低轨通信和导航增强混合星座的优化设计方法与流程

技术特征：

1.一种低轨通信和导航增强混合星座的优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确定混合星座中每个卫星的卫星轨道类型为圆形轨道，其偏心率e＝0，近地点幅角ω＝0；

步骤2：初步确定卫星轨道高度，包括：

步骤2.1：确定混合星座中每个卫星的第一备选轨道集合；其中，第一备选轨道集合为符合设计需求的轨道高度范围；

步骤2.2：对第一备选轨道集合进一步优选，得到由若干个轨道高度值组成的第二备选轨道集合；

步骤3：综合考虑当地地形导致的观测障碍因素，根据用户需求确定最小观测仰角；

步骤4：判断混合星座设计过程中是否需要考虑进动的影响，当需要考虑进动影响时，根据进动速度相同的条件，确定混合星座构型为两个Walker星座混合，然后执行步骤5；

当不需要考虑进动影响时，确定混合星座构型为Walker星座和极轨星座，然后执行步骤6；

步骤5：根据用户服务区纬度的需求以及所确定的混合星座构型，选定轨道倾角范围；

对第一备选轨道集合的轨道高度范围按预设间隔，轨道倾角范围根据用户需求设定，在该轨道高度范围和轨道倾角范围内，分别计算不同轨道倾角和轨道高度下的轨道面进动速度，选择进动速度相同的若干组轨道高度值和轨道倾角值；

对于所选择到的若干组轨道高度值和轨道倾角值，优先选取轨道高度值属于或接近第二备选轨道集合的若干组回归轨道高度值和对应的轨道倾角值；若没有满足第二备选轨道集合的轨道高度值，则不考虑第二备选轨道集合；然后执行步骤7；

步骤6：根据用户服务区纬度的需求以及所确定的混合星座构型，选定轨道倾角范围；优先选取轨道高度值属于或接近第二备选轨道集合的若干组回归轨道高度值；然后执行步骤7；

步骤7：确定混合星座中每个星座包含的卫星数量范围；

步骤8：确定轨道面数与相位因子范围；具体为：以步骤7确定的卫星数量范围为已知值，选择覆盖性能最优的轨道面数与相位因子范围；

步骤9：分别优化选取混合星座中每个星座的初始升交点赤经范围；具体优化方法为：利用遗传算法优化选取混合星座中每个星座的初始升交点赤经范围；

步骤10：当考虑进动影响时，采用以下方法优化选取：

确定了每个混合星座的卫星轨道类型、最小观测仰角、卫星数量范围、轨道面数与相位因子范围、初始升交点赤经范围、以及若干组成对的轨道高度值和轨道倾角值；则：

按预设间隔，对最小观测仰角、卫星数量范围、轨道面数与相位因子范围、初始升交点赤经范围、以及若干组成对的轨道高度值和轨道倾角值进行优化选取，计算每组配置得到的混合星座参数所对应的低轨通信和导航增强混合星座的覆盖性能；

当优化选取结束时，执行步骤11；

当不考虑进动影响时，采用以下方法优化选取：

确定了每个混合星座的卫星轨道类型、最小观测仰角、卫星数量范围、轨道面数与相位因子范围、初始升交点赤经范围、第二备选轨道集合和轨道倾角范围；则：

按预设间隔，对最小观测仰角、卫星数量范围、轨道面数与相位因子范围、初始升交点赤经范围、第二备选轨道集合和轨道倾角范围进行优化选取，计算每组配置得到的混合星座参数所对应的低轨通信和导航增强混合星座的覆盖性能；

当优化选取结束时，执行步骤11；

步骤11：选择混合星座覆盖性能最优的混合星座参数，作为最终设计得到的混合星座参数值。

2.根据权利要求1所述的低轨通信和导航增强混合星座的优化设计方法，其特征在于，步骤2.1中，第一备选轨道集合通过以下方法设计得到：

根据空间辐射环境影响筛选备选轨道，得到符合设定轨道高度范围的第一备选轨道集合。

3.根据权利要求2所述的低轨通信和导航增强混合星座的优化设计方法，其特征在于，空间辐射环境影响包括：地球辐射带范艾伦带、内辐射带a1∈[2000,8000]km和外辐射带a2∈[15000,20000]km；为避免范艾伦带的干扰，且设计的星座为低轨星座，所确定的第一备选轨道集合为卫星轨道高度范围为700～1500km的集合。

4.根据权利要求2所述的低轨通信和导航增强混合星座的优化设计方法，其特征在于，步骤2.2中，对第一备选轨道集合进一步筛选，得到由若干个轨道高度值组成的第二备选轨道集合，具体为：

根据轨道回归特性和避免共振轨道要求对第一备选轨道集合进一步筛选，得到第二备选轨道集合。

5.根据权利要求4所述的低轨通信和导航增强混合星座的优化设计方法，其特征在于，根据轨道回归特性和避免共振轨道要求对第一备选轨道集合进一步筛选，得到第二备选轨道集合，具体为：

步骤2.2.1，运用回归条件估算得到卫星的回归圈数n，包括：

步骤2.2.1.1，根据开普勒定理，可得卫星运行周期T_s与轨道高度a关系为

$T_s=2\mathrm{\π}\sqrt{\frac{{(R_e+a)}^3}{\mathrm{\μ}}}---\left(2\right)$

其中，地球半径R_e＝6378.137km，地球引力常数μ＝398601.58km³/s²；

步骤2.2.1.2，步骤2.1确定的第一备选轨道集合为轨道高度范围，代入公式(2)，从而确定卫星运行周期T_s的范围；

步骤2.2.1.3，根据卫星运行周期T_s与地球自转周期T_e的关系，即公式(3)，可以得到k/n的取值范围；

T_s/T_e＝k/n (3)

其中：

k为回归天数；

n为回归圈数；

T_s为卫星运行周期；

T_e为地球自转周期，T_e＝86164s；

步骤2.2.1.4，任意选取k的值，即可计算得到n的取值范围，由于k和n均为整数，因此可得n的若干个值；

步骤2.2.2，对于选取的k的值以及对应得到的多个n的值，均执行以下操作：

步骤2.2.2.1，将选取的k的值以及n的值反代回公式(3)，得到卫星运行周期T_s；

步骤2.2.2.2，将卫星运行周期T_s代入公式(2)，计算得到卫星轨道高度a；

因此，选取每一组k的值以及n的值，均可得到一个卫星轨道高度a的值；不同的k的值以及对应的n的值即可计算得到多个卫星轨道高度，多个回归轨道高度即组成第二备选轨道集合。

6.根据权利要求1所述的低轨通信和导航增强混合星座的优化设计方法，其特征在于，步骤5中，采用以下公式计算各个轨道倾角下轨道面的进动速度：

$\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}=-\frac{3{\mathrm{nJ}}_2}{2{(1-e^2)}^2}{\left(\frac{R_e}{a}\right)}^{2}cos\left(i\right)---\left(1\right)$

—星座轨道面进动速度；

n—星座轨道上卫星的角速度；

J₂—地球非球形摄动的二阶带谐项系数J₂＝1.0826×10^-3；

e—星座轨道上卫星的偏心率；

R_e—地球半径；

a—星座轨道上卫星的轨道高度，为步骤2确定的轨道高度；

i—星座轨道上卫星的轨道倾角。