一種重點(diǎn)區(qū)域按需覆蓋的全球通信星座設(shè)計(jì)方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)屬于衛(wèi)星通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種重點(diǎn)區(qū)域按需覆蓋的全球通信星座設(shè)計(jì)方法。具體為該星座包括若干個(gè)沿赤道均勻分布的軌道平面，每個(gè)軌道平面上僅有一顆衛(wèi)星。衛(wèi)星的軌道周期為地球自轉(zhuǎn)周期的整數(shù)分之一，星座中所有衛(wèi)星的星下點(diǎn)軌跡重合。通過調(diào)整星座的回歸周期、軌道傾角、偏心率、近地點(diǎn)幅角、第一顆衛(wèi)星的升交點(diǎn)地理經(jīng)度和平近點(diǎn)角等設(shè)計(jì)參數(shù)，星座能夠根據(jù)任務(wù)需要，按需對(duì)重點(diǎn)區(qū)域提供高仰角的通信覆蓋服務(wù)。本發(fā)明專利技術(shù)方法設(shè)計(jì)的星座能實(shí)現(xiàn)區(qū)域覆蓋，通過調(diào)整星座設(shè)計(jì)參數(shù)即可針對(duì)南/北半球的特定區(qū)域提供星下點(diǎn)軌跡重復(fù)、高仰角的通信服務(wù)，使達(dá)到覆蓋要求所需的衛(wèi)星數(shù)目減少，空間和地面系統(tǒng)的復(fù)雜性也較低，因而系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于衛(wèi)星通信
，尤其涉及一種重點(diǎn)區(qū)域按需覆蓋的全球通信星座設(shè)計(jì)方法。
技術(shù)介紹
近二十多年來，衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)展迅猛，受到了世界各國的廣泛關(guān)注。在已有的通信系統(tǒng)中，美國的“銥星”(Iridium)系統(tǒng)能夠?yàn)槿蛱峁o線移動(dòng)通信服務(wù)，該系統(tǒng)由6個(gè)軌道面上的66顆衛(wèi)星構(gòu)成，軌道高度為785km，軌道傾角為86.4度。美國的“全球星”(Global Star)系統(tǒng)能夠?yàn)槟?北緯70度以內(nèi)的區(qū)域提供無縫隙的移動(dòng)通信服務(wù)，該星座由分布在8個(gè)軌道面上的48顆衛(wèi)星構(gòu)成，軌道高度為1414km，軌道傾角為45度。“銥星”和“全球星”等系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于可以覆蓋地球上的絕大部分地區(qū)并提供較低的通訊延遲，但是低軌全球星座高昂的發(fā)射和維護(hù)成本使其并不適用于區(qū)域覆蓋任務(wù)，此外低軌道衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)速度快，衛(wèi)星間或載波間切換頻繁，導(dǎo)致系統(tǒng)控制復(fù)雜、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)大。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
為了解決上述問題，本專利技術(shù)提出了一種重點(diǎn)區(qū)域按需覆蓋的全球通信星座設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述方法的步驟為(1)確定期望的按需覆蓋區(qū)域，明確這些區(qū)域的地形特征；(2)確定星座的衛(wèi)星數(shù)量和軌道面數(shù)；共地面軌跡星座由n個(gè)軌道高度、軌道傾角相同的軌道面組成，n個(gè)軌道面沿赤道均勻分布，每個(gè)軌道面只有1顆衛(wèi)星；(3)根據(jù)覆蓋條帶寬度和通信延遲要求確定星座回歸周期1/j和軌道高度，j為回歸軌道設(shè)計(jì)參數(shù)；(4)根據(jù)期望按需覆蓋區(qū)域的地理緯度確定軌道傾角i；(5)根據(jù)期望高仰角覆蓋區(qū)域的地理分布、地形特征、期望高仰角時(shí)刻和同步衛(wèi)星干擾情況，分別確定衛(wèi)星偏心率e、近地點(diǎn)幅角ω以及第一顆衛(wèi)星的升交點(diǎn)地理經(jīng)度λ0和第一顆衛(wèi)星的平近點(diǎn)角M0；(6)調(diào)整星座中其余衛(wèi)星的升交點(diǎn)赤經(jīng)和平近點(diǎn)角，使得所有的衛(wèi)星具有相同的星下點(diǎn)軌跡；升交點(diǎn)赤經(jīng)差為ΔΩ＝|Ω1-Ω2|，其中Ω1和Ω2分別表示相鄰兩個(gè)軌道面的升交點(diǎn)赤經(jīng)，ΔM表示衛(wèi)星2滯后于衛(wèi)星1的相位，如果地球自轉(zhuǎn)ΔΩ的時(shí)間和衛(wèi)星2在其軌道平面上運(yùn)行ΔM的時(shí)間相同，則衛(wèi)星1和衛(wèi)星2具有相同的星下點(diǎn)軌跡。共地面軌跡星座中所有衛(wèi)星的軌道高度、偏心率、傾角和近地點(diǎn)幅角都相同。軌道面的數(shù)量n決定了地面重訪間隔，提高n能縮小地面重訪間隔。所述星座回歸周期小于地球自轉(zhuǎn)周期時(shí)，星下點(diǎn)軌跡為重復(fù)的曲線；當(dāng)回歸周期等于地球自轉(zhuǎn)周期時(shí)，星下點(diǎn)軌跡為一個(gè)靜止的8字形狀，進(jìn)一步當(dāng)軌道傾角i＝0°時(shí)，衛(wèi)星的星下點(diǎn)軌跡退化為一個(gè)點(diǎn)；通過調(diào)整星座回歸周期，增強(qiáng)星座覆蓋范圍或者降低星座通信延遲。所述軌道傾角i決定了衛(wèi)星能夠覆蓋的緯度范圍，軌道傾角越大，則星座能夠按需覆蓋的緯度范圍越廣。所述衛(wèi)星偏心率e和近地點(diǎn)幅角ω決定了星座星下點(diǎn)軌跡的形狀，和星座對(duì)南/北半球覆蓋的占空比，只有當(dāng)e≠0時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)近地點(diǎn)幅角ω，e和ω的不同取值將使得星下點(diǎn)軌跡傾斜方向和程度發(fā)生改變。所述第一顆衛(wèi)星的升交點(diǎn)地理經(jīng)度λ0和第一顆衛(wèi)星的平近點(diǎn)角M0不影響星下點(diǎn)軌跡的形狀，調(diào)整λ0能夠使得星下點(diǎn)軌跡沿著赤道平行移動(dòng)，調(diào)整M0能夠改變衛(wèi)星在星下點(diǎn)軌跡上的相位；通過更改星座中第一顆衛(wèi)星的升交點(diǎn)地理經(jīng)度λ0，能使目標(biāo)區(qū)域位于星座的高仰角覆蓋區(qū)域之內(nèi)，并避開發(fā)生頻率沖突的地球同步軌道衛(wèi)星。有益效果本專利技術(shù)方法設(shè)計(jì)的星座能實(shí)現(xiàn)區(qū)域覆蓋，通過調(diào)整星座設(shè)計(jì)參數(shù)即可針對(duì)南/北半球的特定區(qū)域提供星下點(diǎn)軌跡重復(fù)、高仰角的通信服務(wù)。此外共軌跡星座使得達(dá)到覆蓋要求所需的衛(wèi)星數(shù)目大大減少，空間和地面系統(tǒng)的復(fù)雜性也相對(duì)較低，因而系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)。附圖說明圖1本專利技術(shù)方法的步驟流程圖；圖2衛(wèi)星軌道根數(shù)示意圖；圖3共地面軌跡星座中兩相鄰軌道面上衛(wèi)星的空間幾何關(guān)系示意圖；圖4a-4h分別為1～8個(gè)軌道面及衛(wèi)星數(shù)的星下點(diǎn)軌跡；圖5圓軌道衛(wèi)星覆蓋幾何關(guān)系示意圖；圖6a-6h分別為回歸周期為1、1/2、1/3、1/4、1/5、1/6、1/7和1/8恒星日時(shí)星座的星下點(diǎn)軌跡和高仰角覆蓋區(qū)域，其中仰角為60度；圖7a-7f分別為軌道傾角為0°、20°、40°、60°、80°和90°情況下星座的星下點(diǎn)軌跡和高仰角覆蓋區(qū)域仿真圖；圖8a-8h分別為偏心率為0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6和0.7的情況下星座的星下點(diǎn)軌跡和高仰角覆蓋區(qū)域仿真圖；圖9a-9h分別為近地點(diǎn)幅角為0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°時(shí)星座的星下點(diǎn)軌跡和高仰角覆蓋區(qū)域；圖10a-10d分別為第一顆衛(wèi)星升交點(diǎn)地理經(jīng)度λ0為0°、30°、60°、90°時(shí)星座高仰角覆蓋區(qū)域的變化情況；圖11a-11d分別為第一顆衛(wèi)星的平近點(diǎn)角M0為0°、30°、60°、90°時(shí)星座在星下點(diǎn)軌跡上的相位的變化情況。具體實(shí)施方式本專利技術(shù)提出了一種重點(diǎn)區(qū)域按需覆蓋的全球通信星座設(shè)計(jì)方法，圖1本專利技術(shù)方法的步驟流程圖，該方法所設(shè)計(jì)的星座能夠?yàn)槟?北半球的特定區(qū)域提供高仰角的通信覆蓋服務(wù)。在介紹本專利技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法之前，首先在地心慣性系下定義描述衛(wèi)星狀態(tài)的軌道6根數(shù)，參見圖2，各軌道根數(shù)及其作用如下：(1)軌道形狀參數(shù)a和e：a為軌道半長(zhǎng)軸，e為軌道偏心率。(2)軌道平面參數(shù)i和Ω：i為軌道傾角，Ω為升交點(diǎn)赤經(jīng)，即在X-Y平面內(nèi)從X軸到升交點(diǎn)轉(zhuǎn)過的角度。(3)拱線定向參數(shù)ω：ω為近地點(diǎn)幅角，即在軌道平面內(nèi)從升交點(diǎn)到近地點(diǎn)轉(zhuǎn)過的角度。(4)衛(wèi)星相位參數(shù)θ或M：θ為真近點(diǎn)角，即在軌道平面內(nèi)從近地點(diǎn)到衛(wèi)星轉(zhuǎn)過的角度；θ也可用平近點(diǎn)角M表示。本專利技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法如下：共地面軌跡星座由n個(gè)軌道高度和傾角相同的軌道面組成，n個(gè)軌道面沿赤道均勻分布，即相鄰兩軌道面的升交點(diǎn)赤經(jīng)差為ΔΩ＝2π/n，每個(gè)軌道面只有1顆衛(wèi)星。通過調(diào)整相鄰軌道面之間的升交點(diǎn)赤經(jīng)差和相鄰軌道面上衛(wèi)星的相位差，使得所有的衛(wèi)星具有相同的星下點(diǎn)軌跡。圖3展示了共地面軌跡座中相鄰軌道面上衛(wèi)星的空間幾何關(guān)系示意圖，其中Ω1和Ω2分別表示相鄰軌道面的升交點(diǎn)赤經(jīng)，升交點(diǎn)赤經(jīng)差為ΔΩ＝|Ω1-Ω2|，ΔM表示衛(wèi)星2滯后于衛(wèi)星1的相位，如果地球自轉(zhuǎn)ΔΩ的時(shí)間和衛(wèi)星2在其軌道平面上運(yùn)行ΔM的時(shí)間相同，則衛(wèi)星1和衛(wèi)星2具有相同的星下點(diǎn)軌跡。假設(shè)衛(wèi)星在1個(gè)恒星日內(nèi)圍繞地球旋轉(zhuǎn)j圈后星下點(diǎn)軌跡重復(fù)，即衛(wèi)星的回歸周期為1/j恒星日。那么共地面軌跡星座中相鄰軌道面衛(wèi)星應(yīng)滿足的條件為 Δ Ω Δ M = - ω e ω s = - 1 j - - - ( 1 ) ]]>共地面軌跡星座的設(shè)計(jì)參數(shù)可表示為n,j,i,e,ω,λ0,M0 (2)其中n為星座中軌道面及衛(wèi)星的數(shù)量，通過n可計(jì)算得到相鄰軌道面的升交點(diǎn)赤經(jīng)差ΔΩ。j為回歸軌道設(shè)計(jì)參數(shù)，1/j為回歸軌道周期，根據(jù)回歸周期可計(jì)算得到軌道半長(zhǎng)軸a，對(duì)于圓軌道可得到一組離散的衛(wèi)星軌道高度，根據(jù)j和ΔΩ可計(jì)算得到相鄰軌道面上衛(wèi)星的相位差ΔM。本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種重點(diǎn)區(qū)域按需覆蓋的全球通信星座設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述方法的步驟為(1)確定期望的按需覆蓋區(qū)域，明確這些區(qū)域的地形特征；(2)確定星座的衛(wèi)星數(shù)量和軌道面數(shù)；共地面軌跡星座由n個(gè)軌道高度、軌道傾角相同的軌道面組成，n個(gè)軌道面沿赤道均勻分布，每個(gè)軌道面只有1顆衛(wèi)星；(3)根據(jù)覆蓋條帶寬度和通信延遲要求確定星座回歸周期1/j和軌道高度，j為回歸軌道設(shè)計(jì)參數(shù)；(4)根據(jù)期望按需覆蓋區(qū)域的地理緯度確定軌道傾角i；(5)根據(jù)期望高仰角覆蓋區(qū)域的地理分布、地形特征、期望高仰角時(shí)刻和同步衛(wèi)星干擾情況，分別確定衛(wèi)星偏心率e、近地點(diǎn)幅角ω以及第一顆衛(wèi)星的升交點(diǎn)地理經(jīng)度λ0和第一顆衛(wèi)星的平近點(diǎn)角M0；(6)調(diào)整星座中其余衛(wèi)星的升交點(diǎn)赤經(jīng)和平近點(diǎn)角，使得所有的衛(wèi)星具有相同的星下點(diǎn)軌跡；升交點(diǎn)赤經(jīng)差為ΔΩ＝|Ω1?Ω2|，其中Ω1和Ω2分別表示相鄰兩個(gè)軌道面的升交點(diǎn)赤經(jīng)，ΔM表示衛(wèi)星2滯后于衛(wèi)星1的相位，如果地球自轉(zhuǎn)ΔΩ的時(shí)間和衛(wèi)星2在其軌道平面上運(yùn)行ΔM的時(shí)間相同，則衛(wèi)星1和衛(wèi)星2具有相同的星下點(diǎn)軌跡。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種重點(diǎn)區(qū)域按需覆蓋的全球通信星座設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述方法的步驟為(1)確定期望的按需覆蓋區(qū)域，明確這些區(qū)域的地形特征；(2)確定星座的衛(wèi)星數(shù)量和軌道面數(shù)；共地面軌跡星座由n個(gè)軌道高度、軌道傾角相同的軌道面組成，n個(gè)軌道面沿赤道均勻分布，每個(gè)軌道面只有1顆衛(wèi)星；(3)根據(jù)覆蓋條帶寬度和通信延遲要求確定星座回歸周期1/j和軌道高度，j為回歸軌道設(shè)計(jì)參數(shù)；(4)根據(jù)期望按需覆蓋區(qū)域的地理緯度確定軌道傾角i；(5)根據(jù)期望高仰角覆蓋區(qū)域的地理分布、地形特征、期望高仰角時(shí)刻和同步衛(wèi)星干擾情況，分別確定衛(wèi)星偏心率e、近地點(diǎn)幅角ω以及第一顆衛(wèi)星的升交點(diǎn)地理經(jīng)度λ0和第一顆衛(wèi)星的平近點(diǎn)角M0；(6)調(diào)整星座中其余衛(wèi)星的升交點(diǎn)赤經(jīng)和平近點(diǎn)角，使得所有的衛(wèi)星具有相同的星下點(diǎn)軌跡；升交點(diǎn)赤經(jīng)差為ΔΩ＝|Ω1-Ω2|，其中Ω1和Ω2分別表示相鄰兩個(gè)軌道面的升交點(diǎn)赤經(jīng)，ΔM表示衛(wèi)星2滯后于衛(wèi)星1的相位，如果地球自轉(zhuǎn)ΔΩ的時(shí)間和衛(wèi)星2在其軌道平面上運(yùn)行ΔM的時(shí)間相同，則衛(wèi)星1和衛(wèi)星2具有相同的星下點(diǎn)軌跡。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種重點(diǎn)區(qū)域按需覆蓋的全球通信星座設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述共地面軌跡星座中所有衛(wèi)星的軌道高度、衛(wèi)星偏心率e、軌道傾角i和近地點(diǎn)幅角ω都相同。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種重點(diǎn)區(qū)域按需覆蓋的全球通信星座設(shè)計(jì)方法，其特征在于，軌道面的數(shù)量n決定了地...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：靳瑾，晏堅(jiān)，匡麟玲，張晨，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：清華大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：北京;11