本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星星座方案，適用于衛(wèi)星星座系統(tǒng)方案設(shè)計及星座工程建設(shè)。

背景技術(shù)：

人造衛(wèi)星按照一定的空間分布規(guī)律運(yùn)行于太空之上，形成衛(wèi)星星座，簡稱為星座。星座構(gòu)形是指衛(wèi)星在星座中的分布規(guī)律，包括衛(wèi)星軌道面分布、軌道內(nèi)分布以及軌道類型及特征參數(shù)。星座構(gòu)形設(shè)計是星座系統(tǒng)設(shè)計的一個關(guān)鍵基礎(chǔ)部分。

星座設(shè)計作為一個學(xué)術(shù)領(lǐng)域，可追溯至上世紀(jì)60年代，星座方案層出不窮，其中最具代表性的是工程實(shí)現(xiàn)的Inmarsat、Iridium、Globalstar等通信星座，以及GPS、GLONASS、北斗等導(dǎo)航星座。近十年來，隨著載荷技術(shù)的發(fā)展，星間鏈路構(gòu)建成為熱點(diǎn)，星座設(shè)計也因此進(jìn)入了一個繁榮的時代。

目前，在國內(nèi)外發(fā)表的學(xué)術(shù)著作以及工程實(shí)踐中，星座設(shè)計往往是針對具體的需求進(jìn)行構(gòu)形設(shè)計的，星座方案簡單而局限，且其軌道單一、結(jié)構(gòu)不可變、系統(tǒng)性能有限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種結(jié)構(gòu)靈活可變、具有自我管理能力且具有優(yōu)秀全球覆蓋能力的衛(wèi)星星座。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種可變構(gòu)形的混軌衛(wèi)星星座，包括GEO、IGSO和MEO三個子星座，其中：

GEO子星座：包括n顆GEO衛(wèi)星，分布在地球同步靜止軌道的n個軌位上，n為正整數(shù)且n≥3，相鄰衛(wèi)星之間覆蓋區(qū)相連接，對中低緯地區(qū)完成全經(jīng)度覆蓋；

IGSO子星座：包括5顆IGSO衛(wèi)星，分別標(biāo)記為IGSO1～I(xiàn)GSO5，其中IGSO1、IGSO2、IGSO3三顆衛(wèi)星在同一個軌道面內(nèi)，且相鄰衛(wèi)星間相位差為120°；同時，IGSO3和IGSO4、IGSO5三顆衛(wèi)星共地面軌跡；

MEO子星座：包含m×k顆MEO衛(wèi)星，分布在k個軌道面上，每個軌道面m顆衛(wèi)星，m和k均為正整數(shù)；

當(dāng)進(jìn)行星座構(gòu)形重構(gòu)時，IGSO4和IGSO5兩顆衛(wèi)星通過軌道機(jī)動進(jìn)入HEO軌道并運(yùn)行，星座由n顆GEO衛(wèi)星、5顆IGSO衛(wèi)星以及m×k顆MEO衛(wèi)星的混合構(gòu)形重構(gòu)為n顆GEO衛(wèi)星、3顆IGSO衛(wèi)星、2顆HEO衛(wèi)星以及m×k顆MEO衛(wèi)星的構(gòu)形。

所述的IGSO子星座軌道傾角應(yīng)使得IGSO子星座對GEO子星座無法覆蓋的南北半球高緯地帶及極區(qū)提供覆蓋。

所述的m、k的取值應(yīng)使得MEO子星座具備全球覆蓋能力。

所述的HEO軌道參數(shù)根據(jù)HEO遠(yuǎn)地點(diǎn)覆蓋區(qū)的位置的要求，以及對HEO衛(wèi)星在該覆蓋區(qū)的停留時間的要求確定。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)優(yōu)勢互補(bǔ)的多軌道類型混合構(gòu)形。本發(fā)明星座由n顆GEO、5顆IGSO、m×k顆MEO三個子星座組成，既充分利用了地球靜止軌道GEO軌道固定覆蓋區(qū)、單顆衛(wèi)星覆蓋能力強(qiáng)大的特殊優(yōu)勢，又利用了傾斜同步軌道IGSO軌道固定“8”字地面軌跡及其對高緯、極區(qū)的覆蓋能力，同時，又引入了中軌星座擴(kuò)大系統(tǒng)容量，提高系統(tǒng)自管理能力。GEO衛(wèi)星能夠?yàn)槟媳敝械途暤貐^(qū)提供連續(xù)的全天候的穩(wěn)定覆蓋；5顆IGSO衛(wèi)星彌補(bǔ)了GEO衛(wèi)星對南北半球高緯地區(qū)及極區(qū)的覆蓋空白，同時又對特定區(qū)域提供了增強(qiáng)覆蓋；MEO衛(wèi)星能夠極好地提高該星座的全球覆蓋重數(shù)，增加系統(tǒng)容量，同時，還可以充當(dāng)GEO、IGSO衛(wèi)星與地面之間的信使，并有能力對整個星座系統(tǒng)進(jìn)行自主管理。

(2)同軌道面與共地面軌跡相結(jié)合的優(yōu)異覆蓋性。本發(fā)明中IGSO子星座由5顆IGSO衛(wèi)星組成，其中IGSO1、IGSO2和IGSO3三顆衛(wèi)星同軌道面，且均分軌道面內(nèi)相位。選擇適當(dāng)?shù)能壍纼A角，這三顆IGSO衛(wèi)星能夠覆蓋所有緯度，因此正好彌補(bǔ)了GEO子星座對高緯及兩極地區(qū)覆蓋能力的不足，從而使得星座具備全球覆蓋能力。與此同時，IGSO3、IGSO4和IGSO5三顆衛(wèi)星共地面軌跡，且地面覆蓋區(qū)落在主任務(wù)區(qū)域，因此，為星座增加了區(qū)域增強(qiáng)覆蓋能力。

(3)星座可重構(gòu)的構(gòu)形靈活性。本發(fā)明IGSO子星座中IGSO4、IGSO5兩顆衛(wèi)星具備變軌能力，可以在星座壽命期間根據(jù)用戶需求進(jìn)行變軌進(jìn)入HEO軌道，對用戶指定的特定區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)覆蓋。IGSO4和IGSO5實(shí)現(xiàn)變軌之后，星座的重點(diǎn)覆蓋區(qū)域?qū)崿F(xiàn)遷移，因此能夠更好地利用星座的覆蓋能力，提高星座的價值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明星座構(gòu)形三維示意圖；

圖2為本發(fā)明星座重構(gòu)后的構(gòu)形三維示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提出一種可變構(gòu)形的混軌衛(wèi)星星座設(shè)計方案。該星座包括地球同步靜止軌道(GEO)、地球同步傾斜軌道(IGSO)和中高度軌道(MEO)三種軌道類型，因此簡稱為混合軌道。由于星座構(gòu)形可變，因此為可變構(gòu)形星座。

根據(jù)軌道類型，該星座可分為GEO、IGSO和MEO三個子星座，如圖1所示，其中：

GEO子星座包括n(n≥3)顆GEO衛(wèi)星，分布在地球同步靜止軌道的n個軌位上，相鄰衛(wèi)星之間覆蓋區(qū)相連接，從而能夠?qū)δ媳卑肭蛑械途暤貐^(qū)提供一重以上穩(wěn)定、連續(xù)的覆蓋。

IGSO子星座包括5顆IGSO衛(wèi)星，分別標(biāo)記為IGSO1～I(xiàn)GSO5衛(wèi)星，其中IGSO1、IGSO2、IGSO3衛(wèi)星在同一個軌道面內(nèi)，且相鄰衛(wèi)星間相位差為120°，提供全球均勻的覆蓋能力。另外，IGSO3和IGSO4、IGSO5三顆衛(wèi)星共地面軌跡，地面軌跡為“8”字形軌跡，關(guān)于赤道面對稱，對南北半球有同等覆蓋能力。共地面軌跡的三顆IGSO衛(wèi)星即重復(fù)同一個地面“8”字軌跡，用這三顆共地面軌跡的衛(wèi)星對特定區(qū)域，即“8”所在地區(qū)，進(jìn)行增強(qiáng)覆蓋。IGSO子星座軌道傾角應(yīng)使得IGSO子星座對GEO子星座無法覆蓋的南北半球高緯地帶及極區(qū)提供覆蓋。

MEO子星座包含m×k顆MEO衛(wèi)星，分布在k個軌道面上，每個軌道面m顆衛(wèi)星。MEO子星座具備全球覆蓋能力，以全球覆蓋為要求，選取MEO軌道傾角和軌道高度之后，即可按照星座設(shè)計方法確定m和k。m、k的取值跟星座覆蓋要求相關(guān)，在覆蓋要求一定的情況下，軌道傾角、軌道高度、m、k是四個設(shè)計參數(shù)，設(shè)計過程類似優(yōu)化算法，即各給一個初始值，然后計算優(yōu)化目標(biāo)(即覆蓋性)，然后反復(fù)迭代得到最終的計算結(jié)果。星座設(shè)計方法可參考《Mission Geometry:Orbit and Constellation Design and Management》(James R.Wertz)。

本發(fā)明星座具備星座重構(gòu)能力，在其壽命期間，可根據(jù)用戶的需求，將IGSO4和IGSO5兩顆衛(wèi)星通過軌道機(jī)動送入大橢圓軌道(HEO)，使之運(yùn)行在HEO軌道上。從而星座由原來的n顆GEO衛(wèi)星、5顆IGSO衛(wèi)星以及m×k顆MEO衛(wèi)星的混合構(gòu)形重構(gòu)為n顆GEO衛(wèi)星、3顆IGSO衛(wèi)星、2顆HEO衛(wèi)星以及m×k顆MEO衛(wèi)星的新構(gòu)形，如圖2所示。

HEO軌道參數(shù)可按用戶需求進(jìn)行設(shè)計。這里的用戶需求主要包括對HEO遠(yuǎn)地點(diǎn)覆蓋區(qū)的位置的要求，以及對HEO衛(wèi)星在該覆蓋區(qū)的停留時間的要求，以及對兩顆HEO衛(wèi)星遠(yuǎn)地點(diǎn)覆蓋區(qū)的位置關(guān)系的要求。

在星座具體設(shè)計中，該衛(wèi)星星座方案的具體參數(shù)可采用下述方法進(jìn)行設(shè)計：

(1)配置GEO子星座的構(gòu)形、軌道參數(shù)。

GEO子星座包括n顆GEO衛(wèi)星，由于地球同步靜止軌道的特殊性，因此GEO衛(wèi)星的配置參數(shù)僅需要其軌位信息。確定每一顆GEO衛(wèi)星的軌位，即確定了該衛(wèi)星升交點(diǎn)的當(dāng)?shù)氐乩斫?jīng)度，也就確定了該GEO衛(wèi)星的軌道；n取大于3的數(shù)。理論上，軌位可任意選擇情況下，間隔120°的3顆GEO衛(wèi)星即能夠完成整個緯度圈的覆蓋；實(shí)際上，GEO衛(wèi)星的軌位資源有限，因此，按實(shí)際可利用軌道資源，以全緯度覆蓋為基本要求，綜合用戶實(shí)際要求，決定n的取值。

(2)配置IGSO子星座的構(gòu)形、軌道參數(shù)。

IGSO子星座包括5顆IGSO衛(wèi)星，其中IGSO1、IGSO2、IGSO3共軌道面，IGSO3和IGSO4、IGSO5三顆衛(wèi)星共地面軌跡，因此首先根據(jù)用戶需求的重點(diǎn)覆蓋區(qū)域確定共地面軌跡三顆衛(wèi)星的地面“8”字軌跡所在位置，并利用共地面軌跡設(shè)計法確定三顆IGSO衛(wèi)星的軌道。

其次，在IGSO3的軌道面里，以120°相位差放置IGSO1和IGSO2，從而確定IGSO1和IGSO2的軌道參數(shù)。

最后，將IGSO子星座的軌道傾角作為設(shè)計變量，通過計算GEO子星座和IGSO子星座的綜合覆蓋能力，以全球覆蓋為優(yōu)化目標(biāo)，對IGSO子星座軌道傾角進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，最終確定IGSO子星座的軌道傾角。

(3)配置MEO子星座的構(gòu)形、軌道參數(shù)。

MEO子星座共m×k顆衛(wèi)星，分布在k個軌道面內(nèi)，具體星座構(gòu)形參數(shù)可以按照常規(guī)的星座構(gòu)形設(shè)計方法選取適當(dāng)?shù)南辔灰蜃舆M(jìn)行配置。MEO子星座以全球覆蓋為設(shè)計基本約束，綜合用戶實(shí)際要求，選取MEO軌道高度、傾角和m、k的取值。星座設(shè)計方法、相位因子選擇可參考《Mission Geometry:Orbit and Constellation Design and Management》(James R.Wertz)。

(4)配置星座重構(gòu)后HEO軌道參數(shù)。

將IGSO4、IGSO5兩顆衛(wèi)星進(jìn)行變軌，使其軌道變?yōu)镠EO軌道，根據(jù)用戶要求的重點(diǎn)覆蓋區(qū)域配置HEO軌道參數(shù)，根據(jù)任務(wù)需求設(shè)計遠(yuǎn)地點(diǎn)位置、遠(yuǎn)地點(diǎn)區(qū)域停留時間以及兩顆衛(wèi)星遠(yuǎn)地點(diǎn)覆蓋區(qū)的位置關(guān)系。最后分析重構(gòu)后星座的全球覆蓋性能，具體可在STK軟件中仿真實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。