卫星星座设计
低轨导航增强卫星星座设计
中国空间科学技术D e c ２５㊀２０１９㊀V o l ３９㊀N o ６㊀５５Ｇ６１C h i n e s eS p a c eS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yI S S N １０００Ｇ７５８X ㊀C N １１Ｇ１８５９/Vh t t p :ʊz g k jc a s t c n D O I :１０ １６７０８/jc n k i １０００Ｇ７５８X ２０１９ ００５０低轨导航增强卫星星座设计田野,张立新∗,边朗中国空间技术研究院西安分院,西安７１００００摘㊀要:针对目前全球低轨卫星快速发展的现状,对低轨导航增强卫星星座设计方法进行了详细的研究.首先推导了轨道高度与可视球冠的关系,结合太空垃圾分布,从覆盖范围㊁经济性及碰撞风险几方面联合确定了轨道高度.然后推导了用户仰角与轨道倾角的关系,分析了实现南北极点覆盖的轨道倾角.接着结合铱星星座,推导出单一星座构型无法实现全球范围内均匀的可见星和精度衰减因子(D i l u t i o no f P r e c i s i o n ,D O P )值分布.最后提出了一种组合低轨卫星星座设计方法.结果表明,该方法设计的组合星座在实现全球覆盖的同时,能够实现可见星数量与D O P 值在全球范围内的均匀分布.关键词:全球覆盖;低轨卫星;导航增强;星座设计中图分类号:V １９㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:A收稿日期:２０１９Ｇ０３Ｇ１１;修回日期:２０１９Ｇ０４Ｇ０６;录用日期:２０１９Ｇ０８Ｇ０８;网络出版时间:２０１９Ｇ０８Ｇ２１㊀０９:５９:１８网络出版地址:h t t p:ʊk n s c n k i n e t /k c m s /d e t a i l /１１ １８５９ V ２０１９０８２１．０９４２．００２．h t m l 基金项目:国家自然科学基金(１１８０３０２３);C A S T 创新基金(G N S S/低轨星座统一时空基准理论㊁方法与仿真系统)作者简介:田野(１９９１－)男,博士研究生,t i a n y e _５０４＠１６３．c o m ,研究方向为导航信号与信息处理∗通信作者:张立新(１９６８－)男,研究员,研究方向为空间导航技术引用格式:田野,张立新,边朗．低轨导航增强卫星星座设计[J ]．中国空间科学技术,２０１９,３９(６):５５Ｇ６１．T I A N Y ,Z HA N GL X ,B I A NL ．D e s i g n o f L E Os a t e l l i t e s a u g m e n t e d c o n s t e l l a t i o n f o r n a v i g a t i o n [J ]．C h i n e s e S p a c e S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ,２０１９,３９(６):５５Ｇ６１(i nC h i n e s e )．D e s i g no f LE Os a t e l l i t e sa u g m e n t e dc o n s t e l l a t i o n f o r n a v i ga t i o n T I A NY e ,Z H A N GL i x i n ∗,B I A NL a n gC h i n aA c a d e m y o f S p a c eT e c h n o l o g y Xi ᶄa nB r a n c h ,X i ᶄa n ７１００００,C h i n a A b s t r a c t :A c o n s t e l l a t i o n d e s i g n m e t h o d o f L E O (L o w E a r t h O r b i t )s a t e l l i t e s a u gm e n t e d Ｇc o n s t e l l a t i o n f o r n a v i g a t i o n i s p r e s e n t e ds i n c e g l o b a l L E Os a t e l l i t e sb e c o m i n g ah o t s p o t ．F i r s t l y,t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h eo r b i ta l t i t u d ea n dt h ev i s i b l es ph e r i c a l c r o w n i sd e d u c e d ,t h u st h e c o n s t e l l a t i o na l t i t u d e c a nb ec o m p u t e d w i t ht h es p a c ed e b r i sd i s t r i b u t i o n ,e c o n o m y a n dc o l l i s i o n r i s k ．T h e n ,t h er e l a t i o n s h i p be t w e e nt h e e l e v a t i o n a n d t h e o r b i ti n c l i n a t i o ni s d e r i v e d ,a n d m e a n w h i l e t h e c o n s t e l l a t i o n i n c l i n a t i o n i s d e t e r m i n e d t o g e t n o r t h a n d s o u t h p o l e s c o v e r a g e ．N e x t ,c o m p a r e dw i t hI r i d i u m ,i t i sd e m o n s t r a t e dt h a tas i n gl ec o n s t e l l a t i o nc a n ᶄta c h i e v eau n i f o r m v i s i b l es a t e l l i t e s d i s t r i b u t i o n a n d D O P (D i l u t i o n o fP r e c i s i o n )o n g l o b a ls c a l e ．F i n a l l y,a n L E O s a t e l l i t e s c o n s t e l l a t i o nd e s i g nm e t h o d i s p r o p o s e d ,w h i c hc a na c h i e v e g l o b a l c o v e r a gew h i l em a k e５６㊀中国空间科学技术D e c ２５㊀２０１９㊀V o l ３９㊀N o ６t h eD O P(D i l u t i o no fP r e c i s i o n)a n dt h ev i s i b l es a t e l l i t e sd i s t r i b u t ee v e n l y a r o u n dt h ew o r l d．T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h e m i x e dc o n s t e l l a t i o nd e s i g n e db y t h e m e t h o dc a na c h i e v ea g l o b a l c o v e r a g e a n de v e nd i s t r i b u t i o no f v i s i b l e s a t e l l i t en u m b e r s a n dD O P．K e y w o r d s:g l o b a l c o v e r a g e;L E Os a t e l l i t e s;n a v i g a t i o na u g m e n t a t i o n;c o n s t e l l a t i o nd e s i g n随着G P S与G L O N A S S的现代化,G a l i l e o 与北斗全球组网即将完成.目前全球导航卫星系统(G N S S)日趋完善,提供的位置㊁导航与授时服务也得到了较快的发展与提高.精密单点定位(P r e c i s eP o i n tP o s i t i o n i n g,P P P)由于其较低的使用成本和较高的定位精度,得到了广泛的应用[１].然而P P P要收敛到厘米级的定位精度需要较长的时间[２],利用多频率㊁多星座和模糊度快速固定等方法来提高收敛速度[３Ｇ５],仍需要１０m i n左右来实现厘米级的定位,限制了P P P在自动驾驶等需要实时高精度定位服务中的应用,因此,有效地减少P P P的收敛时间是其能够被广泛使用的前提.低轨卫星由于其快速变化的几何特性会大幅度缩减P P P的收敛时间[６].目前,许多商业机构都提出了建设全球低轨卫星星座的计划,包括S p a c e X㊁O n e W e b㊁B o e i n g 等知名公司[７Ｇ９],其低轨卫星星座包括成百上千颗低轨卫星(L o w E a r t h O r b i tS a t e l l i t e,L E O).这些数量庞大的低轨卫星是进行通信㊁导航等多种服务的平台[１０],这种设计思路已经被铱星星座证明[１１].如何构建低轨星座使其具备覆盖全球的同时能够实现最优的导航增强效果是星座建设的关键问题.目前建成的铱星星座是极轨道星座的方案[１２],大多数的已经公布计划的商业星座采用的同样是极轨道的方案[１１].文献[６,１０]在仿真低轨卫星星座增强P P P时采用的是铱星星座的设计方案.文献[１３]采用了多种高度与卫星数量的极轨道星座方案,验证了低轨星座对P P P增强的效果.文献[１４]对低轨卫星星座的轨道倾角和星座类型做了初步的讨论,通过枚举的方法验证了星座的组合方式,但是采用了不同轨道高度的星座组合,在工程实践中不利于星座的统一测控.通过以上文献可以看出,随着G N S S星座的逐渐完善,未来低轨卫星将会是发展的热点方向.现在大多数的低轨卫星星座计划还都是在筹备与论证的阶段,对于星座方案大多处于初期论证或是采用铱星星座设计方案的阶段,所以在大规模开展低轨卫星星座建设之前,很有必要研究星座的设计方法来优化低轨卫星的导航增强效果.本文对低轨导航增强星座设计方法进行了详细论证,主要分析了导航增强星座关键要素覆盖特性㊁轨道高度选择㊁轨道的倾角选择,然后针对单一星座构型全球精度衰减因子(D i l u t i o no f P r e c i s i o n,D O P)值分布不均匀的问题,为了提高人口密集地区的导航增强效果,提出了一种组合星座设计方法,增多了人口密集区的可见星数量,在实现全球覆盖的同时能够使D O P值和可见星数量在全球范围较为均匀的分布.１㊀低轨卫星星座的关键要素分析１．１㊀低轨卫星高度与覆盖范围及太空垃圾分布对于低轨星座来说,首先要满足的就是覆盖全球的能力,然后在覆盖全球的前提下,最大程度地优化星座使其提供最优的导航增强服务.所以卫星的高度㊁数量㊁倾角㊁星座类型㊁用户仰角等一系列关键的数据都需要进行详细的论证,这些关键的数据决定了星座的基本服务能力.卫星的覆盖区域与卫星高度有极大关系,图１是低轨卫星可视球冠,对于用户端G,在最低仰角εm i n时,可见卫星为Sᶄ,此时用户端㊁卫星㊁地心构成三角形ΔO G Sᶄ,利用正弦定理,由用户端G的最小仰角εm i n可得低轨卫星可见段所形成的半中心角Ψ计算如下:r Es i nπ－Ψ－(π/２＋εm i n)[]＝r ss i nπ/２＋εm i n[]Ψ＝π/２－εm i n－a r c s i n(r E/r Sˑc o sεm i n)(１)式中:r E为地球的半径,取r E＝６３７８k m;r S为卫星的轨道半径.由半中心角可以得到低轨卫星覆盖的球冠的表面积为:田野,等:低轨导航增强卫星星座设计５７㊀S ＝２πr E (r E －r E c o s Ψ)(２)图１㊀低轨卫星可视球冠F i g １㊀A n a l y s i s o fL E Os a t e l l i t e s v i s u a l r a n ge 图２是卫星轨道高度从１００k m 到１５００k m ,用户端最低仰角为７ʎ㊁１５ʎ㊁３０ʎ时,低轨卫星覆盖的地球球冠的表面积.虽然较高的轨道高度能够覆盖更大的区域,但是卫星轨道高度越高,卫星的发射成本会增高,因此需要合理的选择轨道高度.图２㊀不同最低仰角时低轨卫星覆盖的面积F i g ２㊀C o v e r a g e a r e ab yl o w Ｇo r b i t s a t e l l i t e s a t d i f f e r e n tm i n i m u me l e v a t i o na n gl e s 文献[１１]介绍了目前主要商业公司采用的低轨卫星的轨道高度,其中铱星的轨道高度为７８０k m ,其他商业公司的轨道高度在１１００~１５００k m 之间.图３说明太空飞行物的数量逐年在升高,图４表示不同轨道高度分布的飞行物的数量,１０００k m 以下的轨道上,飞行物的数量激增[１５Ｇ１６].进行低轨卫星星座大规模组网时,要降低卫星的碰撞风险,就要将其布设在空间物体密度较低的区域,在１０００~１４００k m 及１６００k m以上空间物体密度较低,适合卫星组网.本文中,在兼顾发射成本㊁覆盖范围与碰撞风险的情况下,选择大多数商业公司选择的轨道高度１１００k m 作为低轨卫星星座的轨道高度.图５是轨道高度为１１００k m 的低轨卫星覆盖范围与北斗三号M E O 之间的对比,可以看到低轨卫星的覆盖范围远小于北斗三号M E O ,但是L E O 卫星的优势在于移动速度快,信号强度高.图３㊀S S N 统计的每年不同轨道高度的飞行物数量F i g ３㊀Y e a r l y n u m b e r o f o b je c t s i n t h eE a r t ho r b i t c a t a l o g e db y t h eU SS pa c eS u r v e i l l a n c eN e t w o r k (S S N)图４㊀S S N 统计的不同轨道高度的飞行物数量变化F i g ４㊀C h a n g e i nd i s t r i b u t i o n s o f S S Nc a t a l o g e do b je c ts 图５㊀轨道高度为１１００k m 的低轨卫星与北斗三号M E O的覆盖范围F i g ５㊀C o v e r a ge o fL E Os a t e l l i t ew i t ho r b i t a l a l t i t u d e of １１００k ma n dB e i D o u Ｇ３M E Os a t e l l i t e１．２㊀低轨卫星的倾角与星座类型选择在确定星座的轨道高度后,需要确定星座的轨道倾角与星座类型,使低轨导航星座具有全球可见性.由图１全等关系可知,卫星S 的可视范围是球冠A G B,是卫星S 星下点的集合.因５８㊀中国空间科学技术D e c ２５㊀２０１９㊀V o l ３９㊀N o ６此卫星S 与用户端G 可见的充要条件为卫星的星下点在球冠A G B内.令用户端G 的经纬度坐标为(λg ,ϕg ),直角坐标系中坐标为(x g ,y g ,z g ),可得到过点C 与O G 垂直的平面方程为:x g (x －x g c o s Ψ)＋y g (y －y g c o s Ψ)＋㊀z g (z －z g c o s Ψ)＝０(３)㊀㊀设低轨卫星的轨道倾角为i ,轨道的真近点角为v ,星下点的经纬度坐标为(λs ,ϕs ),直角坐标系中的坐标为(x s ,y s ,z s ),星下点的经纬度坐标与轨道倾角的关系为:λs (t )＝λ０＋a r c t a n (c o s i t a n v )－㊀㊀ω０t ʃ－１８０ʎ,－１８０ʎɤν＜－９０ʎ０ʎ,－９０ʎɤv ɤ９０ʎ１８０ʎ,９０ʎ＜v ɤ１８０ʎìîíïïïïϕs (t )＝a r c s i n (s i n i s i n v )üþýïïïïïï(４)式中:λ０为０时刻的升交点经度;ω０为地球的自转角速度, ʃ 在顺行轨道时取 ＋,逆行轨道时取 － .星下点在球冠A G B内时,用户端G 对卫星S 可见,即平面方程(３)大于或等于零,且星下点在地球表面时,卫星对用户端可见.x ２s ＋y ２s ＋z ２s ＝r ２E x g (x s －x g c o s Ψ)＋y g (y s －y g c o s Ψ)＋㊀z g (z s －z g c o s Ψ)ȡ０üþýïïïï(５)㊀㊀利用坐标转换公式,可得:c o s ϕs c o s λs c o s ϕg c o s λg ＋c o s ϕs s i n λs c o s ϕgs i n λg ＋㊀s i n ϕs s i n ϕg －c o s Ψȡ０(６)对于高度为１１００k m 的卫星,设置初始的升交点经度,将式(４)带入式(６)后,得到卫星轨道倾角与卫星可见性的关系.为了使卫星在南北极点具有良好的可视性,观测到卫星的仰角至少要在３０ʎ以上,从图６可以看到轨道倾角至少要在７７ʎ以上,因此对于低轨导航增强星座来说,必须要有大倾角的轨道类型.目前建成的铱星系统,轨道倾角为８６．４ʎ,轨道高度为７８０k m ,采用的是极轨道的方案.图７是沿着东经１８０ʎ经线平均了２４h 的不同纬度的可见星数量(仰角截止角度５ʎ,下文中沿用这个值)和空间位置精度衰减因子(P o s i t i o nD i l u t i o no f P r e c i s i o n ,P D O P )值,可以看到,在高纬度地区卫星的平均可见数较多,P D O P 存在,而在中低纬度地区,可见星数量明显减少,P D O P 由于卫星数量小于３而趋于无穷大.文献[６,１０],利用铱星星座,仿真了低轨卫星的观测数据,研究了低轨卫星对精密单点定位的增强作用,可以看出,由于极轨道分布的特点,高纬度地区的增强作用明显,而中低纬度地区的增强效果并没有高纬度地区明显,呈现出不均衡的状况.图６㊀轨道高度１１００k m 低轨卫星在南北极点的最大仰角与轨道倾角的关系F i g ６㊀R e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h em a x i m u me l e v a t i o n a n g l e o f １１００k m L E Oa t t h eS o u t h ＧN o r t h po l e s a n d t h e o r b i t a l i n c l i n a t i on图７㊀铱星星座的可见星数量与P D O P 值F i g７㊀T h en u m b e r o f v i s i b l e s a t e l l i t e s a n d t h eP D O P f o r I r i d i u m图８㊀不同纬度全球人口分布F i g ８㊀G l o b a l p o pu l a t i o nd i s t r i b u t i o n a t d i f f e r e n t l a t i t u d e s 图８是全球人口按照纬度的分布,可以看到,全球９０％的人口都集中在北半球,而且全球田野,等:低轨导航增强卫星星座设计５９㊀５０％的人口又集中在北纬２０ʎ~４０ʎ之间.低轨导航增强星座在具备全球覆盖能力的同时,也应为人口稠密地区提供更好的导航增强服务,采用单一的星座类型并不具备这种能力.２㊀全球D O P与可见星数量均匀分布的星座设计方法为了增加人密集区的可见星数量,需要利用多种构型组合的方式解决可见星与D O P值分布不均匀的问题,由于绝大多数G N S S采用的是W a l k e r星座,这种星座类型易于测控和管理[１７],在这里主要讨论W a l k e r构型的组合方式.２．１㊀最小G D O P W a l k e r星座组合极值条件当地心的几何精度衰减因子(G e o m e t r i cD i l u t i o no fP r e c i s i o n,G D O P)取极小值时,其地表的G D O P(比P D O P多了钟差分量)分布也是相对均匀的,因此先讨论W a l k e r取极值的条件.定位构型是指待定点与控制点构成的定位图形[１８Ｇ１９].设G n,m为测距单点定位构型,其中n为控制点的数目,m为构型的维数.含有钟差参数的测距定位观测方程为:d i(x)＋Δ＝L i,i＝１,２, ,n(７)式中:d i(x)＝ðm j＝１(x j－x i,j)２为第i个已知点x i到待定点x的欧氏距离;Δ为钟差的等效距离;L i为伪距观测值.构型的G D O P的定义为:G D O P(G n,m)＝t r[(H T H)－１](８)式中:t r为矩阵的迹;H为非线性方程的雅各比矩阵,H＝e T１e T２ e T n１１ １éëêêùûúú(９)其中e i为待定点x到第i个已知点x i的方向余弦.在m维结构中,对于H T H,前m个特征值具有相同的值域,具体的证明方法在文献[１８Ｇ１９]中.当且仅当前m个特征值相等时,G D O P存在最小值.G D O P＝ðm＋１i＝１１λi＝ðm i＝１１λi＋１λmȡm[ᵑm i＝１１λi]１m＋１λm＋１(１０)在T个与x o y坐标平面夹角均为α的平面内存在n个最小G D O P二维测距单点定位构型,对于三维构型来说,利用雅各比设计矩阵进行一系列的化简可以得到,当下式成立:T n４＋T n４c o s２α＝T n２s i n２α(１１)即当α＝t a n２ʈ５４．７４ʎ时,W a l k e r构型的G D O P取极小值,但是对于低轨增强星座来说,单一的轨道构型并不能兼顾全球覆盖与人口稠密区的增强.对于组合W a l k e r构型的G D O P 取极值的条件为:ðS i＝１M j c o s２αj＝１３ðS i＝１M j(１２)式中:M j＝T j n j,为第j个单W a l k e r构型的卫星总数.对于(１２)式来说,直接求解并不能解出极值条件,需要在确定一些已知量之后再计算.２．２㊀W a l k e r星座组合上一节确定了１１００k m的卫星高度㊁南北极点与倾角的关系,要达到南北极点较好的观测条件(仰角大于３０ʎ),轨道倾角至少要在７７．４３ʎ以上,在本文选择７８ʎ作为其中一个星座的倾角,为了保证中低纬度的增强效果,可以适当增加中低纬度的卫星数量,采用与铱星星座相同的卫星数,７８ʎ的倾角分配３０颗卫星,另一个星座分配３６颗卫星,星座倾角通过式(１２)计算β＝a r c c o s(６６/３－３０ˑc o s２(７８)/３６)得β＝４０ʎ.该星座构型为轨道高度均为１１００k m,倾角７８ʎ的W a l k e r３０/６/２与倾角４０ʎ的W a l k e r３６/６/１进行组合.图９是组合星座的三维构型,图１０是沿着东经１８０ʎ经线平均了２４h的不同纬度的可见星数量和P D O P值.图１１是平均了２４h 的组合星座全球可见星数量与铱星的可见星数量对比,可以很明显地看出,组合星座的可见星数量在全球范围内更加均匀.由于组合星座在中低纬度地区具有更多的可见星,导航增强效果更好.６０㊀中国空间科学技术D e c ２５㊀２０１９㊀V o l ３９㊀N o６图９㊀组合星座的三维构型F i g ９㊀T h r e e Ｇd i m e n s i o n a l c o n f i gu r a t i o no f c o m b i n e d c o n s t e l l a t i on图１０㊀组合星座的可见星数量与P D O P 值F i g１０㊀T h en u m b e r o f v i s i b l e s t a r s a n d t h eP D O P f o r c o m b i n e d c o n s t e l l a t i on图１１㊀组合星座与铱星在全球范围内的卫星可见数量分布(左边是组合星座,右边是铱星)F i g１１㊀T h e d i s t r i b u t i o n s o f t h e c o m b i n e d c o n s t e l l a t i o na n d I r i d i u mv i s i b l e s a t e l l i t en u m b e r s i n t h ew o r l d (o n t h e l e f t i s t h e c o m b i n e d c o n s t e l l a t i o na n do n t h e r i gh t i s t h e I r i d i u m )３㊀结束语基于以上的研究工作,主要结论如下:１)卫星轨道高度越高,覆盖的地球球冠表面积就越大,在１０００~１４００k m 及１６００k m 以上空间物体密度较低,卫星碰撞风险低,适合卫星组网.２)卫星在１１００k m 的轨道高度上,南北极点观测到卫星的仰角达到３０ʎ以上时,卫星的轨道倾角要在７７ʎ以上.３)单一构型的星座无法实现全球范围内的可见星均匀分布,为了增加人密集区的可见星数量,需要利用多种构型组合的方式解决可见星与D O P 值分布不均匀的问题.４)本文设计的轨道高度１１００k m 的倾角７８ʎ的W a l k e r ３０/６/２与倾角４０ʎ的W a l k e r ３６/６/１星座组合,能够较为有效的实现全球范围内的可见星数量与D O P 值的均匀分布.低轨卫星星座设计涉及的参数较多,还需要进一步的提炼星座设计模型和数学原理,并针对不同功能的低轨星座进行针对性的设计,最大程度优化低轨星座的性能.参考文献(R e f e r e n c e s)[１]㊀Z UM B E R G EJF ,H E F L I N M B ,J E F F E R S O N D C ,e ta l ．P r e c i s e p o i n t p o s i t i o n i n g f o rt h ee f f i c i e n ta n dr ob u s t a n a l y s i s o fG P Sd a t a f r o ml a r g en e t w o r k s [J ]．J o u r n a l o f G e o p h y s ic a l R e s e a r c hS o l i dE a r t h ,１９９７,１０２(B ３):５００５Ｇ５０１７．[２]㊀K O U B AJ ,H E R O U X P ．P r e c i s e p o i n t p o s i t i o n i n g u s i n gI G So r b i t a n d c l o c k p r o d u c t s [J ]．G P SS o l u t i o n s ,２００１,５(２):１２Ｇ２８．[３]㊀L IX ,L IX ,Y U A N Y ,e ta l ．M u l t i ＧG N S S p h a s ed e l a ye s t i m a t i o na n d P P P a m b i g u i t y re s o l u t i o n :G P S ,B D S ,G L O N A S S ,G a l i l e o [J ]．J o u r n a lof G e o d e s y ,２０１７,９２(６):５７９Ｇ６０８．[４]㊀L IP ,Z H A N GX H．P r e c i s e p o i n t p o s i t i o n i n g w i t h p a r t i a l a m b i g u i t y f i x i n g [J ]．S e n s o r s ,２０１５,１５(６):１３６２７Ｇ１３６４３．[５]㊀G US ,L O U Y ,S H IC ,e t a l ．B e i D o u p h a s e b i a s e s t i m a t i o na n d i t sa p p l i c a t i o ni n p r e c i s e p o i n t p o s i t i o n i n g w i t ht r i p l e Ｇf r e q u e n c y ob s e r v a b l e [J ]．J o u r n a l o fG e o d e s y,２０１５,８９(１０):９７９Ｇ９９２．田野,等:低轨导航增强卫星星座设计６１㊀[６]㊀G E H B,L IB,G E M R,e ta l．I n i t i a la s s e s s m e n to f p r e c i s e p o i n t p o s i t i o n i n g w i t h L E O e n h a n c e d g l o b a l n a v i g a t i o n s a t e l l i t e s y s t e m s(L e G N S S)[J]．R e m o t e S e n s i n g,２０１８,１０(７):９８４Ｇ１０００．[７]㊀S E L D I N GPBD．S p a c e Xt ob u i l d４０００b r o a d b a n d s a t e l l i t e si nS e a t t l e[O L]．(２０１５Ｇ１Ｇ１９)[２０１９Ｇ０１]．h t t p:ʊs p a c e n e w s．c o m/s p a c e xＧo p e n i n gＧs e a t t l eＧp l a n tＧt oＧb u i l dＧ４０００Ｇb r o ad b a n dＧs a t e l l i t e s/．[８]㊀S E L D I N GP B D．V i r g i n,Q u a l c o mmi n v e s t i n O n e W e b s a t e l l i t e I n t e r n e tv e n t u r e[O L]．(２０１５Ｇ１Ｇ１５)[２０１９Ｇ０１]．h t t p:ʊs p a c e n e w s．c o m/v i r g i nＧq u a l c o mmＧi n v e s tＧi nＧg l o b a lＧs a t e l l i t eＧi n t e r n e tＧp l a n/．[９]㊀S E L D I N GPBD．B o e i n g p r o p o s e s b i g s a t e l l i t e c o n s t e l l a t i o n si nVＧa n dCＧb a n d s[O L]．(２０１６Ｇ６Ｇ２３)[２０１９Ｇ０１]．h t t p:ʊs p a c e n e w s．c o m/b o e i n gＧp r o p o s e sＧb i gＧs a t e l l i t eＧc o n s t e l l a t i o n sＧi nＧvＧa n dＧcＧb a n d s/．[１０]㊀L I BF,G E H B,G E M R,e t a l．L E Oe n h a n c e d g l o b a l n a v i g a t i o n s a t e l l i t e s y s t e m(L e G N S S)f o r r e a lＧt i m ep r e c i s e p o s i t i o n i n g s e r v i c e s[J]．A d v a n c e s i n S p a c eR e s e a r c h,２０１９,６３(１):７３Ｇ９３．[１１]㊀R E I D T G R,N E I S H A M,WA L T E R T F,e ta l．L e v e r a g i n g c o mm e r c i a l b r o a d b a n d L E O c o n s t e l l a t i o n sf o r n a v ig a t i o n[C]．Th e I n t e r n a ti o n a lT e c h n i c a lM e e t i n go f t h eS a t e l l i t e D i v i s i o no ft h eI n s t i t u t eo f N a v i g a t i o n(I O N G N S S＋)．P o r t l a n d,２０１６:２３００Ｇ２３１４．[１２]㊀J O E R G E R M,N E A L E J,P E R V A N B．I r i d i u m/G P Sc a r r i e r p h a s e p o s i t i o n i n g a n df a u l tde t e c t i o no v e r w i d ea r e a s[C]．T h e２２n dI n t e r n a t i o n a lT e c h n i c a lM e e t i n g o ft h eS a t e l l i t eD i v i s i o no f t h e I n s t i t u t e o fN a v i g a t i o n(I O NG N S S)．S a v a n n a h,２００９:１３７１Ｇ１３８５．[１３]㊀L IX,MAF,L IX,e t a l．L E Oc o n s t e l l a t i o nＧa u g m e n t e d m u l t iＧG N S Sf o rr a p i dP P Pc o n v e r g e n c e[J]．J o u r n a lo fG e o d e s y,２０１８:１Ｇ１６．[１４]㊀H E X,HU G E N T O B L E R U．D e s i g n o f m e g aＧc o n s t e l l a t i o n s o f L E Os a t e l l i t e s f o r p o s i t i o n i n g[C]．C h i n aS a t e l l i t eN a v i g a t i o nC o n f e r e n c e(C S N C)．H a r b i n,２０１８:６６３Ｇ６７３．[１５]㊀L I O UJC．A n a c t i v e d e b r i s r e m o v a l p a r a m e t r i c s t u d y f o r L E Oe n v i r o n m e n tr e m e d i a t i o n[J]．A d v a n c e si n S p a c eR e s e a r c h,２０１１,４７(１１):１８６５Ｇ１８７６．[１６]㊀E N G L E R TCR,B A Y S JT,MA R RKD,e t a l．O p t i c a l o r b i t a l d e b r i s s p o t t e r[J]．A c t aA s t r o n a u t i c a,２０１４,１０４(１):９９Ｇ１０５．[１７]㊀贺达健,游鹏,雍少为．L E O卫星通信网络的移动性管理[J]．中国空间科学技术,２０１６,３６(３):１Ｇ１４．H EDJ,Y O UP,Y O N GSW．M o b i l i t y m a n a g e m e n t i nL E O s a t e l l i t e c o mm u n i c a t i o n n e t w o r k s[J]．C h i n e s eS p a c eS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y,２０１６,３６(３):１Ｇ１４(i nC h i n e s e)．[１８]㊀薛树强,杨元喜,陈武,等．正交三角函数导出的最小G D O P定位构型解集[J]．武汉大学学报信息科学版,２０１４,３９(７):８２０Ｇ８２５．X U ES Q,Y A N G Y X,C H E N W,e ta l．P o s i t i o n i n gc o n f i g u r a t i o n sw i t h m i n i m u m G D O Pf r o m o r t h o g o n a l t r ig o n o m e t r i cf u n c t i o n s[J]．G e o m a t i c s a n d I n f o r m a t i o nS c i e n c e o fW u h a nU n i v e r s i t y,２０１４,３９(７):８２０Ｇ８２５(i nC h i n e s e)．[１９]㊀薛树强,杨元喜．最小G D O P组合W a l k e r星座构型[J]．武汉大学学报信息科学版,２０１６,４１(３):３８０Ｇ３８７．X U ESQ,Y A N GYX．C o m b i n e dW a l k e r c o n f i g u r a t i o n sw i t h m i n i m a l G D O P[J]．G e o m a t i c sa n dI n f o r m a t i o nS c i e n c e o fW u h a nU n i v e r s i t y,２０１６,４１(３):３８０Ｇ３８７(i nC h i n e s e)．(编辑:高珍)。
基于粒子群算法的通信卫星星座设计
陈 锋 ， 邓 武 东 ， 成 飞
（上海 卫星 工程 研究 所 ，上 海 ２００２４Ｏ）
摘 要 ：介 绍 了 一 种 椭 圆 轨 道 通 信 卫 星 星 座 系 统 设 计 的 思 路 ，描 述 了椭 圆轨 道 通 信 卫 星 与
传 统地 球静 止轨 道通 信卫 星相 比的优 点 。通过 粒 子 群 （ＰｓＯ）算 法 ，对 椭 圆轨道 通 信 卫 星 星座
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４２
制 导 与 引 信
第 ３７卷
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提供 ９０．９３５ 的覆盖 时 间 ，需 要 通 过进 一 步 轨 道 优化 ，实 现对 目标 区域覆 盖 时 间 的最 大值 ，如 图 ７ 所 示 。
经 ，ｚ 为卫 星 １的真近 点角 ，．Ｔｇ 为第 二个 轨道 面上 卫 星与 第一个 轨 道 面 卫 星 的 真 近 点角 差 值 ，具 体 表 达如 下所 示 。
ＣＨ ＥＮ Ｆｅｎｇ ， ＤＥＮＧ Ｗ ｕ—ｄｏｎｇ， ＣＨ ＥＮＧ Ｆｅｉ （Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１ １０９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｄｅａ ｏｆ ａｎ ｅｌｌｉｐｔｉｃ ｏｒｂｉｔ ｃｏｍ ｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌ ｏｒｂｉｔ ｃｏｍｍ ｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｇｅｏｓｔａｔｉｏｎａｒｙ ｏｒｂｉｔ ｃｏｍｍ ｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ． Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｐａｒｔｉ— ｃｌｅ ｓｗａｒｍ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ （ＰＳＯ） ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ，ｔｈｅ ｏｒｂｉｔａｌ ｐａｒａｍ ｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌ ｏｒｂｉｔ ｃｏｒ ｎ— ｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｏｐｔｉｍ ｉｚｅｄ， ｔｈｅ ｍａｘｉｍ ｕｍ ｃｏｖｅｒａｇｅ ｔｉｍ ｅ ｉｓ ａ— ｃｈｉｅｖｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌ ｏｒｂｉｔ ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｍ ｉｄｄｌｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｌａｔｉｔｕｄｅｓ．
GNSS遥感探测卫星星座设计
0254-6124/2021 /41 (3)-475-08Chin. J. Space Sci.空间科学学报W A N G Jueycio, F U Yang, BAI Weihua, W E I Shilong, G U O Bibo, Y A N Feng, XIE Chengqing. Design of G N S S remote sensing satellite constellation (in Chinese). Chin. J. Space Sci., 2021, 41(3): 475-482. DOI:10.11728/cjss2021.03.475G N S S遥感探测卫星星座设计+王珏瑶1符养2白伟华3魏世隆1郭碧波1闫峰1谢成清11(深圳航天东方红卫星有限公司深圳518057)2(北京应用气象研究所北京100029)3(中国科学院国家空间科学中心北京100190)摘要随着全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System, GNSS)掩星大气探测技术的兴起，GNSS 遥感探测数据在气象数据资源中逐步占据重要地位，但是目前的掩星探测数量远不能满足数值天气预报等应用的 需求，未来更需要充分利用GNSS信号资源，开展更大规模的GNSS掩星卫星星座探测.本文以世界气象组织发 布的大气海洋数据需求为参考，提出新一代GNSS遥感探测星座任务需求与设计约束.在理想大气模型假设下，利用几何解析方法研究了探测卫星星座构型参数对探测性能的影响，并建立了新一代GNSS遥感探测卫星星座设计 基本准则.以风云卫星为子星座，给出了星座规模同为40颗的三种GNSS遥感探测微纳卫星星座设计方案.研究 结果表明，具备该规模的探测星座可满足数值天气预报等气象应用的最低数据需求，三种构型方案中.由高、中、低倾角三组Walker•子星座与风云卫星子星座组建的GNSS遥感探测星座探测性能最优.关键词卫星星座，GNSS，无线电遥感，气象探测，微纳卫星中图分类号V 474D esign of G N S S R e m o te S ensingS a te llite C o n ste lla tio nWANG Jueyao1FU Yang2BAI Weihua3WEI Shilong1GUO Bibo1YAN Feng1XIE Chengqing1l(Shenzhen Aerospace Dongfanghong Satellite Ltd,., Shenzhen518057)2(Beijing Institute of Applied Meteorology, Beijing100029)^(National Space Science Center, Chinese Academy of Sciences, Beijing100190)A b s t r a c t G l o b a l N a v i g a t i o n Satellite S y s t e m (G N S S) r e m o t e sensing c a n p rovide irreplaceable atm o s p h e r i c s o u n d i n g d a t a b a s e d o n its s o u n d i n g technology. B u t the research o n satellite constellation design for G N S S r e m o t e sensing is relatively b a c k w a r d.In-orbit resources h a v e no t b e e n fully utilized, **国家自然科学基金项目资助（41405039, 11802073)2019-12-18收到原稿，2020-10-12收到修定稿E-mail: 188****************476Chin. J. Space Sci.空间科学学报2〇21, 41(3)and the design of sounding satellite constellation lacks systematic and theoretical support. Under the assumption of ideal atmosphere model, the effect of configuration parameters of sounding constellation on sounding performance is studied by geometric analysis method. With 200km x200kmx6h as the reference scale, the design criteria for the new generation of GNSS remote sensing sounding satellite constellation are established. Four of FY-3 satellites are combined to make GNSS remote sensing satellite constellation optimization design results under three kinds of constellation configurations. The results show that the design criteria are feasible and instructive. In combination with the FY-3 satellites, three Walker sub-constellations with inclination of 68°, 60° and 24° have the best performance.K e y w o r d s Satellite constellation, Radio remote sensing, GNSS, Meteorological sounding,Micro-Nano satellite〇引言近20年来，全球导航卫星系统（G l o b a l N a v ig a t i o n S a t e l l i t e S y s t e m，G N S S) 气象学已成为地球 遥感领域的热门学科之一.G N S S大气海洋遥感技 术从试验阶段逐步向业务化应用转化，在数值天气 预报、热带台风预警、气候研究等领域取得了显著 进展.欧洲中期数值预报中心评估认为，G N S S掩 星大气探测获取的大气参数廓线资料是降低全球数 值天气预报误差的最佳数据源之一 各国正逐步脱离单星或多星技术测试系统，进一步研发具备 业务功能的大规模星座探测系统.目前，在轨运营 的G N S S遥感探测卫星星座均由美国政府部门主导 研发，包括美国国家海洋和大气管理局与中国台湾地 区共同建设的C O S M I C-2星座，S p i r e公司研制的立 方星气象星座，美国航空航天局的全球导航卫星台风 监测星座C Y G N S S等卜51.此外，中国近年发射 的风云三号气象卫星（C/D星）和欧洲的M e t O p卫 星（A/B/C星）上也搭载了 G N S S遥感载荷，可获取 有限的大气海洋探测数据[6_81.与传统光学遥感载 荷相比.G N S S遥感探测载荷具有体积小、重量轻、功耗低等特点，适合微纳卫星平台搭载.基于微纳卫 星组建的大规模G N S S遥感探测星座具有极高的投 入产出比和高弹性优势，S p i r e公司近5年来先后设 计、制造并发射了 84颗G N S S遥感探测卫星，探 测载荷已实现对G P S,G L O N A S S,G a l i l e o和Q Z S S 等G N S S的信号兼容接收，并计划发展由数以百计 微纳卫星组成的G N S S大气海洋遥感星座，实现每 日对全球任意地点的近百次全天候全天时G N S S遥感探测[41.星座设计是一项基于任务需求与约束，通过分析 对比方案性能迭代寻优的设计过程.源于GNSS遥感 探测具有典型的随机特性，难以通过解析方法精准预 估此类星座的探测性能.现有G N SS大气掩星探测 星座设计研究多采用枚举法，逐一仿真分析星座参 数对星座探测性能的影响，并通过大量数值仿真进 行星座参数的迭代寻优m21，星座设计效率低，不 利于实现大规模星座设计.试验型的COSM IC星座 将6颗轨道倾角为72°的卫星以30°间隔均分在6 个轨道面上，探测资料纬度方向均匀性不理想；业务 型COSMIC-2星座仅包含6颗卫星，轨道倾角为24°，中高纬地区无覆盖.欧洲的M etO p和中国风云三号 卫星是在传统气象卫星上搭载GNSS遥感探测载荷，卫星数量少，探测的覆盖性和效能受到约束.关于如何高效设计满足气象海洋预报业务需求的GNSS 海面反射（简称海反）探测星座的研究较少.本文从 世界气象组织（World Meteorological Organization, W M O)推荐的大气海洋参数探测需求出发，以数值 天气（海洋）预报为应用背景，研究进一步提升探测 效能的G N SS遥感卫星星座最优设计方案，为未来 发展业务化GNSS遥感星座提供技术参考.1GNSS遥感探测星座特点与任务需求穿过地球大气的GNSS无线电信号在传播过程 中由于大气介质的干预使得信号的相位和振幅发生 变化，是GNSS 卫星测量的误差源之一.相对于解决王珏瑤等：G N SS遥感探測卫星星座设计477如何在空间测量技术中消除这些误差的正演问 题研究，G N S S遥感是通过在低轨道（L o w E a r t h O rb i t,L E O)上运行的探测载荷高频接收 G N S S无线电 信号，再利用这些含有误差的信号求解大气海洋环境 参数的反演问题研究.G N S S卫星提供探测信号源. L E O卫星接收G N S S信号执行探测，主要以掩星探 测和海反探测两种方式为主，如图1中红色和橙色 线所示.当G N S S卫星相对L E O卫星从地表升起或下沉 时，即发生掩星事件.基T-掩星事件的临边观测特性. 星载接收机可以高频采集自地表以上高度内包含大 气介质诱因的G N S S无线电信号数据，通过多频对 比或与所接收的其他G N S S卫星无线电信号数据对 比，可以反演出地表以上高度内的干湿气压、温度、电子密度等地球大气剖面数据.类似地.当G N S S卫 星与L E O卫星和地表（海面）构成反射几何关系时.即发生海反事件.星载接收机高频采集经海面反射 的G N S S信号，通过与来自其他G N S S卫星的直射 信号数据对比，可以反演出海面高度、海面风场、海 水盐度等海洋数据.图1G N S S遥感探测Fig. 1Position relationship between the G N S S-L E Osatellites and the Earth基于掩星几何关系、反射几何关系的G N S S遥感探测应用与常规遥感卫星应用存在巨大差异，探测事件的发生具有随机性和离散性，测点位置与瞬时G N S S卫星、L E O卫星、地球三者位姿紧密相关，测点地表投影大致随L E O卫星星下点轨迹分布.这里从密切贴合气象应用需求的角度出发，基于W M O发布的大气海洋数据需求（见表1)[131,提出满足大气海洋数据需求基础值的G N S S遥感探测星座任务需求实现6h内全球测点投影间距200k m分布.同时，提出对G N S S遥感资源最大化利用的理念，建立以下G N S S遥感探测星座设计约束.⑴充分利用中国G N S S遥感探测资源，将拟于2〇2〇年后入轨的4颗风云三号（E/F/G/R星)系列卫星作为探测星座的子星座完成星座设计.(2) 选取北斗三号卫星标称星座和g p s,G l on a s s及 G a l i l e o目前在轨卫星 （总计 m 颗）作为G N S S遥感主信源M l.分析中国境内及周边区域内探测性能时，考虑将I R N S S和Q Z S S目前在轨的11颗卫星作为补充信源.(3) 将G N S S掩星遥感探测作为主遥感方式.参考C O S M I C系列卫星和风云卫星载荷参数,预设星载G N S S掩星接收天线安装分装在探测卫星运行前后双向，水平视场范围为±40°;原始探测数据反演成功率约为70%丨3,61.2 GNSS遥感探测星座设计准则由G N S S掩星遥感探测原理可知，在理想的洋葱型大气模型假设下.基于星地-星临边几何关系的掩星遥感探测问题可近似转化为仅与L E O卫星轨道相关的星地遥感探测问题[151.单轨道周期内，虚拟星地遥感观测域呈现带状覆盖特性.利用几何关系可G N S S9 satellite B表i部分大气海洋数据需求T a b le 1 S e c tio n a l a tm o s p h e ric a n d o c e a n ic d a t a r e q u ire m e n ts参数名称应用领域水平间距需求/k m观测周期需求/h数据范围最理想最适度最低最理想最适度最低大气温度数值预报501005001624全球对流层温度短期预报10252000.516全球近地表气压数值预报15502500.516全球水蒸气数值预报155********全球水平风场海洋应用10502001324全球Orbit altitude/km图2全球GN S S遥感探测卫星轨道倾角极值变化曲线Fig. 2 Inclination curve for global GN S Sremote sensingwith different orbit altitudes50°, 80°时不同轨道咼度LE O卫星相邻轨交点经度差，两条黑色虚线标识虚拟星地遥感观测条带边界与 星下点地心角极值.理想假定下，当L E O卫星轨道高度接近600km时，任选卫星轨道倾角可实现相邻轨圈无缝覆盖;当LE O卫星轨道高度达到750 km或以上时，任选卫星轨道倾角均可严格实现相邻轨圈无 缝覆盖.基于该虚拟星地遥感模型和GN S S遥感探测星座任务需求与设计约束，提出G N S S遥感探测星座 设计基本准则如下.准则1为实现200km x200km x6h 的时空分辨率，理论上地表可分为12 780个网格，则单位时间 内可实现全球探测的星座所含卫星数量计算式为A ^le o> ceil(12 780 - OJ^fy)^O .T S 'l e o⑷式中，c e i l 为向上取整函数，f c 为覆盖重数，S F Y 为单 位时间内风云卫星总探测量，5L E O 为单位时间内单推导G N S S遥感探测覆盖边界与星下点间地心夹角 算式如下：<A (-f ^L E 〇) = 4a r c t a n | c o s a r c t a n(c o s 0(F)t a n (<5A n t H /2)) ]tan0(F)}.⑴式中，<5A n t H 为星载掩星接收天线水平视场，为随L E O卫星轨道高度//变化的虚拟星地遥感观测条带边界与星下点间地心角函数.G N S S掩星遥感探测纬度覆盖范围主要由L E O卫星轨道倾角、轨道 髙度和天线视场决定.当0分别取最大、最小值时，可以实现全纬度覆盖的GN S S遥感星座内LE O卫星轨道倾角阀值如图2所示.轨道倾角极值随天线 7JC 平视场的扩大而降低,轨道倾角极值随轨道高度的 增高而降低.利用轨道交点周期，其计算式为式中，a 为轨道半长轴./为轨道倾角，/x 为地心引力 常数，凡为地球半径，J 2为地球非球形摄动因子,可 以得到卫星相邻轨圈地理经度差为Aip = T N (w e — /?), (3)式中，％为地球自转角速度为轨道升交点赤经漂 移速率.由式（3)可计算不同轨道高度LE O卫星相邻轨地理经度差与虚拟星-地遥感观测域间的关系，如 图3所示.图3中红绿蓝线分别标识轨道倾角为20°，32478Chin. J. Space S c i .空间科学学报 2〇21, 41(3)Extremum value Orbit inclination2〇 I -----------1-----------1-----------1-----------1-----------5006007008009001000Orbit altitude / km(0)/U O !1C O .S P U J I B .t ;q J O l >P B J M O J J <u Qi345678912o o o o oo o ----1100()(90()()8)()7)()007654321098765 457777777766666^(o )/u.2J B U I o u l e 3llqJO3P S S 0J O.8643 2 2 2()/3J c t l u c «3I J l u 3o 03o图3卫星星下点轨迹地理经度差与覆盖范围对比Fig. 3Contrast between the ground tracks gap and the detection range王J 玉瑶等：G N SS 遥感探測卫星星座设计479颗L E O探测卫星探测量的均值.准则2为提高掩星品质，探测星座内卫星轨道应选用圆形112'15]，且以顺行轨道为佳.即e = 0,I e [0,90°].(5)准则3为实现全球均匀覆盖，基于图2选择探测星座内卫星轨道倾角.当星座内存在不同轨道倾 角时，为改善不同倾角子星座相对漂移产生的探测性 能浮动性，基于圆轨道卫星升交点赤经漂移率亡算 式，推导出构建相同升交点赤经漂移速率所需轨道倾 角/与轨道高度丑匹配值的计算式为a = H Re^/.Re + H j \3b _ cos/j⑵\ Re Hj ) COS Ij式中：为地球半径；丑为卫星轨道高度；J 为卫星轨道倾角.显然，较高的轨道配置和较低的倾角有利 于缩小升交点赤经漂移速率差.准则4为实现较高投入产出比，可利用探测星座内卫星运行特性实现连续轨圈无缝覆盖.降低星座成本.由图3可知，实现全球覆盖的L E O 卫星相邻 轨圈可覆盖赤道圈经度差约为35°，理论上单颗LE O卫星绕地运行12轨圈可实现全经度覆盖.显然，探 测星座内同倾角、同轨道高度卫星组建的子星座轨 道面数P 不小于6,有助于提高探测覆盖时空均匀 性，即P^ 6.(8)准则5探测星座内卫星轨道高度应基于图3择低选择.一方面.从探测效能考虑，轨道尚度越 低，L E O卫星绕地运行速率越快，单位时间内探测 概率越高；另一方面，从星座成本考虑，轨道髙度越低，LE O卫星寿命末期主动离轨所需的速度增量需求越低，推进代价越小，整星质量越小.3 GNSS 遥感探测星座优化设计方案3.1星座建模3.1.1卫星轨道高度与倾角设计依据准则2和准则5,可初步设定GN S S遥感星座包含600km高度卫星轨道.由式⑴可知，600km高度卫星轨道倾角应不低于24°，实现全球覆盖的卫星倾角最小值约为74°.由式（6)可知，卫星轨道面 漂移速率由轨道倾角、轨道高度共同决定，为减小不 同倾角卫星间碰撞概率，考虑卫星轨道短周期摄动作 用下的瞬根波动规律，依据经验设定不同轨道倾角的卫星间保留l 〇k m 轨道高度差.依据准则3,得到 与600km高度卫星升交点赤经漂移率相等的LE O卫星轨道参数变化曲线，如图4所示.由图4可见，随着与600km高度卫星轨道的轨道高度差增大，同漂移率的卫星轨道倾角差相对 增大，更有利于实现均匀的覆盖性能.初步设定与 600 km高度轨道卫星同升交点漂移率的卫星轨道高度为1400k m，且600km髙度轨道卫星的轨道倾角相对高于1400k m高度轨道卫星的轨道倾角.3.1.2卫星数量与构型设计理论上，运行在太阳同步轨道上的风云卫星可实 现全纬度GN S S遥感探测.经仿真计算,4颗风云卫Orbit inclination with 600 km altitude/()图4升交点赤经漂移率相等的LEO 轨道参数曲线Fig. 4 Inclination curves by different orbit altitude with the same drift rate()/312l .t :J P !L »£B S 3-s -5!M u o l c su l l n u ll l q jo480Chin. J. Space Sci.空间科学学报2021, 41(3)星以北斗、G P S和G alileo卫星为信源，获取中性 层大气掩星探测量总计约1600次/6h;而轨道高度 为600 k m的单颗L E O卫星获取中性层大气掩星探 测量不低于490次/6h.依据准则1,可计算GNSS 遥感星座理论上应至少包含34颗600 k m高度LEO 卫星.依据准则3,当上述LEO卫星选取多个轨道倾 角时，低倾角轨道高度将高于600k m.依据准则5,轨道高度越高，单位时间内获取掩星事件概率越低，需适当增加卫星数量满足探测量需求.综上所述，为 提供一定的冗余度且便于不同构型方案效能比对，本 文设定G N SS遥感星座为包含4颗风云卫星和36 颗L E O卫星的混合星座.依据准则4,将除风云卫星以外的36颗LE O卫 星按轨道倾角分组，组建G N S S遥感探测星座子星 座,子星座内轨道面数为6.分别以同倾角同高度轨 道、双倾角同升交点赤经漂移率轨道和多倾角同高 度轨道为三类约束建立A, B，C三种子星座组网模 型.在上述基础上，分别添加由4颗风云卫星组成的 探测子星座，形成A+, B+，C+三种G N S S遥感探测星座构型方案.3.2星座优化设计依据所提出的设计准则，可快速完成部分探测星 座构型参数的初步选取和设计，星座内卫星星下点轨 迹具备一定的二维全球均布特性.因A+, B+，C+三 种方案内探测卫星数量相同，探测信源一致,卫星运行周期接近，三种方案可获取的遥感探测量差异较 小.在此基础上，G N S S遥感探测星座优化设计归一 化为测点分布均匀度的最优化研究问题.为衡量G N S S遥感探测星座的探测均匀性,以200 k m为间距将全球地表栅格化，生成约12800 个均匀分布的格点.将格点周边掩星测点投影量大 于其平均值的格点占比最大化作为优化目标，建立星 座优化目标函数，即基于该目标函数,迭代得到各方案内子星座模型优化 设计结果（见表2).W a l k e r构型码i V/P/F:i，中 各参数分别对应星座内卫星数量、轨道面数、相位因子、轨道倾角和轨道高度[161.3.3探测性能分析分别将风云卫星子星座与表2中所列出的各子 星座整合，形成G N SS遥感探测星座方案A+，B+ 和C+，统计分析6h内各星座方案探测的性能（见 表3).由表3可知，三种方案6h内获取的掩星探测次 数均高于18000次，约为C O S M I C探测量的24倍; 三种方案均可近似实现200k m x 200k m x6h的时空 覆盖，覆盖率高于75%，是C O S M I C星座500k m x 500k m x24h时空分辨率的25倍;三种方案6h内获表2 G N S S遥感探测星座优化设计结果T a b le 2 R e s u lts o f o p tim iz a tio n d e sig n fo r G N S S re m o tese n sin g s a te llite c o n s te lla tio n方案名称子星座名称子星座构型码A+A36/6/1 ：72°, 600 k mB+B30/6/1:55°, 600 k m; 6/6/4:33°, 1400 k mC+C6/6/4:68°, 610 k m; 24/6/1:60°, 600 k m; 6/6/4:24°, 590 k m表3 G N S S遥感探测性能统计T a b le 3 P e rfo rm a n c e s ta tis tic s o f G N S S re m o te se n sin g s a te llite c o n s te lla tio n s组合方案卫星数量全球掩星大气探测中国周边掩星大气探测全球海域海反探测探测量栅格覆盖率/(%)探测量栅格覆盖率/(%)探测量栅格覆盖率/(%)A+4019 97875.97162883.1035 42392.23 B+4018 80977.61160385.823488490.72 C+4019 56079.88173890.1335 35696.71-150 -90 30 30 90 150Longitude/(。
“北斗二代”卫星导航系统的星座设计
“北斗二代”卫星导航系统的星座设计【摘要】本文阐述了“北斗二代”的星座设计需要考虑的问题，另外基于北斗史无前例的星座设计方案（中轨卫星MEO+地球同步卫星GEO+倾斜地球同步轨道卫星IGSO），增加星间链路，搭载北斗接收机，增加天线等方法进行卫星自主定轨。
【关键词】北斗二代；星座设计；自主定轨[ Abstract ] this article elaborated “ the two generation “ of the constellation design considerations, and there was no parallel in history. Based on Beidou constellation design scheme ( satellite MEO+ geostationary satellite GEO+ inclined geosynchronous satellite IGSO ), increases inter-satellite link, with Beidou receiver, increase the antenna for satellite autonomous orbit determination.[ Key words ] the two generation; constellation design; autonomous orbit determination引言美国的GPS、俄罗斯的GLONASS促进了导航定位理论的发展与应用，也促进了相关产业的发展。
继美国、俄罗斯，中国与欧盟先后启动建设自己的卫星导航系统北斗导航系统北斗系统和Galileo系统。
北斗导航系统分为“北斗一代”与“北斗二代”，自二十世纪八十年代独立建设，于2003年完成北斗卫星导航验证系统“北斗一代”，多个领域得到了广泛的应用。
接着开始新一代的全球导航定位系统的建设“北斗二代”。
北斗导航系统多轨道卫星星座分析与设计
Ｓ Ｏ 的 全球 卫 星 导 航 系统 。
关键词 北斗导航 系统 ； 几何排列 ；星座构型
中图分类号 Ｔ Ｎ９ ６ ７ ． ２
Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ａ ｎ ｄ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ Ｍｕ ｌ ｔ ｉ ｐ ｌ ｅ Ｏｒ ｂ ｉ ｔ Ｓ ａ ｔ ｅ ｌ ｌ ｉ ｔ ｅ Ｃｏ ｎｓ ｔ ｅ ｌ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｆ ｏ ｒ Ｂｅ ｉ ｄ ｏ ｕ Ｎａ ｖ ｉ ｇ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ
１ 引 言
我 国第二代卫 星导航 系统一 “ 北斗二代 ” 卫 星导航系统 的研制 已经进人组 网高峰期 。由于北 斗二 代正在 建设 中 ，
相 关 文章 和 资料 比 较 少 ， 进 行 北 斗 二 代 的 星 座 设 计 具 有 重
要意 义。
座、 玫 瑰 星 座 等 。其 中 ６星 座得 到 广泛 应 用 ， 通 常 称 为
此 基 础 上 增 加 一个 倾 斜 地球 同 步 轨 道 卫 星 星 座 ｌ ＿ ３ ］ 扩 充 成 一
其 中， Ｆ一 ０ ， １ …， Ｐ—ｌ。任一 条轨 道上 的一 颗卫 星经过它 的升交点 时， 相邻的东侧 轨道上 的对应 卫星 已经越 过它 自 己的升交点 ， 并 覆盖了 的地 心角 。 Ｎ 是 星座的卫星 总 数， 即 Ｎ—Ｐ Ｓ， Ｆ是在不 同轨道 面内的卫 星相对位置 的量 纲为 １ 的量 ， 称 为相位因子 ， 它可 以是从 ０～ Ｐ— ｌ的任何
卫星星座轨道设计方法
卫星星座轨道设计方法
卫星星座是由多颗卫星组成的一组系统，可以提供全球性的通信、导航、遥感等服务。
卫星星座轨道设计是卫星星座建设的重要环节，它涉及到卫星的数量、轨道高度、轨道倾角、轨道形状等多个因素，需要综合考虑各种因素，以达到最优的设计效果。
卫星星座轨道设计方法主要有以下几种：
1. 圆形轨道设计方法
圆形轨道是最简单的轨道形式，它的轨道高度和倾角都是固定的，因此设计起来比较容易。
圆形轨道的优点是稳定性好，对卫星的控制和维护比较容易，但缺点是覆盖范围有限，需要大量的卫星才能实现全球覆盖。
2. 偏心轨道设计方法
偏心轨道是一种椭圆形轨道，它的轨道高度和倾角都是不固定的，可以根据需要进行调整。
偏心轨道的优点是可以实现更广泛的覆盖范围，但缺点是卫星的控制和维护比较困难。
3. 倾斜轨道设计方法
倾斜轨道是一种非常特殊的轨道形式，它的轨道倾角非常大，可以达到90度。
倾斜轨道的优点是可以实现全球覆盖，但缺点是卫星的控制和维护非常困难，需要高度精密的技术支持。
4. 多层轨道设计方法
多层轨道是一种将卫星分成多个层次进行部署的轨道形式，每个层次的卫星数量和轨道高度都不同。
多层轨道的优点是可以实现更广泛的覆盖范围，但缺点是需要更多的卫星和更高的技术支持。
总之，卫星星座轨道设计是一个非常复杂的过程，需要综合考虑多个因素，以达到最优的设计效果。
不同的轨道设计方法有各自的优缺点，需要根据具体的需求进行选择。
卫星星座设计介绍
Star pattern （极轨，近极轨）1 （极轨，近极轨）1
Seam
– 单层星形网络 – 通过street of 通过street coverage设计覆盖 coverage设计覆盖 域
Seamless
– 双层极轨网络：地 面每一点同时能看 到两颗运行方向相 反卫星。 – 可以用单向或双向 的Manhattan 网络 表示、分析
Walker Constellation
卫星数T，轨道数n，每轨道卫星数m 卫星数T，轨道数n，每轨道卫星数m
– m个卫星均匀分布在轨道面上,360/m 个卫星均匀分布在轨道面上,360/m – 所有n个轨道面具有相同的倾角i(一般相对于 所有n个轨道面具有相同的倾角i(一般相对于 赤道面） – 轨道面的升节点均匀分布在赤道面上， 360/n – 不同轨道面卫星的相对位置关系：相邻轨道 面的卫星经过其升节点的时间间隔相等
Star pattern 2
Star pattern 3
Delta pattern（倾斜轨道） 1 pattern（倾斜轨道）
可以看作双层星形网络，但是所能覆盖的纬度带较窄。 通过仔细设计可以保持永久星间链路。(torus环面拓 通过仔细设计可以保持永久星间链路。(torus环面拓 扑，又称Ballad rosette星座） 扑，又称Ballad rosette星座）
– Streets-of-coverage constellation Streets-of» 首先设计一个轨道面的覆盖域，然后复制轨道， 直到全球覆盖
异型星座
编队飞行（formation 编队飞行（formation flying)
– The idea is to put a group of satellites in orbit around Earth and force them to fly in a geometric pattern such as a triangle.
近月空间星座轨道设计方法
近月空间星座轨道设计方法1. 前言嘿，朋友们！今天咱们聊聊一个非常酷的主题——近月空间星座轨道设计方法。
可能你会问，什么是“近月空间星座”？简单来说，就是在月球附近部署一堆卫星，让它们好像星星一样在空中闪烁，听起来就像科幻电影里那样，哇塞！但是，这背后可是一门大学问呢。
别担心，咱们今天就来轻松聊聊这背后的设计思路，保证你听了之后，恨不得立马去月球搬家。
2. 什么是近月空间星座？2.1 星座的定义首先，咱们得明白，星座其实就是一组卫星，它们在特定的轨道上围绕某个天体运行。
想象一下，就像是一群朋友在操场上玩耍，每个人都有自己的位置，保持一定的距离，这样看起来就很整齐又有趣。
近月空间星座就是那些在月球附近转悠的卫星，哦，简直美得让人心醉！2.2 近月的优势说到近月空间，真是好处多多。
首先，月球离咱们地球也不远，差不多三百八十公里，这样的距离简直像是“隔壁邻居”，你需要什么帮忙，随时可以叫一声。
其次，月球表面有丰富的资源，像氦3、稀土矿等等，未来可能成为人类的“新家园”。
而且，月球的引力比地球小，发射和维护这些卫星简直像是喝水一样简单。
3. 轨道设计的关键因素3.1 轨道类型轨道设计可不是随便来一下就完事的。
首先，我们得选择合适的轨道类型。
有些卫星需要高轨道，这样可以看得更远；有些则需要低轨道，方便跟踪和通信。
就像一群朋友，有的人喜欢高高在上，有的人则爱在草地上打滚，各有所好。
3.2 任务需求当然，设计轨道的时候，还得考虑卫星的任务需求。
比如说，有的卫星要进行科学实验，有的则负责通信和导航。
每个卫星都有自己的“个性”，设计者得充分了解这些“性格”，才能安排好它们的位置。
就像给不同的朋友安排不同的活动，才能玩得开心嘛。
4. 设计过程4.1 模拟与优化好啦，到了实际设计的环节，这时候可不能马虎。
设计师们会用计算机模拟各种轨道情况，看看卫星在不同情况下会有什么表现。
这个过程就像是在玩游戏一样，不断调试、优化，直到找到最合适的“打法”。
卫星通信中的星座设计与多址融合研究
卫星通信中的星座设计与多址融合研究卫星通信作为现代通信技术的重要组成部分，在无线通信领域扮演着重要的角色。
卫星通信系统克服了传统地面通信的限制，具有覆盖范围广、传输速率高和可靠性强的优势。
在卫星通信系统中，星座设计和多址融合技术是两个关键的研究领域，旨在提高系统的容量和性能。
星座设计是卫星通信系统中的一项重要工作。
星座设计的目的是通过设计合适的星座点位，使得在给定的频谱资源和误码率下，系统的性能达到最优。
星座点位的选择是星座设计的关键步骤之一。
传统的星座设计方法主要考虑均匀星座或满保角星座，这种设计方法在一定程度上可以提高系统的性能，但容量受限。
近年来，研究人员提出了非均匀星座设计的概念，旨在进一步提高系统的容量。
非均匀星座设计通过在星座中分配更多的点位密度，使得星座更加适应通信信道的特性。
此外，星座设计还需要考虑星座点的编码和调制方式，以实现更高的传输速率和更低的误码率。
因此，星座设计在卫星通信系统中是一个重要且复杂的问题。
多址融合技术是卫星通信系统中的另一个重要研究领域。
多址融合技术旨在提高系统的频谱利用率，实现多用户同时传输的能力。
传统的多址技术包括时分多址（TDMA）、频分多址（FDMA）和码分多址（CDMA）。
然而，在卫星通信系统中，由于资源的限制和信道特性的复杂性，传统的多址技术面临着许多挑战。
因此，研究人员提出了各种改进的多址技术，如空时码分多址（STBC-CDMA）、多天线技术和波束形成技术等，以提高系统的容量和性能。
多址融合技术的研究还需要考虑信道估计、误码率性能、功率控制和干扰管理等问题。
在卫星通信系统中，星座设计和多址融合技术通常是同时进行的，相互影响和辅助。
星座设计的好坏直接影响着多址融合技术的实现和性能。
同时，多址融合技术的发展也促进了星座设计的进步。
在卫星通信系统中，研究人员正在探索星座设计与多址融合技术的协同优化，以提高系统的容量和性能。
协同优化的目标是在满足给定的容量和性能要求的前提下，同时优化星座设计和多址融合技术，达到最优的系统设计。
异构预警卫星星座设计与分析
第200290
年 卷
前苏联自 20 世纪 70 年代开始研制导弹预警 卫星 ,已经拥有了“预报”和“眼睛”2 种系列的预 警卫星 。
“眼 睛 ”卫 星 运 行 于 轨 道 高 度 约 600 ～ 40 000 km的大椭圆轨道上 ,当运行到北半球时 , 在太平洋和欧洲上空的远地点附近能类似于在地 球同步轨道上那样飞得极其缓慢 ,在 12 h 的轨道 周期中约有 6 h 可观测到美国和欧洲的洲际导弹 发射场 ,并可监视美国和其他国家的常规发射 ,同 时将数据传向独联体基地 。“眼睛”大椭圆轨道预 警卫星自 1981 年进入实用 ,满员时由 9 颗卫星组 成 ,分布在间隔 40°的 9 个轨道平面上 ,时间间隔 160 s 。“眼睛”预警卫星系统对于美国的弹道导 弹攻击能够提供大约 30 min 的预警时间 ,并能够 确定导弹的大致发射区 ,另外还兼有执行核试验 监视任务 。
根据上面关于预警卫星系统的介绍可知 ,预 警卫星通常部署在地球静止轨道或大椭圆轨道 。 虽然部署在地球静止轨道上的预警卫星能覆盖地 球南北纬 65°以内区域 ,但是如果仅由地球静止 轨道卫星组成预警星座 ,则其星座构型将导致无 法对发射的导弹进行多方位探测 ,虚警率较高。 而部署在大椭圆轨道上的卫星对于中高纬度地区 具有较好的探测特性 ,却不能覆盖赤道附近的低 纬度地区 ,存在探测盲区 。美国的 SB IRS 的高轨 部分主要负责对发射导弹的探测 ,其构型设计中 引入了大椭圆轨道 ,以增强预警星座的立体观测 性能 。但是 ,其高轨部分的大部分卫星还是部署 在地球静止轨道上 ,大椭圆轨道并没有得到有效 利用 。而俄罗斯将其“预报”卫星和“眼睛”卫星组 合在一起构成的预警星座 ,其星座构型更是没有 进行优化设计 ,只是覆盖区域的简单互补而已。 另外 ,地球静止轨道资源非常有限 ,美国已经占用 了很多 ,其他国家再想在地球静止轨道上部署星 座已非常困难 。因此 ,本文提出了一种既能避开 奇缺的地球静止轨道资源 ,又能有效利用椭圆轨 道远地点覆盖特性的预警星座构型 。
星座定位系统的设计与实现
星座定位系统的设计与实现星座定位系统是一种能够确定地球上某个位置的天体定位系统，它在很多领域都有着广泛的应用，比如导航、地图、军事等。
如今，随着科技的不断进步和人类的探索，星座定位系统也在不断地完善和发展。
本文将介绍星座定位系统的设计和实现。
一、星座各要素的确定在设计星座定位系统之前，首先需要明确的是星座各要素的确定。
一般来说，星座的设计需要考虑以下几个因素：1.维度和经度星座的设计需要考虑到维度和经度，这是确定地面位置的最基本要素。
维度是指距离赤道的远近，经度是指距离指定的子午线的距离。
需要确定好要设计的星座覆盖的纬度和经度范围。
2.有效时间星座的有效时间也非常重要，即在一定时间内星座能够准确地确定地球上某个位置。
有效时间越长，星座的设计和实现难度也就越大。
3.定位精度定位精度是衡量星座优劣的一个重要指标，一般来说，越高的精度表示星座越准确。
4.设计复杂度星座的设计复杂度也是一个需要考虑的因素，这包括了星座构成的数量、星座的总量、星座的布局等因素。
二、星座定位系统的设计和实现在确定好星座各要素之后，接下来需要考虑的是星座定位系统的设计和实现。
星座定位系统的设计和实现需要考虑以下几个步骤：1.基础设施的建设星座定位系统的建设需要依赖于先进的基础设施，这包括人造卫星、激光测距仪、定向天线等设备。
2.星座构建星座的构建是星座定位系统设计的核心，需要根据星座要素的确定，设计构建符合要求的星座。
3.信号发射和接收星座构建完成之后，需要进行信号发射和接收的测试和调试。
这个过程是星座确定精度的重要环节。
4.软件系统的开发星座定位系统需要一套完整的软件系统来实现星座信号的接收和精度计算等功能。
在软件开发过程中需要考虑到软件的稳定性、精度和可靠性。
5.应用场景的验证和测试最后需要进行应用场景的验证和测试，这是星座定位系统发展的关键。
只有经过验证实践，才能让星座定位系统得到应用展示，推动星座定位系统的不断发展和完善。
北斗导航系统的卫星布局与星座组成
北斗导航系统的卫星布局与星座组成北斗导航系统作为中国自主研发的卫星导航系统，已经取得了长足的发展，并在全球范围内得到了广泛的应用。
在北斗导航系统的运行中，卫星布局与星座组成是至关重要的因素。
本文将从北斗导航系统的卫星布局和星座组成两个方面进行详细的探讨。
一、卫星布局北斗导航系统的卫星布局是指在空间中如何分布和安排卫星，以实现全球卫星导航覆盖的目标。
北斗导航系统采用了三轨三地星座布局，具体包括了地球同步轨道卫星、中圆轨道卫星和倾斜地球同步轨道卫星。
1. 地球同步轨道卫星地球同步轨道卫星又称为地球静止轨道卫星，其位置相对于地球是固定不动的。
北斗导航系统采用了5颗地球同步轨道卫星，它们分别位于东经80度、110.5度、140度、160度和西经160度的位置上。
这些卫星的任务是提供区域增强覆盖，主要用于保障北斗系统在中国国内的导航服务。
2. 中圆轨道卫星中圆轨道卫星是北斗导航系统的核心卫星组成部分，它们主要用于提供全球覆盖的导航服务。
北斗导航系统总共部署了27颗中圆轨道卫星，分布在三个不同的轨道平面上，每个轨道平面上有9颗卫星。
这种布局方式可以保证在任何时刻至少有4颗卫星可见，从而能够提供准确可靠的定位和导航服务。
3. 倾斜地球同步轨道卫星倾斜地球同步轨道卫星又称为倾斜静止轨道卫星，其位置相对于地球是倾斜的。
北斗导航系统部署了3颗倾斜地球同步轨道卫星，它们分别位于北斗系统的西北、西南和东南方向，主要用于提供北纬55度以北区域的导航覆盖。
二、星座组成北斗导航系统的星座组成是指这些卫星集合在一起形成的一组星座。
北斗导航系统采用了全球组合导航卫星系统（GNSS）的星座组成方式，即由地球同步轨道卫星、中圆轨道卫星和倾斜地球同步轨道卫星共同组成。
在北斗导航系统中，中圆轨道卫星是主要的星座组成部分，由27颗卫星组成。
地球同步轨道卫星和倾斜地球同步轨道卫星则作为辅助星座存在。
这种星座组成方式可以最大程度地保证全球覆盖和导航精度。
卫星星座轨道设计方法
卫星星座轨道设计方法一、引言在卫星通信系统中，卫星星座的轨道设计是一个重要的问题。
卫星星座轨道设计方法直接关系到通信系统的性能和覆盖范围。
本文将深入探讨卫星星座轨道设计的方法和技巧，包括轨道类型、参数选择、覆盖范围计算等。
二、轨道类型卫星星座轨道可以分为地球同步轨道、低轨道和中轨道三种类型。
2.1 地球同步轨道地球同步轨道是指卫星绕地球轨道运行的周期与地球自转周期相等，使得卫星始终覆盖地球上的同一区域。
地球同步轨道对于提供连续的全球覆盖非常重要，因此在国际通信卫星系统中广泛应用。
常见的地球同步轨道包括静止轨道、准静止轨道等。
2.2 低轨道低轨道是指卫星绕地球运行的轨道高度较低，通常在1000公里以下。
低轨道的优势是延迟较低，适用于一些对延迟要求较高的应用，如互联网通信和地球观测等。
低轨道的缺点是需要多颗卫星构成一个星座，并且覆盖范围较小。
2.3 中轨道中轨道是介于地球同步轨道和低轨道之间的一种轨道类型，通常在1000公里到20000公里之间。
中轨道相比低轨道具有较大的覆盖范围，同时延迟也相对较低，适合提供广域覆盖的通信服务。
中轨道的代表是全球星座系统如GPS和伽利略。
三、轨道参数选择卫星星座的轨道参数选择直接关系到通信系统的性能和覆盖范围。
主要的轨道参数包括轨道高度、轨道倾角和轨道周期等。
3.1 轨道高度轨道高度决定了卫星的运行速度和轨道周期。
一般而言，轨道高度越高，速度越慢，轨道周期越长。
要根据实际需求选择合适的轨道高度，既要考虑覆盖范围，又要考虑系统时延和通信质量等因素。
3.2 轨道倾角轨道倾角是指卫星轨道平面与地球赤道面的夹角。
轨道倾角的大小会影响卫星的覆盖范围和通信性能。
一般而言，低轨道的轨道倾角较小，中轨道的轨道倾角较大。
3.3 轨道周期轨道周期是卫星绕地球一周的时间。
轨道周期越长，卫星轨道的速度越慢，覆盖范围越大。
轨道周期的选择要考虑到系统的通信需求和卫星的能源消耗等因素。
3.4 其他参数除了轨道高度、轨道倾角和轨道周期之外，还有一些其他的轨道参数需要考虑，包括升交点赤经、卫星轨道平面的偏心率和近地点高度等。
种geo、leo混合星座及其设计方法与流程
当设计一系列混合的地球卫星和狮子座卫星时，第一件事就是：我们
需要了解是什么使得每种类型特殊，以及它们带来什么挑战。
地球卫星在地球上空高处挂起留在原地使得它们能与地面的特定地点保持通联另狮子座卫星在离地球更近的地方巡航，对提供全球覆盖和超级快
免疫来说是惊人的。
将这两种类型放在一个星座里，意味着我们必须真正地思考它们是如何不同的，以及它们如何能够合作，形成一个强大而灵活的网络。
设计地理卫星和狮子座卫星的混合星座就像在天空中规划最终的天体
派对！第一步是找出我们想要这个星形网络实现的目标——我们想
要覆盖整个世界，提供超快的互联网，还是甚至追踪地球上每一个丢
失的宠物？一旦我们设定了宇宙目标，是时候创建一个系统架构，
将地球卫星和狮子座卫星的优势结合起来。
我们需要决定将多少颗卫
星送入每个轨道，放置在哪里，以及如何建立地面站和其他支持系统。
当然，我们得想出运行这个天体的细微细节比如确保我们的卫星不会撞上对方并计划如何在地球周围互相交谈这是一个宇宙谜题，它都涉及到平衡轨道、频率和宇宙聊聊——但是，谁说空间规划不可能是爆炸？
在卫星设计的复杂舞曲中，在总体系统结构的宏伟协调之后，每个卫
星的细腻舞曲都十分精致。
对于雄伟的地球卫星来说，它是高功率免
疫有效载荷、大太阳阵列伸展太阳拥抱的交响曲，以及确保它们保持
其天体位置的复杂观测系统。
对于优雅的Leo卫星来说，重点是设计
速度快和无重载荷，引导其天体华尔兹的优雅推进系统，以及精致的跟踪和移交能力，因为它们横跨天空。
这些设计考虑是地理卫星和狮子座卫星之间具有空间性和互操作性的挂毯，描绘了用户在覆盖地区漫游时无缝过渡的画面。
星座卫星通信系统设计及性能分析
星座卫星通信系统设计及性能分析第一章：引言星座卫星通信是一种基于卫星网络的无线通信系统，能够实现广域覆盖和高速数据传输。
本文将介绍星座卫星通信系统的设计原理和性能分析。
第二章：星座卫星通信系统结构2.1 卫星组成星座卫星通信系统主要由卫星和地面站组成。
卫星分为中继星和用户星两种类型，中继星负责转发信号，而用户星用于与用户端进行通信。
2.2 地面站地面站包括用户端地面站和中继站，用户端地面站与用户终端相连，负责接收和发送信号。
中继站用于与用户端地面站进行数据交换和信号中继。
第三章：星座卫星通信系统设计原理3.1 天线设计天线设计对星座卫星通信系统的性能起到至关重要的作用。
天线设计要考虑到卫星和地面站之间的信号传输，包括天线增益、方向性和频率响应等参数的优化。
3.2 频率规划频率规划是保证星座卫星通信系统各个卫星之间和卫星与地面站之间的信号不会发生干扰的重要环节。
需要合理规划卫星和地面站的频率分配，避免频谱资源的冲突。
3.3 信号调制与解调星座卫星通信系统使用的调制和解调方法对信号的传输效率和可靠性至关重要。
要考虑传输速率、频谱效率和抗干扰能力等因素，选择适合的调制解调方案。
第四章：星座卫星通信系统性能分析4.1 传输速率星座卫星通信系统能够提供较高的传输速率，可以满足大数据量的传输需求。
通过采用高性能调制解调方案和优化天线设计，系统的传输速率可以进一步提升。
4.2 覆盖范围星座卫星通信系统能够实现全球范围内的覆盖，无视地域和地形的限制。
通过合理规划卫星的数量和轨道分布，可以实现全球无缝覆盖。
4.3 时延和抗干扰能力星座卫星通信系统的时延较低，能够实现实时通信的要求。
同时，系统能够通过强大的抗干扰能力，保障通信质量在复杂电磁环境中的稳定性。
第五章：应用前景和挑战星座卫星通信系统具有广阔的应用前景。
在通信、导航、遥感等领域有着重要应用价值。
同时，系统的设计和运营也面临着一系列挑战，如系统成本、卫星寿命等问题。
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设计基本出发点
以最少数量的卫星实现对指定区域的覆盖
6
6.2 卫星星座设计
卫星星座选择
续1
仰角要尽可能高 传输延时尽可能小 星上设备的电能消耗尽可能少 如果系统采用星际链路，则面内和面间的星际链路 干扰必须限制在可以接收的范围内 对不同国家、不同类型的服务，轨位的分配需要遵 循相应的规章制度 多重覆盖问题以支持特定业务(GPS定位)或提供有 QoS保证的业务
多标准，难以全球通用
蜂窝小区小，频率利用率高
全球通用
频率利用率低
提供足够的链路余量以补偿信号 遮蔽效应使得通信链路恶化 衰落 适合于人口密度高，业务量密集 适合于低人口密度、业务量 的城市环境 有限的农村环境
5
6.2 卫星星座设计
卫星星座的定义
具有相似的类型和功能的多颗卫星，分布在相似的 或互补的轨道上，在共享控制下协同完成一定的任 务
续4
sub-satellite point
c
/s
coverage edge of satellite
式中S是每轨道面的卫星数量
Street of coverage Nhomakorabea10
6.2 卫星星座设计
极轨道星座
顺行/逆行轨道面和‘缝隙(seam)’ π星座 由于存在逆向飞行现象， 星座第一个和最后一个 轨道面间的间隔小于其 它相邻轨道面间的间隔
续15
倾角85º 的单重全球覆盖近极轨道星座参数
) 1 (º 103.8252 97.3951 93.9877 66.2803 64.4511 63.3170 48.3551 47.6005 47.0729 38.0816 37.7000 37.4139 31.4151
h (km), EL=10° 21063.8928 10251.5175 7743.2257 3862.0274 3111.3736 2716.6567 1908.4574 1686.6606 1541.8649 1209.8590 1110.4056 1039.4163 864.8926 21
2 f F T
25
6.2 卫星星座设计
续20
例6.1 某Delta星座标识为 9/3/1:10355:43。假设初始 时刻，星座第一颗卫星位于(0º 0º E, N)。计算所有星 座卫星的初始参数。 解: 星座相邻轨道面的升交点经度差为 360º =120º /3 轨道面内相邻卫星间的相位差为 360º /(9/3) = 120º 相邻轨道面相邻卫星间的相位差为 轨道倾角 360º /9×1=40º 轨道高度
9
6.2 卫星星座设计
极轨道星座
卫星覆盖带(Street of Coverage) 半覆盖宽度 Satellite cos flying c arccos[ ] direction cos( / S )
Re arccos cos Elmin h Re
卫星通信
第6章 卫星星座设计
1
概要
6.1 引言 6.2 卫星星座设计 6.3 星际链路 6.4 系统体系结构
2
6.1 引言
卫星移动/宽带通信的发展
起源
1945 1957 Arthur C. Clarke的科学幻想论文：地球外的中继 Sputnik：第一颗人造卫星，前苏联
1960
1 1 2
续5
1
co-rotating orbits
1
2
counterrotating Orbits (seam)
1
1
1
1
11
6.2 卫星星座设计
极轨道星座
相邻轨道面的几何覆盖关系
顺行轨道面间的升交点经度差 1 c 逆行轨道面间的升交点经度差 2 2c 相邻轨道面相邻卫星间相位差 / S
19
6.2 卫星星座设计
近极轨道星座
续14
考虑到倾角的影响，近极轨道星座中相邻轨道相邻 卫星间的相位差满足
/ S arctan(cos(i) tan(1 ))
20
6.2 卫星星座设计
近极轨道星座
P 2 2 2 3 3 3 4 4 4 5 5 5 6 S 3 4 5 5 6 7 7 8 9 9 10 11 11 α(º ) 66.7682 57.8079 53.5892 42.1648 38.5540 36.3131 30.7118 28.8361 27.5252 24.1280 22.9885 22.1339 19.8638 ∆1(º ) 104.6850 98.9190 96.3923 65.7888 63.9987 62.8864 48.1105 47.3622 46.8391 37.9109 37.5317 37.2473 31.2820
SAT3-3
240
320
φ
续9
Equator
-φ
15
6.2 卫星星座设计
极轨道星座
30º 以上单重球冠覆盖星座参数
P 2 2 2 3 3 3 4 4 4 5 S 3 4 5 5 6 7 7 8 9 9 α(º ) 64.1 53.4 48.1 39.9 35.8 33.3 28.9 26.8 26.3 22.6 ∆1(º ) 111.8 103.1 98.7 68.4 66.0 64.5 49.6 48.5 47.8 38.8
17
6.2 卫星星座设计
近极轨道星座
续12
近极轨道星座中，顺行和逆行轨道面间的升交点经 度差 1和 分别为 2
1 arcsin(sin 1 / sin i) 2 cos 2 cos i ) arccos( 2 2 sin i
式中， 1 和 2 分别对应极轨道星座顺行和逆行轨 道面间的升交点经度差
倾斜圆轨道星座
倾斜圆轨道星座的命名
RAAN
续17
N
N
Walker Delta Constellation
Ballard Rosette Constellation
23
6.2 卫星星座设计
Walker Delta星座
相邻轨道面相邻卫星的相位差概念
续18
Satellite flying direction Equator
续10
h (km), El=10º 16549.5 7650.0 5508.3 3373.5 2631.5 2252.6 1692.9 1466.2 1318.2 1077.8
16
6.2 卫星星座设计
近极轨道星座
续11
倾角接近但不等于90º ，即80 -100º 覆盖带设计方法仍然适用 极轨道星座的设计方程需要进行扩展，加入倾角因 素，以适用于近极轨道
26
6.2 卫星星座设计
例子6.1 续 卫星的初始参数如下表
轨道序号 1 卫星序号 SAT1-1 SAT1-2 SAT1-3 SAT2-1 SAT2-2 SAT2-3 SAT3-1 SAT3-2 升交点经度(º ) 0 0 0 120 120 120 240 240
续21
2
3
初始弧角(º ) 0 120 240 40 160 280 80 200
1964 1965 1976 1982
Echo: 第一颗反射式卫星
SYNCOM III：第一颗GEO卫星 INTELSAT I：第一颗商用GEO卫星 (Early Bird I) 第一代移动通信卫星： MARISAT的3颗GEO卫星提供海事通信 服务，舰载站的发射功率为40W，天线为1.2米 Inmarsat-A：第一个海事移动卫星电话系统
cos c arccos[ ] cos( / S )
13
6.2 卫星星座设计
极轨道星座
单重全球覆盖星座参数
P 2 2 2 3 3 3 4 4 4 5 5 5 6 S 3 4 5 5 6 7 7 8 9 9 10 11 11 α(º ) 66.7 57.6 53.2 42.3 38.7 36.5 30.8 28.9 27.6 24.2 23.0 22.2 19.9 ∆1(º ) 104.5 98.4 96.5 66.1 64.3 63.2 48.3 47.6 47.0 38.0 37.7 37.4 31.4
6.2 卫星星座设计
倾斜圆轨道星座
续16
倾斜圆轨道星座特征：由高度和倾角相同的圆轨道 组成，轨道面升交点在参考平面内均匀分布，卫星 在每个轨道平面内均匀分布 两类经典设计方法 Walker的Delta星座 Ballard的玫瑰(Rosette)星座 两种方法是等效的
22
6.2 卫星星座设计
c
Co-rotating orbits
1
续6
c c c
2c
2 / s
Counter-rotating orbits
2
12
6.2 卫星星座设计
极轨道星座
全球覆盖条件
续7
1 c 2 2c
( P 1)1 2 ( P 1) ( P 1)c cos ( P 1) ( P 1) arccos cos( / S )
第三代：手持系统
宽带卫星系统：Internet和多媒体通信
>2001
Spaceway, EuroSkyWay, SkyBridge, Teledesic等：支持固定、 便携或移动多媒体通信的宽带卫星通信系统
4
6.1 引言 续2
地面和卫星移动通信系统的比较
地面移动通信系统 卫星移动通信系统 覆盖范围随地面基础设施的建设 易于快速实现大范围的完全 而持续增长 覆盖