一种光照约束下的中轨全球覆盖星座

摘要

一种光照约束下的中轨全球覆盖星座，涉及卫星通信技术领域。它为了解决全球覆盖和卫星姿态因为对日调整带来的干扰问题。本发明是以地心黄道坐标系为基准面的Walker星座12/3/1，相位因子为1，每颗MEO卫星的轨道高度为20183.63km。本发明通过合理配置卫星轨道面的位置，使卫星在轨运行时，一年之中太阳入射光与太阳能帆板始终保持不小于66.5°，太阳能帆板光照充足，卫星姿态不需要采用专门的对日调整策略就能保证卫星的正常工作，对全球的一重实时覆盖率达到了97.97％以上，且一重累积覆盖率达到100％。本发明适用于卫星通信。

说明书

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，具体涉及一种能够提供全球覆盖并且卫星姿态不需要 对日调整而能保证太阳能帆板足够输出功率的光照约束下的中轨全球覆盖星座。

背景技术

随着全球信息化的不断深入发展，全球个人移动通信业务飞速增长，人们对移动通信 的依赖性加强，对其要求越来越高。然而，单纯依靠现有的地面移动通信系统还远远不能 满足需求。在地面移动通信无法覆盖到的地区，必须借助太空中的卫星作为中继站，来达 到通信的要求。利用多颗卫星构成全球覆盖的卫星星座，能够为全球范围内的用户提供无 缝漫游随时随地的通信功能。因此设计具有全球覆盖能力的卫星星座成为了卫星移动通信 发展的一个趋势。

近几年，随着卫星移动通信技术的发展，许多研究者纷纷提出了不同类型的卫星星座 设计方案。从轨道高度上可分为低轨，中轨和静止轨道卫星星座，它们具有各自的特点。

利用静止轨道卫星进行移动通信业务拥有许多优点：如单颗GEO卫星能够覆盖地球表 面积的42.2％，理论上仅需三颗GEO卫星就可以覆盖全球；相对地面静止，不存在切换而且 多普勒频移小；技术相对成熟简单、投资相对少、运行方便。但是，GEO卫星也有不利用 通信的缺点，例如：轨道高度高达36000km，通信距离过长，通话时延长，不利于语音实 时通信；链路损耗大，不能使手持终端简易化，小型化；两极附近存在覆盖盲区；向高纬 度地区用户提供手持机业务较困难，速率不能太高。

低轨卫星通信系统则恰恰相反，由于轨道低，带来链路损耗小，时延短，此外低轨卫 星的轨道资源丰富，能够实现包括两极的全球覆盖，但是若要提供连续覆盖以及全球覆盖， 需要几十甚至上百颗的卫星以及对应众多的地面信关站，不仅造价昂贵而且低轨卫星运动 速度快，造成系统切换算法复杂。

中轨系统在一定意义上是低轨和静止轨道星座方案的折中，利用中轨系统建立全球性 移动卫星通信系统只需几颗或十几颗卫星。中轨道系统信号延时和链路损耗都较静止轨道 小，有利于地面终端的简化，以及小型简易移动终端的双跳通信。因此中轨全球覆盖星座 是未来卫星星座设计的发展趋势。

卫星在太空中的主要能量来源由太阳能帆板提供。由于卫星轨道倾角偏大，卫星姿态 调整，地球绕太阳公转等各种原因，卫星相对太阳的方位处于不断的变化中，从而造成卫 星的太阳能帆板的光照面积过小，不能保证太阳能帆板充足的供电功率。为了提高太阳能 帆板的输出功率，使太阳入射角保持在一个较小的范围内，需要专门的对日调整策略。但 是持续的对日调整策略会对卫星的姿态保持，对地观测，星间链路的建立带来较大的干扰， 增加的卫星系统复杂程度，相应的会增加系统的建设和维护成本。

发明内容

本发明的目的是为了解决全球覆盖和卫星姿态因为对日调整带来的干扰问题，提供一 种光照约束下的中轨全球覆盖星座。

本发明所述的一种光照约束下的中轨全球覆盖星座是以地心黄道坐标系为基准面的 Walker星座12/3/1，相位因子为1，即：该星座包括均匀分布在三个轨道上的12颗MEO 卫星；每颗MEO卫星的太阳能帆板与太阳光入射方向的夹角不小于66.5o。

每颗MEO卫星的轨道高度为20183.63km。

所述的三个轨道分别为一号轨道、二号轨道和三号轨道，该三个轨道以地心赤道坐标 系为基准面的轨道参数为：

一号轨道：i＝40.40°，Ω＝32.19°，ω_k1＝32.19°，ω_k2＝122.19°，ω_k3＝212.19°，ω_k4＝302.19°；

二号轨道：i＝0°，Ω＝0°，ω_k1＝30°，ω_k2＝120°，ω_k3＝210°，ω_k4＝300°；

三号轨道：i＝40.40°，Ω＝327.81°，ω_k1＝27.90°，ω_k2＝117.90°，ω_k3＝207.90°，ω_k4＝297.90°；

其中，i为轨道倾角，Ω为右旋升交点赤经，ω为近地点幅角，k表示第k个轨道面。

本发明所述的一种光照约束下的中轨全球覆盖星座，通过合理配置卫星轨道面的位 置，使卫星在轨运行时，一年之中太阳入射光与太阳能帆板始终保持在较大的范围内(不 小于66.5°)，太阳能帆板光照充足，卫星姿态不需要采用专门的对日调整策略就能保证卫 星的正常工作，在此基础上，利用12颗中轨卫星布置在满足条件的轨道面上以实现对全 球的覆盖。上述星座对全球的一重实时覆盖率达到97.97～98.88％，且一重累积覆盖率达 到100％，具有全球覆盖的能力；卫星姿态不需要采用专门的对日调整策略而能保证太阳 光与太阳能帆板的夹角不小于66.5°，使太阳能帆板光照充足从而保证足够的输出功率和 散热能力；每颗卫星可以直接或通过星间链路间接与中国国内地面站24小时进行通信， 实现实时的通信和信息传输。

附图说明

图1为本实施方式一中卫星的结构示意图，其中1表示太阳光入射方向，2表示太阳 能帆板，3表示卫星轨道；

图2是实施方式四所述的星座的三维分布图，其中11、12、13和14分别表示一号轨 道上的四颗卫星，即卫星11、卫星12、卫星13和卫星14，21、22、23和24分别表示二 号轨道上的四颗卫星，即卫星21、卫星22、卫星23和卫星24，31、32、33和34分别表 示三号轨道上的四颗卫星，即卫星31、卫星32、卫星33和卫星34；

图3是实施方式四中的一重实时覆盖率及累积覆盖率的仿真结果；

图4是实施方式四中，位于一号轨道上的4颗卫星与三亚地面站的可见性分析结果；

图5是实施方式四中，三个轨道面的卫星的太阳能帆板与太阳光的夹角的仿真结果。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种光照约束下的 中轨全球覆盖星座，该星座是以地心黄道坐标系为基准面的Walker星座12/3/1，相位因 子为1，即：该星座包括均匀分布在三个轨道上的12颗MEO卫星；每颗MEO卫星的太 阳能帆板与太阳光入射方向的夹角不小于66.5°。

本实施方式所述的一种光照约束下的中轨全球覆盖星座是以地心黄道坐标系为基准 面设计的Walker星座12/3/1，相位因子为1，Walker星座在许多实际系统中具有广泛的 应用，具有非常理想的覆盖特性。

如图1所示，太阳能帆板与太阳光入射方向的夹角是指太阳能帆板所在平面与太阳光 入射方向的夹角，太阳入射角定义为太阳光入射方向与卫星轨道平面的夹角。该角度在卫 星运行过程中会随着卫星相对太阳的方位的改变而改变，如果变大会导致太阳翼供电效率 的降低及卫星散热能力的下降。该角度是由于轨道面与黄道面不一致产生的。影响该角度 的因素有2个，轨道倾角及升交点赤经(RAAN)。轨道倾角越接近黄赤交角(约23.5°)， 太阳夹角越小；升交点赤经(RAAN)越小，太阳夹角越小。当轨道面与黄道面重合时， 该夹角最小为0，太阳能帆板受光照面积最大。因此，若要求太阳入射夹角最小，倾角应 尽可能接近黄道面，即轨道倾角接近23.5°，升交点赤经RAAN＝0。太阳入射角越小，太 阳光与太阳能帆板的夹角越大(两者成余角关系)，即受光照面积越大，太阳能帆板供电 效率越高。太阳入射角和太阳光与太阳能帆板的夹角如图1所示。

卫星中的轨道参数都是在地心赤道坐标中定义的，为了减少设计的复杂度，先以地心 黄道坐标系为基准面进行MEO星座设计，然后再把设计好的参数转换到对应的地心赤道 坐标系内。地心赤道坐标系的原点位于地球质心，以赤道面为基准面，X轴指向春分点， Z轴指向天顶方向，Y轴符合右手法则，卫星轨道各个参数都是基于该坐标系得到的；地 心黄道坐标系的原点也位于地球质心，以黄道面为基准面，X轴指向春分点，Z轴指向黄 道面法线方向。引入该坐标系有助于更清晰的表述太阳与卫星的相对位置关系。

定义在地心赤道坐标系下的经典轨道六根数为：轨道半长轴a，轨道偏心率e，轨道 倾角i，右旋升交点赤经Ω，近地点幅角ω，真近点角f。定义在地心黄道坐标系下的轨 道六根数为：轨道半长轴a_Q，轨道偏心率e_Q，轨道倾角i_Q，右旋升交点赤经Ω_Q，近地点 幅角ω_Q，真近地点角f_Q，易知表示轨道大小和形状的轨道根数和经典轨道根数是一样的， 即a_Q＝a，e_Q＝e，由定义可知真近地点角也是一样的，即f_Q＝f。由于黄赤交角的存在， i_Q、Ω_Q、ω_Q与i、Ω、ω一般都不同。存在以下关系式，其中ε为黄赤交角：

$\left(\begin{array}{c}{\sin i}_Q{\sin \Omega }_Q\\ -{\sin i}_Q{\cos \Omega }_Q\\ {\cos i}_Q\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\sin i\cos \Omega \\ -\sin i\cos \Omega \cos ϵ+\sin ϵ\cos i\\ \sin i\cos \Omega \sin ϵ+\cos ϵ\cos i\end{array}\right)---\left(1\right)$

设卫星轨道面与黄道面的夹角为θ，即为i_Q，太阳光与轨道面的夹角为α，因为太阳 光一直在黄道面内，则存在关系式α≤i_Q(θ)。太阳光与太阳能帆板的夹角不小于66.5°， 则太阳光入射角需要保持在23.5°以内，即α≤23.5°，因此地心黄道坐标系下轨道倾角需 要满足i_Q≤23.5°。因此轨道倾角i_Q小于等于23.5°时，星座中每颗卫星一定能满足光照约 束的条件。

本实施方式所述的一种光照约束下的中轨全球覆盖星座对全球的一重实时覆盖率为 97.97～98.88％，且一重累积覆盖率达到100％，具有全球覆盖的能力；卫星姿态不需要采 用专门的对日调整策略而能保证太阳光与太阳能帆板的夹角不小于66.5°，使太阳能帆板 光照充足从而保证足够的输出功率和散热能力；每颗卫星可以直接或通过星间链路间接与 中国国内地面站24小时进行通信，实现实时的通信和信息传输。

具体实施方式二：结合说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的一种光照 约束下的中轨全球覆盖星座的进一步限定，本实施方式中，每颗MEO卫星的轨道高度为 20183.63km。

卫星轨道高度为20183.63km，对应的轨道周期为一个恒星日的二分之一，即12小时， 满足回归轨道的要求，方便地面站的指向和跟踪。

具体实施方式三：结合图2和图4说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所 述的一种光照约束下的中轨全球覆盖星座的进一步限定，本实施方式中，该星座采用6 个地面站进行跟踪，该6个地面站分别为北京站、厦门站、三亚站、喀什站、佳木斯站和 重庆站。

本实施方式通过星地和星间链路，利用国内的6个地面站对星座中12颗卫星进行跟 踪，遥控和遥测和进行数据信息传输。6个地面站分别位于北京，厦门，三亚，喀什，佳 木斯，重庆。上述6个地面站基本上覆盖了中国的东、南、西、北及中部。三亚是中国国 土最南端的地面站，下面分析一号轨道的轨道面内的4颗卫星与三亚的可见性。选择一天 24小时进行仿真分析，如图4所示，三亚可以全天候的与一个轨道面内的卫星直接或间 接通信。例如，从T1到T2这个时间段内，三亚可以与卫星12直接可见，卫星13和卫 星11可以通过轨道面内的星间链路经由卫星12间接与三亚通信，卫星14则需要经过卫 星13或11再到卫星12，共2跳星间通信才能返回国内地面站。

具体实施方式四：结合图2、图3以及图5说明本实施方式，本实施方式是对实施方 式一所述的一种光照约束下的中轨全球覆盖星座的进一步限定，本实施方式中，所述的三 个轨道分别为一号轨道、二号轨道和三号轨道，该三个轨道以地心赤道坐标系为基准面的 轨道参数为：

一号轨道：i＝40.40°，Ω＝32.19°，ω_k1＝32.19°，ω_k2＝122.19°，ω_k3＝212.19°，ω_k4＝302.19°；

二号轨道：i＝0°，Ω＝0°，ω_k1＝30°，ω_k2＝120°，ω_k3＝210°，ω_k4＝300°；

三号轨道：i＝40.40°，Ω＝327.81°，ω_k1＝27.90°，ω_k2＝117.90°，ω_k3＝207.90°，ω_k4＝297.90°；

其中，i为轨道倾角，Ω为右旋升交点赤经，ω为近地点幅角，k表示第k个轨道面。

轨道倾角越大时，覆盖特性越好，因此轨道面的倾角取i_Q＝23.5°。为了覆盖低纬度 地区，一个轨道面放在赤道平面上，同时为了兼顾高纬度地区和两极地区的覆盖，采用两 个轨道倾角i_Q＝23.5°的轨道面。每个轨道面上4颗卫星均匀分布。星座内的卫星轨道参数 见表1。

表1  以地心黄道坐标系为基准面的轨道参数

轨道 i_QΩ_Qω_Qk1ω_Qk2ω_Qk3ω_Qk4一号轨道 23.5° 60° 0° 90° 180° 270°

二号轨道 23.5° 180° 30° 120° 210° 300° 三号轨道 23.5° 300° 60° 150° 240° 330°

其中k为第k个轨道面。

利用公式1将地心黄道面为基准的轨道参数映射到以赤道面为基准面的轨道参数如 表2所示。由下表可知，一号轨道的轨道面和三号轨道的轨道面的位置都非常接近黄道面。

表2  以地心赤道坐标系为基准面的轨道参数

轨道 i Ω ω_k1ω_k2ω_k3ω_k4一号轨道 40.40° 32.19° 32.19° 122.19° 212.19° 302.19° 二号轨道 0 0 30° 120° 210° 300° 三号轨道 40.40° 327.81° 27.90° 117.90° 207.90° 297.90°

由12颗MEO构成的全球覆盖星座的三维分布图如图2所示。

图3给出的是该星座全球一重实时覆盖率及累积覆盖率的仿真结果，通信仰角为15°。 从图中可以看出，该星座的一重实时覆盖率为97.97～98.88％，对全球的一重实时覆盖率 达到了97.97％以上，且一重累积覆盖率达到100％，因此具有全球覆盖星座的功能。

图5给出了三个轨道面的卫星在一年365天之内太阳能帆板与太阳光入射方向的夹 角的变化的仿真结果图。一号轨道、二号轨道及三号轨道中卫星太阳能帆板与太阳光的夹 角在66.5°～90°之间。一年内随着卫星相对太阳方位的不断变化，在该中轨星座方案中， 能够满足太阳能帆板与太阳光的最小夹角大于66.5°，保证太阳能帆板的充足的光照面积 和输出功率。

因此光照约束下的中轨全球覆盖星座可以全年不用姿态调整即可保持太阳光入射方 向与太阳能帆板的夹角大于66.5°而又能保证良好的覆盖特性。