一种基于激光星间链的即时遥感卫星星座构型设计制造技术

本发明专利技术公开了具备全球分钟级重访及星间通信能力的遥感星座构型设计，该方法根据遥感卫星星座中不同类型卫星的遥感成像特性选择适应的轨道种类，并根据对于全球任一点分钟级重访以及星间通信能力要求的约束特性，提出了一种基于迭代分析的遥感卫星walker星座构型方法，通过对于星座的仿真分析与网络拓扑结构设计，得到了在满足不同卫星遥感成像特性条件下，具备全球任一点分钟级重访以及星间通信能力，可实现全天时、全天候观测、并可通过星间通信系统将遥感数据及时传输回中国区域地面站区的遥感卫星星座构型，通过软件仿真结果说明了本方法设计星座构型的有效性。了本方法设计星座构型的有效性。了本方法设计星座构型的有效性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于激光星间链的即时遥感卫星星座构型设计


[0001]本专利技术属于卫星轨道设计与卫星组网领域，特别涉及星座轨道构型对地面的覆盖性能分析及卫星星间通信分析。

技术介绍

[0002]随着航天技术的发展，遥感卫星作为对地观测的有效手段已经广泛应用各类民用领域，遥感卫星星座布局初步成型，然而随着遥感卫星星座规模的逐步扩大，如何利用小型遥感卫星，搭配不同载荷，在满足不同观测需求的同时及时将获取遥感数据回传至地面。已经成为各国对于构建新型遥感卫星星座的主要研究目标。
[0003]星座构型设计是在实现卫星快速重访、数据及时回传中需要重点研究的对象，即针对具体给出一定性能指标的遥感卫星，结合总体观测能力与数据传输能力需求，进行的星座轨道构型及各卫星所属轨道位置的设计。由于轨道设计涉及一系列输入与输出约束，对卫星轨道设计人员来说，如何获得各类约束条件下的满足对星座整体能力要求的星座设计最优解，是卫星星座设计的重要基础也是较为困难的一环。本文结合遥感卫星的观测能力与通信能力约束，在给定卫星平台及载荷能力输入条件下，快速迭代形成满足任务要求的星座构型，提出了一种具备全球分钟级重访，以及星间通信能力的卫星星座构型设计。根据仿真结果论证，这种设计大大的增加了传统卫星星座的对地观测能力与数据回传能力。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供具备全球分钟级重访及星间通信能力的遥感星座构型设计，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]具备全球分钟级重访及星间通信能力的遥感星座构型设计，包括如下步骤：
[0007]S1、构造遥感卫星全球感知系统，选择可满足全天时、全天候成像能力组合的卫星模型，同时建立星间通信能力模型；
[0008]S2、根据对于卫星观测模型及星间通信能力模型的分析，选择适应的卫星观测轨道与卫星星座构建基础架构；
[0009]S3、根据所选星座架构进行迭代分析，确定优选的卫星轨道构型与卫星数量，并确定可快速覆盖全球区域的轨道构型；
[0010]S4、基于优选的卫星轨道构型构建星间通信网状拓扑结构，进行时间切片，分析覆盖条件下的轨道构型；
[0011]S5、通过软件仿真，验证所构建的卫星与轨道参数是否可以满足对全球任一点的分钟级重访，通过仿真结果可知，以walker星座构型为基础，采用520km太阳同步轨道，包含光学及SAR两类卫星共分布于15条轨道中，每条轨道均匀部署16颗卫星的星座构型，可满足对全球任意点10分钟以内的重访能力，且其数据可通过星间通信及时传输回位于中国区域的地面数传站。
[0012]优选的，步骤S1的遥感卫星全球感知系统构建具体步骤如下：
[0013]S101、即时遥感卫星星座需要实现全球即时对地观测，并采用激光星间链路及时回传，因此，该星座具有如下两种工作模式：
[0014]全球覆盖模式：卫星在正常工作模式下按照全球覆盖为目标进行数据获取，设计准则要求在卫星一个回归周期内至少获取一次以上全球遥感数据；
[0015]即时遥感模式：卫星在即时任务规划下进行即时拍摄，拍摄数据通过激光星间链快速回传至境内地面站；
[0016]S102、基于以下几点的设计约束条件及设计方式进行设计：
[0017]a)考虑载荷及各分系统的要求，特别是主要载荷的关键指标；
[0018]b)考虑卫星应用系统、运载系统以及地面测控系统的相互协调性；
[0019]c)尽可能采用成熟、较先进的技术，具有成熟产业链的COST产品也可作为选择；
[0020]S103、基于步骤S102的设计要求，对现有的设计方案进行择优筛选，而后进行一步的优化。
[0021]优选的，步骤S2对于步骤S1的分析可知如下结论：
[0022]A)对地观测卫星模型的建立，需根据地面上的观测区域设计传感器视场。随卫星运行形成以星下点轨迹为中线的带形区，称为地面观测带，卫星运行一定圈数后，观测带在制定纬度范围内按确定的旁向重叠率要求毗连成片，彼此衔接且不出现空隙以形成连片观测区；
[0023]B)星间通信模型的建立，将选用成熟激光星间链路载荷进行星间通信，综合重量、功耗等参数选用传输距离3000km，传输速度最大可达10Gbps的激光通信载荷。
[0024]优选的，步骤S3的卫星轨道的构型及卫星数量的确定的具体方法如下：
[0025]S301、为了满足全球观测快速覆盖的星座观测需求，根据遥感卫星的轨道选型结合低轨通信卫星的轨道选型，对全球覆盖的遥感卫星，一般采用准回归、太阳同步、低轨道高度的近圆轨道，在轨道的六要素中，为保证卫星在全轨道对地观测条件的一致性，轨道偏心率e0一般取0，此时近地点幅角ω0则无意义，升交点赤经Ω0与过近地点时刻τ0对讨论覆盖特性无影响，对于太阳同步轨道，轨道倾角i0与轨道半长轴a0成一定关系，因此对卫星轨道的确定转换为对轨道半长轴即轨道高度的确定；
[0026]S302、遥感卫星的传感器视场在地面上的覆盖面，随卫星运行形成以星下点轨迹为中线的带形区，称为地面观测带，卫星运行一定圈数后，观测带在指定纬度范围内按确定的旁向重叠率要求毗连成片，彼此衔接且不出现空隙以形成连片观测区，在同一轨道，赤道附近的观测带旁向重叠面积最小，随纬度升高重叠面积也越大，根据任务分析可知，卫星完成一次完整的对地观测覆盖的圈数为覆盖圈数N，对应天数为覆盖周期D，对于遥感卫星一般选择太阳同步准回归轨道，这为了对同一纬度圈实现均匀的旁向重叠，并且对同一地面目标多次观测几何位置及地方时也可基本保持不变，同时，如果在回归周期D 时间段中，存在近似回归周期Dr，存在Dr<[D/2]，则可实现Dr天中卫星的快速重访，提高卫星对地覆盖效能；
[0027]S303、根据S302的分析，遥感卫星适用于准回归轨道，即重复轨道的设计，对重复轨道的设计一般由回归周期、卫星对地覆盖特性、对地观测光学分辨率等参数约束，同一个回归周期对应一个可选轨道集合，从中选择适合卫星任务的运行周期，根据运行周期计算
卫星轨道高度，再根据卫星对地光学分辨率等其他要求进一步约束，最终求解可用轨道高度。
[0028]优选的，步骤S4的卫星轨道的构型及卫星数量的确定的具体方法如下：
[0029]S401、基于优选的卫星轨道构型构建星间通信网状拓扑结构，进行时间切片，分析覆盖条件下的轨道构型，设计重复观测轨道的直接关键参数是卫星每天运行的轨道圈数Q，通过Q值决定星下点轨迹的位置和次序，通过约束设计轨道的高度范围，通过公式(1)选择合理的Q值，即可求解适合的轨道：
[0030][0031]其中是I、N、D、d均为正整数，且N、D互质，D为时间切分后轨道重复周期天数，N为一个重复周期卫星运行的圈数，I为卫星单日运行圈数，为卫星单日运行圈数的小数位；
[0032]S402、交点周期T
Ω
：卫星相继两次经过升或降交点所形成的交点的时间本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.具备全球分钟级重访及星间通信能力的遥感星座构型设计，其特征在于，包括如下步骤：S1、构造遥感卫星全球感知系统，选择可满足全天时、全天候成像能力组合的卫星模型，同时建立星间通信能力模型；S2、根据对于卫星观测模型及星间通信能力模型的分析，选择适应的卫星观测轨道与卫星星座构建基础架构；S3、根据所选星座架构进行迭代分析，确定优选的卫星轨道构型与卫星数量，并确定可快速覆盖全球区域的轨道构型；S4、基于优选的卫星轨道构型构建星间通信网状拓扑结构，进行时间切片，分析覆盖条件下的轨道构型；S5、通过软件仿真，验证所构建的卫星与轨道参数是否可以满足对全球任一点的分钟级重访，通过仿真结果可知，以walker星座构型为基础，采用520km太阳同步轨道，包含光学及SAR两类卫星共分布于15条轨道中，每条轨道均匀部署16颗卫星的星座构型，可满足对全球任意点10分钟以内的重访能力，且其数据可通过星间通信及时传输回位于中国区域的地面数传站。2.根据权利要求1所述的具备全球分钟级重访及星间通信能力的遥感星座构型设计，其特征在于，步骤S1的遥感卫星全球感知系统构建具体步骤如下：S101、即时遥感卫星星座需要实现全球即时对地观测，并采用激光星间链路及时回传，因此，该星座具有如下两种工作模式：全球覆盖模式：卫星在正常工作模式下按照全球覆盖为目标进行数据获取，设计准则要求在卫星一个回归周期内至少获取一次以上全球遥感数据；即时遥感模式：卫星在即时任务规划下进行即时拍摄，拍摄数据通过激光星间链快速回传至境内地面站；S102、基于以下几点的设计约束条件及设计方式进行设计：a)考虑载荷及各分系统的要求，特别是主要载荷的关键指标；b)考虑卫星应用系统、运载系统以及地面测控系统的相互协调性；c)尽可能采用成熟、较先进的技术，具有成熟产业链的COST产品也可作为选择；S103、基于步骤S102的设计要求，对现有的设计方案进行择优筛选，而后进行一步的优化。3.根据权利要求1所述的具备全球分钟级重访及星间通信能力的遥感星座构型设计，其特征在于，步骤S2对于步骤S1的分析可知如下结论：A)对地观测卫星模型的建立，需根据地面上的观测区域设计传感器视场。随卫星运行形成以星下点轨迹为中线的带形区，称为地面观测带，卫星运行一定圈数后，观测带在指定纬度范围内按确定的旁向重叠率要求毗连成片，彼此衔接且不出现空隙以形成连片观测区；B)星间通信模型的建立，将选用成熟激光星间链路载荷进行星间通信，综合重量、功耗等参数选用传输距离3000km，传输速度最大可达10Gbps的激光通信载荷。4.根据权利要求1所述的具备全球分钟级重访及星间通信能力的遥感星座构型设计，其特征在于，步骤S3的卫星轨道的构型及卫星数量的确定的具体方法如下：
S301、为了满足全球观测快速覆盖的星座观测需求，根据遥感卫星的轨道选型结合低轨通信卫星的轨道选型，对全球覆盖的遥感卫星，一般采用准回归、太阳同步、低轨道高度的近圆轨道，在轨道的六要素中，为保证卫星在全轨道对地观测条件的一致性，轨道偏心率e0一般取0，此时近地点幅角ω0则无意义，升交点赤经Ω0与过近地点时刻τ0对讨论覆盖特性无影响，对于太阳同步轨道，轨道倾角i0与轨道半长轴a0成一定关系，因此对卫星轨道的确定转换为对轨道半长轴即轨道高度的确定；S302、遥感卫星的传感器视场在地面上的覆盖面，随卫星运行形成以星下点轨迹为中线的带形区，称为地面观测带，卫星运行一定圈数后，观测带在指定纬度范围内按确定的旁向重叠率要求毗连成片，彼此衔接且不出现空隙以形成连片观测区，在同一轨道，赤道附近的观测带旁向重叠面积最小，随纬度升高重叠面积增大；根据任务分析可知，卫星完成一次完整的对地观测覆盖的圈数为覆盖圈数N，对应天数为覆盖周期D，对于遥感卫星一般选择太阳同步准回归轨道，这为了对同一纬度圈实现均匀的旁向重叠，并且对同一地面目标多次观测几何位置及地方时也可基本保持不变；同时，如果在回归周期D时间段中，存在近似回归周期Dr，存在Dr＜[D/2]，则可实现Dr天中卫星的快速重访，提高卫星对地覆盖效能；S303、根据S302的分析，遥感卫星适用于准回归轨道，即重复轨道的设计，对重复轨道的设计一般由回归周期、卫星对地覆盖特性、对地观测光学分辨率等参数约束，同一个回归周期对应一个可选轨道集合，从中选择适合卫星任务的运行周期，根据运行周期计算卫星轨道高度，再根据卫星对地光学分辨率等其他要求进一步约束，最终求解可用轨道高度。5.根据权利要求1所述的具备全球分钟级重访及星间通信能力的遥感星座构型设计，其特征在于，步骤S4的卫星轨道的构型及卫星数量的确定的具体方法如下：S401、基于优选的卫星轨道构型构建星间通信网状拓扑结构，进行时间切片，分析覆盖条件下的轨道构型，设计重复观测轨道的直接关键参数是卫星每天运行的轨道圈数Q，通过Q值决定星下点轨迹的位置和次序，通过约束设计轨道的高度范围，通过公式(1)选择合理的Q值，即可求解适合的轨道：其中是I、N、D、d均为正整数，且N、D互质，D为时间切分后轨道重复周期天数，N为一个重复周期卫星运行的圈数，I为卫星单日运行圈数，为卫星单日运行圈数的小数位；S402、交点周期T
Ω
：卫星相继两次经过升或降交点所形成的交点的时间间隔：其中，为平近点角的长期变化率，为近地点幅角的长期变化率，一般只考虑地球非球形摄动的一阶长期项J2的影响，所以有(3)：其中R
e
为地球半径，i0为轨道倾角；为二体运动轨道周期，地球引力常数μ
＝3.986005
×
105km3/s2，J2＝1.082.63
×
10
‑6；S403、轨道日T
E0
：卫星轨道绕地球旋转一周的时间：ω
e
为地球自转角速度，ω
Ω
为卫星升交点赤经平均变化率，由于选用轨道为太阳同步轨道，因此T
E0
＝1天，结合式(1)得...

【专利技术属性】
技术研发人员：李龙龙，刘畅，汤玉杰，肇启明，柳震，齐星，
申请(专利权)人：航天科工海鹰集团有限公司，
类型：发明
国别省市：