多层星座间可见性能的长期分析方法

1.本发明涉及卫星测控技术领域，尤其涉及一种多层星座间可见性能的长期分析方法。


背景技术：

2.为提升多层星座系统的应用效能，建立不同层间的通信链路已成为未来多层星座系统发展的关键问题之一。保证层间卫星在物理空间上可见是建立星间链路的基本条件，这就需要进行多层星座间的可见性能分析，为多层星座系统的设计与发展提供依据。
3.现有技术中，通过仿真判断每个时刻任意两颗上、下层星座卫星间的几何关系，进而根据需要得到多层星座间可见性能的统计结果。对上层卫星数nh、下层卫星数n
l
的多层星座系统，若仿真n
t
次，共需要进行nh×nl
×nt
次几何关系判断计算。与同层星座卫星间可见关系不同，层间星座卫星间无法稳定、持续的可见。因此，仅在几个轨道周期的时间内进行多层星座间可见性能的统计分析，并不能充分反映多层星座间可见的长期性能。为了获取尽量全面的数据以尽可能全面的分析多层星座间可见性能最好、最坏和一般的情况，进行多层星座间可见性能分析的仿真时长甚至需要以月为单位方能涵盖不同层星座间不同位置关系的仿真数据，其计算量和仿真时长相比几个轨道周期是上百倍的增长。以上述方式进行多层星座间可见性能长期分析，所需时间较长且计算量较大，且不利于多层星座优化设计的方案迭代优化。


技术实现要素：

4.为解决上述现有技术中存在的部分或全部技术问题，本发明提供一种多层星座间可见性能的长期分析方法。
5.提供了一种多层星座间可见性能的长期分析方法，包括：
6.s1，在上层星座中选取基准卫星，以所述基准卫星为参考基准，对下层星座卫星的所有可能位置进行采样，生成下层星座卫星的初始位置条件；
7.s2，在所述初始位置条件中选取单颗下层星座卫星，以固定的步长进行仿真，推演判断上层星座卫星与所述单颗下层星座卫星的几何关系；
8.s3，通过所述几何关系确定每一时刻上层星座卫星和所述单颗下层星座卫星的可见性；
9.s4，基于所述可见性，统计所述单颗下层星座卫星的单星可见时长、持续可见时长、覆盖间隙时长、覆盖重数和可见时长占比；所述单星可见时长指所述单颗下层星座卫星与上层星座某一卫星可见的连续时长，所述持续可见时长指所述单颗下层星座卫星与上层星座任一卫星可见的持续时长，所述覆盖间隙时长指所述单颗下层星座卫星与上层星座所有卫星均不可见的持续时长，所述覆盖重数指所述单颗下层星座卫星与上层星座持续可见时可见的上层星座卫星数目，所述可见时长占比指持续可见时长占整个仿真时长的百分比；
10.s5，在所述初始位置条件中选取下一单颗下层星座卫星，重复步骤s2-s4，统计所有下层星座卫星的单星可见时长、持续可见时长、覆盖间隙时长、覆盖重数和可见时长占比；
11.s6，根据所有下层星座卫星的单星可见时长、持续可见时长、覆盖间隙时长、覆盖重数和可见时长占比数据，确定上层星座对下层星座的可见性能参数。
12.在一些可选的实现方式中，所述在上层星座中选取基准卫星，以所述基准卫星为参考基准，对下层星座卫星的所有可能位置进行采样，生成下层星座卫星的初始位置条件，包括：
13.任选一颗上层星座卫星作为基准卫星，令其初始的升交点赤经为ω
h0
，真近点角为f
h0
；令下层星座卫星与所述基准卫星的升交点赤经差在ph/2π的范围内均匀采样，真近点角差在sh/2π的范围内均匀采样，根据下层星座卫星的可能取值的升交点赤经和真近点角的正交组合，生成初始位置条件。
14.在一些可选的实现方式中，所述推演判断上层星座卫星与所述单颗下层星座卫星的几何关系，包括：
15.获取上层星座卫星与所述单颗下层星座卫星间的观测仰角σ，所述观测仰角σ通过下式获得：
16.式中，
[0017][0018][0019]
其中，re为地球的轨道半径，d
hl
为该时刻上层星座卫星和下层星座卫星间的距离，hh为上层星座的轨道高度，h
l
为下层星座的轨道高度。
[0020]
在一些可选的实现方式中，所述通过所述几何关系确定每一时刻上层星座和所述单颗下层星座卫星的可见性；包括：
[0021]
将上层星座中和所述单颗下层星座卫星间观测仰角σ在预设值以内的卫星视为可见，将上层星座中和所述单颗下层星座卫星间观测仰角σ在预设值以外的卫星视为不可见。
[0022]
在一些可选的实现方式中，所述基于所述可见性，统计所述单颗下层星座卫星的单星可见时长、持续可见时长、覆盖间隙时长、覆盖重数和可见时长占比：
[0023]
基于所述可见性，建立每颗上层星座卫星对所述单颗下层星座卫星可见时段的甘特图；
[0024]
根据所述甘特图，统计所述单颗下层星座卫星的单星可见时长、持续可见时长、覆盖间隙时长、覆盖重数和可见时长占比。
[0025]
在一些可选的实现方式中，通过下述公式，分别统计单星可见时长的最小值、最大值和平均值：
[0026]
t1
min
＝min(ts
ijk
) i＝1,...,ph；j＝1,...,sh；k＝1,...,ns
ij
；
[0027]
t1
max
＝max(ts
ijk
) i＝1,...,ph；j＝1,...,sh；k＝1,...,ns
ij
；
[0028][0029]
式中，t1
min
为单星可见时长的最小值，t1
max
为单星可见时长的最大值，t1
mean
为单星可见时长的平均值，ts
ijk
为上层星座第i个轨道面第j颗卫星对所述单颗下层星座卫星的第k次单星可见时长；ph为上层星座轨道面数，sh为上层星座每个轨道面的卫星数，ns
ij
为在仿真时段内上层星座第i个轨道面第j颗卫星对所述单颗下层星座卫星总的单星可见次数。
[0030]
在一些可选的实现方式中，通过下述公式，分别统计持续可见时长的最小值、最大值和平均值：
[0031]
t2
min
＝min(tak) k＝1,...,na；
[0032]
t2
max
＝max(tak) k＝1,...,na；
[0033][0034]
式中，t2
min
为持续可见时长的最小值，t2
max
为持续可见时长的最大值，t2
mean
为持续可见时长的平均值，tak为上层星座对所述单颗下层星座卫星的第k次持续可见时长，na为在仿真时段内上层星座对所述单颗下层星座卫星总的持续可见次数。
[0035]
在一些可选的实现方式中，通过下述公式，分别统计覆盖间隙时长的最小值、最大值和平均值：
[0036]
t3
min
＝min(tgk) k＝1,...,ng；
[0037]
t3
max
＝max(tgk) k＝1,...,ng；
[0038][0039]
式中，t3
min
为覆盖间隙时长的最小值，t3
max
为覆盖间隙时长的最大值，t3
mean
为覆盖间隙时长的平均值，tgk为上层星座对所述单颗下层星座卫星的第k次覆盖间隙时长；ng为在仿真时段内上层星座对所述单颗下层星座卫星总的覆盖间隙次数。
[0040]
在一些可选的实现方式中，通过下述方式，统计覆盖重数的最小值、最大值和平均值：
[0041]
t4
min
＝min[mak(t)] k＝1,...,na；
[0042]
t4
max
＝max[mak(t)] k＝1,...,na；
[0043][0044]
式中，t4
min
为覆盖重数的最小值，t4
max
为覆盖重数的最大值，t4
mean
为覆盖重数的平均值，mak(t)为上层星座对所述单颗下层星座卫星第k次持续可见时每个时刻的覆盖重数。
[0045]
本发明技术方案的主要优点如下：
[0046]
本发明的多层星座间可见性能的长期分析方法，考虑到层间星座卫星间可见关系随时间不断变化，将多层星座间可见性能等效为上层星座对下层星座中任意卫星的可见性能，通过在下层星座中生成若干虚拟卫星来模拟随时间变化下层卫星可能到达的任意位
置，并统计上层星座对下层星座任意虚拟卫星的单星可见时长、持续可见时长、覆盖间隙时长，覆盖重数的最大值、最小值和平均值、以及可见时长占比，来全面反映上、下层星座卫星间的可见关系。在仿真分析中，由于按下层星座卫星所有可能位置均匀采样生成了若干虚拟卫星来替代原有星座配置，所需的仿真时长缩短为几个轨道周期。
附图说明
[0047]
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0048]
图1为本发明一实施例提供的多层星座间可见性能的长期分析方法的流程图；
[0049]
图2为本发明一实施例提供的卫星可见性的甘特图。
具体实施方式
[0050]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0051]
以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。
[0052]
本发明实施例提供了一种多层星座间可见性能的长期分析方法，该方法包括：
[0053]
s1，在上层星座中选取基准卫星，以基准卫星为参考基准，对下层星座卫星的所有可能位置进行采样，生成下层星座卫星的初始位置条件。
[0054]
该步骤中，不妨设上层星座部署在轨道高度hh，倾角ih的圆轨道上。共ph个轨道面，其升交点赤经在360
°
范围内均布；每个轨道面有sh颗卫星，其真近点角在360
°
范围内均布。下层星座部署在轨道高度h
l
，倾角i
l
的圆轨道上。共p
l
个轨道面，其升交点赤经在360
°
范围内均布；每个轨道面有s
l
颗卫星，其真近点角在360
°
范围内均布。
[0055]
对于下层星座中的任意卫星，随着时间推移其和上层星座卫星的升交点赤经差δω和真近点角差δf可能取任意值。由于上层星座的所有卫星在轨道上均匀分布，任选一颗上层星座卫星为参考基准，其初始的升交点赤经为ω
h0
，真近点角为f
h0
。则下层星座卫星的所有可能位置，其与上层参考卫星的升交点赤经差在ph/2π的范围内均匀采样，真近点角差在sh/2π的范围内均匀采样，可能的取值如下表所示：
[0056]
[0057][0058]
据此，生成下层星座卫星的100组可能位置作为初始位置条件，该100组位置均在轨道高度h
l
，倾角i
l
的圆轨道上。它们初始的升交点赤经和真近点角为上表中可能取值的正交组合，根据正交表l100(10^2)进行组合配置。
[0059]
s2，在初始位置条件中选取单颗下层星座卫星，以固定的步长进行仿真，推演判断上层星座卫星与单颗下层星座卫星的几何关系。
[0060]
由于在步骤s1中采样设定了很多组可能的初始位置条件，且是对所有可能位置的均匀采样。因此仅需在几个轨道周期内进行仿真即可得到较为全面的仿真数据，得到与现有技术中长达数月的仿真相似的仿真结果。
[0061]
设定总的仿真时长为下层星座卫星的八倍轨道周期，仿真步长为1s。仿真过程中仅考虑二体轨道模型，根据二体轨道模型可以推演每个时刻每颗卫星的实时位置。每次仿真过程仅选取单颗下层星座卫星，然后推演判断所有上层星座卫星与该单颗下层星座卫星之间的几何关系。
[0062]
每时刻任意上层星座卫星与该单颗下层星座卫星间的观测仰角σ用下式进行计算：
[0063][0064]
式中，
[0065][0066][0067]
其中，re为地球的轨道半径，d
hl
为该时刻上层星座卫星和下层星座卫星间的距离，hh为上层星座的轨道高度，h
l
为下层星座的轨道高度。
[0068]
s3，通过几何关系确定每一时刻上层星座卫星和单颗下层星座卫星的可见性。
[0069]
该步骤中，将上层星座中和单颗下层星座卫星间观测仰角σ在预设值以内的卫星视为可见，将上层星座中和单颗下层星座卫星间观测仰角σ在预设值以外的卫星视为不可
见。例如，可见条件为σ≥σ
min
，其中σ
min
由具体的多层星座设计要求来确定。
[0070]
s4，基于可见性，统计单颗下层星座卫星的单星可见时长、持续可见时长、覆盖间隙时长、覆盖重数和可见时长占比；单星可见时长指单颗下层星座卫星与上层星座某一卫星可见的连续时长，持续可见时长指单颗下层星座卫星与上层星座任一卫星可见的持续时长，覆盖间隙时长指单颗下层星座卫星与上层星座所有卫星均不可见的持续时长，覆盖重数指单颗下层星座卫星与上层星座持续可见时可见的上层星座卫星数目，可见时长占比指持续可见时长占整个仿真时长的百分比。
[0071]
如附图2所示，根据可见性建立每颗上层星座卫星对该单颗下层星座卫星可见时段的甘特图。图中satij行代表上层星座第i个轨道面第j颗卫星对该单颗下层星座卫星的可见时段，每一行中有若干个填充有斜线的矩形框(以下简称斜线框)，每个斜线框即为一次单星可见时长。图中satall为综合sat11行至sat p
h sh行所有数据得到的反映持续可见时长和覆盖间隙时长的甘特图，只要有任一上层卫星对单颗下层卫星可见，即可认为该单颗下层卫星持续可见。图2中持续可见时长用若干填充点的矩形框表示(以下简称点阵框)，每个点阵框即为一次持续可见时长。持续可见时长之间的间隙即为覆盖间隙时长，用填充有横线的矩形框表示(以下简称横线框)。
[0072]
建立甘特图时，单星可见时长仅选取在整个仿真时长中完整的时段进行统计，即，仿真开始时即可见的时段、以及仿真结束时仍然可见的时段被抛弃。且当其大于一定值时视为有效，例如，可以在大于30s时视为有效。
[0073]
对于每一单颗下层星座卫星而言，单星可见时长t1的最小值、最大值和平均值分别为：
[0074]
t1
min
＝min(ts
ijk
) i＝1,...,ph；j＝1,...,sh；k＝1,...,ns
ij
；
[0075]
t1
max
＝max(ts
ijk
) i＝1,...,ph；j＝1,...,sh；k＝1,...,ns
ij
；
[0076][0077]
式中，t1
min
为单星可见时长的最小值，即，斜线框的最小长度。t1
max
为单星可见时长的最大值，即，斜线框的最大长度。t1
mean
为单星可见时长的平均值，即，斜线框的平均长度。ts
ijk
为上层星座第i个轨道面第j颗卫星对单颗下层星座卫星的第k次单星可见时长。ns
ij
为在仿真时段内上层星座第i个轨道面第j颗卫星对所述单颗下层星座卫星总的单星可见次数，即，甘特图中斜线框的数量。
[0078]
上述i＝1,...,ph表示i的取值为从1到ph的自然数，本实施例中其它类似的表示均具有同样的解释方式，下述不再赘述。
[0079]
对于每一单颗下层星座卫星而言，持续可见时长t2的最大值、最小值和平均值分别为：
[0080]
t2
min
＝min(tak) k＝1,...,na；
[0081]
t2
max
＝max(tak) k＝1,...,na；
[0082][0083]
式中，t2
min
为持续可见时长的最小值，即，点阵框的最小长度。t2
max
为持续可见时
长的最大值，即，点阵框的最大长度。t2
mean
为持续可见时长的平均值，即，点阵框的平均长度。tak为上层星座对单颗下层星座卫星的第k次持续可见时长，na为在仿真时段内上层星座对所述单颗下层星座卫星总的持续可见次数，即，点阵框的数目。
[0084]
对于每一单颗下层星座卫星而言，覆盖间隙时长t3的最大值、最小值和平均值分别为：
[0085]
t3
min
＝min(tgk) k＝1,...,ng；
[0086]
t3
max
＝max(tgk) k＝1,...,ng；
[0087][0088]
式中，t3
min
为覆盖间隙时长的最小值，即，横线框的最小长度。t3
max
为覆盖间隙时长的最大值，即，横线框的最大长度。t3
mean
为覆盖间隙时长的平均值，即，横线框的平均长度。tgk为上层星座对单颗下层星座卫星的第k次覆盖间隙时长。ng为在仿真时段内上层星座对单颗下层星座卫星总的覆盖间隙次数，即，横线框的数目。可以理解的是，持续可见时长和覆盖间隙时长为具有互斥关系的两组数据，也即，整个仿真时长被划分为持续可见时长和覆盖间隙时长。特别地，na＝1时认为上层星座对该下层星座卫星持续可见，此时t3
min
＝t3
max
＝t3
mean
＝ng＝0。
[0089]
对于每一单颗下层星座卫星而言，覆盖重数t4的最大值、最小值和平均值分别为：
[0090]
t4
min
＝min[mak(t)] k＝1,...,na；
[0091]
t4
max
＝max[mak(t)] k＝1,...,na；
[0092][0093]
式中，t4
min
为覆盖重数的最小值，t4
max
为覆盖重数的最大值，t4
mean
为覆盖重数的平均值，mak(t)为上层星座对所述单颗下层星座卫星第k次持续可见时每个时刻的覆盖重数。
[0094]
在单个持续可见时长里，覆盖重数在每个时刻可能不同，mak(t)可以为维度等于第k次持续可见时长的向量，求解覆盖重数的最大值、最小值和平均值时，取出向量中的所有元素进行对比和求均值。
[0095]
对于每一单颗下层星座卫星而言，可见时长占比t5通过下述公式计算：
[0096][0097]
式中，tak含义同上，为上层星座对单颗下层星座卫星的第k次持续可见时长。t
all
为总的仿真时长。
[0098]
s5，在初始位置条件中选取下一单颗下层星座卫星，重复步骤s2-s4，统计所有下层星座卫星的单星可见时长、持续可见时长、覆盖间隙时长、覆盖重数和可见时长占比。
[0099]
s6，根据所有下层星座卫星的单星可见时长、持续可见时长、覆盖间隙时长、覆盖重数和可见时长占比数据，确定上层星座对下层星座的可见性能参数。
[0100]
根据所有下层星座卫星的单星可见时长、持续可见时长、覆盖间隙时长、覆盖重数和可见时长占比数据，确定上层星座对下层星座卫星的长期可见性能，包括单星可见时长
持续可见时长覆盖间隙时长覆盖重数的最大值、最小值、平均值和可见时长占比的平均值，分别为：
[0101][0102][0103][0104][0105][0106][0107][0108][0109][0110][0111][0112][0113][0114]
式中，t1
min
(k)表示第k个初始位置条件的单颗下层卫星的t1
min
(单星可见时长的最小值)，为根据所有单颗下层星座卫星单星可见时长计算出的整个下层星座的最小单星可见时长，其它类似参数具有相似的含义，在此不再赘述。
[0115]
综上，本发明实施例提供的多层星座间可见性能的长期分析方法，考虑到层间星座卫星间可见关系随时间不断变化，将多层星座间可见性能等效为上层星座对下层星座中任意卫星的可见性能，通过在下层星座中生成若干虚拟卫星来模拟随时间变化下层卫星可能到达的任意位置，并统计上层星座对下层星座任意虚拟卫星的单星可见时长，持续可见时长，覆盖间隙时长，覆盖重数和可见时长占比的最大值、最小值和平均值，来全面反映上、下层星座卫星间的可见关系。在仿真分析中，由于按下层星座卫星所有可能位置均匀采样生成了若干虚拟卫星来替代原有星座配置，所需的仿真时长缩短为几个轨道周期。
[0116]
以下结合具体的示例对本发明分析精度和效率进行阐述。设上层星座部署在轨道高度1200km，倾角70
°
的圆轨道上。共5个轨道面，其升交点赤经在360
°
范围内均布；每个轨道面有8颗卫星，其真近点角在360
°
范围内均布。下层星座部署在轨道高度500km，倾角45
°
的圆轨道上。共5个轨道面，其升交点赤经在360
°
范围内均布；每个轨道面有8颗卫星，其真
近点角在360
°
范围内均布。
[0117]
按照设置足够长的仿真时间来充分体现层间卫星相对运动受摄变化影响的方法来进行多层星座间可见性能长期分析，需设定仿真时长为30天；按照本发明方法来进行多层星座间可见性能长期分析，只需设定仿真时长为0.5天。不妨设单星可见时长大于等于30s时为有效，仿真步长为1s时两种方法的仿真推演结果对比如下：
[0118][0119]
上述仿真在同一计算环境中运行，摄动分析方法用时6.71小时，本发明方法用时0.27小时，为摄动分析方法用时的4％。且两种方法的仿真结果相对误差不超过1％，可见本发明的方法能在保证精度的同时大幅提高多层星座间可见性能长期分析的效率。
[0120]
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。
[0121]
最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；
而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。