多任务卫星簇适应性轨道设计.pdf

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1、2014年1O月西北工业大学学报0ct．2014第32卷第5期JoumatofNorthwesternPolytechnicalUniversityVo1．32No．5多任务卫星簇适应性轨道设计黄河，周军，刘莹莹(西北工业大学精确制导与控制研究所，陕西西安710072)摘要：卫星簇是介于卫星编队和卫星星座之间的一种新的空间组网卫星构型。通过多颗卫星联合工作，组网卫星簇能够提高对指定区域的覆盖时间，扩展对地面的观测范围。针对多任务卫星簇，提出了一种满足多种载荷任务约束的适应性轨道方案。将多任务卫星簇分为侦察卫星簇和长时间连续覆盖卫星簇两部分：侦察卫星簇在实现全球快速侦察的同时，能

2、够弥补对热点区域的连续覆盖时间；连续覆盖部分卫星簇在实现区域长时间连续覆盖的同时，可以拓展对地球的侦察区域。仿真结果表面，若载荷天线波束为6o。，有效作用距离为l200km，那么只需要6颗卫星就可以每天对全球进行1次侦察，并且对热点区域的连续覆盖时间超过20min。关键词：区域覆盖，全球侦察，轨道，多任务，优化设计，卫星簇中图分类号：V44文献标志码：A文章编号：1000．2758(2014)05—0834．06卫星簇是区别于传统卫星编队的一种新的空间务的特点。多任务卫星簇是指组网卫星具有多种空多星组网构型。传统的卫星编队各星之间的距离相问应用能力，例如同时具备对地光学侦察、应

3、急通信对较近，在几千米的范围内。而卫星簇各星之间的和区域导航的能力。由于不同的功能载荷对轨道的距离相对较远，一般在百公里的范围，但比一般的卫要求不一样，因此，对多任务卫星簇的轨道设计需要星星座之间的距离近。J。卫星簇通过多颗卫星的考虑适应性约束，即在空间应用任务切换时尽量减协同工作，能够提高对地面目标的覆盖面积以及连少对轨道控制的需求。续覆盖时间，在对地侦察和应急通信等方面具有较本文针对低轨卫星，提出一种多任务卫星簇轨好的应用前景。道优化设计方案，在实现全球快速侦察的同时，能够卫星簇的轨道优化设计是其工程应用的基础，对热点区域实现长时间的连续覆盖。而传统的卫星编队和星座构型设计

4、的方法不适用于卫星簇构型的设计。对于卫星的轨道设计主要考虑1区域覆盖时间最长的单星轨道设计载荷约束、覆盖特性、回归参数等约束。文献[5]研究了对地观测小卫星星座设计及区域覆盖性覆盖时间是卫星轨道设计的主要约束条件之能分析方法，在使用少量的轨道平面和卫星数目的一。当单颗卫星的覆盖时间不够时，就需要有多颗情况下，提高了覆盖性能。文献[6]针对区域性连卫星组成卫星簇的形式，以完成特定的空间任务。续覆盖问题，研究了基于椭圆轨道的星座方案。文单星的区域覆盖时间计算，是开展卫星簇轨道设计献[7]提出了一种局部覆盖图可用于轨道性能分的基础。析。在卫星簇的轨道优化设计方面，文献[8]提出下面以

5、区域性应急通信为例，针对天线可以摆了三星时差定位卫星簇的设计原则，分析了卫星簇动的情况，以圆轨道为研究对象，讨论对指定目标覆几何形状的变化规律。盖时间最长的单星轨道设计问题。上述卫星簇轨道优化设计都没有考虑卫星多任收稿日期：2014-02-12基金项目：国家自然科学基金(61304238)、国家高技术研究发展计划(2012AA120602)与中央高校基本科研业务费(3102014JCQ01004)资助作者简介：黄河(1984一)，西北工业大学讲师，主要从事航天器动力学与控制、卫星组网等的研究。第5期黄河，等：多任务卫星簇适应性轨道设计首先给出有效作用距离的定义。对于卫星通天线摆

6、动角的计算可参考文献[10]。信，有效作用距离是指卫星能够与地面终端进行通信的最远距离。当卫星轨道高度确定时，有效作用2多任务卫星簇适应性轨道设计距离的大小就决定了卫星能够与地面进行通信的时间。组网卫星簇在不同时期的任务要求可能不一样。例如，在平时主要是完成对地面侦察的功能，而只有在应急状况下，才需要对热点区域实现长时间连续覆盖。因此，对于多任务卫星簇的轨道设计，需要考虑其适应性的特点，从而充分发挥卫星的应用潜力，优化卫星资源的利用。在轨道设计时，可以将卫星簇设计为两部分，一部分利于对地面侦察，但是能够补充对特定目标区域的覆盖时间；另外一部分则主要用于对目标区域进行长时间连续覆

7、盖，但能够补充对地面侦察的覆图1天线指向可调整时覆盖区域盖空间，缩短进行1次全球侦察的时间间隔。2．1侦察功能部分卫星簇轨道设计假设卫星在侦察期间天线不摆动，而在对指定如图1所示，A为卫星，虚线表示星载天线波束区域覆盖时天线可以摆动。在满足轨道高度约束的范围，表示最小观测仰角。如果卫星通信天线安基础上，对于圆轨道的约束条件有：装在转动部件上，那么当卫星和地面通信终端的距1)轨道回归周期设置为整数天；离进入有效作用距离之内时，就可以实现通信。设2)在一个回归周期内能够实现全球覆盖；卫星和地面终