一种多波束通讯卫星的可见性快速预报算法制造技术

本发明专利技术提出了一种多波束通讯卫星的可见性快速预报算法。该方法使用了适合低轨卫星在轨轨道预报的精密轨道预报器，将一天内的轨道预报精度提高到分波束可见精度0.1s量级。同时采用基于星下点轨迹地面倾角的终端临界通讯条件求解方法，该方法满足了考虑J2平均摄动的精确搜索范围，避免了工程上采用过大的经验比例系数扩大终端临界通讯条件导致的无效求解过程。最后，针对通讯卫星提出了一种基于俯仰角和方位角的多波束可见性判断函数，并使用多项式拟合的方法避免了迭代求解，在不影响精度的前提下加快了计算速度。的前提下加快了计算速度。的前提下加快了计算速度。

【技术实现步骤摘要】
一种多波束通讯卫星的可见性快速预报算法


[0001]本专利技术提供一种高精度的多波束通讯卫星的可见性快速预报算法，它涉及一种适合地面终端的快速轨道预报模型，基于星下点轨迹的地面倾角的可见范围确定方法，基于分段线性插值的多波束可见性确定方法。属于卫星通讯


技术介绍

[0002]低轨卫星一般指轨道高度在200km-2000km的卫星，低轨卫星主要用于地面目标侦察和地面终端通信。其中对于通信卫星，较低的轨道高度使其具有传输延迟短，路径损耗小的优点。低轨道卫星星座一般是指多个低轨卫星构成的可以合作完成特定任务的大型卫星系统，低轨道卫星星座是目前最具发展前景的卫星移动通信系统。高精度的可见性预报是卫星与地面终端建立通讯的关键技术之一。集成了高精度的可见性预报算法的地面终端在无人值守的情况下与卫星建立长期、稳定的数据传输通信协作任务，并且在非通讯时间通过待机实现低功耗长续航的优点。
[0003]目前对于对地成像的可见性预报已经有了很多研究，但这些研究主要集中在空间相机的成像区域建模，预报的时间精度达到秒级，对于通信卫星的分波束通信可见性预报还没有相关研究。此外，对于低轨卫星，其单波束的通讯时长只有10s-200s，为了充分利用通信资源，对于多波束通信的预报精度提出了更高的要求。由于目前的可见性预报模型并没有针对低轨卫星建立一套高精度快速轨道预报模型，限制了其可见性预报精度。
[0004]综上，基于低轨卫星通信系统具有巨大的研究与应用价值，本专利技术提出了一种多波束通讯卫星的高精度、快速可见性预报算法。<br/>
技术实现思路

[0005](一)专利技术目的
[0006]本专利技术首先推导了相对于地心地固系的轨道预报算法，然后介绍了基于星下点轨迹的地面倾角的可见范围确定方法，进一步基于分段线性插值的多波束可见性确定方法。目的在于提出了一种多波束通讯卫星的高精度、快速可见性预报算法，为构建智能化的卫星通讯终端构建提供技术支撑。
[0007](二)技术方案
[0008]本专利技术所述的多波束通讯卫星的高精度、快速可见性预报算法实施步骤如下：
[0009]步骤一：准备工作
[0010]首先推导卫星相对于地心地固系的高精度轨道预报算法：
[0011]高精度的轨道预报通常是在惯性系下对空间位置速度进行积分，并且需要使用非常复杂的力学模型，包括高阶重力场模型，三体引力模型，潮汐引力模型，大气阻力，太阳光压等。由于模型误差的存在，轨道预报的精度会随着预报时间的增加而变得越来越差，这将影响过顶时间和通讯波束预报的精度。如果使用复杂的动力学模型进行轨道预报，虽然可以降低轨道预报误差，但会占用大量的计算资源。目前很多星上自主的轨道预报器使用的
是由NORAD开发的简化常规摄动模型(SGP4)，常用的SGP4 模型预报的位置精度在10km，对于低轨卫星的可见性预报误差达到1-2s，针对更高的预报时间精度要求，本专利技术利用轨道摄动Cowell方法作为预报器，并给出了在地心地固系下轨道动力学方程。
[0012]低轨通信卫星运动微分方程：
[0013][0014]式(1)中，r是卫星位置，f是卫星受到的中心引力和各类摄动力。
[0015]低轨通信卫星在地心地固坐标系S
e
运动微分方程：
[0016][0017]式(2)中，上标e表示矢量在地心地固坐标系S
e
下的分量列阵。r
e
，分别是卫星的位置，相对S
e
的速度，相对S
e
的加速度。
[0018]分析不同类型的摄动加速度对于轨道预报的影响，确定最适合低轨卫星快速轨道预报模型：对于轨道高度大于500km的低轨卫星，可以采用9*9阶重力场模型，24 小时内的轨道预报位置误差小于1km。
[0019]采用归一化球谐项系数描述的9
×
9阶次的地球引力势：
[0020][0021]式(3)中，r，φ，λ分别表示地心距、地心纬度和地心经度，μ为地球引力常数， R
E
为地球赤道半径，和为归一化的n阶m次球谐项系数，为归一化n阶 m次缔合勒让德多项式，归一化系数
[0022]根据勒让德多项式的递归关系以及三角函数的加法定理，将上述地球引力势中的递归项结合起来(Cunningham)，地球引力势模型可以写为：
[0023][0024]式(4)中，P
nm
(sinφ)cos(mλ)，P
nm
(sinφ)sin(mλ)
[0025]低轨卫星所受的引力加速度：
[0026][0027]由于地球引力势球谐项模型的参考坐标系为地心地固系，上述地球引力加速度实际上是卫星所受的绝对加速度在地心地固坐标系下的投影，因此用于轨道动力学数值积分的相对ECEF的相对加速度可以表示成：
[0028][0029]式(6)中，上标e表示在地心地固坐标系下的分量列阵，为绝对加速度，为牵连
加速度，为科氏加速度。
[0030]简化的地球自转模型中不考虑极移和章动，认为地心地固坐标系是由地心赤道惯性系绕Z轴旋转一定的角度(格林威治赤经)得到，因此可以写出牵连加速度和科氏加速度的计算公式：
[0031][0032]a
c
＝2ω
E
×
v
r
＝[-2ω
E
v
y 2ω
E
v
x z]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0033]式(7)、(8)中，ω
E
为地球自转角速度。
[0034]然后介绍了基于星下点轨迹地面倾角的终端临界通讯条件确定方法：
[0035]假设地球是球形，低轨卫星是圆轨道，那么卫星的通讯范围是一个圆锥，在地球上的投影是一个圆，接收范围是指该投影圆的球面半径，在球面三角形中，可以用球心角表示。
[0036]如说明书附图1所示：S表示测站所在位置，M表示卫星所在位置，O表示地球球心，N为卫星M的星下点。
[0037]在三角形OSM中，由正弦定理：
[0038][0039]式(9)中，l
OM
＝|r
m
|，l
MS
＝|r
s-r
m
|，l
OS
＝R
E
+h，∠OMS＝η。
[0040]接收范围的半径：
[0041][0042]式(10)中，η是本体系下满足通讯条件的最大俯仰角。
[0043]最佳观测(通信)时刻是指卫星在终端所在的当地水平面上投影距离终端最近的一点。该点满足星下点速度方向与基线方向垂直。
[0044]如说明书附图2所示：在地心地固坐标系OXYZ中，图中N表示地球北极，S表示终端所在位置，N1表示轨道平面P1星下点轨迹上一点，O1表示N1所在纬圈平面与Z轴的交点，且满足球面大圆弧N1处的地面倾角为i
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多波束通讯卫星的可见性快速预报算法，其特征在于：其步骤如下：步骤一：准备工作给出基于分段线性插值的多波束可见性判断函数，推导了相对于地球固连系的高精度轨道预报算法，介绍了基于星下点轨迹的地面倾角的终端临界通讯条件。步骤二：低轨通信卫星的轨道参数初始化在当前通讯时刻，根据低轨卫星携带的导航接收机计算出卫星在地球固连系下的位置速度，并将其播发给地面终端。终端完成与低轨通讯卫星的时钟同步。步骤三：通讯波束、可见性预报时长、终端位置初始化根据通讯卫星的设计参数，完成多波束的俯仰角和方位角边界的初始化，并确定多波束可见性预报的总时长，默认设置成24小时。此外，由先验信息得到终端的经纬高。步骤四：计算卫星的密切轨道根数根据终端收到的低轨通信卫星在地心地固系中的位置，计算出卫星的密切轨道根数，进一步得到轨道周期与考虑J2摄动影响的升交点赤经进动角速度，得到在一个轨道周期卫星的星下点轨迹的西进经度。并计算基于星下点轨迹地面倾角的终端临界通讯条件。步骤五：预报以当前时刻为起点的第一个轨道周期内卫星位置使用考虑J2摄动影响的轨道预报方法，采用合适的计算步长，得到一系列的卫星位置...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈培，贾振俊，林俊，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：