一種GEO電子偵察衛星軌道部署方法與流程

2023-06-28 16:58:06 1

本發明涉及無線電偵察領域，尤其涉及一種GEO電子偵察衛星軌道部署方法。

背景技術：

目前，對於電子偵察衛星的軌道部署研究與偵察效能分析，基本都是針對低軌電子偵察衛星進行優化與分析的。低軌電子偵察衛星的星座設計一般直接借鑑低軌衛星星座設計的成果，如基於低軌Delta星座，歸納影響區域覆蓋性能的主要因素，並進行優化設計，實現區域的連續覆蓋。雖然針對低軌電子偵察衛星的偵察效能分析，已具有較多的研究，但是，針對同步軌道電子偵察衛星軌道部署研究及偵察效能分析方面的文獻幾乎沒有，雖然有方法在考慮通信衛星相互之間不受電磁幹擾的條件下，採用遺傳算法對GSO(GEO)通信衛星的軌位進行優化，實現軌位數量的增加，但它是針對合作目標進行優化的，對非合作的電子偵察軌道部署沒有實質性的參考意義。

鑑於以上分析，目前對GEO電子偵察衛星軌道部署的研究非常欠缺。所以，本發明提出了一種GEO電子偵察衛星軌道部署方法，以實現全概率信號截獲，提高對高頻段IGSO通信衛星上行信號的偵察效能。

技術實現要素：

鑑於上述的分析，本發明旨在提供一種GEO電子偵察衛星軌道部署方法，用以實現目標衛星地面通信終端上行信號全概率截獲。

本發明的目的主要是通過以下技術方案實現的：

提供一種GEO電子偵察衛星軌道部署方法，包括以下步驟：

步驟S1.獲取預偵察的地面通信終端波束寬度γ和目標衛星軌道傾角∠SMB；

步驟S2.根據獲取的地面通信終端波束寬度γ和目標衛星軌道傾角∠SMB，判斷是否滿足全概率截獲的部署條件；如果滿足，則存在全概率截獲的軌道部署，進入下一步驟；

步驟S3.計算GEO電子偵察衛星與目標衛星的地心角限制λ；

步驟S4.根據基於地心角限制、目標衛星軌道傾角的約束條件，求出全概率截獲的軌道部署相位角的取值範圍；

步驟S5.根據軌道部署相位角的範圍，進行GEO電子偵察衛星的軌道部署。

其中，

優選的，步驟S2中所述的滿足全概率截獲的部署條件是：

滿足公式

式中，γ為地面通信終端的波束寬度，Re為地球半徑，r為偵察衛星/目標衛星的地心距，∠SMB為目標衛星的軌道傾角。

優選的，步驟S3中，根據公式及地面通信終端的波束寬度γ，獲得GEO電子偵察衛星與目標衛星的地心角限制λ，式中Re和r分別為地球半徑和衛星的地心距。

優選的，步驟S4中所述的約束條件是指滿足公式|MC|≤arccos((2cosλ+D)/E)，

其中，D＝1-cos∠SMB，E＝1+cos∠SMB；

式中，MC代表軌道部署相位角，λ為步驟S3中獲得的GEO電子偵察衛星與目標衛星的地心角限制，∠SMB為目標衛星的軌道角度。

本發明有益效果如下：

通過建立判斷全概率截獲的部署條件，以及建立軌道部署相位角和目標衛星軌道傾角、地面通信終端波束寬度之間的關係，來確定全概率截獲的軌道部署相位角的取值範圍，以實現全概率信號截獲，提高對高頻段IGSO通信衛星上行信號的偵察效能。

本發明的其他特徵和優點將在隨後的說明書中闡述，並且，部分的從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發明而了解。本發明的目的和其他優點可通過在所寫的說明書、權利要求書、以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。

附圖說明

附圖僅用於示出具體實施例的目的，而並不認為是對本發明的限制，在整個附圖中，相同的參考符號表示相同的部件。

圖1.通信終端波束寬度與地心角之間的關係示意圖；

圖2.偵察衛星與目標衛星的軌道位置關係示意圖；

圖3.地面通信終端波束寬度與目標衛星軌道傾角的約束關係示意圖；

圖4.軌道部署相位角隨目標衛星軌道傾角的變化關係的示意圖；

圖5.目標衛星與偵察衛星在不同時刻的覆蓋區域示意圖；

圖6.仿真流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖來具體描述本發明的優選實施例，其中，附圖構成本申請一部分，並與本發明的實施例一起用於闡釋本發明的原理。

本發明的具體應用環境如下：

空間中有偵察衛星B和目標衛星S，偵察衛星B與目標衛星S形成的地心角為λ。地面通信終端在地球表面上位於點N，並位於∠SOB的角平分線上，如圖1所示。假設地面通信終端的波束寬度為γ，波束中心對準目標衛星S進行通信，

根據上述應用場景中的各衛星和地面通信終端的位置關係，當地面通信終端與目標衛星S進行通信時，如果需要偵察衛星B對通信終端實現主瓣信號偵收，則在不同地面位置需要的通信終端波束寬度是不同的。其中，地面通信終端在點N時，需求的波束寬度γ最大。

根據點N的特點及三角形邊角定理，可以得到波束寬度與地心角間的約束關係：

式中，λ為偵察衛星B與目標衛星S形成的地心角，γ為地面通信終端的波束寬度，Re和r分別為地球半徑和偵察(目標)衛星的地心距，可以分別設為6371km與42164km。

只有當偵察衛星與目標衛星滿足地心角與波束寬度的約束關係，偵察衛星才能實現任意位置通信終端(波束寬度為γ)上行信號的主瓣偵收，即全概率信號截獲。對於不滿足約束的，只能部分時間實現主瓣偵收，不能實現全概率信號截獲。對於同步軌道目標衛星往往具有一定的傾角，特別是軍用目標衛星，下面將針對這類IGSO傾斜地球同步軌道目標衛星，分析GEO靜止軌道電子偵察衛星的軌道部署方法，以實現地面通信終端信號的全概率截獲。

本發明的一個具體實施例，公開了一種GEO電子偵察衛星軌道部署方法。

本實施例中，偵察衛星與目標衛星具有不同的軌道傾角(偵察衛星為靜止軌道，零傾角；目標衛星為IGSO具有一定的小傾角)，且偵察衛星的相位角超前目標衛星，如圖2所示。偵察衛星軌道與目標衛星軌道同在42164km(地心距)左右高度的天球球面上(以下公式推導按照歸一化考慮)。圖2中，點C、M分別為偵察衛星、目標衛星在初始時刻的軌道位置，則∠MOC為偵察衛星超前目標衛星的相位角(即為目標衛星經過赤道面時，兩顆衛星的星下點經度差，大小與MC一致，因此用MC來表示軌道部署相位角)，點B、S分別為偵察衛星、目標衛星在時刻t的軌道位置，則弧長MS＝BC，∠SMB即為目標衛星的軌道傾角，弧長SB即為對應的偵察衛星與目標衛星的地心角。

根據球面三角形邊角定理，可得：

cos SB＝cos MB cos MS+sin MB sin MS cos∠SMB (2)

將MB＝BC+MC＝MS+MC代入上式，並利用三角函數關係化簡得到：

D＝1-cos∠SMB (4)

E＝1+cos∠SMB (5)

在確定的MC、∠SMB條件下，根據公式(3)可以求得SB的最大值、最小值分別為：

MaxSB＝max(SB)＝arccos((E cos MC-D)/2) (6)

MinSB＝min(SB)＝arccos((E cos MC+D)/2) (7)

對於預偵察的地面通信終端波束寬度γ，根據公式(1)反應的約束關係，可以求得對應的地心角λ。

當MaxSB≤λ時，可以實現地面通信終端信號的全概率截獲；當MinSB＞λ時，將無法實現地面通信終端信號的主瓣偵收。所以，將公式(6)代入MaxSB≤λ，得到全概率截獲的軌道部署方法如下：

|MC|≤arccos((2cosλ+D)/E) (8)

本實施例中，假定地面通信終端的波束寬度為20°，目標衛星軌道為IGSO軌道(傾角為5°，經過赤道面的星下點經度為150°)。

根據上述原理，實施例的一種實現全概率信號截獲的GEO電子偵察衛星軌道部署方法，具體包括步驟：

步驟S1.獲取預偵察的地面通信終端波束寬度γ和目標衛星軌道傾角∠SMB。

步驟S2.根據獲取的地面通信終端波束寬度γ和目標衛星軌道傾角∠SMB，判斷是否滿足全概率截獲的部署條件；如果滿足，則存在全概率截獲的軌道部署，進入下一步驟。

優選的，所述全概率截獲的部署條件是指是否滿足公式(9)：

如果滿足，則存在全概率截獲的軌道部署，進入下一步驟；反之，則對於地面通信終端波束寬度γ和目標衛星軌道傾角∠SMB這個條件下，不存在全概率截獲的軌道部署。

上述公式(9)是通過以下方法獲得的：

對於公式(8)，即|MC|≤arccos((2cosλ+D)/E)，只有當λ≥∠SMB時，三角反函數才有意義，即存在全概率截獲的軌道部署方法。將公式(1)代入λ≥∠SMB，並化簡得到

上述公式(9)表明：

當地面通信終端波束寬度與目標衛星軌道傾角滿足該關係時，存在全概率截獲的軌道部署策略；反之，無論怎麼定點部署GEO偵察衛星都無法實現地面通信終端信號的全概率截獲，即不存在全概率截獲的軌道部署策略。

考慮到地面通信終端波束寬度一般最大不超過180°，則用圖3可以表示上述公式的意義。在曲線上方區域存在全概率截獲的軌道部署策略，反之，在曲線下方區域不存在。

步驟S3.計算GEO電子偵察衛星與目標衛星的地心角限制λ。

具體地，根據公式及地面通信終端的波束寬度γ，獲得GEO電子偵察衛星與目標衛星的地心角限制λ。式中，Re和r分別為地球半徑和偵察衛星/目標衛星的地心距，本實施例中分別設為6371km與42164km。

當MaxSB≤λ時，可以實現地面通信終端信號的全概率截獲；當MinSB＞λ時，將無法實現地面通信終端信號的主瓣偵收。

所以，將公式(6)代入MaxSB≤λ，即可得到全概率截獲的軌道部署方法：

步驟S4.根據基於地心角限制、目標衛星軌道傾角的約束條件，求出全概率截獲的軌道部署相位角的取值範圍。

具體地，所述約束條件是指滿足公式°MC°≤arccos((2cosλ+D)/E)，根據上述公式求出全概率截獲的軌道部署相位角。實施例具體確定的全概率截獲的軌道部署相位角為[-6.865°,6.865°]。

上述公式中，D＝1-cos∠SMB，E＝1+cos∠SMB，∠SMB為目標衛星的軌道角度。

根據所述公式，可以得到不同的地面通信終端波束寬度γ條件下，軌道部署的相位角隨目標衛星軌道傾角∠SMB的變化關係，如圖4所示。

從圖中可以看出：對於確定的地面通信終端波束寬度，只要軌道部署相位角與目標衛星軌道傾角組合形成的坐標點，位於對應曲線與縱坐標軸形成的區域範圍內，就能實現該地面通信終端主瓣信號的全概率截獲。例如，對于波束寬度為20°的地面通信終端，當目標衛星傾角分別為2°、4°、6°、8°時，軌道部署相位角的範圍可以分別為[-8.252°,8.252°]、[-7.491°,7.491°]、[-6.011°,6.011°]、[-2.847°,2.847°]。

步驟S5.根據上一步計算的軌道部署相位角的範圍，進行GEO電子偵察衛星的軌道部署。

為驗證軌道部署的正確性，假設GEO偵察衛星的定點經度為143.135°，進行截獲概率的仿真計算。此時，目標衛星與偵察衛星在不同時刻的覆蓋區域示意如圖5所示。

考慮5°仰角要求及目標衛星南北向漂移，則目標衛星與偵察衛星始終重疊的覆蓋區約為70°N～70°S、140°E～74°W(需去掉部分邊緣區域)。考慮經度與緯度都採用1°間隔對該區域進行網格劃分，將地面通信終端定點在網格點上，並且波束中心對準目標衛星進行通信，採用高精度軌道模型進行仿真分析。令截獲概率的表示方式如下：

上式中，pr為截獲概率，tc為仿真時間(假設1天)，n為仿真時間內對目標衛星和偵察衛星的仰角始終滿足5°要求的地面通信終端總個數(即網格點數)，ti為第i個地面通信終端能夠被偵察衛星實現主瓣信號偵收的時間。具體的仿真流程如圖6所示。

通過仿真計算，覆蓋區域內共有20727個網格點，滿足仰角要求的地面通信終端個數為17799個，對地面通信終端主瓣偵收時間的總和為1.5378e9s，按照公式(10)計算得到的截獲概率為100％，即能夠實現地面通信終端信號的全概率截獲，因而驗證了軌道部署策略的正確性。

綜上所述，本發明實施例提供了一種實現全概率信號截獲的GEO電子偵察衛星軌道部署方法，根據給定的地面通信終端波束寬度和目標衛星軌道傾角，具體實施GEO電子偵察衛星的軌道部署，實現地面通信終端信號的全概率截獲，提高對高頻段IGSO通信衛星上行信號的偵察效能。本方法還通過數值仿真驗證軌道部署方法的正確性。

本領域技術人員可以理解，實現上述實施例方法的全部或部分流程，可以通過電腦程式來指令相關的硬體來完成，所述的程序可存儲於計算機可讀存儲介質中。其中，所述計算機可讀存儲介質為磁碟、光碟、只讀存儲記憶體或隨機存儲記憶體等。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。