《星座構(gòu)型設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)綜述》3100字

星座構(gòu)型設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u22909星座構(gòu)型設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)綜述 1147211.1星座設(shè)計(jì)基本原則和方法 1107361.1.1通信星座設(shè)計(jì)原則 1112941.1.2通信星座基本設(shè)計(jì)流程 1236351.2星座構(gòu)型簡(jiǎn)述 2214761.2.1通用描述方法 239231.2.2Walker星座簡(jiǎn)介 216761.2.3Walker星座構(gòu)型對(duì)于星座性能的影響 3134391.2.4混合軌道星座構(gòu)型簡(jiǎn)介 4325751.3星座可見(jiàn)性分析基本原理 5星座設(shè)計(jì)基本原則和方法通信星座設(shè)計(jì)原則本文的研究目標(biāo)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(hù)之間提供實(shí)時(shí)穩(wěn)定通信服務(wù)的衛(wèi)星星座，為滿(mǎn)足通信星座的實(shí)際功能，其設(shè)計(jì)原則有如下幾點(diǎn):有效利用頻段和射頻功率；使用盡量少的衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)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(shè)計(jì)流程通信星座的基本設(shè)計(jì)過(guò)程如下：明確任務(wù)需求，將其中的敘述性要求量化為可評(píng)估的性能指標(biāo)；在明確需求后，依照一定的設(shè)計(jì)原則和方法進(jìn)行初步的總體設(shè)計(jì)、軌道設(shè)計(jì)和衛(wèi)星設(shè)計(jì)，并驗(yàn)證其性能是否符合指標(biāo)需求；對(duì)星座整體性能進(jìn)行綜合評(píng)估，并在此基礎(chǔ)上對(duì)初步的星座構(gòu)型設(shè)計(jì)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，改進(jìn)星座的性能；重復(fù)上述設(shè)計(jì)過(guò)程，對(duì)星座構(gòu)型反復(fù)迭代優(yōu)化，從而得到滿(mǎn)足任務(wù)需求的最優(yōu)星座構(gòu)型，并形成設(shè)計(jì)文件。星座構(gòu)型簡(jiǎn)述通用描述方法星座構(gòu)型描述指的是對(duì)星座內(nèi)各顆衛(wèi)星的軌道要素進(jìn)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(huì)使得描述星座構(gòu)型將會(huì)非常復(fù)雜，但在實(shí)際的空間運(yùn)行過(guò)程中，衛(wèi)星會(huì)受到如地球非球形引力、大氣阻力、其他天體引力、太陽(yáng)光壓等各種攝動(dòng)力的影響，其軌道要素會(huì)不斷發(fā)生變化[24]。衛(wèi)星所受的攝動(dòng)力與衛(wèi)星的軌道要素密切相關(guān)，因此為了維持星座整體構(gòu)型的穩(wěn)定，應(yīng)使星座中每顆衛(wèi)星受到的攝動(dòng)力的影響相同。一般使星座中衛(wèi)星的半長(zhǎng)軸、偏心率和軌道傾角都取相同的值，而對(duì)于星座的各個(gè)軌道面的升交點(diǎn)赤經(jīng)以及軌道面內(nèi)衛(wèi)星間的相位差則無(wú)特定要求。因此星座設(shè)計(jì)的主要因素包括：軌道類(lèi)型、軌道高度、軌道傾角、軌道平面數(shù)、軌道面內(nèi)衛(wèi)星個(gè)數(shù)和衛(wèi)星間的相位[25]。Walker星座簡(jiǎn)介Walker星座是指一類(lèi)星座，其主要特點(diǎn)為均勻?qū)ΨQ(chēng)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(gòu)型參數(shù)確定。20世紀(jì)70年代，Walker星座的概念被提出，因其優(yōu)秀的全球及對(duì)稱(chēng)緯度帶的覆蓋性能，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，許多星座系統(tǒng)均采用其作為基本星座構(gòu)型，例如GPS全球?qū)Ш较到y(tǒng)，Iridium系統(tǒng)和Globalstar系統(tǒng)等等。常用的星座構(gòu)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(wú)特殊說(shuō)明的情況下，Walker星座即指代Walker-星座。Walker星座的構(gòu)型設(shè)計(jì)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(gòu)型可表示為。星座的個(gè)軌道平面沿著地球赤道均勻分布，每個(gè)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(duì)應(yīng)序號(hào)衛(wèi)星的相位差為：(2.1)上式中。假設(shè)Walker星座中第1個(gè)軌道面的升交點(diǎn)赤經(jīng)為，在初始時(shí)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(diǎn)赤經(jīng)和衛(wèi)星相位分別為(2.2)Walker星座構(gòu)型對(duì)于星座性能的影響由上一小節(jié)可知，Walker星座的設(shè)計(jì)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(gòu)型可表示為。而不同的構(gòu)型設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)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(jìn)行星座設(shè)計(jì)時(shí)，采用不同的軌道高度可以實(shí)現(xiàn)不同的功能設(shè)計(jì)。隨著軌道高度的增加，星座的覆蓋面積范圍會(huì)相應(yīng)增加，所需的衛(wèi)星數(shù)目也會(huì)相應(yīng)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(dāng)軌道高度變化后，星座的構(gòu)型設(shè)計(jì)也會(huì)改變，衛(wèi)星數(shù)目和覆蓋特性會(huì)呈階躍式改變[26]。軌道傾角對(duì)通信星座的覆蓋緯度范圍有著決定作用，是一個(gè)重要特征參數(shù)。理論上可以通過(guò)設(shè)計(jì)各個(gè)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(dòng)的影響，各個(gè)軌道面的傾角應(yīng)取相同數(shù)值。隨著軌道傾角取值的增大，星座系統(tǒng)對(duì)于地面的覆蓋緯度帶范圍不斷增加，但相應(yīng)對(duì)于低緯度地區(qū)的覆蓋水平會(huì)有所下降。因此對(duì)于Walker星座，其軌道傾角的選擇應(yīng)綜合考慮覆蓋范圍和覆蓋性能水平，以符合服務(wù)區(qū)域的緯度范圍要求，不應(yīng)過(guò)高或過(guò)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(shè)計(jì)星座時(shí)通常要在給定覆蓋目標(biāo)后對(duì)星座的覆蓋率和衛(wèi)星個(gè)數(shù)間進(jìn)行折衷選擇，通常認(rèn)為在星座構(gòu)型類(lèi)型不變、滿(mǎn)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(jìn)行星座設(shè)計(jì)時(shí)，其中一個(gè)原則就是在滿(mǎn)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(gè)軌道面上運(yùn)行的衛(wèi)星數(shù)量和各軌道面間的間隔，對(duì)星座的覆蓋均勻性以及整體的覆蓋性能都有影響。一般來(lái)說(shuō)，由于軌道平面數(shù)的增加會(huì)導(dǎo)致發(fā)射難度和星座設(shè)計(jì)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(mǎn)足性能要求。相位因子表征了相鄰軌道面上對(duì)應(yīng)位置衛(wèi)星的相位關(guān)系，對(duì)于星座的覆蓋均勻性起著決定性的作用。通過(guò)適當(dāng)選擇星座衛(wèi)星的相位，能夠得到當(dāng)前構(gòu)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?gòu)型簡(jiǎn)介對(duì)于單層構(gòu)型的星座，其在南北半球的分布具有均勻性，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(duì)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(gòu)型星座提供的通信性能是一樣的，即單層構(gòu)型星座的通信供應(yīng)能力往往大于實(shí)際任務(wù)需求，這在一定程度上造成了通信資源的浪費(fèi)?；旌宪壍罉?gòu)型正是為了解決這一問(wèn)題而出現(xiàn)的構(gòu)型設(shè)計(jì)?；旌宪壍罉?gòu)型的基本思想是將各自的覆蓋特性有互補(bǔ)關(guān)系的星座整合在一起，以更為高效地實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星系統(tǒng)的覆蓋性能要求，同時(shí)盡可能地減少衛(wèi)星數(shù)目，降低系統(tǒng)成本。Ellipso星座的構(gòu)型正是一種典型的混合軌道構(gòu)型，如圖2.1所示。其由兩個(gè)子星座Borealis和Concordia組成。Borealis星座由2條遠(yuǎn)地點(diǎn)高度為7846km、偏心率0.35、軌道傾角116.6°的凍結(jié)橢圓軌道組成，完成了對(duì)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(duì)南北緯50°以?xún)?nèi)的區(qū)域進(jìn)行覆蓋補(bǔ)充。通過(guò)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(duì)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(gòu)型總之，混合軌道星座這一概念的本質(zhì)是通過(guò)不同星座構(gòu)型和軌道類(lèi)型的組合，使各類(lèi)星座構(gòu)型的覆蓋特性和服務(wù)區(qū)域優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，更加高效地滿(mǎn)足星座覆蓋性能要求。星座可見(jiàn)性分析基本原理由2.1.2小節(jié)可知，在進(jìn)行星座構(gòu)型設(shè)計(jì)的流程中，需要反復(fù)對(duì)所設(shè)計(jì)的星座進(jìn)行性能指標(biāo)計(jì)算，因此星座構(gòu)型的性能評(píng)價(jià)是構(gòu)型設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一。對(duì)于大規(guī)模混合軌道通信星座，其性能評(píng)價(jià)的關(guān)鍵一般在于對(duì)星座的覆蓋性能進(jìn)行分析，而在計(jì)算各類(lèi)覆蓋性能指標(biāo)，尤其是覆蓋重?cái)?shù)等參數(shù)時(shí)，首先需要進(jìn)行衛(wèi)星對(duì)地面目標(biāo)的可見(jiàn)性分析?？梢?jiàn)性分析是指在衛(wèi)星與衛(wèi)星、地面點(diǎn)或其他實(shí)體之間，求解兩者在給定的時(shí)間段內(nèi)能夠相互訪(fǎng)問(wèn)的時(shí)間窗口。這一問(wèn)題對(duì)于工程實(shí)際中的航天任務(wù)設(shè)計(jì)和仿真分析有重要的意義。衛(wèi)星可見(jiàn)性計(jì)算的傳統(tǒng)方法是通過(guò)設(shè)置合適的仿真時(shí)間步長(zhǎng)，進(jìn)行衛(wèi)星的軌道預(yù)報(bào)計(jì)算，在每一個(gè)離散時(shí)刻點(diǎn)計(jì)算此時(shí)衛(wèi)星與地面的可見(jiàn)性情況，最終通過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到衛(wèi)星對(duì)某一地面區(qū)域的可見(jiàn)性，單顆衛(wèi)星對(duì)單個(gè)地面點(diǎn)的可見(jiàn)時(shí)間窗口計(jì)算，是計(jì)算星座對(duì)某一目標(biāo)區(qū)域覆蓋性能的基礎(chǔ)。美國(guó)AnalyticalGraphics公司開(kāi)發(fā)的STK（SatelliteToolKit）軟件在進(jìn)行軌道預(yù)報(bào)仿真及可見(jiàn)性