一种低轨卫星星座阵列天线共视方法及系统技术方案

一种低轨卫星星座阵列天线共视方法及系统，首先，低轨卫星星座每颗卫星均配置频段相同、空域覆盖能力相当的阵列天线；低轨卫星星座每颗卫星的星上时间同步，即工作在同一时统状态下；地面根据低轨卫星星座每颗卫星的轨道、构型和阵列天线空域覆盖能力，计算卫星处于不同轨道段、不同天线指向角时，为使星座对地覆盖共视范围最大，每颗卫星阵列天线指向角度需修正的角度值，并通过测控链路上注至卫星；最后，每颗卫星的波束控制模块根据阵列天线修正后的优化指向角度，设置各阵元信号延迟和衰减，实现天线指向调整，实现共视范围最大。本发明专利技术能够增大低轨卫星星座对地覆盖共视范围，提高低轨卫星星座中多星协同工作效率。提高低轨卫星星座中多星协同工作效率。提高低轨卫星星座中多星协同工作效率。

【技术实现步骤摘要】
一种低轨卫星星座阵列天线共视方法及系统


[0001]本专利技术属于卫星遥感
，尤其涉及一种低轨卫星星座阵列天线共视方法及系统。
技术背景
[0002]低轨卫星星座由在同一轨道高度上分布的多颗遥感卫星组成，在轨道面上密集分布，同时对地面快速大范围遥感观测，且星间协同配合工作，实现卫星组网观测，在对地观测领域扮演了十分重要的角色。作为高精度的对地观测平台，低轨卫星被广泛应用于网络通讯、海洋测高、重力场反演、大气监测等众多工程及科学领域，保障了日常环境探测的空间数据需求，发挥了巨大的作用。近年来伴随着全球通讯、科学研究等需求的急剧增加，众多低轨星座计划如雨后春笋般出现，例如美国的Oneweb、铱星(Iridium)、SpaceX，中国的鸿雁、虹云和CentiSpace，韩国的Samsung等。目前，大型低轨互联网星座已经成为国内外发展的前沿与热点。
[0003]传统的面天线方向图不易控制，工作带宽较窄；平板天线和螺旋天线增益系数低，方向图不能自适应调整；单天线方向图不易控制，增益较低，极化特性及带宽特性也往往不能满足遥感卫星发展需要。阵列天线指的是在一定环境中，把多个单天线按照一定规律进行排列组成的天线系统。相比于上述传统天线结构，阵列天线能够获得更大的信号增益，并能更有效控制传输信号的主瓣方向以及抑制干扰和噪声，且可以通过调整各天线单元的馈电方式来实现特定的方向图、极化特性及带宽特性。因此，阵列天线在雷达、无线电通信、导航等诸多领域得到了广泛地应用和快速的发展，并逐渐应用于遥感卫星领域。
[0004]阵列天线增益较高，但波束宽度较小，瞬时对地覆盖范围有限。对于低轨卫星星座，多星间阵列天线共视问题直接影响星间协同配合工作的效率，对于这方面的研究，国内外研究资料较少。
[0005]现有的低轨卫星星座大部分未对多星间天线共视问题提供解决方法，一方面，星上配置的天线多为单天线，瞬时覆盖范围较大，甚至瞬时可覆盖全空域，不存在天线共视问题；另一方面，低轨卫星星座未对天线共视问题进一步处理，无法对非共视区域进行多星协同配合任务，增加了空域扫描时间，多星协同工作效率较低。

技术实现思路

[0006]本专利技术解决的技术问题是：针对低轨卫星星座中卫星阵列天线具有的瞬时空域覆盖有限、星间共视效率低等问题，提出了一种低轨卫星星座阵列天线共视方法，通过预先计算卫星处于不同轨道段时，为使星座阵列天线共视范围最大，每颗卫星阵列天线指向角度需修正的角度值，并通过波束控制模块实现波束指向修正，提高低轨卫星星座中多星协同工作效率。
[0007]本专利技术的技术方案为：一种低轨卫星星座阵列天线共视方法，包括：
[0008](1)为低轨卫星星座中的每颗卫星均配置频段相同、空域覆盖能力相同的阵列天
线，并指定其中一颗卫星作为基准星；
[0009](2)对低轨卫星星座中的每颗卫星进行时间同步，使得每颗卫星均工作在同一时间系统下；
[0010](3)对于低轨卫星星座中的基准星，将其在一个轨道周期内的运行轨道划分成不同的轨道段；并根据任务需求设置卫星对地遥感区域，确定低轨卫星星座每颗卫星的阵列天线初始指向角度，设定基准星的阵列天线保持初始指向角度不变；
[0011](4)确定基准时间T0，并实时获取低轨卫星星座中每颗卫星的星上时间T
utc
，根据所述星上时间T
utc
以及基准时间T0，确定每颗卫星所处的轨道位置；
[0012](5)对于低轨卫星星座中除基准星之外的每颗卫星，根据卫星构型、阵列天线的工作频段以及初始指向角度，以该卫星的阵列天线与基准星处于不同轨道段时的阵列天线对地共视面积最大为目标，求取该卫星位于不同轨道位置时其阵列天线的优化指向角度；
[0013](6)对于低轨卫星星座中的除基准卫星之外的每颗卫星，根据基准星所处的轨道段，分别调整其搭载的阵列天线的指向，使得阵列天线的指向均为优化指向角度。
[0014]进一步的，步骤(3)中，所述对于低轨卫星星座中的基准星，将其一个轨道周期内的运行轨道划分成不同的轨道段，其包括：首先按卫星升轨或降轨，以及卫星对地投影的星下点纬度将卫星轨道任意划分为多段，根据基准星的轨道确定卫星轨道周期，进而确定卫星在一个轨道周期内每个轨道段的时间区间，进而根据该时间区间确定卫星进入和退出各段的对应时间。
[0015]进一步的，步骤(4)中，所述根据所述星上时间T
utc
以及基准时间T0，确定每颗卫星所处的轨道位置，具体为：
[0016]对于基准星轨道周期R，将任一星上时间T
utc
归一化至一个轨道周期内的时间t，表示为
[0017]T
utc
≥T0时，t＝(T
utc
‑
T0)％R；
[0018]T
utc
<T0时，t＝|T
utc
+k*R
‑
T0|％R，其中k＝(T0‑
T
utc
)/R向上取整；
[0019]归一化时间t位于第m个轨道段，即t
m,s
<t<t
m,e
，t
m,s
表示进入第m个轨道段的星上时间，t
m,e
表示退出第m个轨道段的星上时间。
[0020]进一步的，步骤(5)中，所述求取该卫星位于不同轨道位置时其阵列天线的优化指向角度，具体为：
[0021]设定当前待修正的卫星的初始指向角度与基准星的初始指向角度相同，并将此时的共视面积作为寄存值；
[0022]以指定的搜索步长遍历搜索阵列天线指向修正角度的取值范围，计算某一天线指向修正角度对应的共视面积，将其与寄存值相比较，将二者中的较大值作为新的寄存值；遍历结束后，将最新的寄存值对应的指向修正角度与当前待修正的卫星的初始指向角度求和，得到修正后的阵列天线优化指向角度。
[0023]进一步的，步骤(1)中，所述指定低轨卫星星座中一颗卫星作为基准卫星，具体为：选取低轨卫星星座布局中心的卫星为基准星。
[0024]进一步的，步骤(6)中，所述分别调整其搭载的阵列天线的指向，具体为：
[0025]根据阵列天线优化指向角度、波束合成控制表设置阵列天线各阵元信号的延迟和衰减，由天线各阵元信号的场强辐射方向图加权求和得到优化后的阵列天线方向图，从而
实现天线指向调整。
[0026]一种低轨卫星星座阵列天线共视系统，包括：低轨卫星星座、低轨卫星星座任务管理模块、卫星阵列天线优化指向角度确定模块、卫星阵列天线指向角度修正模块；其中，
[0027]低轨卫星星座每颗卫星均具有频段相同、空域覆盖能力相同的阵列天线；星座每颗卫星的星上时间同步，工作在同一时统状态下；其中一颗卫星为基准星；
[0028]低轨卫星星座任务管理模块，将基准星一个轨道周期内的运行轨道划分成不同的轨道段；并根据任务需求设置卫星本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低轨卫星星座阵列天线共视方法，其特征在于，包括：(1)为低轨卫星星座中的每颗卫星均配置频段相同、空域覆盖能力相同的阵列天线，并指定其中一颗卫星作为基准星；(2)对低轨卫星星座中的每颗卫星进行时间同步，使得每颗卫星均工作在同一时间系统下；(3)对于低轨卫星星座中的基准星，将其在一个轨道周期内的运行轨道划分成不同的轨道段；并根据任务需求设置卫星对地遥感区域，确定低轨卫星星座每颗卫星的阵列天线初始指向角度，设定基准星的阵列天线保持初始指向角度不变；(4)确定基准时间T0，并实时获取低轨卫星星座中每颗卫星的星上时间T
utc
，根据所述星上时间T
utc
以及基准时间T0，确定每颗卫星所处的轨道位置；(5)对于低轨卫星星座中除基准星之外的每颗卫星，根据卫星构型、阵列天线的工作频段以及初始指向角度，以该卫星的阵列天线与基准星处于不同轨道段时的阵列天线对地共视面积最大为目标，求取该卫星位于不同轨道位置时其阵列天线的优化指向角度；(6)对于低轨卫星星座中的除基准卫星之外的每颗卫星，根据基准星所处的轨道段，分别调整其搭载的阵列天线的指向，使得阵列天线的指向均为优化指向角度。2.根据权利要求1所述的低轨卫星星座阵列天线共视方法，其特征在于：步骤(3)中，所述对于低轨卫星星座中的基准星，将其一个轨道周期内的运行轨道划分成不同的轨道段，其包括：首先按卫星升轨或降轨，以及卫星对地投影的星下点纬度将卫星轨道任意划分为多段，根据基准星的轨道确定卫星轨道周期，进而确定卫星在一个轨道周期内每个轨道段的时间区间，进而根据该时间区间确定卫星进入和退出各段的对应时间。3.根据权利要求2所述的低轨卫星星座阵列天线共视方法，其特征在于：步骤(4)中，所述根据所述星上时间T
utc
以及基准时间T0，确定每颗卫星所处的轨道位置，具体为：对于基准星轨道周期R，将任一星上时间T
utc
归一化至一个轨道周期内的时间t，表示为T
utc
≥T0时，t＝(T
utc
‑
T0)％R；T
utc
<T0时，t＝|T
utc
+k*R
‑
T0|％R，其中k＝(T0‑
T
utc
)/R向上取整；归一化时间t位于第m个轨道段，即t
m,s
<t<t
m,e
，t
m,s
表示进入第m个轨道段的星上时间，t
m,e
表示退出第m个轨道段的星上时间。4.根据权利要求3所述的低轨卫星星座阵列天线共视方法，其特征在于：步骤(5)中，所述求取该卫星位于不同轨道位置时其阵列天线的优化指向角度，具体为：设定当前待修正的卫星的初始指向角度与基准星的初始指向角度相同，并将此时的共视面积作为寄存值；以指定的搜索步长遍历搜索阵列天线指向修正角度的取值范围，计算某一天线指向修正角度对应的共视面积，将其与寄存值相比较，将二者中的较大值作为新的寄存值；遍历结束后，将最新的寄存值对应的指向修正角度与当前待修正的卫星的初始指向角度求和，得到修正后的阵列天线优化指向角度。5.根据权利要求4所述的低轨卫星星座阵列天线共视方法，其特征在于：步骤(1)中，所述指定低轨卫星星座中一颗卫星作为基准卫星，具体为：选取低轨卫星星座布局中心的卫星为基准星。6.根据权利要求5所述的低轨卫星星座阵列天线共视方法，其特征在于：步骤(6)中，所
述分别调整其搭载的阵列天线的指向，具体为：根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵心悦，刘航，柳毅，周驰，
申请(专利权)人：航天东方红卫星有限公司，
类型：发明
国别省市：