CN113371232B - 一种面向geo分布式星群组网通信需求的多星共位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向GEO分布式星群组网通信需求的多星共位方法，采用完全平经度隔离的共位策略，对初始化、保形和构形重构的不同阶段采用不同的控制方式，实现星群构形的高精度保持和快速按需变化，满足共位星群的星间可靠组网通信需求。初始化共位控制在卫星定点过程中启动，用于初始化构形形成，保形控制按一定周期进行，重构控制只在有任务需要时进行，用于按任务要求进行构形变化和防碰撞规避控制之后的构形恢复。本发明的优点在于，隔离策略控制简单，每颗卫星保持独立控制，能够有效保证星间安全距离，星间相对角度变化较小，有利于建立稳定的星间通信链路，并且可以实现构形的高精度保持和按需变化。
Description
技术领域
本发明涉及卫星通信系统技术领域，尤其涉及一种面向GEO分布式星群组网通信需求的多星共位方法。
背景技术
GEO分布式星群由一组分布在统一邻近的地球静止轨道上的卫星组成，其利用组网协同、共轨控制等技术，整合空间上邻近且独立分布的卫星资源，卫星之间协同工作来提升空间通信传输和覆盖等能力，可以有效解决目前我国通信卫星所面临的轨位稀少、频谱资源紧缺以及单星有效载荷受限等问题，实现整体大于部分之和的效果。依据分布式星群的组网协同、星间通信的需求，结合GEO轨道动力学特性，在进行分布式星群编组的多星共位方法设计时，要求星群的卫星之间既要保持较近的距离，又要保证卫星间不能相碰；卫星之间既要有较近的距离，又要有较小的相对角速度、较小的张角和角度变化范围。因此，急需面向空间分布式星群组网通信需求，针对星群的多星共位方法进行研究。
中国专利CN 107450578B中公布了一种绕地球同步轨道卫星分布式共轨飞行的卫星群轨道设计方法，通过设计绕飞卫星轨道根数，实现编队中绕飞卫星与参考卫星的共位；中国专利CN 111552312A中提出了一种同步轨道卫星共位策略生成方法及装置，采用偏心率及倾角隔离的方法实现同步轨道的多星共位。上述专利公开的多星共位方法对卫星姿态轨道控制要求较高，且主要针对构形策略的设计进行研究，未涉及多星共位的具体实现流程。
发明内容
针对空间分布式星群小占位、分布式的结构特点下星群组网通信需求，采用完全平经度隔离的共位策略，采用初始化、保形和重构分类控制法，实现分布式星群的多星共位，并且满足其星间组网通信需求。其中，初始化共位控制用于初始构形形成和防碰撞规避控制之后的构形恢复，保形控制按一定周期定期进行，主要用于克服长期轨道漂移造成的构形差异，重构控制只在有任务需要性进行，用于按任务要求进行构形变化。
本发明公开了一种面向GEO分布式星群组网通信需求的多星共位方法，其具体步骤包括：
S1，GEO分布式星群包括位于同一轨位的5颗卫星，GEO分布式星群中的5颗卫星按其共位位置，从东向西依次记为Sat1、Sat2、Sat3、Sat4、Sat5，按照Sat3、Sat2和Sat 4、Sat1和Sat 5的先后顺序依次对各个卫星进行定点，5颗卫星采用完全平经度偏置隔离方法共位于地球同步轨道的同一轨位上；GEO分布式星群的共位控制由地面测控中心和卫星平台姿态控制系统、星间测量系统共同完成；
所述的5颗卫星采用完全平经度偏置隔离方法共位于地球同步轨道的同一轨位上，其具体是，将整个轨位的保持范围经度划分为5个保持区域，每个卫星占用一个保持区域，通过重叠的平经度漂移环使5颗共位卫星在卫星轨道的切线方向上产生隔离距离；
采用初始化控制、保形控制和重构控制方法，实现卫星构形的高精度保持和快速按需变化。
S2，GEO分布式星群中的卫星采用星地大回路控制方法，进行星群构形的初始化控制，形成初始的星群构形；
S3，星群构形的形成初期，采用星地大回路控制方法，每天定期对GEO分布式星群中的卫星进行保形控制，以克服轨道漂移造成的星群构形差异；
S4，星群构形保持一段时间之后，当控制策略、推力器状态得到在轨充分验证时，通过星地测控信道向各个卫星注入遥控参数，星群保形控制转为采用星上自主控制方式，每天定期对GEO分布式星群中的卫星进行保形控制，克服轨道漂移造成的卫星构形差异；
S5，当出现新任务需要星群重新构形，或星群在防碰撞规避控制之后需要构形恢复时，采用星地大回路控制方法对星群进行重构控制，将星群重构为满足新任务需要的新构形。
所述的步骤S2，其具体包括：
S21，在星地大回路控制方式下，地面测控中心完成对构形控制策略的计算和确认，根据构形控制策略生成遥控参数，并利用星地测控信道将遥控参数上注到卫星，卫星根据遥控参数执行具体的控制动作；
S22，进行星群构形的初始化控制时，地面测控中心首先通过星地大回路控制方法，控制卫星Sat3运动到预定的同步轨道定点位置；
S23，地面测控中心通过星地大回路控制方法，控制紧邻卫星Sat3的卫星Sat2和卫星Sat4的定点过程，使卫星Sat2和卫星Sat4分别定点于卫星Sat3的东西两侧0.05°的经度范围内；
S24，卫星Sat2、Sat3、Sat4启动星间测量系统对星间距离进行监测，针对卫星Sat2、Sat3、Sat4制定卫星轨道调整策略，并根据卫星轨道调整策略对卫星Sat2、Sat3、Sat4实施轨道调整；
S25，地面测控中心通过星地大回路控制方法，控制紧邻卫星Sat2的卫星Sat1的轨道定点过程，使卫星Sat1定点于卫星Sat2的东侧0.05°经度范围内；
S26，卫星Sat1启动星间测量系统对星间距离进行监测，针对卫星Sat1制定卫星轨道调整策略，并根据卫星轨道调整策略对卫星Sat1实施轨道调整；
S27，地面测控中心通过星地大回路控制方法，控制紧邻卫星Sat4的卫星Sat5的轨道定点过程，使卫星Sat5定点于卫星Sat4的西侧0.05°经度范围内；
S28，卫星Sat5启动星间测量系统对星间距离进行监测，针对卫星Sat5制定卫星轨道调整策略，并根据卫星轨道调整策略对卫星Sat5实施轨道调整；
S29，开启卫星Sat1、Sat2、Sat3、Sat4和Sat5上的有效载荷，建立GEO分布式星群的星间通信链路。
所述的卫星轨道调整策略包括各卫星的控制时刻和卫星的喷气时间长度，在制定卫星轨道调整策略时，需要考虑卫星轨道偏心率的影响和卫星之间的防碰撞要求，并确保每颗卫星的位置经度范围保持在±0.01°范围内，卫星轨道偏心率e≤2×10-5，卫星轨道倾角i≤0.01°；在实施轨道调整时，对卫星轨道长半轴和偏心率的周期摄动进行控制。
所述的步骤S3，其具体包括，
S31，在星上自主控制方式下，由各卫星的卫星平台姿态控制系统自主完成星群构形确定、构形控制策略生成和控制动作执行，卫星平台姿态控制系统自主监控其控制过程中的卫星状态变化；
S32，在启动保形控制时，各卫星的卫星平台姿态控制系统根据卫星自主导航数据确定当前星群构形状态，并计算当前星群构形与期望的星群构形之间的星群构形参数修正量，其中星群构形参数包括GEO分布式星群的各卫星之间的距离、各卫星的轨道参数；
S33，各卫星的卫星平台姿态控制系统根据构形参数修正量判断自身卫星是否需要实施保形控制，若需要对卫星实施保形控制，则计算对应的喷气控制指令序列，包括控制时刻和喷气时间长度，从而进一步形成卫星轨道调整策略；若不需要对卫星实施保形控制，则跳到步骤S35；
S34，需要实施保形控制的卫星根据卫星轨道调整策略，执行自身的喷气控制指令序列，选择其对应的推力器，完成喷气控制，通过喷气控制产生的控制推力改变自身的轨道；
S35，GEO分布式星群中实施保形控制的卫星的轨道发生改变后，各卫星上的自主导航模块经过计算，解算出保形控制后的星群构形参数，从而判断保形控制后的星群构形参数修正量是否小于保形控制阈值；若保形控制后的星群构形参数修正量小于保形控制阈值，则完成保形控制；若保形控制后的星群构形参数修正量不小于保形控制阈值，则回到步骤S32。
本发明的有益效果为：
本发明方法在面向GEO分布式星群组网通信需求进行多星共位时，隔离策略控制简单，每颗卫星保持独立控制，能够有效保证星间安全距离，星间相对角度变化较小，有利于建立稳定的星间通信链路，并且可以实现构形的高精度保持和按需变化。
附图说明
图1为本发明中的完全平经度隔离多星共位示意图；
图2为本发明中的多星共位初始化控制示意图；
图3为本发明中的多星共位保形控制示意图。
具体实施方式
为了更好的了解本发明内容，这里给出一个实施例。图1为本发明中的完全平经度隔离多星共位示意图；图2为本发明中的多星共位初始化控制示意图；图3为本发明中的多星共位保形控制示意图。
本发明公开了一种面向GEO分布式星群组网通信需求的多星共位方法，其具体步骤包括：
S1，GEO分布式星群包括位于同一轨位的5颗卫星，GEO分布式星群中的5颗卫星按其共位位置，从东向西依次记为Sat1、Sat2、Sat3、Sat4、Sat5，按照Sat3、Sat2和Sat 4、Sat1和Sat 5的先后顺序依次对各个卫星进行定点，5颗卫星采用完全平经度偏置隔离方法共位于地球同步轨道的同一轨位上；星群的共位控制由地面测控中心和卫星平台姿态控制系统、星间测量系统共同完成；定点指通过控制方法，使卫星运动到指定的GEO轨道位置的过程；
所述的5颗卫星采用完全平经度偏置隔离方法共位于地球同步轨道的同一轨位上，其具体是，将整个轨位的保持范围经度划分为5个保持区域，每个卫星占用一个保持区域，通过重叠的平经度漂移环使5颗共位卫星在卫星轨道的切线方向上产生隔离距离；
采用初始化控制、保形控制和重构控制方法，实现卫星构形的高精度保持和快速按需变化。
S2，GEO分布式星群中的卫星采用星地大回路控制方法，进行星群构形的初始化控制，形成初始的星群构形；
S3，星群构形的形成初期，采用星地大回路控制方法，每天定期对GEO分布式星群中的卫星进行保形控制，以克服轨道漂移造成的星群构形差异；
S4，星群构形保持一段时间之后，当控制策略、推力器状态得到在轨充分验证时，通过星地测控信道向各个卫星注入遥控参数，星群保形控制转为采用星上自主控制方式，每天定期对GEO分布式星群中的卫星进行保形控制，克服轨道漂移造成的卫星构形差异；
S5，当出现新任务需要星群重新构形，或星群在防碰撞规避控制之后需要构形恢复时，采用星地大回路控制方法对星群进行重构控制，将星群重构为满足新任务需要的新构形。
所述的步骤S2，其具体包括：
S21，在星地大回路控制方式下，地面测控中心完成对构形控制策略的计算和确认，根据构形控制策略生成遥控参数，并利用星地测控信道将遥控参数上注到卫星，卫星根据遥控参数执行具体的控制动作；
S22，进行星群构形的初始化控制时，地面测控中心首先通过星地大回路控制方法，控制卫星Sat3运动到预定的同步轨道定点位置；
S23，地面测控中心通过星地大回路控制方法，控制紧邻卫星Sat3的卫星Sat2和卫星Sat4的定点过程，使卫星Sat2和卫星Sat4分别定点于卫星Sat3的东西两侧0.05°的经度范围内；
S24，卫星Sat2、Sat3、Sat4启动星间测量系统对星间距离进行监测，针对卫星Sat2、Sat3、Sat4制定卫星轨道调整策略，卫星轨道调整策略包括各卫星的控制时刻和卫星的喷气时间长度，并根据卫星轨道调整策略对卫星Sat2、Sat3、Sat4实施轨道调整，在制定卫星轨道调整策略时，需要考虑卫星轨道偏心率的影响和卫星之间的防碰撞要求，每颗卫星的位置经度范围保持在±0.01°范围内，卫星轨道偏心率e≤2×10-5，卫星轨道倾角i≤0.01°；在实施轨道调整时，对卫星轨道长半轴和偏心率的周期摄动进行控制；
S25，地面测控中心通过星地大回路控制方法，控制紧邻卫星Sat2的卫星Sat1的轨道定点过程，使卫星Sat1定点于卫星Sat2的东侧0.05°经度范围内；
S26，卫星Sat1启动星间测量系统对星间距离进行监测，针对卫星Sat1制定卫星轨道调整策略，并根据卫星轨道调整策略对卫星Sat1实施轨道调整；
S27，地面测控中心通过星地大回路控制方法，控制紧邻卫星Sat4的卫星Sat5的轨道定点过程，使卫星Sat5定点于卫星Sat4的西侧0.05°经度范围内；
S28，卫星Sat5启动星间测量系统对星间距离进行监测，针对卫星Sat5制定卫星轨道调整策略，并根据卫星轨道调整策略对卫星Sat5实施轨道调整；
S29，开启卫星Sat1、Sat2、Sat3、Sat4和Sat5上的有效载荷，建立GEO分布式星群的星间通信链路。
所述的卫星轨道调整策略包括各卫星的控制时刻和卫星的喷气时间长度，在制定卫星轨道调整策略时，需要考虑卫星轨道偏心率的影响和卫星之间的防碰撞要求，并确保每颗卫星的位置经度范围保持在±0.01°范围内，卫星轨道偏心率e≤2×10-5，卫星轨道倾角i≤0.01°；在实施轨道调整时，对卫星轨道长半轴和偏心率的周期摄动进行控制。
所述的步骤S3，其具体包括，
S31，在星上自主控制方式下，由各卫星的卫星平台姿态控制系统自主完成星群构形确定、构形控制策略生成和控制动作执行，卫星平台姿态控制系统自主监控其控制过程中的卫星状态变化，不需要地面的干预；
S32，在启动保形控制时，各卫星的卫星平台姿态控制系统根据卫星自主导航数据确定当前星群构形状态，并计算当前星群构形与期望的星群构形之间的星群构形参数修正量，其中星群构形参数包括GEO分布式星群的各卫星之间的距离、各卫星的轨道参数；
S33，各卫星的卫星平台姿态控制系统根据构形参数修正量判断自身卫星是否需要实施保形控制，若需要对卫星实施保形控制，则计算对应的喷气控制指令序列，包括控制时刻和喷气时间长度，从而进一步形成卫星轨道调整策略；若不需要对卫星实施保形控制，则跳到步骤S35；
S34，需要实施保形控制的卫星根据卫星轨道调整策略，执行自身的喷气控制指令序列，选择其对应的推力器，完成喷气控制，通过喷气控制产生的控制推力改变自身的轨道；
S35，GEO分布式星群中实施保形控制的卫星的轨道发生改变后，各卫星上的自主导航模块经过计算，解算出保形控制后的星群构形参数，从而判断保形控制后的星群构形参数修正量是否小于保形控制阈值；若保形控制后的星群构形参数修正量小于保形控制阈值，则完成保形控制；若保形控制后的星群构形参数修正量不小于保形控制阈值，则回到步骤S32。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (5)
1.一种面向GEO分布式星群组网通信需求的多星共位方法，其特征在于，其具体步骤包括：
S1，GEO分布式星群包括位于同一轨位的5颗卫星，GEO分布式星群中的5颗卫星按其共位位置，从东向西依次记为Sat1、Sat2、Sat3、Sat4、Sat5，按照Sat3、Sat2和Sat 4、Sat 1和Sat 5的先后顺序依次对各个卫星进行定点，5颗卫星采用完全平经度偏置隔离方法共位于地球同步轨道的同一轨位上；GEO分布式星群的共位控制由地面测控中心和卫星平台姿态控制系统、星间测量系统共同完成；
S2，GEO分布式星群中的卫星采用星地大回路控制方法，进行星群构形的初始化控制，形成初始的星群构形；
S3，星群构形的形成初期，采用星地大回路控制方法，每天定期对GEO分布式星群中的卫星进行保形控制，以克服轨道漂移造成的星群构形差异；
S4，星群构形保持一段时间之后，当控制策略、推力器状态得到在轨充分验证时，通过星地测控信道向各个卫星注入遥控参数，星群保形控制转为采用星上自主控制方式，每天定期对GEO分布式星群中的卫星进行保形控制，克服轨道漂移造成的卫星构形差异；
S5，当出现新任务需要星群重新构形，或星群在防碰撞规避控制之后需要构形恢复时，采用星地大回路控制方法对星群进行重构控制，将星群重构为满足新任务需要的新构形；
所述的5颗卫星采用完全平经度偏置隔离方法共位于地球同步轨道的同一轨位上，其具体是，将整个轨位的保持范围经度划分为5个保持区域，每个卫星占用一个保持区域，通过重叠的平经度漂移环使5颗共位卫星在卫星轨道的切线方向上产生隔离距离。
2.如权利要求1所述的面向GEO分布式星群组网通信需求的多星共位方法，其特征在于，
所述的步骤S2，其具体包括：
S21，在星地大回路控制方式下，地面测控中心完成对构形控制策略的计算和确认，根据构形控制策略生成遥控参数，并利用星地测控信道将遥控参数上注到卫星，卫星根据遥控参数执行具体的控制动作；
S22，进行星群构形的初始化控制时，地面测控中心首先通过星地大回路控制方法，控制卫星Sat3运动到预定的同步轨道定点位置；
S23，地面测控中心通过星地大回路控制方法，控制紧邻卫星Sat3的卫星Sat2和卫星Sat4的定点过程，使卫星Sat2和卫星Sat4分别定点于卫星Sat3的东西两侧0.05°的经度范围内；
S24，卫星Sat2、Sat3、Sat4启动星间测量系统对星间距离进行监测，针对卫星Sat2、Sat3、Sat4制定卫星轨道调整策略，并根据卫星轨道调整策略对卫星Sat2、Sat3、Sat4实施轨道调整；
S25，地面测控中心通过星地大回路控制方法，控制紧邻卫星Sat2的卫星Sat1的轨道定点过程，使卫星Sat1定点于卫星Sat2的东侧0.05°经度范围内；
S26，卫星Sat1启动星间测量系统对星间距离进行监测，针对卫星Sat1制定卫星轨道调整策略，并根据卫星轨道调整策略对卫星Sat1实施轨道调整；
S27，地面测控中心通过星地大回路控制方法，控制紧邻卫星Sat4的卫星Sat5的轨道定点过程，使卫星Sat5定点于卫星Sat4的西侧0.05°经度范围内；
S28，卫星Sat5启动星间测量系统对星间距离进行监测，针对卫星Sat5制定卫星轨道调整策略，并根据卫星轨道调整策略对卫星Sat5实施轨道调整；
S29，开启卫星Sat1、Sat2、Sat3、Sat4和Sat5上的有效载荷，建立GEO分布式星群的星间通信链路。
3.如权利要求2所述的面向GEO分布式星群组网通信需求的多星共位方法，其特征在于，
所述的卫星轨道调整策略包括各卫星的控制时刻和卫星的喷气时间长度，在制定卫星轨道调整策略时，需要考虑卫星轨道偏心率的影响和卫星之间的防碰撞要求，并确保每颗卫星的位置经度范围保持在±0.01°范围内，卫星轨道偏心率e≤2×10-5，卫星轨道倾角i≤0.01°；在实施轨道调整时，对卫星轨道长半轴和偏心率的周期摄动进行控制。
4.如权利要求1所述的面向GEO分布式星群组网通信需求的多星共位方法，其特征在于，
所述的步骤S3，其具体包括，
S31，在星上自主控制方式下，由各卫星的卫星平台姿态控制系统自主完成星群构形确定、构形控制策略生成和控制动作执行，卫星平台姿态控制系统自主监控其控制过程中的卫星状态变化；
S32，在启动保形控制时，各卫星的卫星平台姿态控制系统根据卫星自主导航数据确定当前星群构形状态，并计算当前星群构形与期望的星群构形之间的星群构形参数修正量；
S33，各卫星的卫星平台姿态控制系统根据构形参数修正量判断自身卫星是否需要实施保形控制，若需要对卫星实施保形控制，则计算对应的喷气控制指令序列，包括控制时刻和喷气时间长度，从而进一步形成卫星轨道调整策略；若不需要对卫星实施保形控制，则跳到步骤S35；
S34，需要实施保形控制的卫星根据卫星轨道调整策略，执行自身的喷气控制指令序列，选择其对应的推力器，完成喷气控制，通过喷气控制产生的控制推力改变自身的轨道；
S35，GEO分布式星群中实施保形控制的卫星的轨道发生改变后，各卫星上的自主导航模块经过计算，解算出保形控制后的星群构形参数，从而判断保形控制后的星群构形参数修正量是否小于保形控制阈值；若保形控制后的星群构形参数修正量小于保形控制阈值，则完成保形控制；若保形控制后的星群构形参数修正量不小于保形控制阈值，则回到步骤S32。
5.如权利要求4所述的面向GEO分布式星群组网通信需求的多星共位方法，其特征在于，所述的星群构形参数包括GEO分布式星群的各卫星之间的距离、各卫星的轨道参数。
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