一種快速重訪離散目標的低軌衛(wèi)星軌道設計方法
【專利摘要】一種快速重訪離散目標的低軌衛(wèi)星軌道設計方法，（1）確定衛(wèi)星軌道傾角，該傾角不低于地面目標的最高緯度Lmax；（2）衛(wèi)星軌道選擇為圓軌道，偏心率為0；（3）根據(jù)地面目標執(zhí)行偵察任務，確定軌道的回歸周期，利用該回歸周期確定衛(wèi)星軌道半長軸，進而確定軌道高度；（4）根據(jù)衛(wèi)星軌道的升軌段及降軌段星下點經過地面目標所對應的軌道升交點經度，分別確定升軌段和降軌段理想的衛(wèi)星軌道升交點經度，以設計的衛(wèi)星軌道升交點經度L與各地面目標升軌段和降軌段理想的衛(wèi)星軌道升交點經度差值之和最小為目標進行優(yōu)化，確定衛(wèi)星軌道的升交點經度為L；（5）利用上述確定的軌道傾角、圓軌道及其偏心率、軌道高度以及衛(wèi)星軌道的升交點經度完成衛(wèi)星軌道設計。
【專利說明】一種快速重訪離散目標的低軌衛(wèi)星軌道設計方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種低軌衛(wèi)星星座組網軌道構型設計方法，適用于針對離散分布在全球不同位置的多個特定地面目標，設計一種最優(yōu)化的星座組網軌道構型，實現(xiàn)用最少的衛(wèi)星數(shù)目對這些離散地面目標最快速的重復偵察。
【背景技術】
[0002]自從20世紀40年代英國人Clark A C首次提出衛(wèi)星星座組網的概念以來，關于全球覆蓋星座組網的設計問題已經發(fā)表了大量的文獻，并在工程實際中得到應用，如美國GPS導航星座、Iridium通信星座等。在重點區(qū)域覆蓋的星座組網問題方面也進行了較多研究，俄羅斯的Molniya通信星座，我國的北斗二代導航星座一期工程等均是重點區(qū)域覆蓋星座組網的實際應用。
[0003]還有一類有別于全球覆蓋與重點區(qū)域覆蓋的衛(wèi)星星座組網，即對特定的在全球范圍內離散分布的多個地面目標進行覆蓋的衛(wèi)星星座組網問題，比如對敵方離散分布于全球不同位置的多個重要軍事基地進行光學或電子偵察，這類應用具有如下特點:
[0004](I)主要覆蓋對象為離散分布在全球不同位置的多個特定目標；
[0005](2)衛(wèi)星應用目的通常是對目標的光學或電子偵察，適宜采用低軌道。
[0006](3)為了滿足特定時期以較高頻率動態(tài)更新對目標偵察信息的要求，衛(wèi)星組網應當對離散分布于全球的多個目標快速重訪。
[0007]對于具有上述特點的可快速重訪離散目標的衛(wèi)星組網構型設計方法，目前國內外還沒有相關公開文獻報道或專利報道。
【發(fā)明內容】
[0008]本發(fā)明的技術解決問題是:克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種可訪問分布在全球不同位置的離散目標衛(wèi)星軌道設計方法。
[0009]本發(fā)明進一步解決的技術問題是:提出了最優(yōu)的快速重訪離散目標的低軌衛(wèi)星組網部署方法，可用最少的衛(wèi)星數(shù)目實現(xiàn)對離散分布在全球不同位置的多個特定地面目標最快速的重復偵察。
[0010]本發(fā)明的技術解決方案是:一種快速重訪離散目標的低軌衛(wèi)星軌道設計方法，步驟如下:
[0011](I)確定衛(wèi)星軌道傾角，該傾角不低于地面目標的最高緯度Lmax ；
[0012](2)衛(wèi)星軌道選擇為圓軌道，偏心率為0
[0013](3)根據(jù)地面目標執(zhí)行偵察任務，確定軌道的回歸周期，利用該回歸周期確定衛(wèi)星軌道半長軸，進而確定軌道高度；
[0014](4)根據(jù)衛(wèi)星軌道的升軌段及降軌段星下點經過地面目標所對應的軌道升交點經度，分別確定升軌段和降軌段理想的衛(wèi)星軌道升交點經度，以設計的衛(wèi)星軌道升交點經度L與各地面目標升軌段和降軌段理想的衛(wèi)星軌道升交點經度差值之和最小為目標進行優(yōu)化，確定衛(wèi)星軌道的升交點經度為L ；
[0015](5)利用上述確定的軌道傾角、圓軌道及其偏心率、軌道高度以及衛(wèi)星軌道的升交點經度完成衛(wèi)星軌道設計。
[0016]在步驟(5)之后增加步驟(6)，在步驟(6)中進行衛(wèi)星組網構型設計，組網運行的每顆衛(wèi)星的星下點軌跡與步驟(5)中設計的衛(wèi)星軌道星下點軌跡相同，然后以組網運行的各顆衛(wèi)星飛經各個地面目標上空的時間為設計變量，以衛(wèi)星組網對各個地面目標打擊窗口最長間隔之和達到最小為優(yōu)化目標進行優(yōu)化，完成衛(wèi)星組網構型設計。
[0017]所述步驟(4)的具體實現(xiàn)步驟如下:
[0018](4.1)為 L 賦初值 0° ；
[0019](4.2)求出L與升軌段經過目標的軌道升交點經度的差值，記為minT1A ；
[0020](4.3)將L按照A L的幅值向西進動，每次進動后計算進動后的值與升軌段經過目標I的軌道升交點經度的差值，將該值與minT1A進行比較，若該值小于minT1A，則將minT1A更新為該值；
[0021](4.4)重復步驟(4.3)，直至衛(wèi)星回歸，從中確定I個最小的minT1A值；
[0022](4.5)恢復L的初值；
[0023](4.6)求出L與 降軌段經過目標的軌道升交點經度的差值，記為minT1D ；
[0024](4.7)將L按照A L的幅值向西進動，每次進動后計算進動后的值與降軌段經過目標I的軌道升交點經度的差值，將該值與minT1D進行比較，若該值小于minT1D，則將minT1D更新為該值；
[0025](4.8)重復步驟(4.7),直至衛(wèi)星回歸，從中確定I個最小的minT1D值；
[0026](4.9)比較minT1A與minT1D,將其中的較小者記為minT1 ;如果minT1大于A max,則將minT1的值取為le6 ；
[0027](4.10)對于其它地面目標，重復步驟(4.2)~步驟(4.9)的操作，分別得到最小的minT1, minT2,..., minT12等值,對這些值求和，記和為Sum。；
[0028](4.11)按照預設的增長步長A為L賦值，重復步驟(4.2)~步驟(4.10)，分別可
丫守至丨J Sunig+ A, Surn0+2A，? ? ?，Surn360_A ；
[0029](4.12)求出SumQ+A，Sum0+2A, Sum360_A中的最小值，該最小值對應的L即為設計出的最優(yōu)軌道的升交點經度。
[0030]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比有益效果為:本發(fā)明針對可快速重訪離散分布在全球不同位置的多個特定地面目標的要求，分析了可將所有離散分布地面目標均納入衛(wèi)星偵察范圍，并且可以對地面目標定期重復偵察的低軌衛(wèi)星軌道設計方法，明確了衛(wèi)星偵察載荷對地偵察時側視指向能力的要求。在軌道設計基礎上，以對地面目標重訪時間間隔最短為目標，對星座組網中各顆衛(wèi)星飛經地面目標上空的時間進行優(yōu)化設計，得出了最優(yōu)的快速重訪離散目標的低軌衛(wèi)星組網部署方案，可用最少的衛(wèi)星數(shù)目實現(xiàn)對離散分布在全球不同位置的多個特定地面目標最快速的重復偵察。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031]圖1為本發(fā)明衛(wèi)星星下點升軌段經過目標的軌跡與降軌段經過目標的軌跡示意圖；[0032]圖2為本發(fā)明實例在軌飛行I天的星下點軌跡示意圖；
[0033]圖3為本發(fā)明最優(yōu)軌道星下點與目標之間的關系示意圖；
[0034]圖4為本發(fā)明實施例12顆衛(wèi)星最優(yōu)組網方案的空間軌道構型示意圖；
[0035]圖5為本發(fā)明流程圖。
【具體實施方式】
[0036]下面結合附圖對本發(fā)明做詳細說明，本發(fā)明一種快速重訪離散目標的低軌衛(wèi)星軌道設計方法，如圖5所示，步驟如下:
[0037]( I)確定衛(wèi)星軌道傾角；
[0038]衛(wèi)星的任務是進行對地偵察，為了確保衛(wèi)星能夠將所有地面目標納入偵察范圍內，應當使衛(wèi)星運行軌道的傾角不低于地面目標的最高緯度L_。因此，傾角可以選擇兩種設計值，I)地面目標的最高緯度Lmax ；2)太陽同步軌道傾角，該傾角的值通常在90°~100°范圍內，其計算方法為公知。
[0039](2)衛(wèi)星軌道選擇為圓軌道，偏心率為O。
[0040]衛(wèi)星需要對在全球范圍內離散分布的地面目標進行偵察，因此不適宜采用有利于重點區(qū)域偵察覆蓋的橢圓軌道，衛(wèi)星軌道選擇為圓軌道，偏心率為O。
[0041](3)根據(jù)地面目標執(zhí)行偵察任務，確定軌道的回歸周期，利用該回歸周期確定衛(wèi)星軌道半長軸，進而確定軌道高度；
[0042]衛(wèi)星運行于低軌，執(zhí)行對地偵察任務，如果軌道過低，衛(wèi)星運行過程中受到較大的大氣阻力，將會為軌道維持付出很大代價，因此將衛(wèi)星運行軌道高度選取在300km~800km之間。
[0043]衛(wèi)星對地面目標執(zhí)行偵察任務，最理想的情況是衛(wèi)星星下點能夠反復經過地面目標，因此衛(wèi)星適宜采用回歸軌道，并且回歸周期以短為宜(最短I天)，這樣每經過一段較短時間，星下點軌跡就能重復經過地面目標，有利于有效載荷對地偵察。
[0044]在300km~800km軌道高度之間，選擇I天回歸周期的軌道?；貧w軌道按下式計算:
【權利要求】
1.一種快速重訪離散目標的低軌衛(wèi)星軌道設計方法，其特征在于步驟如下: (1)確定衛(wèi)星軌道傾角，該傾角不低于地面目標的最高緯度Lmax； (2)衛(wèi)星軌道選擇為圓軌道，偏心率為O (3)根據(jù)地面目標執(zhí)行偵察任務，確定軌道的回歸周期，利用該回歸周期確定衛(wèi)星軌道半長軸，進而確定軌道高度； (4)根據(jù)衛(wèi)星軌道的升軌段及降軌段星下點經過地面目標所對應的軌道升交點經度，分別確定升軌段和降軌段理想的衛(wèi)星軌道升交點經度，以設計的衛(wèi)星軌道升交點經度L與各地面目標升軌段和降軌段理想的衛(wèi)星軌道升交點經度差值之和最小為目標進行優(yōu)化，確定衛(wèi)星軌道的升交點經度為L ； (5)利用上述確定的軌道傾角、圓軌道及其偏心率、軌道高度以及衛(wèi)星軌道的升交點經度完成衛(wèi)星軌道設計。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種快速重訪離散目標的低軌衛(wèi)星軌道設計方法，其特征在于:在步驟(5)之后增加步驟(6)，在步驟(6)中進行衛(wèi)星組網構型設計，組網運行的每顆衛(wèi)星的星下點軌跡與步驟(5)中設計的衛(wèi)星軌道星下點軌跡相同，然后以組網運行的各顆衛(wèi)星飛經各個地面目標上空的時間為設計變量，以衛(wèi)星組網對各個地面目標打擊窗口最長間隔之和達到最小為優(yōu)化目標進行優(yōu)化，完成衛(wèi)星組網構型設計。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種快速重訪離散目標的低軌衛(wèi)星軌道設計方法，其特征在于:所述步驟(4)的具體實現(xiàn)步驟如下: (4.1)為L賦初值0° ； (4.2)求出L與升軌段經過目標的軌道升交點經度的差值，記為minT1A ； (4.3)將L按照AL的幅值向西進動，每次進動后計算進動后的值與升軌段經過目標I的軌道升交點經度的差值，將該值與minT1A進行比較，若該值小于minT1A，則將minT1A更新為該值； (4.4)重復步驟(4.3)，直至衛(wèi)星回歸，從中確定I個最小的minT1A值； (4.5)恢復L的初值； (4.6)求出L與降軌段經過目標的軌道升交點經度的差值，記為minT1D ； (4.7)將L按照AL的幅值向西進動，每次進動后計算進動后的值與降軌段經過目標I的軌道升交點經度的差值，將該值與minT1D進行比較，若該值小于minT1D，則將minT1D更新為該值； (4.8)重復步驟(4.7)，直至衛(wèi)星回歸，從中確定I個最小的minT1D值； (4.9)比較minT1A與minT1D,將其中的較小者記為minT1 ；如果minT1大于A max,則將minT1的值取為le6 ； (4.10)對于其它地面目標，重復步驟(4.2)~步驟(4.9)的操作，分別得到最小的minT1, minT2,..., minT12等值,對這些值求和，記和為Sum。； (4.11)按照預設的增長步長A為L賦值，重復步驟(4.2)~步驟(4.10)，分別可得到Sunig+ a，Sunig+2 A，? ? ?，Surn360_ A ； (4.12)求出SumQ+A，Sum0+2A,Sum360_A中的最小值，該最小值對應的L即為設計出的最優(yōu)軌道的升交點經度。
【文檔編號】G01S17/74GK103675832SQ201310632227
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月29日 優(yōu)先權日:2013年11月29日
【發(fā)明者】李志 , 蒙波, 宋雨, 何宗波, 陳新龍, 黃劍斌 申請人:中國空間技術研究院