一种空间组网低轨多载荷全球覆盖混合星座设计方法

技术领域

本发明涉及卫星技术领域，可直接应用于低轨通信、导航等星座系统设计。

背景技术

与高轨卫星系统相比，低轨星座系统具有轨道高度低、链路损耗小、传输时延小、能实现全球覆盖等优势。近年来，低轨星座系统已成为通信、导航等领域发展的热点，在相关领域得到了广泛的应用。国外形成了以铱星系统、铱星下一代、全球星以及Oneweb等低轨星座系统。上述星座系统可以分为两类，第一类是以铱星系统和Oneweb系统为代表的90°左右轨道倾角星座，这种星座的最大特点是能够全球覆盖，但是星座在南北极区覆盖重数会大幅提升，从而降低星座的使用效率。另一类星座是以全球星为代表的低倾角星座，该类星座能够满足中低纬度的覆盖特性，但是在轨道高度受限的情况下，没法实现对南北极区的覆盖，亦即无法满足全球覆盖应用需求。

随着航天技术的发展，卫星功能进一步复杂化，传统的通信、导航载荷以及新兴的应用技术在同一个系统中融合设计，以降低系统建设规模与成本，同时，受限制于全球建站规模、低轨单星卫星覆盖区卫·温德林.用于全球覆盖的双LEO卫星系统和方法.CN201780031548.4”中，重点从系统层面定义了系统空间段、用户终端以及地面段方案，其中空间段采用包含极地星座和倾斜星座组成的用于全球通信的双LEO卫星系统，但是未明确星座设计步骤和方法。

本发明，面向配置多种应用载荷的空间组网低轨星座系统，提供一种由近极轨道子星座和倾斜轨道子星座组成的混合星座设计方法，实现通过较小星座规模，满足不同载荷应用和激光星间链路空间组网需求，具有较强的工程应用价值和前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种配置多种服务功能低轨卫星系统星座方案设计方法。重点解决满足不同服务载荷对服务区域差异性需求以及激光星间链路空间组网需求的全球覆盖星座设计，提出由近极轨道星座与倾斜轨道星座组成的全球覆盖混合星座设计方法。

本发明通过如下技术方案予以实现：

一种空间组网低轨多载荷全球覆盖混合星座设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：确定星座设计要求，包括星座各种载荷功能要求、各载荷对地覆盖重数要求和最低通信仰角要求以及在轨组网建链要求；

S2：根据所述星座设计需求，确定近极轨道与倾斜轨道星座载荷配置及主要设计目标参数，主要包括近极轨道子星座的最低通信仰角E

S3：设计倾斜轨道子星座重点覆盖区域界限，综合考虑倾斜轨道卫星配置的各类载荷对地服务范围与覆盖需求，选取不同载荷中最大的服务纬度范围作为倾斜轨道子星座覆盖区域界限，即倾斜轨道子星座覆盖纬度范围λ；

S4：确定混合星座轨道高度，根据空间环境以及星座规模约束进行轨道高度设计，确定近极轨道星座轨道高度H

S5：近极轨道子星座设计；

S6：倾斜轨道子星座设计；

S7：依据步骤S5、步骤S6的设计结果，分析确定混合星座对地覆盖特性，完成混合星座设计。

进一步地、步骤S5具体包括以下步骤：

S5-1：近极轨道子星座构型设计，依据所述倾斜轨道高度H

S5-2：相邻轨道同位置卫星相位差以及异轨激光星间链路连接方案设计，对于轨道倾角在90°左右的极轨道星座，选取相邻轨道同位置卫星相位差选取为π/q

S5-3：采用商业软件或者自研软件对由步骤S5-1、步骤S5-2确定的近极轨道子星座进行建模仿真，并最终得到近极轨道子星座最低通信仰角与最低覆盖重数。

进一步地、步骤S5-1中，覆盖角φ的计算方法如下：

φ＝arccos(R

其中，E为近极轨最低通信仰角，R

c＝arcsin(sinφsinθ)

b＝arcsin(tanc/tanθ)

则满足一重覆盖时，需要的轨道面数P

进一步地、步骤S6具体包括以下步骤：

S6-1：倾斜轨道子星座构型设计，依据步骤S4确定的倾斜轨道高度H

S6-2：确定倾斜轨道子星座相位因子F及激光建链连接方案，基于步骤S6-1中确定的倾斜轨道子星座构型，从对地覆盖特性、星座内卫星碰撞分析以及星间激光建链三方面分析，确定相位因子F及激光建链连接方案；

S6-3：采用商业软件或者自研软件对由步骤S6-1、步骤S6-2确定的倾斜轨道子星座进行建模仿真，并最终得到倾斜轨道子星座最低通信仰角与最低覆盖重数。

进一步地、步骤S6-2中，从星座对地覆盖特性角度分析，选取如下计算得到的相位因子F时，星座卫星分布最均匀，有利于提高最低通信仰角，所选相位因子F离下式计算结果差距越大，星座覆盖特性越差：

F＝round((πP

F＝P

式中round为四舍五入取整函数，Ф由下面公式计算得到：

Ф＝arctan(tan(2π/P

为避免星座内卫星发生碰撞，若星座轨道面数P

分析计算不同相位因子F下，某颗卫星与相邻轨道面最近的几颗卫星激光建链时的通信距离、通信方位角与角速度、俯仰角与角速度的变化范围，选取异轨激光链路距离与通信方位角变化范围适中，最有利于工程实现的几组相位因子F作为备选；

综合考虑上述分析结果，最终确定倾斜轨道子星座相位因子F以及异轨激光建链原则。

本发明通过设计由近极轨道子星座和倾斜轨道子星座组成的混合星座，两种子星座卫星配置不同载荷功能，实现星座全球覆盖与重点区域覆盖加强的结合，有效降低了星座规模和建设成本。同时星座设计考虑了激光星间建链组网需求，实现了激光建链的优化设计。

附图说明

图1为发明中近极轨道子星座设计采用的覆盖带设计法相关定义示意图；

图2为发明提供的倾斜轨道星座相位因子对覆盖特性影响分析几何关系示意图，以及星间链路建链示意图；

图3是本发明实施例中由72颗近极轨道卫星与144颗倾斜轨道卫星组成的混合星座；

图4是本发明实施例中近极轨道子星座在不同地理纬度下的最低通信仰角与最低覆盖重数；

图5是本发明实施例中倾斜轨道子星座在不同地理纬度下的最低通信仰角与最低覆盖重数；

图6是本发明实施例中所设计的混合星座宽带载荷在不同地理纬度下的最低通信仰角与最低覆盖重数。

具体实施方式

本发明的目的在于提供一种配置多种服务功能低轨卫星系统星座方案设计方法。重点解决满足不同服务载荷对服务区域差异性需求以及激光星间链路空间组网需求的全球覆盖星座设计，提出了一种由近极轨道星座与倾斜轨道星座组成的全球覆盖混合星座设计方法，具体步骤如下：

(1)明确星座设计要求。包括星座各种载荷功能要求、各载荷对地覆盖重数要求和最低通信仰角要求以及在轨组网建链要求，为用户直接要求，或者通过市场分析或者用户应用需求分析确定，为星座系统设计的顶层输入和要求；

(2)综合不同载荷应用需求，确定近极轨道与倾斜轨道星座载荷配置及主要设计目标参数，主要包括近极轨道子星座的最低通信仰角E

其中，近极轨道卫星配置有全球覆盖要求的载荷或者功能，倾斜轨道卫星配置只有中低纬度覆盖要求或者需要中低纬度地区覆盖加强的载荷。分别选取近极轨道卫星、倾斜轨道卫星配置载荷中最大的最低通信仰角和最高的覆盖重数作为两个子星座的最低通信仰角和最低覆盖重数。

(3)设计倾斜轨道子星座重点覆盖区域界限。综合考虑倾斜轨道卫星配置的各类载荷对地服务范围与覆盖需求，选取不同载荷中最大的服务纬度范围作为倾斜轨道子星座覆盖区域界限，亦即倾斜轨道子星座覆盖纬度范围λ；

(4)确定混合星座轨道高度，根据空间环境以及星座规模约束进行轨道高度设计。考虑碰撞风险，因尽量避开空间碎片密度高的轨道层；考虑卫星离轨代价时，卫星轨道高度不宜太高；同时，轨道高度越高，在满足对地覆盖要求条件下，星座的规模越小。根据低轨星座轨道高度范围，并综合考虑上述因素，确定近极轨道星座轨道高度H

(5)近极轨道子星座设计。

(5.1)近极轨道子星座构型设计。依据步骤(4)确定的倾斜轨道高度H

其中覆盖角φ的计算方法如下：

φ＝arccos(R

式中，E为近极轨最低通信仰角，R

c＝arcsin(sinφsinθ)

b＝arcsin(tanc/tanθ)

则满足一重覆盖时，需要的轨道面数P

为了避免所有轨道在极区相交于1点，可以将轨道倾角i

(5.2)相邻轨道同位置卫星相位差以及异轨激光星间链路连接方案设计。对于轨道倾角在90°左右的极轨道星座，选取相邻轨道同位置卫星相位差选取为π/q

(5.3)采用商业软件或者自研软件对由(5.1)、(5.2)确定的近极轨道子星座进行建模仿真，并最终得到近极轨道子星座最低通信仰角与最低覆盖重数。

该覆盖特性为只在近极轨卫星上配置的载荷的对地覆盖特性。

(6)倾斜轨道子星座设计。

(6.1)倾斜轨道子星座构型设计。依据步骤(3)确定的倾斜轨道高度H

(6.2)确定倾斜轨道子星座相位因子F及激光建链连接方案。基于(6.1)确定的倾斜轨道子星座构型，从对地覆盖特性、星座内卫星碰撞分析以及星间激光建链三方面分析，确定相位因子F及激光建链连接方案。

从星座对地覆盖特性角度分析，选取如下计算得到的相位因子F时，星座卫星分布最均匀，有利于提高最低通信仰角。所选相位因子F离下式计算结果差距越大，星座覆盖特性越差。

F＝round((πP

F＝P

式中round为四舍五入取整函数，Ф由下面公式计算得到：

Ф＝arctan(tan(2π/P

为避免星座内卫星发生碰撞，若星座轨道面数P

分析计算不同相位因子F下，某颗卫星与相邻轨道面最近的几颗卫星激光建链时的通信距离、通信方位角与角速度、俯仰角与角速度的变化范围，选取异轨激光链路距离与通信方位角变化范围适中，最有利于工程实现的几组相位因子F作为备选。

综合考虑上述分析结果，最终确定倾斜轨道子星座相位因子F以及异轨激光建链原则。

(6.3)采用商业软件或者自研软件对由(6.1)、(6.2)确定的倾斜轨道子星座进行建模仿真，并最终得到倾斜轨道子星座最低通信仰角与最低覆盖重数。

该覆盖特性为只在倾斜轨道子星座上配置的载荷的对地覆盖特性。

(7)依据第(5)、(6)步设计结果，分析确定混合星座对地覆盖特性，完成混合星座设计。混合星座覆盖特性为在近极轨道星座与倾斜轨道星座上均配置的载荷的对地覆盖特性。

下面结合具体实施例，对本发明进一步说明：

以需具备移动通信功能、宽带通信功能、导航增强功能，在轨采用激光建链组网的低轨星座设计作为实施例，具体设计步骤如下：

(1)明确星座设计要求。星座系统具备移动通信功能、宽带通信功能、导航增强功能，各功能对地覆盖特性要求如下：移动通信功能：全球1重覆盖，地面通信设备最低通信仰角优于13.5°；宽带通信：考虑干扰规避，星座设计需满足全球2重覆盖，并重点提升全球人口密集分布区域的覆盖重数，地面通信设备最低通信仰角为20°；导航增强载荷：全球1重覆盖，最低通信仰角优于8°。

(2)确定近极轨道与倾斜轨道星座载荷配置及主要设计目标参数。确定近极轨道子星座卫星配置移动通信、宽带通信以及导航增强载荷，近极轨道星座需满足全球1重覆盖、最低通信仰角E

(3)针对宽带通信载荷在全球人口密集分布区域覆盖加强的需求，设计倾斜轨道子星座覆盖纬度范围λ为65°，即子星座宽带服务覆盖南北纬65°之间。

(3)为了减小星座规模，设计近极轨道星座轨道高度H

(5)近极轨道子星座设计。

(5.1)近极轨道子星座构型设计。

按照轨道高度H

可见满足设计的最少卫星数N

(5.2)选取同轨位卫星相位差为18°，异轨星间链路的建链规则为轨道面1上101卫星与轨道面2上的201卫星建链，通信距离变化范围为2524km-4660km，异轨激光链路方向角变化范围为±61°。

(5.3)按照上述设计结果，仿真计算近极轨道星座的对地覆盖特性如图4所示，在13.5°最低通信仰角约束下，满足全球1重覆盖，实际最低通信仰角为14.9°。满足移动通信与导航增强功能覆盖要求。

(6)倾斜轨道子星座设计。

(6.1)倾斜轨道子星座构型设计。按照轨道高度H

(6.2)星座轨道数P

进一步考虑异轨星间链路建链，综合分析在不同F值和不同的异轨激光链路建链规则下，激光链路方向角与通信距离的变化范围。在相位因子取11时，选取101卫星与212卫星建链，激光链路的通信距离变化范围为1085km-3733km，方向角变化范围为±64°，便于工程实现。

综合上述考虑取相位因子F为11，异轨激光建链规则为轨道面1上101星与轨道面2上的212星建链。

(6.3)按照上述设计结果，仿真计算倾斜轨道子星座的对地覆盖特性如图5所示，在20°通信仰角约束下，南北纬65°之间满足2重覆盖，最低通信仰角为23.18°。

(7)通过仿真分析得到混合星座对地覆盖特性如图6所示，最低通信仰角为23.18°，以宽带通信作为考察对象，最低通信仰角20度约束下，全球满足2重覆盖要求。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。