基于STK的雙層衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)及仿真-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯基于STK的雙層衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)及仿真-設(shè)計(jì)應(yīng)用近年來，世界上各個通信大國都在積極發(fā)展本國的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)具有自身獨(dú)特的性能和優(yōu)勢，如通信距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍廣、不受地理環(huán)境限制、機(jī)動靈活、通信線路穩(wěn)定可靠以及傳輸質(zhì)量高等。覆蓋能力使得衛(wèi)星通信系統(tǒng)適用于航空、海運(yùn)以及缺乏基礎(chǔ)通信設(shè)施的偏遠(yuǎn)山區(qū)。同時,由于自然災(zāi)害的因素(地震、洪水等)，衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以作為地面網(wǎng)絡(luò)失效后保持通信的重要后備方案。這些特點(diǎn)使衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在通信網(wǎng)中具有極其重要的地位。

軌道與星座的設(shè)計(jì)是整個衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，合理的軌道設(shè)計(jì)與星座配置方案對衛(wèi)星資源既可以進(jìn)行充分利用，降低系統(tǒng)復(fù)雜度，又能滿足系統(tǒng)的指標(biāo)要求，提高系統(tǒng)整體性能優(yōu)勢。

1系統(tǒng)總體構(gòu)想

1.1GEO、LEO衛(wèi)星特點(diǎn)

GEO衛(wèi)星位于地球赤道上空35786km，相對于地球表面的任一點(diǎn)，其位置保持固定不變，其軌道稱為對地靜止軌道。GEO衛(wèi)星覆蓋范圍較廣，單顆衛(wèi)星可覆蓋地球表面積的1/3，3顆衛(wèi)星即可完成低緯地區(qū)的覆蓋(70℃緯度之間)。衛(wèi)星體積較大,有較強(qiáng)的運(yùn)算處理能力。但由于其高度較高，導(dǎo)致與地面終端之間的時延較大，約為270ms，必須采用較大功率進(jìn)行信號傳輸以抵消鏈路損耗。

LEO衛(wèi)星距離地面700~2000km，較低的高度使其與地面終端之間的時延僅為25ms左右，鏈路損耗也很小，方便地面用戶接入，宜于對實(shí)時性要求較高的信號進(jìn)行傳輸。但由于LEO衛(wèi)星體積都比較小，導(dǎo)致星上有效載荷較小，所以其運(yùn)算處理能力較差。

1.2GEO/LEO雙層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

目前國內(nèi)提出的多數(shù)GEO/LEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)方案，都是考慮以LEO衛(wèi)星對地球進(jìn)行大部分覆蓋，而采用GEO衛(wèi)星進(jìn)行補(bǔ)網(wǎng)，進(jìn)而完成覆蓋。

但這種方法存在的問題是:當(dāng)某些用戶處于由GEO衛(wèi)星進(jìn)行補(bǔ)網(wǎng)而完成覆蓋的區(qū)域時，若用戶進(jìn)行通信，只能通過GEO衛(wèi)星進(jìn)行，而對一些實(shí)時性要求較高的信息傳輸是不能夠滿足的。所以，設(shè)計(jì)具有覆蓋性能的LEO星座十分重要。該文設(shè)計(jì)的GEO/LEO雙層衛(wèi)星星座，利用GEO層衛(wèi)星計(jì)算處理能力強(qiáng)、存儲容量大的優(yōu)點(diǎn)，僅以GEO衛(wèi)星完成網(wǎng)絡(luò)路由表計(jì)算和低緯地區(qū)大容量非實(shí)時信息傳輸。而完成覆蓋，實(shí)現(xiàn)用戶的全天時實(shí)時接入,則主要由近極軌道LEO衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)。

2衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

2.1GEO層衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

在GEO層，GEO衛(wèi)星數(shù)目是4顆(有一顆是備用星)，3顆星均勻分布在赤道上空的同步地球軌道上，經(jīng)度分別為0℃、-120℃和+120℃，備用星則在軌伺服，經(jīng)度+110℃。這些GEO衛(wèi)星組成覆蓋低緯度區(qū)域(-70℃~70℃)的GEO星座。

2.2LEO層衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

當(dāng)衛(wèi)星軌道平面相對于赤道平面的傾角為90℃時，軌道穿越地球南北極上空，這種類型的軌道稱為極軌道。在極軌道星座中，相鄰軌道面間的衛(wèi)星存在2種相對運(yùn)動關(guān)系:順行和逆行。順行軌道面的衛(wèi)星之間保持固定的空間相位關(guān)系，而逆行軌道面的衛(wèi)星之間的空間相位關(guān)系則是變化的，其星座極點(diǎn)觀察投影圖如圖1所示。

圖1極軌道星座極點(diǎn)觀察投影圖

極軌道設(shè)計(jì)思想基于圖2所示的衛(wèi)星覆蓋帶(STreetofCoverage)的概念。覆蓋帶是基于同一軌道面內(nèi)多顆衛(wèi)星的相鄰重疊覆蓋特性，在地面上形成的一個連續(xù)覆蓋區(qū)域。圖2中單顆衛(wèi)星覆蓋的半地心角與同一軌道面內(nèi)衛(wèi)星組合而成的覆蓋帶半寬度a之間滿足：

式中，S為每個軌道面內(nèi)的衛(wèi)星數(shù)量，Re為地球半徑6379.5km，h為衛(wèi)星高度，E為觀察點(diǎn)的仰角。

圖2衛(wèi)星覆蓋帶

若極軌道實(shí)現(xiàn)覆蓋，則星座參數(shù)應(yīng)滿足：

式中，P為星座總的軌道面數(shù)量，△γ為相鄰軌道面相鄰衛(wèi)星之間的相位差。

軌道高度的選擇應(yīng)考慮2方面因素：

1）.遠(yuǎn)離范?艾倫帶并避免大氣阻力的影響范?艾倫帶是2條圍繞地球的高能粒子輻射帶,范圍在1500~5000km和13000~20000km之間,其對電子電路具有很強(qiáng)的破壞性，因此選擇衛(wèi)星高度時應(yīng)避免這2個區(qū)域;另外，在軌道高度低于700km時，大氣阻力會嚴(yán)重影響衛(wèi)星的飛行，縮短衛(wèi)星壽命，在軌道高度高于1000km時，大氣阻力的影響可以忽略。所以，低軌道衛(wèi)星高度應(yīng)選擇在1000~1500km。

2）.便于在衛(wèi)星運(yùn)行中定位控制。

為便于衛(wèi)星在運(yùn)行過程中進(jìn)行定位控制，軌道應(yīng)選擇準(zhǔn)回歸軌道，即衛(wèi)星每隔一天或數(shù)天在同一時刻通過同一地點(diǎn)上空。則衛(wèi)星周期Ts應(yīng)滿足：

根據(jù)開普勒定理，衛(wèi)星高度與衛(wèi)星周期之間應(yīng)滿足：

式中，k、n為整數(shù)，Te為恒星日，Te=86164s;G為萬有引力常數(shù),；M為地球質(zhì)量,。

選取k/n=1/13，則由式(8)得h=1246.8km,滿足700kmh1500km。

在地面仰角E=10℃時，將h代入式(2)得出覆蓋半地心角=24.5℃。軌道面內(nèi)衛(wèi)星數(shù)量S=360℃/2a=7.347，所以取每軌道面內(nèi)衛(wèi)星數(shù)S=8。

則由式(3)、式(4)、式(5)和式(6)得衛(wèi)星軌道面數(shù)P=5.646，取P=6，△γ=22.5℃，1=32.016℃，2=19.92℃。即在滿足覆蓋的條件下，整個星座共有48顆衛(wèi)星分布于6個軌道面上，每軌道面內(nèi)8顆衛(wèi)星，軌道高度1246.8km，順行軌道面升交點(diǎn)經(jīng)度差為32.016℃，逆行軌道面升交點(diǎn)經(jīng)度差為19.92℃,相鄰軌道面同號衛(wèi)星相位差為22.5℃。

極軌道星座雖然能夠通過簡單的解析方法確定軌道參數(shù)，但由于相隔1個軌道的2個軌道面上的衛(wèi)星具有相同的相位，因此，在軌道面多于2的情況下，衛(wèi)星有在極點(diǎn)碰撞的危險(xiǎn)，為避免這種情況發(fā)生，同時保持解析方法所得參數(shù)的可用性，人們通常選用與赤道夾角在80℃~100℃(除90℃)的近極軌道來代替極軌道。在給定軌道面數(shù)、單軌道衛(wèi)星數(shù)情況下，所需修正參數(shù)如下：

式中，i為軌道傾角。則在地面仰角為10℃，i為85℃情況下，修正后數(shù)據(jù)為:單顆衛(wèi)星地心角24.5℃,整個星座仍由48顆衛(wèi)星分配與6個軌道面上，每軌道面內(nèi)8顆衛(wèi)星，軌道高度1246.8km，順行軌道面升交點(diǎn)經(jīng)度差為32℃，逆行軌道面經(jīng)度差為20℃，相鄰軌道面同號衛(wèi)星相位差為19.4℃。

3星座仿真

3.1利用GEO衛(wèi)星補(bǔ)網(wǎng)完成覆蓋的星座

星座補(bǔ)網(wǎng)前LEO層參數(shù)為:地面仰角10℃，24顆衛(wèi)星分布于4個軌道上，每軌道面內(nèi)6顆衛(wèi)星，軌道高度1246.8km，順行軌道面升交點(diǎn)經(jīng)度差為45℃,逆行軌道面經(jīng)度差為45℃，相鄰軌道面同號衛(wèi)星相位差為30℃，其STK(SatelliteToolKit)仿真結(jié)果為:僅依靠LEO層衛(wèi)星不能完成覆蓋，在一天中(1Jul202212:00:00至2Jul202212:00:00)，覆蓋率為99.63%，出現(xiàn)在?2Jul20227:34:45.014(時刻,全天的平均覆蓋率為99.94%。

經(jīng)3+1顆GEO衛(wèi)星補(bǔ)網(wǎng)后雙層衛(wèi)星星座仿真結(jié)果為:在仿真時間選定為1天(1Jul202212:00:00至2Jul202212:00:00)的情況下，對地球覆蓋率可達(dá)到100%，即經(jīng)GEO進(jìn)行補(bǔ)網(wǎng)后，星座可完成全天時覆蓋。

32LEO覆蓋下衛(wèi)星星座仿真結(jié)果

運(yùn)用第2節(jié)中數(shù)據(jù)使用STK進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真得出LEO衛(wèi)星的覆蓋特性為:對地球的覆蓋性能在系統(tǒng)時間選定為1天(1Jul202212:00:00至2Jul202212:00:00)的情況下，可以對地球進(jìn)行100%的覆蓋,即所設(shè)計(jì)的近極軌道衛(wèi)星可以完成對地球的全天時覆蓋。

對比2.2節(jié)與3.1節(jié)中所設(shè)計(jì)星座可以得出2種星座均能完成覆蓋，但3.1節(jié)中星座依靠LEO層衛(wèi)星完不成全天時覆蓋，而只有經(jīng)過GEO補(bǔ)網(wǎng)后才能完成全天時覆蓋。2.2節(jié)中星座僅依靠LEO層衛(wèi)星即可完成全天時覆蓋，增加GEO層衛(wèi)星后將形成對低緯地區(qū)由雙層衛(wèi)星同時覆蓋。

4結(jié)束語

衛(wèi)星星座的設(shè)計(jì)是一個復(fù)雜的過程，其結(jié)果會隨不同的設(shè)計(jì)目標(biāo)而有所差異。該文設(shè)計(jì)的星座,以