一种太阳同步回归轨道对地观测混合星座设计方法与流程

1.本发明属于航天测量与控制领域，涉及一种不同用途、不同轨道特性的多星对地观测混合星座方法。


背景技术：

2.对地观测卫星观测范围广，不受地域限制，能够完成传统手段难以完成的任务。此类卫星常采用太阳同步回归轨道，运行于低地球轨道。降交点地方时和赤道上连续两个降交点间的角距分别是太阳同步轨道和回归轨道的重要参数，不同的交点地方时将形成不同的轨道面和不同的漂移速度；不同的角距将形成不同的回归特性。轨道特性主要太阳同步回归轨道的降交点地方时和回归特性。
3.虽然卫星的优势是公认的，但如果这些空间资源不能合理规划部署，就无法充分发挥优势，无法满足观测需求。例如，如果这些卫星均在某一短暂的时段经过同一区域，则对其他区域的观测往往出现缝隙，或者要经过较长时间才能访问该区域，无法满足快速均匀观测的应用需求。
4.传统的星座在发射之前，已经按照观测任务要求预先设计了星座轨道，各卫星具有相同的轨道特性，卫星用途也趋于一类。而在实际工作中，往往需要将不同用途、不同轨道特性的在轨卫星组网形成混合星座，且设计简便、构型稳定、建立与保持简单易行，不额外增加推进剂消耗。这一需求在低轨leo空间太阳同步回归轨道尤为明显，称为在轨leo组网需求。现有与混合星座相关的文献，研究的多为不同类型轨道间的混合，比如高轨geo+中轨meo，两种类型的轨道运动有很大差异，常采用数值仿真方法进行效果分析，方法不适用于在轨leo组网需求；有的涉及低轨leo空间混合星座的文献，如《基于改进粒子群算法的混合卫星星座优化设计》，其低轨部分采用的是轨道高度和倾角相同的walker星座，方法也不适用于在轨leo组网需求；有的文献，如《区域覆盖混合星座设计》，虽然研究对象都是低轨leo空间，但轨道类型并不一致，分别为太阳同步轨道和非太阳同步轨道，方法也不适用于在轨leo组网需求。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的不足，本发明提供一种太阳同步回归轨道对地观测混合星座设计方法，建立了解析模型，能够直观、快速地进行星座设计；在保持过程中采用成熟、简便的保持方法，实现了在轨leo组网需求。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
7.(1)假定星座内第n颗卫星s
n
与第一颗卫星s1的第一条标称轨迹降交点地理经度差为则星座内各卫星地面轨迹分布特点分为轨迹均布、轨迹重复和其他三种基本情况；
8.轨迹均布是指同一纬度上星座内各卫星地面轨迹的间隔是均匀的，卫星s
n
与s1的第一条标称轨迹降交点地理经度差其中，卫星在赤道上连续两个降
交点的角距t
ω
为交点周期，ω
e
为地球自转角速度，为轨道面进动角速度，n
s
为星座内卫星总数；
9.轨迹重复是指星座内所有卫星的地面轨迹重叠于一条，卫星间的轨迹间隔为0，即
10.其他分布情况，卫星间的轨迹间隔根据实际需要进行指定，即其中为卫星s
n
指定的轨迹间隔；
11.(2)令为每天运行圈数，其中包含个整数圈，则有对于共面轨道，星座中第1颗卫星s1和第n颗卫星s
n
的相位差δu∈[
‑
π，π)，分别为s1和s
n
的纬度幅角，则在轨道面进动和地球自转的共同影响下，s
n
通过s1临近降交点的地理经度轨迹间隔对应的相位差为已知星座回归特性，即每天运行圈数q，以及卫星s
n
与s1的轨迹间隔即能够计算共面情况下双星标称相位差，建立星座轨迹分布与轨道根数的直接联系；
[0012]
(3)若星座中某两颗卫星轨道异面体现在倾角与升交点赤经的差异δi和δω，假设卫星s
n
和s1的升交点赤经差则在此影响下，升交点赤经差对应的相位补偿量
[0013]
则考虑共面和异面情况下，卫星s
n
相对s1的相位差即确定异面组网时目标相位分布。
[0014]
所述设计为混合星座的对地观测卫星用途不同且轨道特性不同，或用途相同，或轨道特性相同，或用途与轨道特性均相同。
[0015]
本发明的有益效果是：
[0016]
(1)提出了以星座内各卫星轨道回归特性一致为基本原则，依据轨迹分布要求确定各卫星地面轨迹，通过星座内各卫星与第一颗卫星的相位差进行星座设计和构建的技术路线，建立了星座内卫星地面轨迹分布与相位差的关联关系解析模型，能够简便快速地完成星座设计，避免了大量数值计算，降低了混合星座设计构建工作的难度和复杂度；
[0017]
(2)采用本方法构建的混合星座，构型稳定，采取单星轨迹保持的方式进行星座构型保持，不必频繁监视星座构型，将复杂的星座构型协同控制简化为单星控制，避免了频繁控制，不增加工作量，不产生额外推进剂消耗，安全便捷，便于工程应用。
附图说明
[0018]
图1是本发明的方法流程图；
具体实施方式
[0019]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
[0020]
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：将多颗对地观测卫星设计为混合星座，通过分析卫星轨道运动引起的轨迹变化，将卫星降交点地理经度差作为变量，推导卫星轨迹偏移与相位差的关系，根据实际观测任务中对时间分辨率、观测目标约束等要求的不同，设计共面与异面两种典型混合星座方法，实现了观测应用需求。
[0021]
具体过程如下：
[0022]
(1)假定星座内第n颗卫星s
n
与第一颗卫星s1的第一条标称轨迹降交点地理经度差为则星座内各卫星地面轨迹分布特点分为轨迹均布、轨迹重复和其他三种基本情况；
[0023]
轨迹均布是指同一纬度上星座内各卫星地面轨迹的间隔是均匀的，卫星s
n
与s1的第一条标称轨迹降交点地理经度差其中，卫星在赤道上连续两个降交点的角距t
ω
为交点周期，ω
e
为地球自转角速度，为轨道面进动角速度，n
s
为星座内卫星总数；
[0024]
轨迹重复是指星座内所有卫星的地面轨迹重叠于一条，卫星间的轨迹间隔为0，即
[0025]
其他分布情况，卫星间的轨迹间隔根据实际需要进行指定，即其中为卫星s
n
指定的轨迹间隔；
[0026]
(2)令为每天运行圈数，其中包含个整数圈，则有对于共面轨道，星座中第1颗卫星s1和第n颗卫星s
n
的相位差δu∈[
‑
π，π)，分别为s1和s
n
的纬度幅角，则在轨道面进动和地球自转的共同影响下，s
n
通过s1临近降交点的地理经度轨迹间隔对应的相位差为已知星座回归特性，即每天运行圈数q，以及卫星s
n
与s1的轨迹间隔即能够计算共面情况下双星标称相位差，建立星座轨迹分布与轨道根数的直接联系；
[0027]
(3)若星座中某两颗卫星轨道异面体现在倾角与升交点赤经的差异δi和δω，假设卫星s
n
和s1的升交点赤经差则在此影响下，升交点赤经差对应的相位补偿量
[0028]
则考虑共面和异面情况下，卫星s
n
相对s1的相位差即确定异面组网时目标相位分布。
[0029]
所述设计为混合星座的对地观测卫星用途不同且轨道特性不同，或用途相同，或轨道特性相同，或用途与轨道特性均相同。
[0030]
本发明的实施例通过分析卫星轨道运动引起的轨迹变化，将卫星降交点地理经度差作为变量，推导了卫星间降交点地理经度偏移运动与相位差的关系；根据实际观测任务中时间分辨率、观测目标约束等不同要求，通过计算卫星间的降交点地理经度，设计了共面与异面两种典型混合星座组网方法。
[0031]
具体过程如下：
[0032]
1.确定地面轨迹分布方法
[0033]
卫星在赤道上连续两个降交点的角距δλ
ω
为
[0034][0035]
其中，t
ω
为交点周期，ω
e
为地球自转角速度，为轨道面进动角速度；δλ
ω
以轨迹向东运动为正，即δλ
ω
＞0时轨迹向东运动；
[0036]
对于太阳同步回归轨道对地观测混合星座，其设计以星座内各卫星轨道回归特性一致为基本原则，依据轨迹分布要求确定各卫星地面轨迹，通过星座内各卫星与第一颗卫星的相位差进行星座设计和构建，采用轨迹保持的方式进行星座维持。假定星座内第n颗卫星s
n
与第一颗卫星s1的第一条标称轨迹降交点地理经度差为则按照星座内各卫星地面轨迹分布特点，可以分为轨迹均布、轨迹重复和其他三种基本情况。
[0037]
(1)轨迹均布
[0038]
轨迹均布是指同一纬度上星座内各卫星地面轨迹的间隔是均匀的，即卫星间降交点地理经度差是一致的，且均匀分布在δλ
ω
区间。卫星s
n
与s1的第一条标称轨迹降交点地理经度差
[0039][0040]
其中n
s
为星座内卫星总数。
[0041]
(2)轨迹重复
[0042]
轨迹重复是指星座内所有卫星的地面轨迹重叠于一条，卫星间的轨迹间隔为0，即
[0043][0044]
(3)其他分布
[0045]
不属于轨迹均布和轨迹重复的，纳入其他类别，卫星间的轨迹间隔根据实际需要进行指定，即
[0046][0047]
其中为卫星s
n
指定的轨迹间隔。
[0048]
2.确定共面组网相位分布方法
[0049]
令q为每天运行圈数，其中包含i个整数圈，则有
[0050][0051][0052]
[0053]
表示向下取整。
[0054]
由于q是正数，且对于太阳同步回归轨道卫星δλ
ω
＜0，有
[0055][0056]
对于共面轨道，星座中第1颗卫星s1和第n颗卫星s
n
的相位差(δu∈[
‑
π，π)，分别为s1和s
n
的纬度幅角)，则在轨道面进动和地球自转的共同影响下，s
n
通过s1临近降交点的地理经度为
[0057][0058]
其中，分别为卫星s
m
和s
n
的降交点地理经度。将式(1)代入式(9)，可得
[0059][0060]
将式(8)代入式(10)，可得轨迹间隔对应的相位差为
[0061][0062]
从式(10)可以看出，卫星间存在的相位差引起双星相邻轨迹降交点地理经度的偏移。已知星座回归特性q，以及卫星s
n
与s1的轨迹间隔可依据公式(11)计算共面情况下双星标称相位差，建立星座轨迹分布与轨道根数的直接联系，便于星座构建。
[0063]
3.确定异面组网相位补偿方法
[0064]
星座中某两颗卫星轨道异面体现在倾角与升交点赤经的差异δi和δω。在混合星座构建设计时，只考虑δω的影响，然后按照上节内容计算卫星共面时目标轨迹间隔对应的相位最后计算存在升交点赤经差时要实现目标轨迹间隔的卫星总相位差δu，即可确定异面组网时目标相位分布。
[0065]
假设卫星s
n
和s1的升交点赤经差则在此影响下，式(10)变为
[0066][0067]
从式(12)可以看出，星座内卫星间的相位差和升交点赤经差均会引起双星轨迹降交点地理经度的偏移。则升交点赤经差对应的相位补偿量为
[0068][0069]
则考虑共面和异面情况下，卫星s
n
相对s1的相位差为
[0070][0071]
以某对地观测任务要求为例，本发明设计了由4颗不同用途、不同轨道特性卫星组成的混合星座，实现了观测应用需求。
[0072]
1.确定地面轨迹分布
[0073]
初始卫星参数如表1所示，
[0074]
表1卫星轨道特性与用途
[0075][0076]
星座由四颗卫星构成，以卫星1为基准，建成后的星座卫星赤道上连续两个降交点间的角距δλ
ω
＝23.644
°
，卫星2～卫星4分别与卫星1的地面轨迹经度差如表2所示。
[0077]
表2星座卫星相对卫星1轨迹经度差
[0078][0079]
2.确定共面组网相位分布
[0080]
计算共面组网目标轨迹偏移量对应的相位差。将表2数据代入公式(11)中，计算得到共面情况下卫星2～卫星4与卫星1的相位差分别为90度、180度和
‑
90度。
[0081]
3.确定异面组网相位补偿
[0082]
(1)第一步：计算星座内卫星与第一颗卫星升交点赤经偏差，如表3示；
[0083]
表3星座卫星相对卫星1升交点赤经差
[0084][0085]
(2)第二步：按照公式(8)和(13)计算星座内卫星2～卫星4的相位补偿量分别为
‑
152.258度、
‑
127.226度和20.645度；
[0086]
(3)第三步：按照公式(13)计算星座内卫星2～卫星4的总相位分别为
‑
62.258 度、52.774度和
‑
69.355度。