鳥巢式星座及其設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及航天飛行器總體設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別涉及一種鳥巢式星座及其設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，傳統(tǒng)的星座設(shè)計(jì)多采用walkerj星座等設(shè)計(jì)方法，將多顆衛(wèi)星分布在軌道 參數(shù)基本相同的幾個(gè)軌道面上（升交點(diǎn)赤經(jīng)均勻分布），每個(gè)軌道面再均勻分布幾顆衛(wèi)星 (相位均勻分布）。該方法簡化了星座的軌道設(shè)計(jì)，具有易操作、星座構(gòu)型直觀等特點(diǎn)。然而 另一方面，簡化的星座設(shè)計(jì)使得其抗毀傷能力極弱，敵意目標(biāo)僅需要極小的代價(jià)(例如，燃 料消耗等）即可實(shí)現(xiàn)對多個(gè)目標(biāo)的批量破壞。從星座防護(hù)角度分析，傳統(tǒng)的簡化星座設(shè)計(jì)無 法滿足未來空間裝備的生存需求。
[0003] 鳥巢式星座顧名思義，是將衛(wèi)星在星座中的分布設(shè)計(jì)為類似鳥巢的形式。星座中 衛(wèi)星的軌道分布看似雜亂，實(shí)則遵循一定規(guī)律。以導(dǎo)航功能星座為例，鳥巢式星座的導(dǎo)航精 度與傳統(tǒng)星座基本一致，但各衛(wèi)星間的軌道不再完全近似，使得敵意行動(dòng)所需的代價(jià)將有 所增加，再通過各衛(wèi)星本身的機(jī)動(dòng)能力，可使得星座生存能力進(jìn)一步增強(qiáng)。由此可見，新型 星座在不影響星座功能的前提下，可在一定程度上提高運(yùn)行魯棒性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于解決一種具有較高生存能力的星座設(shè)計(jì)問題。
[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種鳥巢式星座設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：
[0006] S1、確定星座標(biāo)稱虛擬軌道面的總數(shù)Μ和每個(gè)所述標(biāo)稱虛擬軌道面周邊分布的衛(wèi) 星數(shù)Α，所述j為大于等于1且小于等于Μ的整數(shù)，所述j的初始值為1;
[0007] S2、在慣性坐標(biāo)系下，以oxy平面為基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)第j個(gè)標(biāo)稱虛擬軌道面周邊的衛(wèi)星軌 道參數(shù)；
[0008] S3、將衛(wèi)星軌道參數(shù)根據(jù)坐標(biāo)變換矩陣旋轉(zhuǎn)至所述第j個(gè)標(biāo)稱虛擬軌道面周邊；
[0009] S4、取所述j = j+l，若所述j大于所述M，執(zhí)行步驟S5,若所述j小于或者等于所述M， 執(zhí)行步驟S2;
[0010] S5、生成星座中所有衛(wèi)星的軌道參數(shù)。
[0011] 進(jìn)一步的，步驟S2中所述的衛(wèi)星軌道參數(shù)包括：
[0012] Nj顆衛(wèi)星在標(biāo)稱虛擬軌道面內(nèi)的相位分布角Φ j,k;
[0013] 各衛(wèi)星偏離標(biāo)稱虛擬軌道的傾斜角度Ij,k;
[0014] 各衛(wèi)星軌道偏尚標(biāo)稱虛擬軌道的偏心率Ej,k;
[0015] 其中所述k為大于等于1且小于等于化的整數(shù)。
[0016] 作為優(yōu)選的，所述傾斜角度Uk為5°，所述偏心率&,k為0.03765,衛(wèi)星在所述標(biāo)稱 虛擬軌道面內(nèi)均勻分布。
[0017] 進(jìn)一步的，步驟S3中所述的坐標(biāo)變換矩陣包括：
[0018] 由所述慣性坐標(biāo)系的oxy基準(zhǔn)平面旋轉(zhuǎn)至第j個(gè)所述標(biāo)稱虛擬軌道面所需的升交 點(diǎn)赤經(jīng)角Ω j;
[0019] 由所述慣性坐標(biāo)系的oxy基準(zhǔn)平面旋轉(zhuǎn)至第j個(gè)所述標(biāo)稱虛擬軌道面所需的軌道 傾角ij;
[0020] 由所述慣性坐標(biāo)系的oxy基準(zhǔn)平面旋轉(zhuǎn)至第j個(gè)所述標(biāo)稱虛擬軌道面所需的近地 點(diǎn)角距ω j;
[0021] 由所述慣性坐標(biāo)系的oxy基準(zhǔn)平面旋轉(zhuǎn)至第j個(gè)所述標(biāo)稱虛擬軌道面所需的相位 調(diào)整角％。
[0022]進(jìn)一步的，所述坐標(biāo)變換矩陣為(>(：τζ(ω?+φ』)(：τχ:(;^€ τζ(%)。
[0023] 作為優(yōu)選的，所述軌道傾角k為55°。
[0024] 作為優(yōu)選的，所述相位調(diào)整角的調(diào)整差值為±35°。
[0025]作為優(yōu)選的，所述近地點(diǎn)角距ω j為0°。
[0026] 作為優(yōu)選的，所述標(biāo)稱虛擬軌道面的升交點(diǎn)在oxy基準(zhǔn)平面內(nèi)均勻分布。
[0027] 本發(fā)明還提供了一種鳥巢式星座，運(yùn)用了上述任意一項(xiàng)所述的方法設(shè)計(jì)得到，其 特征在于，所述鳥巢式星座的⑶0P值在2.1以下。
[0028] 本發(fā)明相比現(xiàn)有的衛(wèi)星星座，除了星座的區(qū)域覆蓋性能相近外，可降低星座內(nèi)多 目標(biāo)同時(shí)被破壞的風(fēng)險(xiǎn)，提高系統(tǒng)的魯棒性。
【附圖說明】
[0029] 圖1為本發(fā)明中鳥巢式星座設(shè)計(jì)方法的步驟流程圖。
[0030] 圖2為本發(fā)明中星座在J2000坐標(biāo)系下星座軌道示意圖。
[0031] 圖3為本發(fā)明中經(jīng)坐標(biāo)變換后的星座軌道。
[0032] 圖4為本發(fā)明中鳥巢式星座的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]圖5為本發(fā)明中鳥巢式星座的⑶0P性能分析圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面以J2000慣性坐標(biāo)系下的星座 設(shè)計(jì)為例，將結(jié)合附圖對本發(fā)明的各實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)的闡述。
[0035] 在本實(shí)施例中，提供了一種鳥巢式星座設(shè)計(jì)方法，如圖1所示，包括以下步驟：
[0036] S1、確定星座虛擬軌道面的總數(shù)Μ和每個(gè)虛擬軌道面周邊所分布的衛(wèi)星數(shù)N」，j = 1，2，···，Μ，取初始值 j = l。
[0037] 在本實(shí)施例中，取M=6，Nj分別取6,5,5,6,5,5,即在星座中部署32顆衛(wèi)星，同時(shí)確 保相對均勻地分布在6個(gè)虛擬軌道面附近。
[0038] S2、在J2000坐標(biāo)系下，以oxy平面為基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)第j個(gè)虛擬軌道面周邊的衛(wèi)星軌道 參數(shù)。其中，衛(wèi)星軌道參數(shù)包括Nj顆衛(wèi)星在虛擬軌道面內(nèi)的相位分布角Φ j,k;各衛(wèi)星偏離標(biāo) 稱虛擬軌道的傾斜角度Ij,k;以及各衛(wèi)星軌道偏離標(biāo)稱虛擬圓軌道的偏心率Ej,k;其中所述k 為大于等于1且小于等于％的整數(shù)。
[0039]在本實(shí)施例中，考慮衛(wèi)星相對均勻地分散在標(biāo)稱虛擬軌道面的一個(gè)條帶區(qū)域，傾 斜角度均取5° ;偏心率均取0.03765;當(dāng)j = 1，4時(shí)，將6顆衛(wèi)星在標(biāo)稱軌道面內(nèi)均勻分布，分 別取相位分布角為0°，60°，120°，180°，240°，300° ;當(dāng)j = 2,3,5,6時(shí)，將5顆衛(wèi)星在標(biāo)稱軌道 面內(nèi)均勻分布，分別取相位分布角為0°，72°，144°，216°，288°。在J2000系下，第1個(gè)虛擬軌 道面周邊的衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)如圖2所示。
[0040] S3、將衛(wèi)星軌道參數(shù)根據(jù)坐標(biāo)變換矩陣旋轉(zhuǎn)至所述第j個(gè)標(biāo)稱虛擬軌道面周邊。其 中，坐標(biāo)變換矩陣包括以下四個(gè)參數(shù)。
[0041]由所述慣性坐標(biāo)系的oxy基準(zhǔn)平面旋轉(zhuǎn)至第j個(gè)所述標(biāo)稱虛擬軌道面所需的升交 點(diǎn)赤經(jīng)角Ω」；在本實(shí)施例中，將6個(gè)標(biāo)稱虛擬軌道面的升交點(diǎn)在oxy基準(zhǔn)平面內(nèi)均勻分布， Ω j分別取0°，60°，120°，180°，240°，300°。
[0042] 由所述慣性坐標(biāo)系的oxy基準(zhǔn)平面旋轉(zhuǎn)至第j個(gè)所述標(biāo)稱虛擬軌道面所需的軌道 傾角ij;在本實(shí)施例中，考慮對全球區(qū)域的均勻覆蓋，ij均取55°。
[0043] 由所述慣性坐標(biāo)系的oxy基準(zhǔn)平面旋轉(zhuǎn)至第j個(gè)所述標(biāo)稱虛擬軌道面所需的近地 點(diǎn)角距ω」;在本實(shí)施例中，為了簡化考慮升交點(diǎn)與近地點(diǎn)重合的情況，均取〇°。
[0044] 由所述慣性坐標(biāo)系的oxy基準(zhǔn)平面旋轉(zhuǎn)至第j個(gè)所述標(biāo)稱虛擬軌道面所需的相位 調(diào)整角Φ」；在本實(shí)施例中，考慮每個(gè)虛擬軌道面的參考基準(zhǔn)適當(dāng)錯(cuò)位，確保衛(wèi)星相對均勻 分布，第1，4虛擬面調(diào)整角取0° ;第2，5虛擬面調(diào)整角取35° ;第3，6虛擬面調(diào)整角取325°。
[0045] 按照上述的參數(shù)，根據(jù)坐標(biāo)變換矩陣
，便可以將 軌道參數(shù)旋轉(zhuǎn)變化為實(shí)際的軌道參數(shù)。其中，(^Λω,+φ#和CTZ( Ω」)均表示繞ζ軸旋轉(zhuǎn)的坐 標(biāo)變換矩陣，CTx(ij)表示繞X軸旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)變換矩陣。經(jīng)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)后的星座軌道如圖3所示。
[0046] S4、取所述j = j+l，若所述j大于所述M，執(zhí)行步驟S5,若所述j小于或者等于所述M， 執(zhí)行步驟S2;
[0047] S5、生成星座中所有衛(wèi)星的軌道參數(shù)。根據(jù)上述參數(shù)以及設(shè)計(jì)所得的示例鳥巢式 導(dǎo)航星座如圖4所示。
[0048]設(shè)計(jì)完成后，通過導(dǎo)航定位幾何精度系數(shù)⑶0P評估導(dǎo)航星座性能：
[0049]
[0050] 其中σχ、、σγσζ三個(gè)位置方向的精度系數(shù)，ot為時(shí)鐘偏差系數(shù)，各參數(shù)由位置測量信 息和時(shí)鐘誤差信息相關(guān)的幾何精度系數(shù)矩陣計(jì)算得到。
[0051 ]通過上述公式的初步分析，在本實(shí)施例中的鳥巢式導(dǎo)航星座的GD0P值均在2.1以 下，導(dǎo)航精度較為理想，如圖5所示。
[0052]本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解，上述實(shí)施方式是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的具體實(shí)施例，而 在實(shí)際應(yīng)用中，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對其作各種改變，例如將本實(shí)施例中的軌道參數(shù)進(jìn) 行適當(dāng)調(diào)整等有效替換均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍，不偏離本發(fā)明的精神和范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種鳥巢式星座設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括W下步驟： 51、 確定星座標(biāo)稱虛擬軌道面的總數(shù)M和每個(gè)所述標(biāo)稱虛擬軌道面周邊分布的衛(wèi)星數(shù) Nj,所述j為大于等于1且小于等于M的整數(shù)，所述j的初始值為1; 52、 在慣性坐標(biāo)系下，Woxy平面為基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)第j個(gè)標(biāo)稱虛擬軌道面周邊的衛(wèi)星軌道參 數(shù)； 53、 將所述衛(wèi)星軌道參數(shù)根據(jù)坐標(biāo)變換矩陣旋轉(zhuǎn)至所述第j個(gè)標(biāo)稱虛擬軌道面周邊，生 成該衛(wèi)星的軌道參數(shù)； 54、 取所述j = j+l，若所述j大于所述M，執(zhí)行步驟S5,若所述j小于或者等于所述M，返回 步驟S2; 55、 根據(jù)所述衛(wèi)星的軌道參數(shù)生成鳥巢式星座。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鳥巢式星座設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟S2中所述的衛(wèi)星軌道 參數(shù)包括： Nj顆衛(wèi)星在標(biāo)稱虛擬軌道面內(nèi)的相位分布角O j,k; 各衛(wèi)星偏離標(biāo)稱虛擬軌道的傾斜角度I j, k; 各衛(wèi)星軌道偏離標(biāo)稱虛擬軌道的偏屯、率Ej,k; 其中所述k為大于等于1且小于等于叫的整數(shù)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的鳥巢式星座設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述傾斜角度Uk為5°，所 述偏屯、率Ej, k為0.03765，衛(wèi)星在所述標(biāo)稱虛擬軌道面內(nèi)均勻分布。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鳥巢式星座設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟S3中所述的坐標(biāo)變換 矩陣包括： 由所述慣性坐標(biāo)系的oxy基準(zhǔn)平面旋轉(zhuǎn)至第j個(gè)所述標(biāo)稱虛擬軌道面所需的升交點(diǎn)赤 經(jīng)角Q j; 由所述慣性坐標(biāo)系的oxy基準(zhǔn)平面旋轉(zhuǎn)至第j個(gè)所述標(biāo)稱虛擬軌道面所需的軌道傾角 ij; 由所述慣性坐標(biāo)系的oxy基準(zhǔn)平面旋轉(zhuǎn)至第j個(gè)所述標(biāo)稱虛擬軌道面所需的近地點(diǎn)角 距《 j; 由所述慣性坐標(biāo)系的oxy基準(zhǔn)平面旋轉(zhuǎn)至第j個(gè)所述標(biāo)稱虛擬軌道面所需的相位調(diào)整 角奪i〇5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的鳥巢式星座設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述坐標(biāo)變換矩陣為C = 〔了,（ W j+ j)cTx( ij)cTz( Q j)。6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的鳥巢式星座設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述軌道傾角iJ為55°。7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的鳥巢式星座設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述相位調(diào)整角Cp j的調(diào) 整差值為±35°。8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的鳥巢式星座設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述近地點(diǎn)角距CO J為0°。9. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的鳥巢式星座設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述標(biāo)稱虛擬軌道面的升 交點(diǎn)在oxy基準(zhǔn)平面內(nèi)均勻分布。10. -種鳥巢式星座，其特征在于，運(yùn)用了權(quán)利要求1至9中任意一項(xiàng)所述的方法設(shè)計(jì)得 到，所述鳥巢式星座的GDOP值在2.1W下。
【專利摘要】鳥巢式星座及其設(shè)計(jì)方法，本發(fā)明涉及一種星座設(shè)計(jì)方法，所要解決的技術(shù)問題是提供一種多顆衛(wèi)星在空間中的分布式設(shè)計(jì)方法，在不影響星座性能的前提下，解決傳統(tǒng)walker、δ星座設(shè)計(jì)采用相似軌道、生存能力弱的問題。其特征在于：將衛(wèi)星設(shè)計(jì)分布在軌道參數(shù)近似的幾個(gè)虛擬軌道面內(nèi)，近似同軌道面的幾顆衛(wèi)星以松散形式近似均勻分布，通過衛(wèi)星間的多重協(xié)同覆蓋完成特定任務(wù)。本發(fā)明使用復(fù)雜星座構(gòu)型完成協(xié)同覆蓋任務(wù)，在不影響星座性能的同時(shí)可提高星座運(yùn)行魯棒性。
【IPC分類】B64G1/10, G05D1/08
【公開號】CN105511483
【申請?zhí)枴緾N201510875617
【發(fā)明人】唐生勇, 沈曉鳳, 曾占魁, 康志宇, 肖余之
【申請人】上海宇航系統(tǒng)工程研究所
【公開日】2016年4月20日
【申請日】2015年12月2日