一种同构卫星星座对地覆盖性能分析方法技术

一种同构卫星星座对地覆盖性能分析方法，涉及轨道分析技术领域，针对现有方法中获取巨型同构星座对地覆盖性能效率低的问题，利用同构星座星间相位关系恒定的特点，在由升交点赤经和纬度辐角构成的二维相空间中表征卫星的空间位置和相位关系，避免了求解周期性变化的星间距离关系；根据同构星座构型判定在二维空间中的覆盖性能分析范围，避免了对覆盖性能相似区域的重复求解和冗余的星地位置关系计算，使所述覆盖分析方法计算量不随卫星数量增加而显著增加，提高了获取巨型同构星座对地覆盖性能的效率。

【技术实现步骤摘要】
一种同构卫星星座对地覆盖性能分析方法
本专利技术涉及轨道分析
，具体为一种同构卫星星座对地覆盖性能分析方法。
技术介绍
随着卫星小型化技术和多样化发射部署技术的发展，千颗以上卫星规模的低轨巨型星座成为未来通信星座的发展趋势。SpaceX，Oneweb，Amazon等多家国内外商业航天公司均提出了利用大量低地球轨道卫星构建全球或区域覆盖的星座系统的构想。与传统全球覆盖通信星座(Iridium,Globalstar,Orbcomm)相比，低轨巨型星座具有更高的通信带宽以及更小的时延，同时单星成本以及运载成本也相对低廉。为平衡地球非球形引力摄动和环境力摄动的影响，目前提出的巨型星座均采用Walker，Polar等同构星座进行设计。由于同构星座是轨道高度和轨道倾角相同的圆轨道星座，因此摄动对于星座中所有卫星的长期影响相同，卫星间的相位关系不会随时间发生变化。同时，这类同构星座的空间构型可以由很少的设计参数决定，因此便于设计和分析。对于星座的对地覆盖分析问题，传统方法主要是将地面区域和分析时间离散化，利用不同时刻卫星与目标点之间的距离关系，代替一段时间内卫星覆盖区域和地面目标区域之间的重合关系进行求解。因此，传统覆盖分析方法需要计算所有时刻，每颗卫星与每个地面点目标间的位置关系。随着卫星数量的增加和单星覆盖范围的减小，传统求解方法的计算量和耗时将显著增长，无法迅速直观的分析巨型同构星座的覆盖性能。因此，如何快速准确的求解和分析巨型同构星座的覆盖性能，是目前需要解决的问题。
技术实现思路
>本专利技术的目的是：针对现有方法中获取巨型同构星座对地覆盖性能效率低的问题，提出一种同构卫星星座对地覆盖性能分析方法。本专利技术为了解决上述技术问题采取的技术方案是：一种同构卫星星座对地覆盖性能分析方法，包括：步骤一、在二维相空间中建立星座中所有卫星的相位映射，并根据所有卫星的相位映射的分布规律确定二维相空间中覆盖性能的分析范围，所述星座为同构星座，所述同构星座中所有卫星的轨道参数中至少轨道半长轴、轨道倾角和轨道偏心率相等，所述二维相空间为卫星的轨道参数中升交点赤经和纬度幅角构成的相位空间；步骤二、输入需要进行覆盖性能分析的地面目标所对应的经纬度坐标，并根据经纬度坐标在二维相空间中的相位映射得到相位映射点，最后获取地面目标在二维相空间中的可视卫星相位范围；步骤三、根据步骤一中覆盖性能的分析范围和步骤二中可视卫星相位范围，筛选出在二维相空间中计算覆盖性能所需的卫星；步骤四、以步骤二中的相位映射点为可视卫星相位范围平移的参考点，根据二维相空间中计算覆盖性能所需的卫星的相位将可视卫星相位范围进行平移，并保留每次平移的结果，使得可视卫星相位范围经过平移后，可视卫星相位范围基准点与二维相空间中计算覆盖性能所需的卫星的相位重合；步骤五、根据每次平移的结果计算星座对该地面目标的连续覆盖性能，具体步骤为：步骤五一：获取覆盖性能分析范围内，可视卫星相位范围平移后的重合区域；步骤五二：获取重合区域在二维相空间中的面积以及重合区域对应的重合重数；步骤五三：获取具有相同重合重数的重合区域面积之和，并得到具有相同重合重数的重合区域面积之和占覆盖性能分析范围面积之比，最后根据该面积之比得到星座的连续覆盖性能，并根据星座的连续覆盖性能得到分析结果。进一步的，所述步骤一中二维相空间中覆盖性能的分析范围满足以下条件：所述覆盖性能分析范围为二维相空间中的闭区域；所述覆盖性能分析范围仅通过平移变换实现对二维相空间的密铺，且密铺后每个单元中包含的卫星数量和卫星的相位分布均完全相同。进一步的，所述步骤二中经纬度坐标在二维相空间中的相位映射满足以下条件：Ω+＝λ-arctan(cosi·tanu)Ω-＝2λt-π-Ω+＝λ-arctan(cosi·tanu-)其中，Ω+、Ω-分别为经纬度坐标位于轨道上升段和轨道下降段的升交点赤经映射，u+、u-分别为经纬度坐标位于轨道上升段和轨道下降段的纬度幅角映射，i为同构星座中所有轨道的轨道倾角，sgn(x)表示取变量x的正负符号。进一步的，所述步骤二中地面目标在二维相空间中的可视卫星相位范围为覆盖所选地面目标经纬度的卫星的升交点赤经和维度幅角相位取值范围。进一步的，所述二维相空间中覆盖所选地面目标经纬度的卫星的相位取值范围具体获取步骤为：首先，令卫星覆盖锥的半球心角为α，当卫星可以覆盖目标时，使卫星星下点经纬度和目标经纬度满足：然后，将星下点经纬度在二维相空间中的相位映射代入上式得到目标在二维相空间中的可视卫星相位范围满足关系：在二维相空间中，若某相位属于则认为当卫星处于该相位时，能覆盖目标反之，若某相位不属于则认为卫星处于该相位时不能覆盖目标进一步的，所述步骤三中筛选出在二维相空间中计算覆盖性能所需的卫星的具体步骤为：根据步骤一中确定的二维相空间中覆盖性能的分析范围，在二维相空间中寻找一闭区域，使得闭区域满足：所述闭区域上边界与覆盖性能分析范围上边界的距离，等于地面目标相位映射到可视卫星相位范围下边界的距离；所述闭区域下边界与覆盖性能分析范围下边界的距离，等于地面目标相位映射到可视卫星相位范围上边界的距离；所述闭区域左边界与覆盖性能分析范围左边界的距离，等于地面目标相位映射到可视卫星相位范围右边界的距离；所述闭区域右边界与覆盖性能分析范围右边界的距离，等于地面目标相位映射到可视卫星相位范围左边界的距离；星座中卫星相位被二维相空间中上述闭区域所包含的卫星，即为所筛选出的卫星的结果；所述地面目标相位映射到可视卫星相位范围上边界的距离、地面目标相位映射到可视卫星相位范围下边界的距离、地面目标相位映射到可视卫星相位范围右边界的距离和地面目标相位映射到可视卫星相位范围左边界的距离根据步骤二中经纬度坐标在二维相空间中的相位映射以及地面目标在二维相空间中的可视卫星相位范围得到。进一步的，所述步骤四中根据二维相空间中计算覆盖性能所需的卫星的相位将可视卫星相位范围进行平移的具体步骤为：首先，在二维相空间中分别计算可视卫星相位范围平移的参考点到步骤三中筛选出的所有的卫星的相位的距离矢量；然后，将可视卫星相位范围在二维相空间中分别平移上述所有距离矢量后得到的范围区域作为平移结果。进一步的，所述二维相空间中的任意相位坐标表征的空间位置与所有映射关系，与该相位坐标沿相空间坐标轴方向平移周期常数值的整数倍距离后，所得坐标表征的空间位置与所有映射关系相同。进一步的，所述周期常数值为2π。本专利技术的有益效果是：利用同构星座星间相位关系恒定的特点，在由升交点赤经和纬度辐角构成的二维相空间中表征卫星的空间位置和相位关系，避免了求解周期性变化的星间距离关系；根据同构星座构型判定在二维空间中的覆盖性能分析范围，避免了对覆盖性能相似区域的重复求解和冗余的星地位置关系计算本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种同构卫星星座对地覆盖性能分析方法，其特征在于包括：/n步骤一、在二维相空间中建立星座中所有卫星的相位映射，并根据所有卫星的相位映射的分布规律确定二维相空间中覆盖性能的分析范围，所述星座为同构星座，所述同构星座中所有卫星的轨道参数中至少轨道半长轴、轨道倾角和轨道偏心率相等，所述二维相空间为卫星的轨道参数中升交点赤经和纬度幅角构成的相位空间；/n步骤二、输入需要进行覆盖性能分析的地面目标所对应的经纬度坐标，并根据经纬度坐标在二维相空间中的相位映射得到相位映射点，最后获取地面目标在二维相空间中的可视卫星相位范围；/n步骤三、根据步骤一中覆盖性能的分析范围和步骤二中可视卫星相位范围，筛选出在二维相空间中计算覆盖性能所需的卫星；/n步骤四、以步骤二中的相位映射点为可视卫星相位范围平移的参考点，根据二维相空间中计算覆盖性能所需的卫星的相位将可视卫星相位范围进行平移，并保留每次平移的结果，使得可视卫星相位范围经过平移后，可视卫星相位范围基准点与二维相空间中计算覆盖性能所需的卫星的相位重合；/n步骤五、根据每次平移的结果计算星座对该地面目标的连续覆盖性能，具体步骤为：/n步骤五一：获取覆盖性能分析范围内，可视卫星相位范围平移后的重合区域；/n步骤五二：获取重合区域在二维相空间中的面积以及重合区域对应的重合重数；/n步骤五三：获取具有相同重合重数的重合区域面积之和，并得到具有相同重合重数的重合区域面积之和占覆盖性能分析范围面积之比，最后根据该面积之比得到星座的连续覆盖性能，并根据星座的连续覆盖性能得到分析结果。/n...

【技术特征摘要】
1.一种同构卫星星座对地覆盖性能分析方法，其特征在于包括：
步骤一、在二维相空间中建立星座中所有卫星的相位映射，并根据所有卫星的相位映射的分布规律确定二维相空间中覆盖性能的分析范围，所述星座为同构星座，所述同构星座中所有卫星的轨道参数中至少轨道半长轴、轨道倾角和轨道偏心率相等，所述二维相空间为卫星的轨道参数中升交点赤经和纬度幅角构成的相位空间；
步骤二、输入需要进行覆盖性能分析的地面目标所对应的经纬度坐标，并根据经纬度坐标在二维相空间中的相位映射得到相位映射点，最后获取地面目标在二维相空间中的可视卫星相位范围；
步骤三、根据步骤一中覆盖性能的分析范围和步骤二中可视卫星相位范围，筛选出在二维相空间中计算覆盖性能所需的卫星；
步骤四、以步骤二中的相位映射点为可视卫星相位范围平移的参考点，根据二维相空间中计算覆盖性能所需的卫星的相位将可视卫星相位范围进行平移，并保留每次平移的结果，使得可视卫星相位范围经过平移后，可视卫星相位范围基准点与二维相空间中计算覆盖性能所需的卫星的相位重合；
步骤五、根据每次平移的结果计算星座对该地面目标的连续覆盖性能，具体步骤为：
步骤五一：获取覆盖性能分析范围内，可视卫星相位范围平移后的重合区域；
步骤五二：获取重合区域在二维相空间中的面积以及重合区域对应的重合重数；
步骤五三：获取具有相同重合重数的重合区域面积之和，并得到具有相同重合重数的重合区域面积之和占覆盖性能分析范围面积之比，最后根据该面积之比得到星座的连续覆盖性能，并根据星座的连续覆盖性能得到分析结果。


2.根据权利要求1所述的一种同构卫星星座对地覆盖性能分析方法，其特征在于所述步骤一中二维相空间中覆盖性能的分析范围满足以下条件：
所述覆盖性能分析范围为二维相空间中的闭区域；
所述覆盖性能分析范围仅通过平移变换实现对二维相空间的密铺，且密铺后每个单元中包含的卫星数量和卫星的相位分布均完全相同。


3.根据权利要求2所述的一种同构卫星星座对地覆盖性能分析方法，其特征在于所述步骤二中经纬度坐标在二维相空间中的相位映射满足以下条件：



Ω+＝λ-arctan(cosi·tanu)



Ω-＝2λt-π-Ω+＝λ-arctan(cosi·tanu-)
其中，Ω+、Ω-分别为经纬度坐标位于轨道上升段和轨道下降段的升交点赤经映射，u+、u-分别为经纬度坐标位于轨道上升段和轨道下降段的纬度幅角映射，i为同构星座中所有轨道的轨道倾角，sgn(x)表示取变量x的正负符号。


4.根据权利要求3所述的一种同构卫星星座对地覆盖性能分析方法，其特征在于所述步骤二中地面目标在二维相空间中的可视卫星相位范围为覆盖所选地面目标经纬度的卫星的升交点赤经和维度...

【专利技术属性】
技术研发人员：张世杰，龚宇鹏，彭璇，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23