《星座构型设计理论基础综述》3100字

星座构型设计理论基础综述目录TOC\o"1-2"\h\u22909星座构型设计理论基础综述 1147211.1星座设计基本原则和方法 1107361.1.1通信星座设计原则 1112941.1.2通信星座基本设计流程 1236351.2星座构型简述 2214761.2.1通用描述方法 239231.2.2Walker星座简介 216761.2.3Walker星座构型对于星座性能的影响 3134391.2.4混合轨道星座构型简介 4325751.3星座可见性分析基本原理 5星座设计基本原则和方法通信星座设计原则本文的研究目标为大规模混合轨道通信星座。通信星座指的是为覆盖区域内的地面或空间用户之间提供实时稳定通信服务的卫星星座，为满足通信星座的实际功能，其设计原则有如下几点:有效利用频段和射频功率；使用尽量少的卫星，实现对服务区域的连续覆盖；研制和发射成本最低；具备不断增加系统容量的能力;通信星座基本设计流程通信星座的基本设计过程如下：明确任务需求，将其中的叙述性要求量化为可评估的性能指标；在明确需求后，依照一定的设计原则和方法进行初步的总体设计、轨道设计和卫星设计，并验证其性能是否符合指标需求；对星座整体性能进行综合评估，并在此基础上对初步的星座构型设计进行参数优化，改进星座的性能；重复上述设计过程，对星座构型反复迭代优化，从而得到满足任务需求的最优星座构型，并形成设计文件。星座构型简述通用描述方法星座构型描述指的是对星座内各颗卫星的轨道要素进行描述。理论上星座中每颗卫星的轨道要素是可以各不相同的，这样会使得描述星座构型将会非常复杂，但在实际的空间运行过程中，卫星会受到如地球非球形引力、大气阻力、其他天体引力、太阳光压等各种摄动力的影响，其轨道要素会不断发生变化[24]。卫星所受的摄动力与卫星的轨道要素密切相关，因此为了维持星座整体构型的稳定，应使星座中每颗卫星受到的摄动力的影响相同。一般使星座中卫星的半长轴、偏心率和轨道倾角都取相同的值，而对于星座的各个轨道面的升交点赤经以及轨道面内卫星间的相位差则无特定要求。因此星座设计的主要因素包括：轨道类型、轨道高度、轨道倾角、轨道平面数、轨道面内卫星个数和卫星间的相位[25]。Walker星座简介Walker星座是指一类星座，其主要特点为均匀对称分布，星座内的所有卫星均位于轨道高度、轨道倾角相同的圆轨道上，星座中的各轨道平面沿赤道分布均匀，同一轨道面内的卫星等角度距离分布，不同轨道面间的卫星相位角由给定的星座构型参数确定。20世纪70年代，Walker星座的概念被提出，因其优秀的全球及对称纬度带的覆盖性能，在实际工程设计中，许多星座系统均采用其作为基本星座构型，例如GPS全球导航系统，Iridium系统和Globalstar系统等等。常用的星座构型包括J.G.Walker提出的星座和星座，以及A.H.Ballard提出的玫瑰星座，在无特殊说明的情况下，Walker星座即指代Walker-星座。Walker星座的构型设计参数由卫星总数、轨道平面数、相位因子、轨道倾角和轨道高度组成，其星座构型可表示为。星座的个轨道平面沿着地球赤道均匀分布，每个轨道平面内等角度间隔分布颗卫星，相邻的轨道平面内对应序号卫星的相位差为：(2.1)上式中。假设Walker星座中第1个轨道面的升交点赤经为，在初始时刻该轨道面上的第1颗卫星的初始相位为，则星座中第条轨道面上第颗卫星的升交点赤经和卫星相位分别为(2.2)Walker星座构型对于星座性能的影响由上一小节可知，Walker星座的设计参数由卫星总数、轨道平面数、相位因子、轨道倾角和轨道高度组成，其星座构型可表示为。而不同的构型设计参数对于星座的性能，尤其是覆盖性能，都有着各自的影响。轨道高度直接影响着星座的覆盖性能，在进行星座设计时，采用不同的轨道高度可以实现不同的功能设计。随着轨道高度的增加，星座的覆盖面积范围会相应增加，所需的卫星数目也会相应减少。但覆盖性能并不仅由覆盖范围决定，因此轨道高度的变化仅是影响覆盖性能变化的因素之一。当轨道高度变化后，星座的构型设计也会改变，卫星数目和覆盖特性会呈阶跃式改变[26]。轨道倾角对通信星座的覆盖纬度范围有着决定作用，是一个重要特征参数。理论上可以通过设计各个轨道面的倾角以获得最佳的星座覆盖性能，但是由于轨道摄动的影响，各个轨道面的倾角应取相同数值。随着轨道倾角取值的增大，星座系统对于地面的覆盖纬度带范围不断增加，但相应对于低纬度地区的覆盖水平会有所下降。因此对于Walker星座，其轨道倾角的选择应综合考虑覆盖范围和覆盖性能水平，以符合服务区域的纬度范围要求，不应过高或过低，一般处于40°~60°的范围内。卫星总数是决定星座系统成本和覆盖性能的主要因素[25]。设计星座时通常要在给定覆盖目标后对星座的覆盖率和卫星个数间进行折衷选择，通常认为在星座构型类型不变、满足覆盖性能要求的前提下，卫星数目越少，星座的成本越低，覆盖性能越高。在进行星座设计时，其中一个原则就是在满足覆盖性能要求的情况下，选择最少的卫星数目。轨道平面数决定着Walker星座各个轨道面上运行的卫星数量和各轨道面间的间隔，对星座的覆盖均匀性以及整体的覆盖性能都有影响。一般来说，由于轨道平面数的增加会导致发射难度和星座设计难度的增加，所以轨道平面数的选取原则是以最少的轨道数目满足性能要求。相位因子表征了相邻轨道面上对应位置卫星的相位关系，对于星座的覆盖均匀性起着决定性的作用。通过适当选择星座卫星的相位，能够得到当前构型下最优的覆盖性能，合理分配星座的覆盖资源[25]。混合轨道星座构型简介对于单层构型的星座，其在南北半球的分布具有均匀性，因此一般情况下都需要大量的卫星以保证覆盖性能。然而对于有大量人口密集居住的区域和人口密度极低的区域，单层构型星座提供的通信性能是一样的，即单层构型星座的通信供应能力往往大于实际任务需求，这在一定程度上造成了通信资源的浪费。混合轨道构型正是为了解决这一问题而出现的构型设计。混合轨道构型的基本思想是将各自的覆盖特性有互补关系的星座整合在一起，以更为高效地实现卫星系统的覆盖性能要求，同时尽可能地减少卫星数目，降低系统成本。Ellipso星座的构型正是一种典型的混合轨道构型，如图2.1所示。其由两个子星座Borealis和Concordia组成。Borealis星座由2条远地点高度为7846km、偏心率0.35、轨道倾角116.6°的冻结椭圆轨道组成，完成了对北半球跨度50°的中高纬地区的覆盖。Concordia星座由1条轨道高度为8063km，轨道倾角0°的圆轨道组成，对南北纬50°以内的区域进行覆盖补充。通过混合轨道的相互配合，Ellipso星座仅使用17颗卫星就完成了对地球人口密集区域的连续覆盖，大大减少了星座的需用卫星数目，降低了系统成本[26]。图2.SEQ图\*ARABIC1Ellipso星座构型总之，混合轨道星座这一概念的本质是通过不同星座构型和轨道类型的组合，使各类星座构型的覆盖特性和服务区域优势互补，更加高效地满足星座覆盖性能要求。星座可见性分析基本原理由2.1.2小节可知，在进行星座构型设计的流程中，需要反复对所设计的星座进行性能指标计算，因此星座构型的性能评价是构型设计中最为关键的环节之一。对于大规模混合轨道通信星座，其性能评价的关键一般在于对星座的覆盖性能进行分析，而在计算各类覆盖性能指标，尤其是覆盖重数等参数时，首先需要进行卫星对地面目标的可见性分析。可见性分析是指在卫星与卫星、地面点或其他实体之间，求解两者在给定的时间段内能够相互访问的时间窗口。这一问题对于工程实际中的航天任务设计和仿真分析有重要的意义。卫星可见性计算的传统方法是通过设置合适的仿真时间步长，进行卫星的轨道预报计算，在每一个离散时刻点计算此时卫星与地面的可见性情况，最终通过统计计算得到卫星对某一地面区域的可见性，单颗卫星对单个地面点的可见时间窗口计算，是计算星座对某一目标区域覆盖性能的基础。美国AnalyticalGraphics公司开发的STK（SatelliteToolKit）软件在进行轨道预报仿真及可见性