專利名稱：適用于中高緯度區(qū)域覆蓋的低軌道微小衛(wèi)星編隊系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星編隊系統(tǒng)，具體的說是一種適用于中高緯度區(qū)域覆蓋的低軌道微小衛(wèi)星編隊系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來，新一代空間無線通信任務(wù)對衛(wèi)星編隊系統(tǒng)的吞吐量、實時性和魯棒性提出了更高的要求。基于WalkerS星座設(shè)計理論的衛(wèi)星系統(tǒng)是目前應(yīng)用最廣的全球覆蓋衛(wèi)星系統(tǒng)，并應(yīng)用于美國Globalstar、俄羅斯GL0NASS、歐洲Galileo等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計。雖然此類系統(tǒng)憑借良好的普適性和商用價值仍是目前衛(wèi)星系統(tǒng)商品化的主流，但在區(qū)域(尤其是中高緯度地區(qū))覆蓋性能及具有單顆虛擬大衛(wèi)星功能的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方面，卻存在著很大的局限性。首先，分散的衛(wèi)星分布無法最優(yōu)化區(qū)域覆蓋特性，同時也限制了星間鏈路(ISL)的配置及優(yōu)化；其次，Walker星座本身對衛(wèi)星失效較為敏感，系統(tǒng)的抗毀性難以保 證；第三，在目前已投入使用的衛(wèi)星系統(tǒng)中，ISL還未得到充分地應(yīng)用，無法從網(wǎng)絡(luò)級別對系統(tǒng)進行設(shè)計。由此看來，本發(fā)明所提供的具有ISL及緊湊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、滿足中高緯度區(qū)域覆蓋的衛(wèi)星編隊系統(tǒng)將對空間導(dǎo)航、地面探測、星地?zé)o線通信等領(lǐng)域的發(fā)展起到十分關(guān)鍵的推動作用。Flower衛(wèi)星星座理論自2003年提出以來，在全球?qū)Ш较到y(tǒng)的優(yōu)化及區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星星座設(shè)計方面?zhèn)涫荜P(guān)注。其優(yōu)勢特性在于星座中所有衛(wèi)星均具有周期重復(fù)的共地面軌跡，采用小偏心率的橢圓軌道，結(jié)合靈活的軌道傾角設(shè)定可以在遠地點附近的低速駐留區(qū)內(nèi)實現(xiàn)大容量的星地數(shù)據(jù)傳輸，區(qū)域覆蓋性能優(yōu)于傳統(tǒng)的Walker星座。國內(nèi)學(xué)者對Flower星座的應(yīng)用可行性也進行了一系列相關(guān)研究。《宇航學(xué)報》2007年第3期中的文章“Flower衛(wèi)星星座設(shè)計方法研究”設(shè)計了一個能夠不依賴地面測控站為GEO衛(wèi)星提供導(dǎo)航定位服務(wù)的Flower衛(wèi)星星座系統(tǒng),該系統(tǒng)包含兩個Flower星座,且衛(wèi)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(dǎo)航定位服務(wù)的可行性。但是這種由多個Flower星座構(gòu)成的系統(tǒng)由于衛(wèi)星空間分布均勻且不緊湊，不適合用于地面區(qū)域覆蓋，且設(shè)計中也沒有考慮ISL的構(gòu)建，因此該系統(tǒng)不具備良好的穩(wěn)定性和星間組網(wǎng)功能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供了一種能夠有效增強衛(wèi)星系統(tǒng)穩(wěn)定性、提高星地通信質(zhì)量，具有ISL和特定幾何拓?fù)洹⒖臻g分布相對緊湊、適用于區(qū)域多重覆蓋的低軌道微小衛(wèi)星編隊系統(tǒng)。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的(I)組成編隊的17顆低軌道微小衛(wèi)星在軌道周期的初始時刻構(gòu)成帶有幾何中心點且空間半徑約為1000km的圓形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，位于幾何中心點的衛(wèi)星為編隊的中心衛(wèi)星，其他16顆衛(wèi)星在圓周上均勻分布，軌道周期初始時刻設(shè)為中心衛(wèi)星經(jīng)過赤道平面的時刻；(2)所配置的32條ISL采用均勻分布原則，避免鏈路重疊造成的編隊內(nèi)部通信干擾，其中16條ISL設(shè)置在中心衛(wèi)星與各圓周衛(wèi)星之間，另外16條設(shè)置在各圓周衛(wèi)星之間，將各圓周衛(wèi)星沿拓?fù)溥吔鐑蓛上噙B構(gòu)成閉合環(huán)形；(3)星載探測設(shè)備均為30°基本圓錐形，中心衛(wèi)星對地為正視狀態(tài)，圓周上各衛(wèi)星對地為 側(cè)視狀態(tài)且沿著空間拓?fù)浒霃较蛲獍l(fā)散，側(cè)視角為5°，中心衛(wèi)星及圓周上四顆衛(wèi)星的星載設(shè)備處于工作狀態(tài)，其余各衛(wèi)星起備用或補償作用，衛(wèi)星編隊重點實現(xiàn)對北半球30°至90°緯度范圍的區(qū)域多重覆蓋。正視狀態(tài)是視場方向正對地心。所述的適用于中高緯度區(qū)域覆蓋的低軌道微小衛(wèi)星編隊系統(tǒng)，其特征是所述的中心衛(wèi)星及圓周上四顆衛(wèi)星是兩兩間隔且間隔相等。本發(fā)明的方法的主要特點如下衛(wèi)星編隊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有良好的對稱性和緊湊性，便于ISL的靈活配置和優(yōu)化，有利于各編隊衛(wèi)星協(xié)作實現(xiàn)虛擬大衛(wèi)星功能，進而從網(wǎng)絡(luò)層面上增強了地面動態(tài)局域網(wǎng)通信協(xié)在衛(wèi)星編隊中的適用性，且該編隊系統(tǒng)可進一步擴展應(yīng)用于多層軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。


圖I為本發(fā)明帶有星間鏈路的低軌微小衛(wèi)星編隊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仿真結(jié)果圖；圖2為在一個回歸周期內(nèi)鏈路0-1 AER參數(shù)隨時間變化的仿真結(jié)果圖；圖3為正視狀態(tài)下衛(wèi)星對地覆蓋示意圖；圖4為側(cè)視狀態(tài)下衛(wèi)星對地覆蓋示意圖；圖5為本發(fā)明衛(wèi)星編隊系統(tǒng)對地覆蓋范圍仿真結(jié)果圖；圖6為本發(fā)明衛(wèi)星編隊中各衛(wèi)星初始時刻空間位置參數(shù)Ω和Mtl設(shè)置結(jié)果表；圖7為本發(fā)明衛(wèi)星編隊中心衛(wèi)星與圓周衛(wèi)星間ISL各幾何參數(shù)變化范圍仿真結(jié)果表;圖8為各圓周衛(wèi)星間ISL各幾何參數(shù)變化范圍仿真結(jié)果表；圖9為本發(fā)明衛(wèi)星編隊系統(tǒng)在不同覆蓋重數(shù)要求下對應(yīng)的時間參數(shù)仿真結(jié)果表。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)的描述結(jié)合圖I。本發(fā)明的衛(wèi)星編隊系統(tǒng)中每顆衛(wèi)星均屬于一個10-1-8 (Np-Nd-Ns)Flower星座，回歸周期為I天，其間所有衛(wèi)星在軌運行10圈。各衛(wèi)星軌道的形狀一致，軌道基本參數(shù)設(shè)置如下軌道傾角i = 85. 0°，采用近極軌道；近地點高度hp = 1500km ；近地點幅角ω = 270°，保證遠地點位于北半球且星下點軌跡的形狀關(guān)于中心經(jīng)度對稱；求得軌道半長軸a = 9084km ；軌道偏心率e = O. 13745。衛(wèi)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(wèi)星編隊內(nèi)32條ISL配置如圖I所示。
結(jié)合圖2。所示鏈路0-1 (O號衛(wèi)星與I號衛(wèi)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范圍僅為15. 3° (0-7鏈路)，各參數(shù)變化均具有周期性，有利于降低星載設(shè)備復(fù)雜度，保證鏈路切換或跟蹤時的準(zhǔn)確性、實時性；2)參數(shù)曲線連續(xù)無中斷，適合建立永久ISL ；3)中心衛(wèi)星與各圓周衛(wèi)星間最大相對距離為1583km，星載天線通過發(fā)射功率和增益設(shè)置有能力滿足這一通信距離。結(jié)合圖3、圖4和圖5。中心衛(wèi)星對地為正視狀態(tài)，編號為1、3、5、7的工作衛(wèi)星對地為側(cè)視狀態(tài)，圖5中覆蓋區(qū)域中心部分的覆蓋重數(shù)高于邊界部分。結(jié)合圖6。本發(fā)明的編隊系統(tǒng)中17顆衛(wèi)星初始時刻空間位置參數(shù)設(shè)置如圖6所示，編隊共包含9個軌道面，各衛(wèi)星升交點赤徑分布于ΛΩ =9.37°的范圍內(nèi)。結(jié)合圖8可知各圓周衛(wèi)星間鏈路長度最大值約為610km，因此信息交互時延較短， 便于提高衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)處理能力。結(jié)合圖9。可知，區(qū)域各點每次單重覆蓋持續(xù)時間約為30min，覆蓋持續(xù)時間隨覆蓋重數(shù)增加而縮短，四重和五重覆蓋單次持續(xù)時間均低于15min，此時需要增加備用星來延長覆蓋時間，以實現(xiàn)大容量的星地信息傳輸。實際應(yīng)用中可以通過調(diào)整星載設(shè)備視場方向來滿足區(qū)域各點覆蓋重數(shù)的不同要求，提高通信系統(tǒng)的可靠性及靈活性；還可以通過調(diào)整i和ω兩個參數(shù)進行遠地點方位重定向，調(diào)整覆蓋區(qū)域。
權(quán)利要求
1.一種適用于中高緯度區(qū)域覆蓋的低軌道微小衛(wèi)星編隊系統(tǒng)，其特征是 (O組成編隊的17顆低軌道微小衛(wèi)星在軌道周期的初始時刻構(gòu)成帶有幾何中心點且空間半徑約為IOOOkm的圓形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，位于幾何中心點的衛(wèi)星為編隊的中心衛(wèi)星，其他16顆衛(wèi)星在圓周上均勻分布，軌道周期初始時刻設(shè)為中心衛(wèi)星經(jīng)過赤道平面的時刻； (2)所配置的32條ISL采用均勻分布原則，避免鏈路重疊造成的編隊內(nèi)部通信干擾，其中16條ISL設(shè)置在中心衛(wèi)星與各圓周衛(wèi)星之間，另外16條設(shè)置在各圓周衛(wèi)星之間，將各圓周衛(wèi)星沿拓?fù)溥吔鐑蓛上噙B構(gòu)成閉合環(huán)形； (3)星載探測設(shè)備均為30°基本圓錐形，中心衛(wèi)星對地為正視狀態(tài)，圓周上各衛(wèi)星對地為側(cè)視狀態(tài)且沿著空間拓?fù)浒霃较蛲獍l(fā)散，側(cè)視角為5°，中心衛(wèi)星及圓周上四顆衛(wèi)星的星載設(shè)備處于工作狀態(tài)，其余各衛(wèi)星起備用或補償作用，衛(wèi)星編隊重點實現(xiàn)對北半球30°至90°緯度范圍的區(qū)域多重覆蓋。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的適用于中高緯度區(qū)域覆蓋的低軌道微小衛(wèi)星編隊系統(tǒng)，其特征是所述的中心衛(wèi)星及圓周上四顆衛(wèi)星是兩兩間隔且間隔相等。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種適用于中高緯度區(qū)域覆蓋的低軌道微小衛(wèi)星編隊系統(tǒng)。該編隊系統(tǒng)基于Flower星座設(shè)計“表面投影”理論，在回歸周期初始時刻由各衛(wèi)星構(gòu)成緊湊的幾何空間構(gòu)形，并保證該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對于地面各點具有周期重復(fù)特性；編隊中各衛(wèi)星均采用形狀完全一致的近極橢圓軌道；編隊內(nèi)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(fā)明所提供的衛(wèi)星編隊系統(tǒng)能夠大大降低地面跟蹤控制系統(tǒng)的復(fù)雜度，有利于星間鏈路的優(yōu)化和通信可靠性的提高，保證了良好的地面中高緯度區(qū)域多重覆蓋特性，在空間通信領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用價值和發(fā)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(yōu)先權(quán)日2012年9月27日
發(fā)明者陳炳才, 李智楠, 楊曉冬 申請人:哈爾濱工程大學(xué)