一種快速重訪離散目標(biāo)的低軌衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】一種快速重訪離散目標(biāo)的低軌衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)方法，（1）確定衛(wèi)星軌道傾角，該傾角不低于地面目標(biāo)的最高緯度Lmax；（2）衛(wèi)星軌道選擇為圓軌道，偏心率為0；（3）根據(jù)地面目標(biāo)執(zhí)行偵察任務(wù)，確定軌道的回歸周期，利用該回歸周期確定衛(wèi)星軌道半長(zhǎng)軸，進(jìn)而確定軌道高度；（4）根據(jù)衛(wèi)星軌道的升軌段及降軌段星下點(diǎn)經(jīng)過地面目標(biāo)所對(duì)應(yīng)的軌道升交點(diǎn)經(jīng)度，分別確定升軌段和降軌段理想的衛(wèi)星軌道升交點(diǎn)經(jīng)度，以設(shè)計(jì)的衛(wèi)星軌道升交點(diǎn)經(jīng)度L與各地面目標(biāo)升軌段和降軌段理想的衛(wèi)星軌道升交點(diǎn)經(jīng)度差值之和最小為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，確定衛(wèi)星軌道的升交點(diǎn)經(jīng)度為L(zhǎng)；（5）利用上述確定的軌道傾角、圓軌道及其偏心率、軌道高度以及衛(wèi)星軌道的升交點(diǎn)經(jīng)度完成衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)。
【專利說明】一種快速重訪離散目標(biāo)的低軌衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種低軌衛(wèi)星星座組網(wǎng)軌道構(gòu)型設(shè)計(jì)方法，適用于針對(duì)離散分布在全球不同位置的多個(gè)特定地面目標(biāo)，設(shè)計(jì)一種最優(yōu)化的星座組網(wǎng)軌道構(gòu)型，實(shí)現(xiàn)用最少的衛(wèi)星數(shù)目對(duì)這些離散地面目標(biāo)最快速的重復(fù)偵察。
【背景技術(shù)】
[0002]自從20世紀(jì)40年代英國(guó)人Clark A C首次提出衛(wèi)星星座組網(wǎng)的概念以來，關(guān)于全球覆蓋星座組網(wǎng)的設(shè)計(jì)問題已經(jīng)發(fā)表了大量的文獻(xiàn)，并在工程實(shí)際中得到應(yīng)用，如美國(guó)GPS導(dǎo)航星座、Iridium通信星座等。在重點(diǎn)區(qū)域覆蓋的星座組網(wǎng)問題方面也進(jìn)行了較多研究，俄羅斯的Molniya通信星座，我國(guó)的北斗二代導(dǎo)航星座一期工程等均是重點(diǎn)區(qū)域覆蓋星座組網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用。
[0003]還有一類有別于全球覆蓋與重點(diǎn)區(qū)域覆蓋的衛(wèi)星星座組網(wǎng)，即對(duì)特定的在全球范圍內(nèi)離散分布的多個(gè)地面目標(biāo)進(jìn)行覆蓋的衛(wèi)星星座組網(wǎng)問題，比如對(duì)敵方離散分布于全球不同位置的多個(gè)重要軍事基地進(jìn)行光學(xué)或電子偵察，這類應(yīng)用具有如下特點(diǎn):
[0004](I)主要覆蓋對(duì)象為離散分布在全球不同位置的多個(gè)特定目標(biāo)；
[0005](2)衛(wèi)星應(yīng)用目的通常是對(duì)目標(biāo)的光學(xué)或電子偵察，適宜采用低軌道。
[0006](3)為了滿足特定時(shí)期以較高頻率動(dòng)態(tài)更新對(duì)目標(biāo)偵察信息的要求，衛(wèi)星組網(wǎng)應(yīng)當(dāng)對(duì)離散分布于全球的多個(gè)目標(biāo)快速重訪。
[0007]對(duì)于具有上述特點(diǎn)的可快速重訪離散目標(biāo)的衛(wèi)星組網(wǎng)構(gòu)型設(shè)計(jì)方法，目前國(guó)內(nèi)外還沒有相關(guān)公開文獻(xiàn)報(bào)道或?qū)＠麍?bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可訪問分布在全球不同位置的離散目標(biāo)衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)方法。
[0009]本發(fā)明進(jìn)一步解決的技術(shù)問題是:提出了最優(yōu)的快速重訪離散目標(biāo)的低軌衛(wèi)星組網(wǎng)部署方法，可用最少的衛(wèi)星數(shù)目實(shí)現(xiàn)對(duì)離散分布在全球不同位置的多個(gè)特定地面目標(biāo)最快速的重復(fù)偵察。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種快速重訪離散目標(biāo)的低軌衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)方法，步驟如下:
[0011](I)確定衛(wèi)星軌道傾角，該傾角不低于地面目標(biāo)的最高緯度Lmax ；
[0012](2)衛(wèi)星軌道選擇為圓軌道，偏心率為0
[0013](3)根據(jù)地面目標(biāo)執(zhí)行偵察任務(wù)，確定軌道的回歸周期，利用該回歸周期確定衛(wèi)星軌道半長(zhǎng)軸，進(jìn)而確定軌道高度；
[0014](4)根據(jù)衛(wèi)星軌道的升軌段及降軌段星下點(diǎn)經(jīng)過地面目標(biāo)所對(duì)應(yīng)的軌道升交點(diǎn)經(jīng)度，分別確定升軌段和降軌段理想的衛(wèi)星軌道升交點(diǎn)經(jīng)度，以設(shè)計(jì)的衛(wèi)星軌道升交點(diǎn)經(jīng)度L與各地面目標(biāo)升軌段和降軌段理想的衛(wèi)星軌道升交點(diǎn)經(jīng)度差值之和最小為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，確定衛(wèi)星軌道的升交點(diǎn)經(jīng)度為L(zhǎng) ；
[0015](5)利用上述確定的軌道傾角、圓軌道及其偏心率、軌道高度以及衛(wèi)星軌道的升交點(diǎn)經(jīng)度完成衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)。
[0016]在步驟(5)之后增加步驟(6)，在步驟(6)中進(jìn)行衛(wèi)星組網(wǎng)構(gòu)型設(shè)計(jì)，組網(wǎng)運(yùn)行的每顆衛(wèi)星的星下點(diǎn)軌跡與步驟(5)中設(shè)計(jì)的衛(wèi)星軌道星下點(diǎn)軌跡相同，然后以組網(wǎng)運(yùn)行的各顆衛(wèi)星飛經(jīng)各個(gè)地面目標(biāo)上空的時(shí)間為設(shè)計(jì)變量，以衛(wèi)星組網(wǎng)對(duì)各個(gè)地面目標(biāo)打擊窗口最長(zhǎng)間隔之和達(dá)到最小為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，完成衛(wèi)星組網(wǎng)構(gòu)型設(shè)計(jì)。
[0017]所述步驟(4)的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下:
[0018](4.1)為 L 賦初值 0° ；
[0019](4.2)求出L與升軌段經(jīng)過目標(biāo)的軌道升交點(diǎn)經(jīng)度的差值，記為minT1A ；
[0020](4.3)將L按照A L的幅值向西進(jìn)動(dòng)，每次進(jìn)動(dòng)后計(jì)算進(jìn)動(dòng)后的值與升軌段經(jīng)過目標(biāo)I的軌道升交點(diǎn)經(jīng)度的差值，將該值與minT1A進(jìn)行比較，若該值小于minT1A，則將minT1A更新為該值；
[0021](4.4)重復(fù)步驟(4.3)，直至衛(wèi)星回歸，從中確定I個(gè)最小的minT1A值；
[0022](4.5)恢復(fù)L的初值；
[0023](4.6)求出L與 降軌段經(jīng)過目標(biāo)的軌道升交點(diǎn)經(jīng)度的差值，記為minT1D ；
[0024](4.7)將L按照A L的幅值向西進(jìn)動(dòng)，每次進(jìn)動(dòng)后計(jì)算進(jìn)動(dòng)后的值與降軌段經(jīng)過目標(biāo)I的軌道升交點(diǎn)經(jīng)度的差值，將該值與minT1D進(jìn)行比較，若該值小于minT1D，則將minT1D更新為該值；
[0025](4.8)重復(fù)步驟(4.7),直至衛(wèi)星回歸，從中確定I個(gè)最小的minT1D值；
[0026](4.9)比較minT1A與minT1D,將其中的較小者記為minT1 ;如果minT1大于A max,則將minT1的值取為le6 ；
[0027](4.10)對(duì)于其它地面目標(biāo)，重復(fù)步驟(4.2)~步驟(4.9)的操作，分別得到最小的minT1, minT2,..., minT12等值,對(duì)這些值求和，記和為Sum。；
[0028](4.11)按照預(yù)設(shè)的增長(zhǎng)步長(zhǎng)A為L(zhǎng)賦值，重復(fù)步驟(4.2)~步驟(4.10)，分別可
丫守至丨J Sunig+ A, Surn0+2A，? ? ?，Surn360_A ；
[0029](4.12)求出SumQ+A，Sum0+2A, Sum360_A中的最小值，該最小值對(duì)應(yīng)的L即為設(shè)計(jì)出的最優(yōu)軌道的升交點(diǎn)經(jīng)度。
[0030]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有益效果為:本發(fā)明針對(duì)可快速重訪離散分布在全球不同位置的多個(gè)特定地面目標(biāo)的要求，分析了可將所有離散分布地面目標(biāo)均納入衛(wèi)星偵察范圍，并且可以對(duì)地面目標(biāo)定期重復(fù)偵察的低軌衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)方法，明確了衛(wèi)星偵察載荷對(duì)地偵察時(shí)側(cè)視指向能力的要求。在軌道設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，以對(duì)地面目標(biāo)重訪時(shí)間間隔最短為目標(biāo)，對(duì)星座組網(wǎng)中各顆衛(wèi)星飛經(jīng)地面目標(biāo)上空的時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出了最優(yōu)的快速重訪離散目標(biāo)的低軌衛(wèi)星組網(wǎng)部署方案，可用最少的衛(wèi)星數(shù)目實(shí)現(xiàn)對(duì)離散分布在全球不同位置的多個(gè)特定地面目標(biāo)最快速的重復(fù)偵察。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1為本發(fā)明衛(wèi)星星下點(diǎn)升軌段經(jīng)過目標(biāo)的軌跡與降軌段經(jīng)過目標(biāo)的軌跡示意圖；[0032]圖2為本發(fā)明實(shí)例在軌飛行I天的星下點(diǎn)軌跡示意圖；
[0033]圖3為本發(fā)明最優(yōu)軌道星下點(diǎn)與目標(biāo)之間的關(guān)系示意圖；
[0034]圖4為本發(fā)明實(shí)施例12顆衛(wèi)星最優(yōu)組網(wǎng)方案的空間軌道構(gòu)型示意圖；
[0035]圖5為本發(fā)明流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)說明，本發(fā)明一種快速重訪離散目標(biāo)的低軌衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)方法，如圖5所示，步驟如下:
[0037]( I)確定衛(wèi)星軌道傾角；
[0038]衛(wèi)星的任務(wù)是進(jìn)行對(duì)地偵察，為了確保衛(wèi)星能夠?qū)⑺械孛婺繕?biāo)納入偵察范圍內(nèi)，應(yīng)當(dāng)使衛(wèi)星運(yùn)行軌道的傾角不低于地面目標(biāo)的最高緯度L_。因此，傾角可以選擇兩種設(shè)計(jì)值，I)地面目標(biāo)的最高緯度Lmax ；2)太陽(yáng)同步軌道傾角，該傾角的值通常在90°~100°范圍內(nèi)，其計(jì)算方法為公知。
[0039](2)衛(wèi)星軌道選擇為圓軌道，偏心率為O。
[0040]衛(wèi)星需要對(duì)在全球范圍內(nèi)離散分布的地面目標(biāo)進(jìn)行偵察，因此不適宜采用有利于重點(diǎn)區(qū)域偵察覆蓋的橢圓軌道，衛(wèi)星軌道選擇為圓軌道，偏心率為O。
[0041](3)根據(jù)地面目標(biāo)執(zhí)行偵察任務(wù)，確定軌道的回歸周期，利用該回歸周期確定衛(wèi)星軌道半長(zhǎng)軸，進(jìn)而確定軌道高度；
[0042]衛(wèi)星運(yùn)行于低軌，執(zhí)行對(duì)地偵察任務(wù)，如果軌道過低，衛(wèi)星運(yùn)行過程中受到較大的大氣阻力，將會(huì)為軌道維持付出很大代價(jià)，因此將衛(wèi)星運(yùn)行軌道高度選取在300km~800km之間。
[0043]衛(wèi)星對(duì)地面目標(biāo)執(zhí)行偵察任務(wù)，最理想的情況是衛(wèi)星星下點(diǎn)能夠反復(fù)經(jīng)過地面目標(biāo)，因此衛(wèi)星適宜采用回歸軌道，并且回歸周期以短為宜(最短I天)，這樣每經(jīng)過一段較短時(shí)間，星下點(diǎn)軌跡就能重復(fù)經(jīng)過地面目標(biāo)，有利于有效載荷對(duì)地偵察。
[0044]在300km~800km軌道高度之間，選擇I天回歸周期的軌道?；貧w軌道按下式計(jì)算:
【權(quán)利要求】
1.一種快速重訪離散目標(biāo)的低軌衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)方法，其特征在于步驟如下: (1)確定衛(wèi)星軌道傾角，該傾角不低于地面目標(biāo)的最高緯度Lmax； (2)衛(wèi)星軌道選擇為圓軌道，偏心率為O (3)根據(jù)地面目標(biāo)執(zhí)行偵察任務(wù)，確定軌道的回歸周期，利用該回歸周期確定衛(wèi)星軌道半長(zhǎng)軸，進(jìn)而確定軌道高度； (4)根據(jù)衛(wèi)星軌道的升軌段及降軌段星下點(diǎn)經(jīng)過地面目標(biāo)所對(duì)應(yīng)的軌道升交點(diǎn)經(jīng)度，分別確定升軌段和降軌段理想的衛(wèi)星軌道升交點(diǎn)經(jīng)度，以設(shè)計(jì)的衛(wèi)星軌道升交點(diǎn)經(jīng)度L與各地面目標(biāo)升軌段和降軌段理想的衛(wèi)星軌道升交點(diǎn)經(jīng)度差值之和最小為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，確定衛(wèi)星軌道的升交點(diǎn)經(jīng)度為L(zhǎng) ； (5)利用上述確定的軌道傾角、圓軌道及其偏心率、軌道高度以及衛(wèi)星軌道的升交點(diǎn)經(jīng)度完成衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種快速重訪離散目標(biāo)的低軌衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)方法，其特征在于:在步驟(5)之后增加步驟(6)，在步驟(6)中進(jìn)行衛(wèi)星組網(wǎng)構(gòu)型設(shè)計(jì)，組網(wǎng)運(yùn)行的每顆衛(wèi)星的星下點(diǎn)軌跡與步驟(5)中設(shè)計(jì)的衛(wèi)星軌道星下點(diǎn)軌跡相同，然后以組網(wǎng)運(yùn)行的各顆衛(wèi)星飛經(jīng)各個(gè)地面目標(biāo)上空的時(shí)間為設(shè)計(jì)變量，以衛(wèi)星組網(wǎng)對(duì)各個(gè)地面目標(biāo)打擊窗口最長(zhǎng)間隔之和達(dá)到最小為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，完成衛(wèi)星組網(wǎng)構(gòu)型設(shè)計(jì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種快速重訪離散目標(biāo)的低軌衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)方法，其特征在于:所述步驟(4)的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下: (4.1)為L(zhǎng)賦初值0° ； (4.2)求出L與升軌段經(jīng)過目標(biāo)的軌道升交點(diǎn)經(jīng)度的差值，記為minT1A ； (4.3)將L按照AL的幅值向西進(jìn)動(dòng)，每次進(jìn)動(dòng)后計(jì)算進(jìn)動(dòng)后的值與升軌段經(jīng)過目標(biāo)I的軌道升交點(diǎn)經(jīng)度的差值，將該值與minT1A進(jìn)行比較，若該值小于minT1A，則將minT1A更新為該值； (4.4)重復(fù)步驟(4.3)，直至衛(wèi)星回歸，從中確定I個(gè)最小的minT1A值； (4.5)恢復(fù)L的初值； (4.6)求出L與降軌段經(jīng)過目標(biāo)的軌道升交點(diǎn)經(jīng)度的差值，記為minT1D ； (4.7)將L按照AL的幅值向西進(jìn)動(dòng)，每次進(jìn)動(dòng)后計(jì)算進(jìn)動(dòng)后的值與降軌段經(jīng)過目標(biāo)I的軌道升交點(diǎn)經(jīng)度的差值，將該值與minT1D進(jìn)行比較，若該值小于minT1D，則將minT1D更新為該值； (4.8)重復(fù)步驟(4.7)，直至衛(wèi)星回歸，從中確定I個(gè)最小的minT1D值； (4.9)比較minT1A與minT1D,將其中的較小者記為minT1 ；如果minT1大于A max,則將minT1的值取為le6 ； (4.10)對(duì)于其它地面目標(biāo)，重復(fù)步驟(4.2)~步驟(4.9)的操作，分別得到最小的minT1, minT2,..., minT12等值,對(duì)這些值求和，記和為Sum。； (4.11)按照預(yù)設(shè)的增長(zhǎng)步長(zhǎng)A為L(zhǎng)賦值，重復(fù)步驟(4.2)~步驟(4.10)，分別可得到Sunig+ a，Sunig+2 A，? ? ?，Surn360_ A ； (4.12)求出SumQ+A，Sum0+2A,Sum360_A中的最小值，該最小值對(duì)應(yīng)的L即為設(shè)計(jì)出的最優(yōu)軌道的升交點(diǎn)經(jīng)度。
【文檔編號(hào)】G01S17/74GK103675832SQ201310632227
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月29日
【發(fā)明者】李志 , 蒙波, 宋雨, 何宗波, 陳新龍, 黃劍斌 申請(qǐng)人:中國(guó)空間技術(shù)研究院