半锥角为β'，所述β'的获取过程包括：

获取单个准极轨道面上卫星失效的最大数量M，设参数变量m＝1,2,……，M；

通过公式

依次计算m＝1、m＝2、……、m＝M时的单星覆盖地心角调整值α'；

将M个单星覆盖地心角调整值α'依次代入公式

中求得M个β'，将M个β'中的最大值作为最终的其它卫星覆盖星下点半锥角β'。

5.如权利要求3所述的多重覆盖的可重构星座，其特征在于，轨道倾角为i的准极轨道同向轨道面升交点赤经差Δ1'以及反向轨道面升交点赤经差Δ2'分别为：

其中，所述Δ1＝α+c，所述Δ2＝2c，所述

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