一種區(qū)域覆蓋推掃星座及其構(gòu)建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種區(qū)域覆蓋推掃星座及其構(gòu)建方法，尤其是一種基于覆蓋帶拼接的 推掃星座的實(shí)現(xiàn)方法，屬于航天器星座與軌道設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在衛(wèi)星早期應(yīng)用中，主要通過單顆衛(wèi)星來完成任務(wù)。但除個(gè)別情況外(地球靜止軌 道），多數(shù)衛(wèi)星都不能夠固定在地球某個(gè)點(diǎn)的上空，其覆蓋范圍總是不斷變化的。因此，為利 用多顆衛(wèi)星協(xié)同工作共同完成某一特定任務(wù)，衛(wèi)星星座的概念應(yīng)運(yùn)而生。衛(wèi)星星座(簡(jiǎn)稱星 座)是指由多顆衛(wèi)星組成，衛(wèi)星軌道形成穩(wěn)定的空間幾何構(gòu)型，衛(wèi)星與衛(wèi)星之間保持固定的 時(shí)空關(guān)系，用于完成特定航天任務(wù)的衛(wèi)星系統(tǒng)。
[0003] 星座構(gòu)型是對(duì)星座中衛(wèi)星的空間分布、軌道類型以及衛(wèi)星間相互關(guān)系的描述。星 座軌道構(gòu)型是星座的基本要素，反映了星座中衛(wèi)星的時(shí)空布局，是星座覆蓋性能、工作性能 以及運(yùn)行維持性能的決定性因素。Walker星座是一類星座構(gòu)型的統(tǒng)稱，它包括星形星座、S 星座、〇星座、w星座、玫瑰星座等，其中Walker-o星座在工程中得到較為廣泛的應(yīng)用，尤其是 針對(duì)大面積或全球觀測(cè)任務(wù)而言，具有全球覆蓋、煒度帶覆蓋最有效的特點(diǎn)。
[0004] Walker星座是由均勻分布在多個(gè)傾斜圓軌道上的衛(wèi)星組成，衛(wèi)星軌道的長(zhǎng)半軸、 偏心率和軌道傾角相同，同一軌道上的衛(wèi)星沿軌道均勻分布，軌道平面沿赤道均勻分布，且 不同軌道平面上的衛(wèi)星的相位差相同。通常用N/P/F: i來表示W(wǎng)alker星座構(gòu)型，其中：N表示 星座中衛(wèi)星的總數(shù);P表示星座中軌道平面的數(shù)量;F為相位因子，是一個(gè)0~P-1之間的整 數(shù)，用于表示不同軌道平面上衛(wèi)星的相位差；i為軌道傾角。其覆蓋區(qū)域可以表示為 ~ ^胃，且最高覆蓋煒度？與軌道傾角i有關(guān)，通常有^"ax~
[0005] 圖1是一個(gè)24/4/1:45° Walker星座的星下點(diǎn)軌跡分布圖。可見，該星座的星下點(diǎn)軌 跡沿赤道在南北煒45°范圍內(nèi)對(duì)稱分布。
[0006] 圖2是該星座對(duì)南北煒45°范圍探測(cè)時(shí)間間隔統(tǒng)計(jì)情況。可見，隨著煒度的增高，探 測(cè)時(shí)間間隔不斷減少，且以煒度為0°的赤道為對(duì)稱軸，南半球和北半球是相同的。因此， Walker星座比較適合于全球均勻覆蓋的星座設(shè)計(jì)，并且適合于對(duì)靜止目標(biāo)的探測(cè)。
[0007] 在衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)任務(wù)中，針對(duì)有限區(qū)域范圍的全覆蓋是一種常見的工作模式。經(jīng) 典的Walker星座并不適用于此類觀測(cè)任務(wù)，存在覆蓋性能較低，成本較大的缺點(diǎn)。例如，針 對(duì)在我國(guó)東南海域的一個(gè)探測(cè)區(qū)域，如圖3所示。
[0008] 要求對(duì)該區(qū)域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，且重訪周期最多12小時(shí)(43200s)，必須能 夠發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。已知目標(biāo)的最大運(yùn)動(dòng)速度為60km/h，目標(biāo)監(jiān)視衛(wèi)星的軌道高度為500km，監(jiān)視 載荷的對(duì)地瞬時(shí)覆蓋寬度為200km。
[0009] 按照Walker星座設(shè)計(jì)方法，下表給出了多種Walker構(gòu)型對(duì)目標(biāo)區(qū)域的覆蓋情況。 [0010] 表1 Walker星座對(duì)目標(biāo)區(qū)域的覆蓋情況

[0012] 可見，只有27/9/5構(gòu)型的Walker星座能夠完全滿足對(duì)目標(biāo)區(qū)域的覆蓋要求，也就 是說，如果采用Walker星座構(gòu)型就需要27顆衛(wèi)星進(jìn)行組網(wǎng)。顯然，對(duì)于這樣一個(gè)小區(qū)域的探 測(cè)任務(wù)，成本是相當(dāng)高的。本發(fā)明提出的技術(shù)旨在解決Walker星座構(gòu)型在執(zhí)行有限區(qū)域范 圍的全覆蓋觀測(cè)任務(wù)時(shí)覆蓋性能較低，成本較大的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明提供一種區(qū)域覆蓋推掃星座及其構(gòu)建方法，并以外截圓定義觀測(cè)區(qū)域面 積，將觀測(cè)區(qū)域煒度考慮在內(nèi)，給出了推掃星座的詳細(xì)設(shè)計(jì)方法;然后，將該方法與經(jīng)典的 Walker星座設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了對(duì)比，其優(yōu)點(diǎn)在于能夠以較小的成本實(shí)現(xiàn)對(duì)有限觀測(cè)區(qū)域的全 覆蓋，同時(shí)避免目標(biāo)遺漏。
[0014] 本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來具體實(shí)現(xiàn)：
[0015] -種區(qū)域覆蓋推掃星座，所述區(qū)域覆蓋推掃星座包括：
[0016] 至少一組推掃衛(wèi)星群；
[0017] 所述至少一組推掃衛(wèi)星群中的衛(wèi)星軌道要素構(gòu)型相同，升交點(diǎn)赤經(jīng)不同。
[0018] 進(jìn)一步的，每組所述推掃衛(wèi)星群由兩顆及兩顆以上的衛(wèi)星并列排布構(gòu)成，每顆所 述衛(wèi)星均部署在不同的軌道平面上。
[0019] 進(jìn)一步的，每組所述推掃衛(wèi)星群中的衛(wèi)星數(shù)量具體包括：
[0020] 根據(jù)區(qū)域目標(biāo)的大小和衛(wèi)星對(duì)地瞬時(shí)覆蓋帶寬，計(jì)算滿足瞬時(shí)全覆蓋需求的最少 衛(wèi)星數(shù)N，
[0022]其中，d定義為目標(biāo)區(qū)域?qū)挾?，w定義為衛(wèi)星對(duì)地瞬時(shí)覆蓋帶寬度，int()為取整函 數(shù)。
[0023]更進(jìn)一步的，所述至少一組推掃衛(wèi)星群中的衛(wèi)星軌道要素構(gòu)型相同，升交點(diǎn)赤經(jīng) 不同，具體為：
[0024]所述至少一組推掃衛(wèi)星群中的每顆衛(wèi)星軌道要素構(gòu)型相同，軌道傾角為包絡(luò)平行 四邊形的傾斜角，即
[0025] i =a ；
[0026] 所述升交點(diǎn)赤經(jīng)不同，升交點(diǎn)赤經(jīng)存在赤經(jīng)差，每個(gè)軌道平面之間的最大升交點(diǎn) 赤經(jīng)差為：
[0028] 其中Re為地球半徑。
[0029]進(jìn)一步的，推掃衛(wèi)星群的組數(shù)包括：
[0030]根據(jù)推掃衛(wèi)星群的重訪周期和任務(wù)要求的重訪周期，確定推掃星座中推掃衛(wèi)星群 的數(shù)量，衛(wèi)星群數(shù)量M為
[0032]其中，Tm為任務(wù)要求重訪周期，Ts為單組推掃衛(wèi)星群的重訪周期。
[0033]本發(fā)明還提供了一種區(qū)域覆蓋推掃星座的構(gòu)建方法，包括：
[0034]步驟一、選定觀測(cè)區(qū)域，并根據(jù)觀測(cè)區(qū)域的形狀找到其外截圓；
[0035]步驟二、根據(jù)所述外截圓的半徑，確定推掃衛(wèi)星組的衛(wèi)星數(shù)量和軌道傾角；
[0036]步驟三、計(jì)算相鄰衛(wèi)星升交點(diǎn)赤經(jīng)差；
[0037]步驟四、確定推掃衛(wèi)星星座的構(gòu)型。
[0038]進(jìn)一步的，步驟一中，所述根據(jù)觀測(cè)區(qū)域的形狀找到其外截圓，是指以觀測(cè)區(qū)域中 心為圓心，能夠包絡(luò)全部觀測(cè)區(qū)域的最小圓。
[0039]進(jìn)一步的，步驟二中，所述確定推掃衛(wèi)星組的衛(wèi)星數(shù)量和軌道傾角，具體包括：
[0040] 首先通過目標(biāo)觀測(cè)區(qū)域的煒度確定能夠覆蓋該區(qū)域的軌道傾角；
[0041] 其次根據(jù)外截圓直徑和單顆衛(wèi)星的覆蓋帶寬度，確定能夠?qū)崿F(xiàn)全覆蓋的推掃衛(wèi)星 組中衛(wèi)星的最少數(shù)量。
[0042] 進(jìn)一步的，步驟三中，所述計(jì)算相鄰衛(wèi)星升交點(diǎn)赤經(jīng)差，包括：
[0043]基于目標(biāo)區(qū)域的煒度，按照球面三角形定理進(jìn)行計(jì)算，保證推掃衛(wèi)星組在目標(biāo)區(qū) 域上空實(shí)現(xiàn)無(wú)縫拼接。
[0044]進(jìn)一步的，步驟四中，所述確定推掃衛(wèi)星星座的構(gòu)型，包括：
[0045]確定推掃衛(wèi)星星座中包含推掃衛(wèi)星組的數(shù)量及其布局；
[0046]所述推掃衛(wèi)星星座中包含推掃衛(wèi)星組的數(shù)量及其布局根據(jù)任務(wù)要求的重訪周期 和推掃衛(wèi)星組實(shí)際的重訪周期計(jì)算得到。
[0047]本發(fā)明針對(duì)傳統(tǒng)Walker星座構(gòu)型對(duì)區(qū)域目標(biāo)監(jiān)測(cè)成本過高、可操作性不強(qiáng)及容易 出現(xiàn)遺漏目標(biāo)的問題，提出了一種推掃星座構(gòu)型，該構(gòu)型可以有效解決有限區(qū)域范圍的離 散全覆蓋問題，與傳統(tǒng)Walker星座相比，該方法具有更完備的覆蓋性能，能夠滿足非?？量?的任務(wù)需求，具有廣泛的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0048] 下面根據(jù)附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0049] 圖1是24/4/l:45°Walker星座的星下點(diǎn)軌跡。
[0050]圖2是Walker星座對(duì)南北煒45°范圍探測(cè)時(shí)間間隔統(tǒng)計(jì)情況。
[0051]圖3是針對(duì)在我國(guó)東南海域的一個(gè)探測(cè)區(qū)域示意圖。
[0052]圖4是衛(wèi)星觀測(cè)帶拼接示意圖（靜態(tài)）。
[0053]圖5是衛(wèi)星觀測(cè)帶拼接示意圖（動(dòng)態(tài)），可以看出此推掃星座構(gòu)型無(wú)監(jiān)視盲區(qū)。
[0054]圖6是用于計(jì)算相鄰?fù)茠咝l(wèi)星升交點(diǎn)赤經(jīng)差的構(gòu)型示意圖。
[0055]圖7是一組推掃衛(wèi)星群的在軌運(yùn)行三維仿真場(chǎng)景。
[0056]圖8是一組推掃衛(wèi)星群的星下點(diǎn)軌跡。
[0057]圖9是一組推掃衛(wèi)星群通過目標(biāo)區(qū)域的仿真示意圖，可以看出其能夠?qū)δ繕?biāo)區(qū)域 實(shí)現(xiàn)全覆蓋。
[0058]圖10是推掃衛(wèi)星星座對(duì)目標(biāo)區(qū)域覆蓋時(shí)間的仿真結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】 [0059] 實(shí)施例一
[0060] 本發(fā)明實(shí)施例一提供了一種區(qū)域覆蓋推掃星座，所述區(qū)域覆蓋推掃星座包括：
[0061] 至少一組推掃衛(wèi)星群;所述至少一組推掃衛(wèi)星群中的衛(wèi)星軌道要素構(gòu)型相同，升 交點(diǎn)赤經(jīng)不同。
[0062] 每組所述推掃衛(wèi)星群由兩顆及兩顆以上的衛(wèi)星并列排布構(gòu)成，每顆所述衛(wèi)星均部 署在不同的軌道平面上。
[0063]每組所述推掃衛(wèi)星群中的衛(wèi)星數(shù)量具體包括：
[0064]根據(jù)區(qū)域目標(biāo)的大小和衛(wèi)星對(duì)地瞬時(shí)覆蓋帶寬，計(jì)算滿足瞬時(shí)全覆蓋需求的最少 衛(wèi)星數(shù)N，
[0066]其中，d定義為目標(biāo)區(qū)域?qū)挾?，w定義為衛(wèi)星對(duì)地瞬時(shí)覆蓋帶寬度，int()為取整函 數(shù)。
[0067]所述至少一組推掃衛(wèi)星群中的衛(wèi)星軌道要素構(gòu)型相同，升交點(diǎn)赤經(jīng)不同，具體為： [0068]所述至少一組推掃衛(wèi)星群中的每顆衛(wèi)星軌道要素構(gòu)型相同，軌道傾角為包絡(luò)平行 四邊形的傾斜角，即