《星座構型設計理論基礎綜述》3100字

星座構型設計理論基礎綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u22909星座構型設計理論基礎綜述 1147211.1星座設計基本原則和方法 1107361.1.1通信星座設計原則 1112941.1.2通信星座基本設計流程 1236351.2星座構型簡述 2214761.2.1通用描述方法 239231.2.2Walker星座簡介 216761.2.3Walker星座構型對于星座性能的影響 3134391.2.4混合軌道星座構型簡介 4325751.3星座可見性分析基本原理 5星座設計基本原則和方法通信星座設計原則本文的研究目標為大規(guī)?；旌宪壍劳ㄐ判亲?。通信星座指的是為覆蓋區(qū)域內(nèi)的地面或空間用戶之間提供實時穩(wěn)定通信服務的衛(wèi)星星座，為滿足通信星座的實際功能，其設計原則有如下幾點:有效利用頻段和射頻功率；使用盡量少的衛(wèi)星，實現(xiàn)對服務區(qū)域的連續(xù)覆蓋；研制和發(fā)射成本最低；具備不斷增加系統(tǒng)容量的能力;通信星座基本設計流程通信星座的基本設計過程如下：明確任務需求，將其中的敘述性要求量化為可評估的性能指標；在明確需求后，依照一定的設計原則和方法進行初步的總體設計、軌道設計和衛(wèi)星設計，并驗證其性能是否符合指標需求；對星座整體性能進行綜合評估，并在此基礎上對初步的星座構型設計進行參數(shù)優(yōu)化，改進星座的性能；重復上述設計過程，對星座構型反復迭代優(yōu)化，從而得到滿足任務需求的最優(yōu)星座構型，并形成設計文件。星座構型簡述通用描述方法星座構型描述指的是對星座內(nèi)各顆衛(wèi)星的軌道要素進行描述。理論上星座中每顆衛(wèi)星的軌道要素是可以各不相同的，這樣會使得描述星座構型將會非常復雜，但在實際的空間運行過程中，衛(wèi)星會受到如地球非球形引力、大氣阻力、其他天體引力、太陽光壓等各種攝動力的影響，其軌道要素會不斷發(fā)生變化[24]。衛(wèi)星所受的攝動力與衛(wèi)星的軌道要素密切相關，因此為了維持星座整體構型的穩(wěn)定，應使星座中每顆衛(wèi)星受到的攝動力的影響相同。一般使星座中衛(wèi)星的半長軸、偏心率和軌道傾角都取相同的值，而對于星座的各個軌道面的升交點赤經(jīng)以及軌道面內(nèi)衛(wèi)星間的相位差則無特定要求。因此星座設計的主要因素包括：軌道類型、軌道高度、軌道傾角、軌道平面數(shù)、軌道面內(nèi)衛(wèi)星個數(shù)和衛(wèi)星間的相位[25]。Walker星座簡介Walker星座是指一類星座，其主要特點為均勻對稱分布，星座內(nèi)的所有衛(wèi)星均位于軌道高度、軌道傾角相同的圓軌道上，星座中的各軌道平面沿赤道分布均勻，同一軌道面內(nèi)的衛(wèi)星等角度距離分布，不同軌道面間的衛(wèi)星相位角由給定的星座構型參數(shù)確定。20世紀70年代，Walker星座的概念被提出，因其優(yōu)秀的全球及對稱緯度帶的覆蓋性能，在實際工程設計中，許多星座系統(tǒng)均采用其作為基本星座構型，例如GPS全球導航系統(tǒng)，Iridium系統(tǒng)和Globalstar系統(tǒng)等等。常用的星座構型包括J.G.Walker提出的星座和星座，以及A.H.Ballard提出的玫瑰星座，在無特殊說明的情況下，Walker星座即指代Walker-星座。Walker星座的構型設計參數(shù)由衛(wèi)星總數(shù)、軌道平面數(shù)、相位因子、軌道傾角和軌道高度組成，其星座構型可表示為。星座的個軌道平面沿著地球赤道均勻分布，每個軌道平面內(nèi)等角度間隔分布顆衛(wèi)星，相鄰的軌道平面內(nèi)對應序號衛(wèi)星的相位差為：(2.1)上式中。假設Walker星座中第1個軌道面的升交點赤經(jīng)為，在初始時刻該軌道面上的第1顆衛(wèi)星的初始相位為，則星座中第條軌道面上第顆衛(wèi)星的升交點赤經(jīng)和衛(wèi)星相位分別為(2.2)Walker星座構型對于星座性能的影響由上一小節(jié)可知，Walker星座的設計參數(shù)由衛(wèi)星總數(shù)、軌道平面數(shù)、相位因子、軌道傾角和軌道高度組成，其星座構型可表示為。而不同的構型設計參數(shù)對于星座的性能，尤其是覆蓋性能，都有著各自的影響。軌道高度直接影響著星座的覆蓋性能，在進行星座設計時，采用不同的軌道高度可以實現(xiàn)不同的功能設計。隨著軌道高度的增加，星座的覆蓋面積范圍會相應增加，所需的衛(wèi)星數(shù)目也會相應減少。但覆蓋性能并不僅由覆蓋范圍決定，因此軌道高度的變化僅是影響覆蓋性能變化的因素之一。當軌道高度變化后，星座的構型設計也會改變，衛(wèi)星數(shù)目和覆蓋特性會呈階躍式改變[26]。軌道傾角對通信星座的覆蓋緯度范圍有著決定作用，是一個重要特征參數(shù)。理論上可以通過設計各個軌道面的傾角以獲得最佳的星座覆蓋性能，但是由于軌道攝動的影響，各個軌道面的傾角應取相同數(shù)值。隨著軌道傾角取值的增大，星座系統(tǒng)對于地面的覆蓋緯度帶范圍不斷增加，但相應對于低緯度地區(qū)的覆蓋水平會有所下降。因此對于Walker星座，其軌道傾角的選擇應綜合考慮覆蓋范圍和覆蓋性能水平，以符合服務區(qū)域的緯度范圍要求，不應過高或過低，一般處于40°~60°的范圍內(nèi)。衛(wèi)星總數(shù)是決定星座系統(tǒng)成本和覆蓋性能的主要因素[25]。設計星座時通常要在給定覆蓋目標后對星座的覆蓋率和衛(wèi)星個數(shù)間進行折衷選擇，通常認為在星座構型類型不變、滿足覆蓋性能要求的前提下，衛(wèi)星數(shù)目越少，星座的成本越低，覆蓋性能越高。在進行星座設計時，其中一個原則就是在滿足覆蓋性能要求的情況下，選擇最少的衛(wèi)星數(shù)目。軌道平面數(shù)決定著Walker星座各個軌道面上運行的衛(wèi)星數(shù)量和各軌道面間的間隔，對星座的覆蓋均勻性以及整體的覆蓋性能都有影響。一般來說，由于軌道平面數(shù)的增加會導致發(fā)射難度和星座設計難度的增加，所以軌道平面數(shù)的選取原則是以最少的軌道數(shù)目滿足性能要求。相位因子表征了相鄰軌道面上對應位置衛(wèi)星的相位關系，對于星座的覆蓋均勻性起著決定性的作用。通過適當選擇星座衛(wèi)星的相位，能夠得到當前構型下最優(yōu)的覆蓋性能，合理分配星座的覆蓋資源[25]?；旌宪壍佬亲鶚嬓秃喗閷τ趩螌訕嬓偷男亲湓谀媳卑肭虻姆植季哂芯鶆蛐?，因此一般情況下都需要大量的衛(wèi)星以保證覆蓋性能。然而對于有大量人口密集居住的區(qū)域和人口密度極低的區(qū)域，單層構型星座提供的通信性能是一樣的，即單層構型星座的通信供應能力往往大于實際任務需求，這在一定程度上造成了通信資源的浪費?；旌宪壍罉嬓驼菫榱私鉀Q這一問題而出現(xiàn)的構型設計。混合軌道構型的基本思想是將各自的覆蓋特性有互補關系的星座整合在一起，以更為高效地實現(xiàn)衛(wèi)星系統(tǒng)的覆蓋性能要求，同時盡可能地減少衛(wèi)星數(shù)目，降低系統(tǒng)成本。Ellipso星座的構型正是一種典型的混合軌道構型，如圖2.1所示。其由兩個子星座Borealis和Concordia組成。Borealis星座由2條遠地點高度為7846km、偏心率0.35、軌道傾角116.6°的凍結橢圓軌道組成，完成了對北半球跨度50°的中高緯地區(qū)的覆蓋。Concordia星座由1條軌道高度為8063km，軌道傾角0°的圓軌道組成，對南北緯50°以內(nèi)的區(qū)域進行覆蓋補充。通過混合軌道的相互配合，Ellipso星座僅使用17顆衛(wèi)星就完成了對地球人口密集區(qū)域的連續(xù)覆蓋，大大減少了星座的需用衛(wèi)星數(shù)目，降低了系統(tǒng)成本[26]。圖2.SEQ圖\*ARABIC1Ellipso星座構型總之，混合軌道星座這一概念的本質是通過不同星座構型和軌道類型的組合，使各類星座構型的覆蓋特性和服務區(qū)域優(yōu)勢互補，更加高效地滿足星座覆蓋性能要求。星座可見性分析基本原理由2.1.2小節(jié)可知，在進行星座構型設計的流程中，需要反復對所設計的星座進行性能指標計算，因此星座構型的性能評價是構型設計中最為關鍵的環(huán)節(jié)之一。對于大規(guī)模混合軌道通信星座，其性能評價的關鍵一般在于對星座的覆蓋性能進行分析，而在計算各類覆蓋性能指標，尤其是覆蓋重數(shù)等參數(shù)時，首先需要進行衛(wèi)星對地面目標的可見性分析?？梢娦苑治鍪侵冈谛l(wèi)星與衛(wèi)星、地面點或其他實體之間，求解兩者在給定的時間段內(nèi)能夠相互訪問的時間窗口。這一問題對于工程實際中的航天任務設計和仿真分析有重要的意義。衛(wèi)星可見性計算的傳統(tǒng)方法是通過設置合適的仿真時間步長，進行衛(wèi)星的軌道預報計算，在每一個離散時刻點計算此時衛(wèi)星與地面的可見性情況，最終通過統(tǒng)計計算得到衛(wèi)星對某一地面區(qū)域的可見性，單顆衛(wèi)星對單個地面點的可見時間窗口計算，是計算星座對某一目標區(qū)域覆蓋性能的基礎。美國AnalyticalGraphics公司開發(fā)的STK（SatelliteToolKit）軟件在進行軌道預報仿真及可見性