適用於中高緯度區域覆蓋的低軌道微小衛星編隊系統的製作方法

2023-06-28 17:41:21

專利名稱：適用於中高緯度區域覆蓋的低軌道微小衛星編隊系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種衛星編隊系統，具體的說是一種適用於中高緯度區域覆蓋的低軌道微小衛星編隊系統。
背景技術：
近年來，新一代空間無線通信任務對衛星編隊系統的吞吐量、實時性和魯棒性提出了更高的要求。基於WalkerS星座設計理論的衛星系統是目前應用最廣的全球覆蓋衛星系統，並應用於美國Globalstar、俄羅斯GL0NASS、歐洲Galileo等衛星導航系統設計。雖然此類系統憑藉良好的普適性和商用價值仍是目前衛星系統商品化的主流，但在區域(尤其是中高緯度地區)覆蓋性能及具有單顆虛擬大衛星功能的衛星網絡構建方面，卻存在著很大的局限性。首先，分散的衛星分布無法最優化區域覆蓋特性，同時也限制了星間鏈路(ISL)的配置及優化；其次，Walker星座本身對衛星失效較為敏感，系統的抗毀性難以保 證；第三，在目前已投入使用的衛星系統中，ISL還未得到充分地應用，無法從網絡級別對系統進行設計。由此看來，本發明所提供的具有ISL及緊湊拓撲結構、滿足中高緯度區域覆蓋的衛星編隊系統將對空間導航、地面探測、星地無線通信等領域的發展起到十分關鍵的推動作用。Flower衛星星座理論自2003年提出以來，在全球導航系統的優化及區域導航衛星星座設計方面備受關注。其優勢特性在於星座中所有衛星均具有周期重複的共地面軌跡，採用小偏心率的橢圓軌道，結合靈活的軌道傾角設定可以在遠地點附近的低速駐留區內實現大容量的星地數據傳輸，區域覆蓋性能優於傳統的Walker星座。國內學者對Flower星座的應用可行性也進行了一系列相關研究。《宇航學報》2007年第3期中的文章「Flower衛星星座設計方法研究」設計了一個能夠不依賴地面測控站為GEO衛星提供導航定位服務的Flower衛星星座系統,該系統包含兩個Flower星座,且衛星在星座中均勻分布,通過仿真驗證了其對中高軌道宇航飛行器提供導航定位服務的可行性。但是這種由多個Flower星座構成的系統由於衛星空間分布均勻且不緊湊，不適合用於地面區域覆蓋，且設計中也沒有考慮ISL的構建，因此該系統不具備良好的穩定性和星間組網功能。

發明內容
本發明的目的在於提供了一種能夠有效增強衛星系統穩定性、提高星地通信質量，具有ISL和特定幾何拓撲、空間分布相對緊湊、適用於區域多重覆蓋的低軌道微小衛星編隊系統。本發明的目的是這樣實現的(I)組成編隊的17顆低軌道微小衛星在軌道周期的初始時刻構成帶有幾何中心點且空間半徑約為1000km的圓形拓撲結構，位於幾何中心點的衛星為編隊的中心衛星，其他16顆衛星在圓周上均勻分布，軌道周期初始時刻設為中心衛星經過赤道平面的時刻；(2)所配置的32條ISL採用均勻分布原則，避免鏈路重疊造成的編隊內部通信幹擾，其中16條ISL設置在中心衛星與各圓周衛星之間，另外16條設置在各圓周衛星之間，將各圓周衛星沿拓撲邊界兩兩相連構成閉合環形；(3)星載探測設備均為30°基本圓錐形，中心衛星對地為正視狀態，圓周上各衛星對地為 側視狀態且沿著空間拓撲半徑向外發散，側視角為5°，中心衛星及圓周上四顆衛星的星載設備處於工作狀態，其餘各衛星起備用或補償作用，衛星編隊重點實現對北半球30°至90°緯度範圍的區域多重覆蓋。正視狀態是視場方向正對地心。所述的適用於中高緯度區域覆蓋的低軌道微小衛星編隊系統，其特徵是所述的中心衛星及圓周上四顆衛星是兩兩間隔且間隔相等。本發明的方法的主要特點如下衛星編隊拓撲結構具有良好的對稱性和緊湊性，便於ISL的靈活配置和優化，有利於各編隊衛星協作實現虛擬大衛星功能，進而從網絡層面上增強了地面動態區域網通信協在衛星編隊中的適用性，且該編隊系統可進一步擴展應用於多層軌道衛星網絡的構建。


圖I為本發明帶有星間鏈路的低軌微小衛星編隊拓撲結構仿真結果圖；圖2為在一個回歸周期內鏈路0-1 AER參數隨時間變化的仿真結果圖；圖3為正視狀態下衛星對地覆蓋示意圖；圖4為側視狀態下衛星對地覆蓋示意圖；圖5為本發明衛星編隊系統對地覆蓋範圍仿真結果圖；圖6為本發明衛星編隊中各衛星初始時刻空間位置參數Ω和Mtl設置結果表；圖7為本發明衛星編隊中心衛星與圓周衛星間ISL各幾何參數變化範圍仿真結果表;圖8為各圓周衛星間ISL各幾何參數變化範圍仿真結果表；圖9為本發明衛星編隊系統在不同覆蓋重數要求下對應的時間參數仿真結果表。
具體實施例方式下面結合附圖舉例對本發明做更詳細的描述結合圖I。本發明的衛星編隊系統中每顆衛星均屬於一個10-1-8 (Np-Nd-Ns)Flower星座，回歸周期為I天，其間所有衛星在軌運行10圈。各衛星軌道的形狀一致，軌道基本參數設置如下軌道傾角i = 85. 0°，採用近極軌道；近地點高度hp = 1500km ；近地點幅角ω = 270°，保證遠地點位於北半球且星下點軌跡的形狀關於中心經度對稱；求得軌道半長軸a = 9084km ；軌道偏心率e = O. 13745。衛星在單個軌道周期初始時刻的位置由其升交點赤徑Ω及初始時刻平均異常角M0決定，衛星編隊內32條ISL配置如圖I所示。
結合圖2。所示鏈路0-1 (O號衛星與I號衛星間的ISL)的AER (代表鏈路方位角、俯仰角和鏈路長度)曲線圖以及圖7，可得ISL特性如下1)鏈路俯仰角最大變化範圍僅為15. 3° (0-7鏈路)，各參數變化均具有周期性，有利於降低星載設備複雜度，保證鏈路切換或跟蹤時的準確性、實時性；2)參數曲線連續無中斷，適合建立永久ISL ；3)中心衛星與各圓周衛星間最大相對距離為1583km，星載天線通過發射功率和增益設置有能力滿足這一通信距離。結合圖3、圖4和圖5。中心衛星對地為正視狀態，編號為1、3、5、7的工作衛星對地為側視狀態，圖5中覆蓋區域中心部分的覆蓋重數高於邊界部分。結合圖6。本發明的編隊系統中17顆衛星初始時刻空間位置參數設置如圖6所示，編隊共包含9個軌道面，各衛星升交點赤徑分布於ΛΩ =9.37°的範圍內。結合圖8可知各圓周衛星間鏈路長度最大值約為610km，因此信息交互時延較短， 便於提高衛星網絡的數據處理能力。結合圖9。可知，區域各點每次單重覆蓋持續時間約為30min，覆蓋持續時間隨覆蓋重數增加而縮短，四重和五重覆蓋單次持續時間均低於15min，此時需要增加備用星來延長覆蓋時間，以實現大容量的星地信息傳輸。實際應用中可以通過調整星載設備視場方向來滿足區域各點覆蓋重數的不同要求，提高通信系統的可靠性及靈活性；還可以通過調整i和ω兩個參數進行遠地點方位重定向，調整覆蓋區域。
權利要求
1.一種適用於中高緯度區域覆蓋的低軌道微小衛星編隊系統，其特徵是 (O組成編隊的17顆低軌道微小衛星在軌道周期的初始時刻構成帶有幾何中心點且空間半徑約為IOOOkm的圓形拓撲結構，位於幾何中心點的衛星為編隊的中心衛星，其他16顆衛星在圓周上均勻分布，軌道周期初始時刻設為中心衛星經過赤道平面的時刻； (2)所配置的32條ISL採用均勻分布原則，避免鏈路重疊造成的編隊內部通信幹擾，其中16條ISL設置在中心衛星與各圓周衛星之間，另外16條設置在各圓周衛星之間，將各圓周衛星沿拓撲邊界兩兩相連構成閉合環形； (3)星載探測設備均為30°基本圓錐形，中心衛星對地為正視狀態，圓周上各衛星對地為側視狀態且沿著空間拓撲半徑向外發散，側視角為5°，中心衛星及圓周上四顆衛星的星載設備處於工作狀態，其餘各衛星起備用或補償作用，衛星編隊重點實現對北半球30°至90°緯度範圍的區域多重覆蓋。
2.根據權利要求I所述的適用於中高緯度區域覆蓋的低軌道微小衛星編隊系統，其特徵是所述的中心衛星及圓周上四顆衛星是兩兩間隔且間隔相等。
全文摘要
本發明提供的是一種適用於中高緯度區域覆蓋的低軌道微小衛星編隊系統。該編隊系統基於Flower星座設計「表面投影」理論，在回歸周期初始時刻由各衛星構成緊湊的幾何空間構形，並保證該拓撲結構相對於地面各點具有周期重複特性；編隊中各衛星均採用形狀完全一致的近極橢圓軌道；編隊內部在保證無鏈路重疊的情況下，建立多條永久星間鏈路。本發明所提供的衛星編隊系統能夠大大降低地面跟蹤控制系統的複雜度，有利於星間鏈路的優化和通信可靠性的提高，保證了良好的地面中高緯度區域多重覆蓋特性，在空間通信領域具有廣闊的應用價值和發展前景。
文檔編號H04W84/06GK102891713SQ20121036992
公開日2013年1月23日 申請日期2012年9月27日 優先權日2012年9月27日
發明者陳炳才, 李智楠, 楊曉冬 申請人:哈爾濱工程大學