一種區域覆蓋推掃星座及其構建方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種區域覆蓋推掃星座及其構建方法，尤其是一種基于覆蓋帶拼接的 推掃星座的實現方法，屬于航天器星座與軌道設計技術領域。
【背景技術】
[0002] 在衛星早期應用中，主要通過單顆衛星來完成任務。但除個別情況外(地球靜止軌 道），多數衛星都不能夠固定在地球某個點的上空，其覆蓋范圍總是不斷變化的。因此，為利 用多顆衛星協同工作共同完成某一特定任務，衛星星座的概念應運而生。衛星星座(簡稱星 座)是指由多顆衛星組成，衛星軌道形成穩定的空間幾何構型，衛星與衛星之間保持固定的 時空關系，用于完成特定航天任務的衛星系統。
[0003] 星座構型是對星座中衛星的空間分布、軌道類型以及衛星間相互關系的描述。星 座軌道構型是星座的基本要素，反映了星座中衛星的時空布局，是星座覆蓋性能、工作性能 以及運行維持性能的決定性因素。Walker星座是一類星座構型的統稱，它包括星形星座、S 星座、〇星座、w星座、玫瑰星座等，其中Walker-o星座在工程中得到較為廣泛的應用，尤其是 針對大面積或全球觀測任務而言，具有全球覆蓋、煒度帶覆蓋最有效的特點。
[0004] Walker星座是由均勻分布在多個傾斜圓軌道上的衛星組成，衛星軌道的長半軸、 偏心率和軌道傾角相同，同一軌道上的衛星沿軌道均勻分布，軌道平面沿赤道均勻分布，且 不同軌道平面上的衛星的相位差相同。通常用N/P/F: i來表示Walker星座構型，其中：N表示 星座中衛星的總數;P表示星座中軌道平面的數量;F為相位因子，是一個0~P-1之間的整 數，用于表示不同軌道平面上衛星的相位差；i為軌道傾角。其覆蓋區域可以表示為 ~ ^胃，且最高覆蓋煒度？與軌道傾角i有關，通常有^"ax~
[0005] 圖1是一個24/4/1:45° Walker星座的星下點軌跡分布圖。可見，該星座的星下點軌 跡沿赤道在南北煒45°范圍內對稱分布。
[0006] 圖2是該星座對南北煒45°范圍探測時間間隔統計情況。可見，隨著煒度的增高，探 測時間間隔不斷減少，且以煒度為0°的赤道為對稱軸，南半球和北半球是相同的。因此， Walker星座比較適合于全球均勻覆蓋的星座設計，并且適合于對靜止目標的探測。
[0007] 在衛星對地觀測任務中，針對有限區域范圍的全覆蓋是一種常見的工作模式。經 典的Walker星座并不適用于此類觀測任務，存在覆蓋性能較低，成本較大的缺點。例如，針 對在我國東南海域的一個探測區域，如圖3所示。
[0008] 要求對該區域內的運動目標進行探測，且重訪周期最多12小時(43200s)，必須能 夠發現目標。已知目標的最大運動速度為60km/h，目標監視衛星的軌道高度為500km，監視 載荷的對地瞬時覆蓋寬度為200km。
[0009] 按照Walker星座設計方法，下表給出了多種Walker構型對目標區域的覆蓋情況。 [0010] 表1 Walker星座對目標區域的覆蓋情況
[0012] 可見，只有27/9/5構型的Walker星座能夠完全滿足對目標區域的覆蓋要求，也就 是說，如果采用Walker星座構型就需要27顆衛星進行組網。顯然，對于這樣一個小區域的探 測任務，成本是相當高的。本發明提出的技術旨在解決Walker星座構型在執行有限區域范 圍的全覆蓋觀測任務時覆蓋性能較低，成本較大的問題。
【發明內容】
[0013] 本發明提供一種區域覆蓋推掃星座及其構建方法，并以外截圓定義觀測區域面 積，將觀測區域煒度考慮在內，給出了推掃星座的詳細設計方法;然后，將該方法與經典的 Walker星座設計方法進行了對比，其優點在于能夠以較小的成本實現對有限觀測區域的全 覆蓋，同時避免目標遺漏。
[0014] 本發明的目的通過以下技術方案來具體實現：
[0015] -種區域覆蓋推掃星座，所述區域覆蓋推掃星座包括：
[0016] 至少一組推掃衛星群；
[0017] 所述至少一組推掃衛星群中的衛星軌道要素構型相同，升交點赤經不同。
[0018] 進一步的，每組所述推掃衛星群由兩顆及兩顆以上的衛星并列排布構成，每顆所 述衛星均部署在不同的軌道平面上。
[0019] 進一步的，每組所述推掃衛星群中的衛星數量具體包括：
[0020] 根據區域目標的大小和衛星對地瞬時覆蓋帶寬，計算滿足瞬時全覆蓋需求的最少 衛星數N，
[0022]其中，d定義為目標區域寬度，w定義為衛星對地瞬時覆蓋帶寬度，int()為取整函 數。
[0023]更進一步的，所述至少一組推掃衛星群中的衛星軌道要素構型相同，升交點赤經 不同，具體為：
[0024]所述至少一組推掃衛星群中的每顆衛星軌道要素構型相同，軌道傾角為包絡平行 四邊形的傾斜角，即
[0025] i =a ；
[0026] 所述升交點赤經不同，升交點赤經存在赤經差，每個軌道平面之間的最大升交點 赤經差為：
[0028] 其中Re為地球半徑。
[0029]進一步的，推掃衛星群的組數包括：
[0030]根據推掃衛星群的重訪周期和任務要求的重訪周期，確定推掃星座中推掃衛星群 的數量，衛星群數量M為
[0032]其中，Tm為任務要求重訪周期，Ts為單組推掃衛星群的重訪周期。
[0033]本發明還提供了一種區域覆蓋推掃星座的構建方法，包括：
[0034]步驟一、選定觀測區域，并根據觀測區域的形狀找到其外截圓；
[0035]步驟二、根據所述外截圓的半徑，確定推掃衛星組的衛星數量和軌道傾角；
[0036]步驟三、計算相鄰衛星升交點赤經差；
[0037]步驟四、確定推掃衛星星座的構型。
[0038]進一步的，步驟一中，所述根據觀測區域的形狀找到其外截圓，是指以觀測區域中 心為圓心，能夠包絡全部觀測區域的最小圓。
[0039]進一步的，步驟二中，所述確定推掃衛星組的衛星數量和軌道傾角，具體包括：
[0040] 首先通過目標觀測區域的煒度確定能夠覆蓋該區域的軌道傾角；
[0041] 其次根據外截圓直徑和單顆衛星的覆蓋帶寬度，確定能夠實現全覆蓋的推掃衛星 組中衛星的最少數量。
[0042] 進一步的，步驟三中，所述計算相鄰衛星升交點赤經差，包括：
[0043]基于目標區域的煒度，按照球面三角形定理進行計算，保證推掃衛星組在目標區 域上空實現無縫拼接。
[0044]進一步的，步驟四中，所述確定推掃衛星星座的構型，包括：
[0045]確定推掃衛星星座中包含推掃衛星組的數量及其布局；
[0046]所述推掃衛星星座中包含推掃衛星組的數量及其布局根據任務要求的重訪周期 和推掃衛星組實際的重訪周期計算得到。
[0047]本發明針對傳統Walker星座構型對區域目標監測成本過高、可操作性不強及容易 出現遺漏目標的問題，提出了一種推掃星座構型，該構型可以有效解決有限區域范圍的離 散全覆蓋問題，與傳統Walker星座相比，該方法具有更完備的覆蓋性能，能夠滿足非常苛刻 的任務需求，具有廣泛的應用前景。
【附圖說明】
[0048] 下面根據附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明。
[0049] 圖1是24/4/l:45°Walker星座的星下點軌跡。
[0050]圖2是Walker星座對南北煒45°范圍探測時間間隔統計情況。
[0051]圖3是針對在我國東南海域的一個探測區域示意圖。
[0052]圖4是衛星觀測帶拼接示意圖（靜態）。
[0053]圖5是衛星觀測帶拼接示意圖（動態），可以看出此推掃星座構型無監視盲區。
[0054]圖6是用于計算相鄰推掃衛星升交點赤經差的構型示意圖。
[0055]圖7是一組推掃衛星群的在軌運行三維仿真場景。
[0056]圖8是一組推掃衛星群的星下點軌跡。
[0057]圖9是一組推掃衛星群通過目標區域的仿真示意圖，可以看出其能夠對目標區域 實現全覆蓋。
[0058]圖10是推掃衛星星座對目標區域覆蓋時間的仿真結果。
【具體實施方式】 [0059] 實施例一
[0060] 本發明實施例一提供了一種區域覆蓋推掃星座，所述區域覆蓋推掃星座包括：
[0061] 至少一組推掃衛星群;所述至少一組推掃衛星群中的衛星軌道要素構型相同，升 交點赤經不同。
[0062] 每組所述推掃衛星群由兩顆及兩顆以上的衛星并列排布構成，每顆所述衛星均部 署在不同的軌道平面上。
[0063]每組所述推掃衛星群中的衛星數量具體包括：
[0064]根據區域目標的大小和衛星對地瞬時覆蓋帶寬，計算滿足瞬時全覆蓋需求的最少 衛星數N，
[0066]其中，d定義為目標區域寬度，w定義為衛星對地瞬時覆蓋帶寬度，int()為取整函 數。
[0067]所述至少一組推掃衛星群中的衛星軌道要素構型相同，升交點赤經不同，具體為： [0068]所述至少一組推掃衛星群中的每顆衛星軌道要素構型相同，軌道傾角為包絡平行 四邊形的傾斜角，即