[發(fā)明專利]適用于中高緯度區(qū)域覆蓋的低軌道微小衛(wèi)星編隊系統(tǒng)

有效

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• 申請日: 2012-09-27
• 公開（公告）號: CN102891713A
• 公開（公告）日: 2013-01-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳炳才;李智楠;楊曉冬
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類號: H04B7/185
• 分類號: H04B7/185;H04W84/06
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星編隊系統(tǒng)，具體的說是一種適用于中高緯度區(qū)域覆蓋的低軌道微小衛(wèi)星編隊系統(tǒng)。

背景技術(shù)

近年來，新一代空間無線通信任務(wù)對衛(wèi)星編隊系統(tǒng)的吞吐量、實時性和魯棒性提出了更高的要求。基于Walkerδ星座設(shè)計理論的衛(wèi)星系統(tǒng)是目前應(yīng)用最廣的全球覆蓋衛(wèi)星系統(tǒng)，并應(yīng)用于美國Globalstar、俄羅斯GLONASS、歐洲Galileo等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計。雖然此類系統(tǒng)憑借良好的普適性和商用價值仍是目前衛(wèi)星系統(tǒng)商品化的主流，但在區(qū)域（尤其是中高緯度地區(qū)）覆蓋性能及具有單顆虛擬大衛(wèi)星功能的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方面，卻存在著很大的局限性。首先，分散的衛(wèi)星分布無法最優(yōu)化區(qū)域覆蓋特性，同時也限制了星間鏈路（ISL）的配置及優(yōu)化；其次，Walker星座本身對衛(wèi)星失效較為敏感，系統(tǒng)的抗毀性難以保證；第三，在目前已投入使用的衛(wèi)星系統(tǒng)中，ISL還未得到充分地應(yīng)用，無法從網(wǎng)絡(luò)級別對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。由此看來，本發(fā)明所提供的具有ISL及緊湊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、滿足中高緯度區(qū)域覆蓋的衛(wèi)星編隊系統(tǒng)將對空間導(dǎo)航、地面探測、星地?zé)o線通信等領(lǐng)域的發(fā)展起到十分關(guān)鍵的推動作用。

Flower衛(wèi)星星座理論自2003年提出以來，在全球?qū)Ш较到y(tǒng)的優(yōu)化及區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星星座設(shè)計方面?zhèn)涫荜P(guān)注。其優(yōu)勢特性在于：星座中所有衛(wèi)星均具有周期重復(fù)的共地面軌跡，采用小偏心率的橢圓軌道，結(jié)合靈活的軌道傾角設(shè)定可以在遠(yuǎn)地點附近的低速駐留區(qū)內(nèi)實現(xiàn)大容量的星地數(shù)據(jù)傳輸，區(qū)域覆蓋性能優(yōu)于傳統(tǒng)的Walker星座。國內(nèi)學(xué)者對Flower星座的應(yīng)用可行性也進(jìn)行了一系列相關(guān)研究。《宇航學(xué)報》2007年第3期中的文章“Flower衛(wèi)星星座設(shè)計方法研究”設(shè)計了一個能夠不依賴地面測控站為GEO衛(wèi)星提供導(dǎo)航定位服務(wù)的Flower衛(wèi)星星座系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含兩個Flower星座，且衛(wèi)星在星座中均勻分布，通過仿真驗證了其對中高軌道宇航飛行器提供導(dǎo)航定位服務(wù)的可行性。但是這種由多個Flower星座構(gòu)成的系統(tǒng)由于衛(wèi)星空間分布均勻且不緊湊，不適合用于地面區(qū)域覆蓋，且設(shè)計中也沒有考慮ISL的構(gòu)建，因此該系統(tǒng)不具備良好的穩(wěn)定性和星間組網(wǎng)功能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供了一種能夠有效增強(qiáng)衛(wèi)星系統(tǒng)穩(wěn)定性、提高星地通信質(zhì)量，具有ISL和特定幾何拓?fù)洹⒖臻g分布相對緊湊、適用于區(qū)域多重覆蓋的低軌道微小衛(wèi)星編隊系統(tǒng)。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

（1）組成編隊的17顆低軌道微小衛(wèi)星在軌道周期的初始時刻構(gòu)成帶有幾何中心點且空間半徑約為1000km的圓形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，位于幾何中心點的衛(wèi)星為編隊的中心衛(wèi)星，其他16顆衛(wèi)星在圓周上均勻分布，軌道周期初始時刻設(shè)為中心衛(wèi)星經(jīng)過赤道平面的時刻；

（2）所配置的32條ISL采用均勻分布原則，避免鏈路重疊造成的編隊內(nèi)部通信干擾，其中16條ISL設(shè)置在中心衛(wèi)星與各圓周衛(wèi)星之間，另外16條設(shè)置在各圓周衛(wèi)星之間，將各圓周衛(wèi)星沿拓?fù)溥吔鐑蓛上噙B構(gòu)成閉合環(huán)形；

（3）星載探測設(shè)備均為30°基本圓錐形，中心衛(wèi)星對地為正視狀態(tài)，圓周上各衛(wèi)星對地為側(cè)視狀態(tài)且沿著空間拓?fù)浒霃较蛲獍l(fā)散，側(cè)視角為5°，中心衛(wèi)星及圓周上四顆衛(wèi)星的星載設(shè)備處于工作狀態(tài)，其余各衛(wèi)星起備用或補(bǔ)償作用，衛(wèi)星編隊重點實現(xiàn)對北半球30°至90°緯度范圍的區(qū)域多重覆蓋。正視狀態(tài)是視場方向正對地心。

所述的適用于中高緯度區(qū)域覆蓋的低軌道微小衛(wèi)星編隊系統(tǒng)，其特征是：所述的中心衛(wèi)星及圓周上四顆衛(wèi)星是兩兩間隔且間隔相等。

本發(fā)明的方法的主要特點如下：

衛(wèi)星編隊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有良好的對稱性和緊湊性，便于ISL的靈活配置和優(yōu)化，有利于各編隊衛(wèi)星協(xié)作實現(xiàn)虛擬大衛(wèi)星功能，進(jìn)而從網(wǎng)絡(luò)層面上增強(qiáng)了地面動態(tài)局域網(wǎng)通信協(xié)在衛(wèi)星編隊中的適用性，且該編隊系統(tǒng)可進(jìn)一步擴(kuò)展應(yīng)用于多層軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。

附圖說明

圖1為本發(fā)明帶有星間鏈路的低軌微小衛(wèi)星編隊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仿真結(jié)果圖；

圖2為在一個回歸周期內(nèi)鏈路0-1?AER參數(shù)隨時間變化的仿真結(jié)果圖；

圖3為正視狀態(tài)下衛(wèi)星對地覆蓋示意圖；

圖4為側(cè)視狀態(tài)下衛(wèi)星對地覆蓋示意圖；

圖5為本發(fā)明衛(wèi)星編隊系統(tǒng)對地覆蓋范圍仿真結(jié)果圖；

圖6為本發(fā)明衛(wèi)星編隊中各衛(wèi)星初始時刻空間位置參數(shù)Ω和M₀設(shè)置結(jié)果表；

圖7為本發(fā)明衛(wèi)星編隊中心衛(wèi)星與圓周衛(wèi)星間ISL各幾何參數(shù)變化范圍仿真結(jié)果表；

圖8為各圓周衛(wèi)星間ISL各幾何參數(shù)變化范圍仿真結(jié)果表；

圖9為本發(fā)明衛(wèi)星編隊系統(tǒng)在不同覆蓋重數(shù)要求下對應(yīng)的時間參數(shù)仿真結(jié)果表。