本發(fā)明屬于混合星座優(yōu)化設(shè)計(jì)
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種低軌通信和導(dǎo)航增強(qiáng)混合星座的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
：衛(wèi)星通信系統(tǒng)按照其覆蓋情況分為區(qū)域系統(tǒng)和全球系統(tǒng)。目前，利用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球?qū)崟r(shí)通信有兩種方案：(1)利用3顆(或3顆以上)GEO衛(wèi)星基本實(shí)現(xiàn)全球?qū)崟r(shí)通信。(2)利用MEO、LEO衛(wèi)星組成全球星座實(shí)現(xiàn)全球通信。MEO衛(wèi)星高度在20000km左右，而LEO衛(wèi)星高度在700～1500km之間。由一定數(shù)量的MEO、LEO衛(wèi)星組成的星座可為全球提供不間斷的實(shí)時(shí)通信，如銥星系統(tǒng)星座由66顆高度約為780km的衛(wèi)星組成，衛(wèi)星分布在6個(gè)軌道面上；全球星系統(tǒng)星座由48顆高度約為1414km的衛(wèi)星組成，衛(wèi)星分布在8個(gè)軌道平面上，兩種系統(tǒng)都能夠?qū)崿F(xiàn)全球?qū)崟r(shí)通信。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以在全球范圍內(nèi)為用戶提供全天候的、連續(xù)精確的位置、速度和時(shí)間信息，具有巨大的軍事和經(jīng)濟(jì)效益，引起了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。目前已經(jīng)在軌并提供服務(wù)的導(dǎo)航星座包括：美國(guó)的GPS系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)和中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。目前正在建設(shè)中的導(dǎo)航星座包括：歐盟的Galileo系統(tǒng)、印度的IRNSS區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)以及日本的QZSS準(zhǔn)天頂衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。低軌通信和導(dǎo)航增強(qiáng)混合星座的優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)星座參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化的過程，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，使服務(wù)區(qū)獲得最優(yōu)的星座性能，滿足成本和性能的約束。在目前的導(dǎo)航星座設(shè)計(jì)中，考慮的邊界約束條件主要是星座的覆蓋性能、導(dǎo)航精度等，例如《采用遺傳算法的低軌區(qū)域通信星座優(yōu)化設(shè)計(jì)》(酈蘇丹等，通信學(xué)報(bào)，2005年8月第26卷第8期)、《低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座設(shè)計(jì)與性能仿真》(劉紹奎等，全球定位系統(tǒng)，2014年6月第39卷第3期)、《衛(wèi)星星座協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)研究》(常輝，華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文，2012年12月)、《非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)和星際鏈接研究》(吳廷勇，電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文，2008年1月)、《非靜止軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究》(劉剛，電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文，2003年12月)、《多層衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析》(肖楠等，現(xiàn)代防御技術(shù)，2012年6月第40卷第3期)、《基于LEO極軌道星座的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法研究》(段思睿，北京郵電大學(xué)博士學(xué)位論文，2014年6月)、《衛(wèi)星星座一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)研究》(范麗，國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士學(xué)位論文，2006年3月)、《基于遺傳算法的衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)》(曾喻江，華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文，2007年4月)、《近地軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)時(shí)的軌道模型》(白鶴峰等，國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1999年第21卷，第2期)?，F(xiàn)有低軌通信星座和導(dǎo)航星座大部分均為分別設(shè)計(jì)，方法所考慮的邊界約束條件數(shù)量有限，導(dǎo)致所設(shè)計(jì)的星座工作性能有限，而且針對(duì)利用低軌星座同時(shí)進(jìn)行衛(wèi)星通信和增強(qiáng)中軌導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的研究較少，缺乏這種特殊應(yīng)用下的混合星座優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明提供一種低軌通信和導(dǎo)航增強(qiáng)混合星座的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，在低軌通信和導(dǎo)航增強(qiáng)混合星座設(shè)計(jì)過程中，還考慮混合星座中兩個(gè)衛(wèi)星星座的兼容性、初始升交點(diǎn)赤經(jīng)選擇等問題，由此設(shè)計(jì)的星座具有較好的工作性能，能夠同時(shí)滿足低軌衛(wèi)星通信和增強(qiáng)中軌導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的需求。本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：本發(fā)明提供一種低軌通信和導(dǎo)航增強(qiáng)混合星座的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：步驟1：確定混合星座中每個(gè)衛(wèi)星的衛(wèi)星軌道類型為圓形軌道，其偏心率e＝0，近地點(diǎn)幅角ω＝0；步驟2：初步確定衛(wèi)星軌道高度，包括：步驟2.1：確定混合星座中每個(gè)衛(wèi)星的第一備選軌道集合；其中，第一備選軌道集合為符合設(shè)計(jì)需求的軌道高度范圍；步驟2.2：對(duì)第一備選軌道集合進(jìn)一步優(yōu)選，得到由若干個(gè)軌道高度值組成的第二備選軌道集合；步驟3：綜合考慮當(dāng)?shù)氐匦螌?dǎo)致的觀測(cè)障礙因素，根據(jù)用戶需求確定最小觀測(cè)仰角；步驟4：判斷混合星座設(shè)計(jì)過程中是否需要考慮進(jìn)動(dòng)的影響，當(dāng)需要考慮進(jìn)動(dòng)影響時(shí)，根據(jù)進(jìn)動(dòng)速度相同的條件，確定混合星座構(gòu)型為兩個(gè)Walker星座混合，然后執(zhí)行步驟5；當(dāng)不需要考慮進(jìn)動(dòng)影響時(shí)，確定混合星座構(gòu)型為Walker星座和極軌星座，然后執(zhí)行步驟6；步驟5：根據(jù)用戶服務(wù)區(qū)緯度的需求以及所確定的混合星座構(gòu)型，選定軌道傾角范圍；對(duì)第一備選軌道集合的軌道高度范圍按預(yù)設(shè)間隔，軌道傾角范圍根據(jù)用戶需求設(shè)定，在該軌道高度范圍和軌道傾角范圍內(nèi)，分別計(jì)算不同軌道傾角和軌道高度下的軌道面進(jìn)動(dòng)速度，選擇進(jìn)動(dòng)速度相同的若干組軌道高度值和軌道傾角值；對(duì)于所選擇到的若干組軌道高度值和軌道傾角值，優(yōu)先選取軌道高度值屬于或接近第二備選軌道集合的若干組回歸軌道高度值和對(duì)應(yīng)的軌道傾角值；若沒有滿足第二備選軌道集合的軌道高度值，則不考慮第二備選軌道集合；然后執(zhí)行步驟7；步驟6：根據(jù)用戶服務(wù)區(qū)緯度的需求以及所確定的混合星座構(gòu)型，選定軌道傾角范圍；優(yōu)先選取軌道高度值屬于或接近第二備選軌道集合的若干組回歸軌道高度值；然后執(zhí)行步驟7；步驟7：確定混合星座中每個(gè)星座包含的衛(wèi)星數(shù)量范圍；步驟8：確定軌道面數(shù)與相位因子范圍；具體為：以步驟7確定的衛(wèi)星數(shù)量范圍為已知值，選擇覆蓋性能最優(yōu)的軌道面數(shù)與相位因子范圍；步驟9：分別優(yōu)化選取混合星座中每個(gè)星座的初始升交點(diǎn)赤經(jīng)范圍；具體優(yōu)化方法為：利用遺傳算法優(yōu)化選取混合星座中每個(gè)星座的初始升交點(diǎn)赤經(jīng)范圍；步驟10：當(dāng)考慮進(jìn)動(dòng)影響時(shí)，采用以下方法優(yōu)化選?。捍_定了每個(gè)混合星座的衛(wèi)星軌道類型、最小觀測(cè)仰角、衛(wèi)星數(shù)量范圍、軌道面數(shù)與相位因子范圍、初始升交點(diǎn)赤經(jīng)范圍、以及若干組成對(duì)的軌道高度值和軌道傾角值；則：按預(yù)設(shè)間隔，對(duì)最小觀測(cè)仰角、衛(wèi)星數(shù)量范圍、軌道面數(shù)與相位因子范圍、初始升交點(diǎn)赤經(jīng)范圍、以及若干組成對(duì)的軌道高度值和軌道傾角值進(jìn)行優(yōu)化選取，計(jì)算每組配置得到的混合星座參數(shù)所對(duì)應(yīng)的低軌通信和導(dǎo)航增強(qiáng)混合星座的覆蓋性能；當(dāng)優(yōu)化選取結(jié)束時(shí)，執(zhí)行步驟11；當(dāng)不考慮進(jìn)動(dòng)影響時(shí)，采用以下方法優(yōu)化選?。捍_定了每個(gè)混合星座的衛(wèi)星軌道類型、最小觀測(cè)仰角、衛(wèi)星數(shù)量范圍、軌道面數(shù)與相位因子范圍、初始升交點(diǎn)赤經(jīng)范圍、第二備選軌道集合和軌道傾角范圍；則：按預(yù)設(shè)間隔，對(duì)最小觀測(cè)仰角、衛(wèi)星數(shù)量范圍、軌道面數(shù)與相位因子范圍、初始升交點(diǎn)赤經(jīng)范圍、第二備選軌道集合和軌道傾角范圍進(jìn)行優(yōu)化選取，計(jì)算每組配置得到的混合星座參數(shù)所對(duì)應(yīng)的低軌通信和導(dǎo)航增強(qiáng)混合星座的覆蓋性能；當(dāng)優(yōu)化選取結(jié)束時(shí)，執(zhí)行步驟11；步驟11：選擇混合星座覆蓋性能最優(yōu)的混合星座參數(shù)，作為最終設(shè)計(jì)得到的混合星座參數(shù)值。優(yōu)選的，步驟2.1中，第一備選軌道集合通過以下方法設(shè)計(jì)得到：根據(jù)空間輻射環(huán)境影響篩選備選軌道，得到符合設(shè)定軌道高度范圍的第一備選軌道集合。優(yōu)選的，空間輻射環(huán)境影響包括：地球輻射帶范艾倫帶、內(nèi)輻射帶a1∈[2000,8000]km和外輻射帶a2∈[15000,20000]km；為避免范艾倫帶的干擾，且設(shè)計(jì)的星座為低軌星座，所確定的第一備選軌道集合為衛(wèi)星軌道高度范圍為700～1500km的集合。優(yōu)選的，步驟2.2中，對(duì)第一備選軌道集合進(jìn)一步篩選，得到由若干個(gè)軌道高度值組成的第二備選軌道集合，具體為：根據(jù)軌道回歸特性和避免共振軌道要求對(duì)第一備選軌道集合進(jìn)一步篩選，得到第二備選軌道集合。優(yōu)選的，根據(jù)軌道回歸特性和避免共振軌道要求對(duì)第一備選軌道集合進(jìn)一步篩選，得到第二備選軌道集合，具體為：步驟2.2.1，運(yùn)用回歸條件估算得到衛(wèi)星的回歸圈數(shù)n，包括：步驟2.2.1.1，根據(jù)開普勒定理，可得衛(wèi)星運(yùn)行周期Ts與軌道高度a關(guān)系為Ts=2π(Re+a)3μ---(2)]]>其中，地球半徑Re＝6378.137km，地球引力常數(shù)μ＝398601.58km3/s2；步驟2.2.1.2，步驟2.1確定的第一備選軌道集合為軌道高度范圍，代入公式(2)，從而確定衛(wèi)星運(yùn)行周期Ts的范圍；步驟2.2.1.3，根據(jù)衛(wèi)星運(yùn)行周期Ts與地球自轉(zhuǎn)周期Te的關(guān)系，即公式(3)，可以得到k/n的取值范圍；Ts/Te＝k/n(3)其中：k為回歸天數(shù)；n為回歸圈數(shù)；Ts為衛(wèi)星運(yùn)行周期；Te為地球自轉(zhuǎn)周期，Te＝86164s；步驟2.2.1.4，任意選取k的值，即可計(jì)算得到n的取值范圍，由于k和n均為整數(shù)，因此可得n的若干個(gè)值；步驟2.2.2，對(duì)于選取的k的值以及對(duì)應(yīng)得到的多個(gè)n的值，均執(zhí)行以下操作：步驟2.2.2.1，將選取的k的值以及n的值反代回公式(3)，得到衛(wèi)星運(yùn)行周期Ts；步驟2.2.2.2，將衛(wèi)星運(yùn)行周期Ts代入公式(2)，計(jì)算得到衛(wèi)星軌道高度a；因此，選取每一組k的值以及n的值，均可得到一個(gè)衛(wèi)星軌道高度a的值；不同的k的值以及對(duì)應(yīng)的n的值即可計(jì)算得到多個(gè)衛(wèi)星軌道高度，多個(gè)回歸軌道高度即組成第二備選軌道集合。優(yōu)選的，步驟5中，采用以下公式計(jì)算各個(gè)軌道傾角下軌道面的進(jìn)動(dòng)速度：Ω·=-3nJ22(1-e2)2(Rea)2cos(i)---(1)]]>—星座軌道面進(jìn)動(dòng)速度；n—星座軌道上衛(wèi)星的角速度；J2—地球非球形攝動(dòng)的二階帶諧項(xiàng)系數(shù)J2＝1.0826×10-3；e—星座軌道上衛(wèi)星的偏心率；Re—地球半徑；a—星座軌道上衛(wèi)星的軌道高度，為步驟2確定的軌道高度；i—星座軌道上衛(wèi)星的軌道傾角。本發(fā)明提供的低軌通信和導(dǎo)航增強(qiáng)混合星座的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)在星座軌道高度和軌道傾角的選擇過程中，綜合考慮了混合星座的功能和星座的進(jìn)動(dòng)特性，使設(shè)計(jì)的混合星座中的兩星座擁有相同的軌道面進(jìn)動(dòng)速度，從而提高星座間的兼容性，使兩星座能夠協(xié)同工作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)通信和導(dǎo)航增強(qiáng)兩種功能。(2)本發(fā)明涉及了星座設(shè)計(jì)方法、以及星座初始升交點(diǎn)赤經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，結(jié)合通信和導(dǎo)航增強(qiáng)星座設(shè)計(jì)各個(gè)階段需要考慮的因素，可以設(shè)計(jì)出滿足用戶需求、星座性能優(yōu)、衛(wèi)星數(shù)目少、而且星座間具有較好兼容互操作能力的低軌通信和導(dǎo)航增強(qiáng)混合星座。附圖說明圖1為本發(fā)明提供的低軌通信和導(dǎo)航增強(qiáng)混合星座的工程設(shè)計(jì)方法的流程示意圖；圖2為衛(wèi)星對(duì)地面的覆蓋示意圖；圖3為地球中心角二維示意圖；圖4為地球中心角三維示意圖；圖5為S>2λmax時(shí)同一軌道面相鄰兩顆衛(wèi)星的覆蓋情況示意圖；圖6為S<2λmax時(shí)同一軌道面相鄰兩顆衛(wèi)星的覆蓋情況示意圖；圖7為極軌星座構(gòu)型示意圖(從北極點(diǎn)觀察)。具體實(shí)施方式為了使本發(fā)明所解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。結(jié)合圖1，本發(fā)明提供一種低軌通信和導(dǎo)航增強(qiáng)混合星座的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：步驟1：確定混合星座中每個(gè)衛(wèi)星的衛(wèi)星軌道類型為圓形軌道，其偏心率e＝0，近地點(diǎn)幅角ω＝0；具體的，由于圓形軌道中衛(wèi)星軌道的高度、速度變化均較小，作為導(dǎo)航定位的衛(wèi)星也常是圓形軌道。由于受到J2攝動(dòng)的影響，當(dāng)?shù)蛙壭亲能壍纼A角不為64.43°或116.57°時(shí)，橢圓軌道將產(chǎn)生拱點(diǎn)漂移，僅使用與中高緯度地區(qū)，覆蓋范圍較小，不能夠?qū)崿F(xiàn)全球覆蓋。因此本發(fā)明選取混合星座為圓形軌道，偏心率e＝0，近地點(diǎn)幅角ω＝0。步驟2：初步確定衛(wèi)星軌道高度，包括：步驟2.1：確定混合星座中每個(gè)衛(wèi)星的第一備選軌道集合；其中，第一備選軌道集合為符合設(shè)計(jì)需求的軌道高度范圍；具體的，第一備選軌道集合通過以下方法設(shè)計(jì)得到：根據(jù)空間輻射環(huán)境影響篩選備選軌道，得到符合設(shè)定軌道高度范圍的第一備選軌道集合?？臻g輻射環(huán)境影響包括：地球輻射帶范艾倫帶、內(nèi)輻射帶a∈[2000,8000]km和外輻射帶a∈[15000,20000]km；為避免范艾倫帶的干擾，S2.1所確定的第一備選軌道集合中，各衛(wèi)星軌道高度范圍為700～1500km。步驟2.2：對(duì)第一備選軌道集合進(jìn)一步優(yōu)選，得到由若干個(gè)軌道高度值組成的第二備選軌道集合；為了便于衛(wèi)星的軌道控制和星座的長(zhǎng)期性能分析，從應(yīng)用角度出發(fā)，希望衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡具有周期重復(fù)性，星座設(shè)計(jì)通常選擇使用回歸軌道，即衛(wèi)星運(yùn)行周期與地球自轉(zhuǎn)周期成整數(shù)比。本步驟具體為：根據(jù)軌道回歸特性和避免共振軌道要求對(duì)第一備選軌道集合進(jìn)一步篩選，得到第二備選軌道集合，包括：步驟2.2.1，運(yùn)用回歸條件估算得到衛(wèi)星的回歸圈數(shù)n，包括：步驟2.2.1.1，根據(jù)開普勒定理，可得衛(wèi)星運(yùn)行周期Ts與軌道高度a關(guān)系為Ts=2π(Re+a)3μ---(2)]]>其中，地球半徑Re＝6378.137km，地球引力常數(shù)μ＝398601.58km3/s2；步驟2.2.1.2，步驟2.1確定的第一備選軌道集合為軌道高度范圍，即：700～1500km，代入公式(2)，從而確定衛(wèi)星運(yùn)行周期Ts的范圍；步驟2.2.1.3，根據(jù)衛(wèi)星運(yùn)行周期Ts與地球自轉(zhuǎn)周期Te的關(guān)系，即公式(3)，可以得到k/n的取值范圍；Ts/Te＝k/n(3)其中：k為回歸天數(shù)；n為回歸圈數(shù)；Ts為衛(wèi)星運(yùn)行周期；Te為地球自轉(zhuǎn)周期，Te＝86164s；步驟2.2.1.4，任意選取k的值，即可計(jì)算得到n的取值范圍，由于k和n均為整數(shù)，因此可得n的若干個(gè)值；步驟2.2.2，對(duì)于選取的k的值以及對(duì)應(yīng)得到的多個(gè)n的值，均執(zhí)行以下操作：步驟2.2.2.1，將選取的k的值以及n的值反代回公式(3)，得到衛(wèi)星運(yùn)行周期Ts；步驟2.2.2.2，將衛(wèi)星運(yùn)行周期Ts代入公式(2)，計(jì)算得到衛(wèi)星軌道高度a；因此，選取每一組k的值以及n的值，均可得到一個(gè)衛(wèi)星軌道高度a的值；不同的k的值以及對(duì)應(yīng)的n的值即可計(jì)算得到多個(gè)衛(wèi)星軌道高度，多個(gè)回歸軌道高度即組成第二備選軌道集合。參見表1，為計(jì)算得到的一組低軌星座回歸軌道的參數(shù)：表1低軌星座回歸軌道參數(shù)回歸天數(shù)/恒星日回歸圈數(shù)/圈軌道高度/km112，13，141666，1261，893225，27，291461，1070，725338，40，41，431381，1121，998，768步驟3：綜合考慮當(dāng)?shù)氐匦螌?dǎo)致的觀測(cè)障礙因素，根據(jù)用戶需求確定最小觀測(cè)仰角；覆蓋范圍隨著最大地球中心角λmax的變化是離散變化的，且與最小觀測(cè)仰角εmin和軌道高度有關(guān)；覆蓋面積隨著仰角增加而減小，這將導(dǎo)致需要的衛(wèi)星數(shù)量大大增多；如果εmin確定，那么軌道高度降低，覆蓋性能就會(huì)到達(dá)一個(gè)極限，必須要增加一個(gè)軌道面和n顆衛(wèi)星來提高覆蓋性能；綜合考慮當(dāng)?shù)氐匦螌?dǎo)致的觀測(cè)障礙等因素，根據(jù)用戶的需求確定最小觀測(cè)仰角。步驟4：判斷混合星座設(shè)計(jì)過程中是否需要考慮進(jìn)動(dòng)的影響，當(dāng)需要考慮進(jìn)動(dòng)影響時(shí)，根據(jù)進(jìn)動(dòng)速度相同的條件，確定混合星座構(gòu)型為兩個(gè)Walker星座混合，然后執(zhí)行步驟5；當(dāng)不需要考慮進(jìn)動(dòng)影響時(shí)，確定混合星座構(gòu)型為Walker星座和極軌星座，然后執(zhí)行步驟6；具體的，軌道類型有很多種，例如Walkerδ星座；有間隙的極軌星座；赤道軌道星座；赤道軌道星座的補(bǔ)充；橢圓軌道等。星座的構(gòu)型決定了覆蓋性能與高度等的關(guān)系，選擇構(gòu)型時(shí)，最主要考慮的是覆蓋性能。由于本設(shè)計(jì)是為了設(shè)計(jì)低軌通信和導(dǎo)航增強(qiáng)的混合星座，因此設(shè)計(jì)方法中主要考慮極軌星座和Walker星座。(1)極軌星座極軌星座是一個(gè)非常有效，又能夠允許相鄰衛(wèi)星有覆蓋重疊。但是，極軌星座有兩個(gè)原則性的缺點(diǎn)：第一，星座的覆蓋空缺導(dǎo)致覆蓋和衛(wèi)星相對(duì)位置是不對(duì)稱的，因此，在相對(duì)位置不對(duì)稱的區(qū)域兩側(cè)的衛(wèi)星必須與星座中其他位置的衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)模式不同。第二，極軌星座在極地區(qū)域的覆蓋性能最好，然而這些地區(qū)很少有人或設(shè)備需要衛(wèi)星星座的服務(wù)；與之相反，需求更多的中緯度區(qū)域的覆蓋性能較差。因此，我們需要研究能夠改善在極地區(qū)域的過度覆蓋這一情況的方法，以使中緯度區(qū)域的覆蓋性能有所提高。由圖7還可以得出星座的另一個(gè)關(guān)鍵特點(diǎn)——在極點(diǎn)處的軌道沖突問題。很多現(xiàn)實(shí)中的星座采取了將交叉點(diǎn)展開的方法來避免碰撞。衛(wèi)星間的碰撞是一個(gè)問題，然而，對(duì)于圓形軌道，這一問題比在極軌星座構(gòu)型中更加嚴(yán)重。每一個(gè)圓形軌道都與另一個(gè)圓形軌道相交兩次。無論這些交叉是很多軌道同時(shí)在極點(diǎn)處相交，還是在全球展開，都不重要。真正重要的是碰撞成對(duì)發(fā)生的可能性，而這只取決于成對(duì)發(fā)生的軌道交叉。因此，只要衛(wèi)星軌道數(shù)和衛(wèi)星總個(gè)數(shù)相同，所有星座的構(gòu)型都有相同的碰撞可能性。(2)Walker星座Walker星座是星座構(gòu)型中最對(duì)稱的構(gòu)型。這種星座中最常用的是WalkerDelta星座，這種構(gòu)型包括T顆衛(wèi)星，P個(gè)軌道面，每個(gè)軌道面上均勻分布S顆衛(wèi)星。所有的軌道面相對(duì)于赤道都有相同的軌道傾角i。(對(duì)于不同的星座設(shè)計(jì)目的，參考平面可以不是地球的赤道面，然而，鑒于攝動(dòng)取決于相對(duì)于赤道面的軌道傾角，因此這是最實(shí)用的參考平面。)與極軌構(gòu)型不同的是，Walker星座P個(gè)軌道面的上升節(jié)點(diǎn)是以360deg/P的間隔繞著赤道均勻分布的。在每一個(gè)軌道平面，S顆衛(wèi)星是以360deg/S的間隔均勻分布的。Walker星座的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是它在經(jīng)度方向是完全對(duì)稱的。由于上升節(jié)點(diǎn)和下降節(jié)點(diǎn)能夠覆蓋整個(gè)赤道，這一構(gòu)型雖然沒有一些極軌星座具有的功能，然而Walker星座通過降低傾角，實(shí)現(xiàn)了目前人口最集中區(qū)域，即中緯度區(qū)域的高度覆蓋。Walker星座最大的優(yōu)勢(shì)之一就是它包含有限數(shù)量的衛(wèi)星，而且所有衛(wèi)星都可以被識(shí)別、被研究，這種完整性使它們成為了最便于分析的星座設(shè)計(jì)構(gòu)型，因此很多星座都采用Walker星座；因此，考慮進(jìn)動(dòng)速度的情況下，根據(jù)進(jìn)動(dòng)速度相同的條件選取兩個(gè)Walker星座混合；不考慮進(jìn)動(dòng)速度的情況下，由于極軌星座和Walker星座的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，因此優(yōu)選一個(gè)極軌星座和一個(gè)Walker星座混合；步驟5：根據(jù)用戶服務(wù)區(qū)緯度的需求以及所確定的混合星座構(gòu)型，選定軌道傾角范圍；對(duì)第一備選軌道集合的軌道高度范圍按預(yù)設(shè)間隔，軌道傾角范圍根據(jù)用戶需求設(shè)定，在該軌道高度范圍和軌道傾角范圍內(nèi)，分別計(jì)算不同軌道傾角和軌道高度下的軌道面進(jìn)動(dòng)速度，選擇進(jìn)動(dòng)速度相同的若干組軌道高度值和軌道傾角值；其中，采用以下公式計(jì)算各個(gè)軌道傾角下軌道面的進(jìn)動(dòng)速度：Ω·=-3nJ22(1-e2)2(Rea)2cos(i)---(1)]]>—星座軌道面進(jìn)動(dòng)速度；n—星座軌道上衛(wèi)星的角速度；J2—地球非球形攝動(dòng)的二階帶諧項(xiàng)系數(shù)J2＝1.0826×10-3；e—星座軌道上衛(wèi)星的偏心率；Re—地球半徑；a—星座軌道上衛(wèi)星的軌道高度，為步驟2確定的軌道高度；i—星座軌道上衛(wèi)星的軌道傾角。對(duì)于所選擇到的若干組軌道高度值和軌道傾角值，優(yōu)先選取軌道高度值屬于或接近第二備選軌道集合的若干組回歸軌道高度值和對(duì)應(yīng)的軌道傾角值；若沒有滿足第二備選軌道集合的軌道高度值，則不考慮第二備選軌道集合；然后執(zhí)行步驟7；步驟6：根據(jù)用戶服務(wù)區(qū)緯度的需求以及所確定的混合星座構(gòu)型，選定軌道傾角范圍；優(yōu)先選取軌道高度值屬于或接近第二備選軌道集合的若干組回歸軌道高度值；然后執(zhí)行步驟7；步驟7：確定混合星座中每個(gè)星座包含的衛(wèi)星數(shù)量范圍；在覆蓋性能相當(dāng)?shù)那闆r下，選擇數(shù)量最少的衛(wèi)星數(shù)量；星座設(shè)計(jì)要求根據(jù)服務(wù)區(qū)域的需求設(shè)計(jì)覆蓋重?cái)?shù)的要求，服務(wù)的質(zhì)量可以通過星座對(duì)該區(qū)域的覆蓋性能來衡量，單星對(duì)地面的覆蓋情況如圖2所示。其中Re為地球半徑，a為衛(wèi)星高度，ε為觀測(cè)仰角，為衛(wèi)星星下視角。只有當(dāng)衛(wèi)星對(duì)用戶的仰角高于ε時(shí)，用戶才能同衛(wèi)星建立聯(lián)系，星下視角對(duì)應(yīng)的地面覆蓋區(qū)即為衛(wèi)星的覆蓋區(qū)。星下視角地面覆蓋的地心角λ及覆蓋半徑r的計(jì)算公式為：λ=arccos(Rea+Recosϵ)-ϵ---(5)]]>r＝Reλ(6)由于衛(wèi)星的在軌運(yùn)動(dòng)，衛(wèi)星覆蓋區(qū)也在地面移動(dòng)，因此就會(huì)對(duì)地面服務(wù)區(qū)產(chǎn)生覆蓋時(shí)隙和覆蓋間隙。為了提高對(duì)某區(qū)域的覆蓋率，需要多顆衛(wèi)星組成星座，依靠各衛(wèi)星對(duì)目標(biāo)區(qū)域覆蓋時(shí)隙的相互接續(xù)來完成，從而可以確定衛(wèi)星數(shù)量。步驟8：確定軌道面數(shù)與相位因子范圍；具體為：以步驟7確定的衛(wèi)星數(shù)量范圍為已知值，選擇覆蓋性能最優(yōu)的軌道面數(shù)與相位因子范圍；步驟9：分別優(yōu)化選取混合星座中每個(gè)星座的初始升交點(diǎn)赤經(jīng)范圍；具體優(yōu)化方法為：利用遺傳算法優(yōu)化選取混合星座中每個(gè)星座的初始升交點(diǎn)赤經(jīng)范圍；步驟10：當(dāng)考慮進(jìn)動(dòng)影響時(shí)，采用以下方法優(yōu)化選?。捍_定了每個(gè)混合星座的衛(wèi)星軌道類型、最小觀測(cè)仰角、衛(wèi)星數(shù)量范圍、軌道面數(shù)與相位因子范圍、初始升交點(diǎn)赤經(jīng)范圍、以及若干組成對(duì)的軌道高度值和軌道傾角值；則：按預(yù)設(shè)間隔，對(duì)最小觀測(cè)仰角、衛(wèi)星數(shù)量范圍、軌道面數(shù)與相位因子范圍、初始升交點(diǎn)赤經(jīng)范圍、以及若干組成對(duì)的軌道高度值和軌道傾角值進(jìn)行優(yōu)化選取，計(jì)算每組配置得到的混合星座參數(shù)所對(duì)應(yīng)的低軌通信和導(dǎo)航增強(qiáng)混合星座的覆蓋性能；當(dāng)優(yōu)化選取結(jié)束時(shí)，執(zhí)行步驟11；當(dāng)不考慮進(jìn)動(dòng)影響時(shí)，采用以下方法優(yōu)化選?。捍_定了每個(gè)混合星座的衛(wèi)星軌道類型、最小觀測(cè)仰角、衛(wèi)星數(shù)量范圍、軌道面數(shù)與相位因子范圍、初始升交點(diǎn)赤經(jīng)范圍、第二備選軌道集合和軌道傾角范圍；則：按預(yù)設(shè)間隔，對(duì)最小觀測(cè)仰角、衛(wèi)星數(shù)量范圍、軌道面數(shù)與相位因子范圍、初始升交點(diǎn)赤經(jīng)范圍、第二備選軌道集合和軌道傾角范圍進(jìn)行優(yōu)化選取，計(jì)算每組配置得到的混合星座參數(shù)所對(duì)應(yīng)的低軌通信和導(dǎo)航增強(qiáng)混合星座的覆蓋性能；當(dāng)優(yōu)化選取結(jié)束時(shí)，執(zhí)行步驟11；其中，分別分析極軌星座和Walker星座的覆蓋情況，對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選取，可采用以下方法：(1)極軌星座假設(shè)N顆衛(wèi)星在某一給定軌道面上均勻分布，則每顆衛(wèi)星相差S＝360/N的角度，λmax是最大地球中心角。地球中心角是由地心出發(fā)，從子衛(wèi)星指向目標(biāo)飛行器的角度，如圖3和圖4所示。同一軌道面上衛(wèi)星間的間隔決定了該軌道面能否連續(xù)覆蓋，以及連續(xù)覆蓋區(qū)域的寬度。如果S>2λmax，則整個(gè)覆蓋帶都是不連續(xù)的，如圖5所示；若S<2λmax，那么有一條以兩衛(wèi)星連線為中心線，寬度為2λsat的較窄的帶，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)覆蓋，這條帶通常被稱為連續(xù)覆蓋帶，如圖6所示。寬度滿足公式：cosλsat＝cosλmax/cos(S/2)(7)在如圖(S<2λmax)所示情況下，地面軌跡和覆蓋圓被投射在一個(gè)假想的、不轉(zhuǎn)動(dòng)的地球上。如果衛(wèi)星星座能夠連續(xù)覆蓋整個(gè)不轉(zhuǎn)動(dòng)的地球，那么這一星座也會(huì)覆蓋真正地球的整個(gè)表面，而且我們也不需要考慮地球轉(zhuǎn)動(dòng)是否會(huì)影響星座的覆蓋性能。然而，如果設(shè)計(jì)一個(gè)星座允許有覆蓋間隙，那么我們就需要考慮地球轉(zhuǎn)動(dòng)可能導(dǎo)致的一個(gè)覆蓋間隙接著一個(gè)覆蓋間隙，這種情況下覆蓋間隙可能會(huì)比我們計(jì)算的不能連續(xù)覆蓋的時(shí)間要長(zhǎng)。關(guān)于覆蓋模式，如果在相鄰軌道面的衛(wèi)星是同方向運(yùn)行的，那么DmaxS＝λsat+λmax(8)如果在相鄰軌道面的衛(wèi)星是反方向運(yùn)行的，那么DmaxO＝2λstreet(9)基于覆蓋帶這一概念，設(shè)計(jì)極軌星座。在這種星座中，有m個(gè)過極地的軌道面，每個(gè)軌道上有n顆衛(wèi)星，能夠?qū)崿F(xiàn)全球連續(xù)覆蓋。如圖7所示，在任何時(shí)刻，都有一半衛(wèi)星向北運(yùn)行，另一半衛(wèi)星向南運(yùn)行。在這兩個(gè)覆蓋區(qū)域內(nèi)，分別滿足公式(8)定義的DmaxS。在這兩個(gè)區(qū)域之間，由于衛(wèi)星反方向運(yùn)行，使覆蓋區(qū)域出現(xiàn)空缺。因此，為實(shí)現(xiàn)連續(xù)覆蓋，利用公式(9)中定義的DmaxO能夠減少反方向運(yùn)行產(chǎn)生的覆蓋空缺。若用m個(gè)極軌面實(shí)現(xiàn)連續(xù)覆蓋，要滿足：(m+1)λstreet+(m-1)λmax>180deg(10)衛(wèi)星的數(shù)量是由覆蓋帶的寬度決定的，而不是由軌道高度決定。由此可知，極軌星座的覆蓋范圍不是隨軌道高度連續(xù)、平穩(wěn)地變化的。(1)Walker星座星座設(shè)計(jì)要求對(duì)服務(wù)區(qū)域提供兩重覆蓋，服務(wù)的質(zhì)量可以通過星座對(duì)該區(qū)域的覆蓋性能來衡量，單星對(duì)地面的覆蓋情況如圖2所示。其中Re為地球半徑，a為衛(wèi)星高度，ε為觀測(cè)仰角，為星下視角。只有當(dāng)衛(wèi)星對(duì)用戶的仰角高于ε時(shí)，用戶才能同衛(wèi)星建立聯(lián)系，星下視角對(duì)應(yīng)的地面覆蓋區(qū)即為衛(wèi)星的覆蓋區(qū)。星下視角地面覆蓋的地心角λ及覆蓋半徑r的計(jì)算公式為：λ=arccos(Rea+Recosϵ)-ϵ---(5)]]>r＝Reλ(6)由于衛(wèi)星的在軌運(yùn)動(dòng)，衛(wèi)星覆蓋區(qū)也在地面移動(dòng)，因此就會(huì)對(duì)地面服務(wù)區(qū)產(chǎn)生覆蓋時(shí)隙和覆蓋間隙。為了提高對(duì)某區(qū)域的覆蓋率，需要多顆衛(wèi)星組成星座，依靠各衛(wèi)星對(duì)目標(biāo)區(qū)域覆蓋時(shí)隙的相互接續(xù)來完成。星座優(yōu)化的目的是用盡量少的衛(wèi)星資源，或在給定衛(wèi)星數(shù)目的條件下，通過合理的軌道配置來提高系統(tǒng)的性能。步驟11：選擇混合星座覆蓋性能最優(yōu)的混合星座參數(shù)，作為最終設(shè)計(jì)得到的混合星座參數(shù)值。綜上所述，本發(fā)明提供的低軌通信和導(dǎo)航增強(qiáng)混合星座的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，充分考慮了低軌通信和導(dǎo)航增強(qiáng)混合星座設(shè)計(jì)每個(gè)階段需要考慮的因素，給出了低軌通信和導(dǎo)航增強(qiáng)衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)的步驟，按照所述設(shè)計(jì)方法，能夠設(shè)計(jì)出滿足用戶需求、星座性能優(yōu)、衛(wèi)星數(shù)目少的低軌通信和導(dǎo)航增強(qiáng)混合星座。具體具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)在星座軌道高度和軌道傾角的選擇過程中，綜合考慮了混合星座的功能和星座的進(jìn)動(dòng)特性，使設(shè)計(jì)的混合星座中的兩星座擁有相同的軌道面進(jìn)動(dòng)速度，從而提高星座間的兼容性，使兩星座能夠協(xié)同工作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)通信和導(dǎo)航增強(qiáng)兩種功能。(2)給出了星座初始升交點(diǎn)赤經(jīng)的選擇方法，可以實(shí)現(xiàn)混合星座中的兩個(gè)衛(wèi)星星座系統(tǒng)最佳的互操作性能。(3)本發(fā)明涉及了星座設(shè)計(jì)方法、以及星座初始升交點(diǎn)赤經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，結(jié)合通信和導(dǎo)航增強(qiáng)星座設(shè)計(jì)各個(gè)階段需要考慮的因素，可以設(shè)計(jì)出滿足用戶需求、星座性能優(yōu)、衛(wèi)星數(shù)目少、而且星座間具有較好兼容互操作能力的低軌通信和導(dǎo)航增強(qiáng)混合星座。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視本發(fā)明的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3