鸟巢式星座及其设计方法技术

鸟巢式星座及其设计方法，本发明专利技术涉及一种星座设计方法，所要解决的技术问题是提供一种多颗卫星在空间中的分布式设计方法，在不影响星座性能的前提下，解决传统walker、δ星座设计采用相似轨道、生存能力弱的问题。其特征在于：将卫星设计分布在轨道参数近似的几个虚拟轨道面内，近似同轨道面的几颗卫星以松散形式近似均匀分布，通过卫星间的多重协同覆盖完成特定任务。本发明专利技术使用复杂星座构型完成协同覆盖任务，在不影响星座性能的同时可提高星座运行鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及航天飞行器总体设计领域，特别涉及一种鸟巢式星座及其设计方法。
技术介绍
目前，传统的星座设计多采用walker、δ星座等设计方法，将多颗卫星分布在轨道参数基本相同的几个轨道面上(升交点赤经均匀分布)，每个轨道面再均匀分布几颗卫星(相位均匀分布)。该方法简化了星座的轨道设计，具有易操作、星座构型直观等特点。然而另一方面，简化的星座设计使得其抗毁伤能力极弱，敌意目标仅需要极小的代价(例如，燃料消耗等)即可实现对多个目标的批量破坏。从星座防护角度分析，传统的简化星座设计无法满足未来空间装备的生存需求。鸟巢式星座顾名思义，是将卫星在星座中的分布设计为类似鸟巢的形式。星座中卫星的轨道分布看似杂乱，实则遵循一定规律。以导航功能星座为例，鸟巢式星座的导航精度与传统星座基本一致，但各卫星间的轨道不再完全近似，使得敌意行动所需的代价将有所增加，再通过各卫星本身的机动能力，可使得星座生存能力进一步增强。由此可见，新型星座在不影响星座功能的前提下，可在一定程度上提高运行鲁棒性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决一种具有较高生存能力的星座设计问题。为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种鸟巢式星座设计方法，包括以下步骤：S1、确定星座标称虚拟轨道面的总数M和每个所述标称虚拟轨道面周边分布的卫星数Nj，所述j为大于等于1且小于等于M的整数，所述j的初始值为1；S2、在惯性坐标系下，以oxy平面为基准，设计第j个标称虚拟轨道面周边的卫星轨道参数；S3、将卫星轨道参数根据坐标变换矩阵旋转至所述第j个标称虚拟轨道面周边；S4、取所述j＝j+1，若所述j大于所述M，执行步骤S5，若所述j小于或者等于所述M，执行步骤S2；S5、生成星座中所有卫星的轨道参数。进一步的，步骤S2中所述的卫星轨道参数包括：Nj颗卫星在标称虚拟轨道面内的相位分布角Φj,k；各卫星偏离标称虚拟轨道的倾斜角度Ij,k；各卫星轨道偏离标称虚拟轨道的偏心率Ej,k；其中所述k为大于等于1且小于等于Nj的整数。作为优选的，所述倾斜角度Ij,k为5°，所述偏心率Ej,k为0.03765，卫星在所述标称虚拟轨道面内均匀分布。进一步的，步骤S3中所述的坐标变换矩阵包括：由所述惯性坐标系的oxy基准平面旋转至第j个所述标称虚拟轨道面所需的升交点赤经角Ωj；由所述惯性坐标系的oxy基准平面旋转至第j个所述标称虚拟轨道面所需的轨道倾角ij；由所述惯性坐标系的oxy基准平面旋转至第j个所述标称虚拟轨道面所需的近地点角距ωj；由所述惯性坐标系的oxy基准平面旋转至第j个所述标称虚拟轨道面所需的相位调整角进一步的，所述坐标变换矩阵为作为优选的，所述轨道倾角ij为55°。作为优选的，所述相位调整角的调整差值为±35°。作为优选的，所述近地点角距ωj为0°。作为优选的，所述标称虚拟轨道面的升交点在oxy基准平面内均匀分布。本专利技术还提供了一种鸟巢式星座，运用了上述任意一项所述的方法设计得到，其特征在于，所述鸟巢式星座的GDOP值在2.1以下。本专利技术相比现有的卫星星座，除了星座的区域覆盖性能相近外，可降低星座内多目标同时被破坏的风险，提高系统的鲁棒性。附图说明图1为本专利技术中鸟巢式星座设计方法的步骤流程图。图2为本专利技术中星座在J2000坐标系下星座轨道示意图。图3为本专利技术中经坐标变换后的星座轨道。图4为本专利技术中鸟巢式星座的结构示意图。图5为本专利技术中鸟巢式星座的GDOP性能分析图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面以J2000惯性坐标系下的星座设计为例，将结合附图对本专利技术的各实施方式进行详细的阐述。在本实施例中，提供了一种鸟巢式星座设计方法，如图1所示，包括以下步骤：S1、确定星座虚拟轨道面的总数M和每个虚拟轨道面周边所分布的卫星数Nj，j＝1,2,…,M，取初始值j＝1。在本实施例中，取M＝6，Nj分别取6，5，5，6，5，5，即在星座中部署32颗卫星，同时确保相对均匀地分布在6个虚拟轨道面附近。S2、在J2000坐标系下，以oxy平面为基准，设计第j个虚拟轨道面周边的卫星轨道参数。其中，卫星轨道参数包括Nj颗卫星在虚拟轨道面内的相位分布角Φj,k；各卫星偏离标称虚拟轨道的倾斜角度Ij,k；以及各卫星轨道偏离标称虚拟圆轨道的偏心率Ej,k；其中所述k为大于等于1且小于等于Nj的整数。在本实施例中，考虑卫星相对均匀地分散在标称虚拟轨道面的一个条带区域，倾斜角度均取5°；偏心率均取0.03765；当j＝1，4时，将6颗卫星在标称轨道面内均匀分布，分别取相位分布角为0°，60°，120°，180°，240°，300°；当j＝2，3，5，6时，将5颗卫星在标称轨道面内均匀分布，分别取相位分布角为0°，72°，144°，216°，288°。在J2000系下，第1个虚拟轨道面周边的卫星轨道设计如图2所示。S3、将卫星轨道参数根据坐标变换矩阵旋转至所述第j个标称虚拟轨道面周边。其中，坐标变换矩阵包括以下四个参数。由所述惯性坐标系的oxy基准平面旋转至第j个所述标称虚拟轨道面所需的升交点赤经角Ωj；在本实施例中，将6个标称虚拟轨道面的升交点在oxy基准平面内均匀分布，Ωj分别取0°，60°，120°，180°，240°，300°。由所述惯性坐标系的oxy基准平面旋转至第j个所述标称虚拟轨道面所需的轨道倾角ij；在本实施例中，考虑对全球区域的均匀覆盖，ij均取55°。由所述惯性坐标系的oxy基准平面旋转至第j个所述标称虚拟轨道面所需的近地点角距ωj；在本实施例中，为了简化考虑升交点与近地点重合的情况，ωj均取0°。由所述惯性坐标系的oxy基准平面旋转至第j个所述标称虚拟轨道面所需的相位调整角在本实施例中，考虑每个虚拟轨道面的参考基准适当错位，确保卫星相对均匀分布，第1，4虚拟面调整角取0°；第2，5虚拟面调整角取35°；第3，6虚拟面调整角取325°。按照上述的参数，根据坐标变换矩阵便可以将轨道参数旋转变化为实际的轨道参数。其中，和CTz(Ωj)均表示绕z轴旋转的坐标变换矩阵，CTx(ij)表示绕x轴旋转的坐标变换矩阵。经坐标旋转后的星座轨道如图3所示。S4、取所述j＝j+1，若所述j大于所述M，执行步骤S5，若所述j小于或者等于所述M，执行步骤S2；S5、生成星座中所有卫星的轨本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种鸟巢式星座设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、确定星座标称虚拟轨道面的总数M和每个所述标称虚拟轨道面周边分布的卫星数Nj，所述j为大于等于1且小于等于M的整数，所述j的初始值为1；S2、在惯性坐标系下，以oxy平面为基准，设计第j个标称虚拟轨道面周边的卫星轨道参数；S3、将所述卫星轨道参数根据坐标变换矩阵旋转至所述第j个标称虚拟轨道面周边，生成该卫星的轨道参数；S4、取所述j＝j+1，若所述j大于所述M，执行步骤S5，若所述j小于或者等于所述M，返回步骤S2；S5、根据所述卫星的轨道参数生成鸟巢式星座。

【技术特征摘要】
1.一种鸟巢式星座设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、确定星座标称虚拟轨道面的总数M和每个所述标称虚拟轨道面周边分
布的卫星数Nj，所述j为大于等于1且小于等于M的整数，所述j的初始值为1；
S2、在惯性坐标系下，以oxy平面为基准，设计第j个标称虚拟轨道面周边
的卫星轨道参数；
S3、将所述卫星轨道参数根据坐标变换矩阵旋转至所述第j个标称虚拟轨道
面周边，生成该卫星的轨道参数；
S4、取所述j＝j+1，若所述j大于所述M，执行步骤S5，若所述j小于或者
等于所述M，返回步骤S2；
S5、根据所述卫星的轨道参数生成鸟巢式星座。
2.根据权利要求1所述的鸟巢式星座设计方法，其特征在于，步骤S2中
所述的卫星轨道参数包括：
Nj颗卫星在标称虚拟轨道面内的相位分布角Φj,k；
各卫星偏离标称虚拟轨道的倾斜角度Ij,k；
各卫星轨道偏离标称虚拟轨道的偏心率Ej,k；
其中所述k为大于等于1且小于等于Nj的整数。
3.根据权利要求2所述的鸟巢式星座设计方法，其特征在于，所述倾斜角
度Ij,k为5°，所述偏心率Ej,k为0.03765，卫星在所述标称虚拟轨道面内均匀分布。
4.根据权利要求1所述的鸟巢式星座设计方法，其特征在于，步骤S...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐生勇，沈晓凤，曾占魁，康志宇，肖余之，
申请(专利权)人：上海宇航系统工程研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31