一种星载高度计沿轨向梳状星座的星间采样间隔设计方法技术

星间采样间隔的设计是沿轨向梳状星座设计的重要环节。由于地球自转，星座中相邻卫星的星下点轨迹不完全重合，而是具有一定的间距，称为星间采样间隔。星间采样间隔可以通过改变卫星间沿轨道的偏移来调节，并且会随着星下点纬度的变化而变化。本发明专利技术提供一种针对星载高度计沿轨向梳状星座的星间采样间隔设计方法，该方法明确了星间采样间隔设计的目标，将需要考虑的问题量化为3个约束条件，并且给出了具体的计算方法。该方法计算得到的星间采样间隔范围保证了星座具有较好的空间采样性能和相对SSH测量精度。能和相对SSH测量精度。能和相对SSH测量精度。

【技术实现步骤摘要】
一种星载高度计沿轨向梳状星座的星间采样间隔设计方法


[0001]本专利技术属于星载高度计星座设计领域，尤其涉及针对沿轨向梳状星座的星间采样间隔设计方法。

技术介绍

[0002]高度计星座由多个星载高度计单独或者联合工作形成。与单个高度计相比，高度计星座能够以更低的成本来获得更好的性能，包括更好的时间/空间采样性能、更高的相对海面高度(SSH)测量精度等，这将有助于对海洋的亚中尺度结构进行观测。
[0003]梳状星座是将若干相同的卫星按梳齿状均匀排列形成的典型的高度计星座。由于所有卫星都是相同的并且独立工作，因此整个系统的构建和维护相对简单，应用技术也更加成熟。对于沿轨向梳，所有卫星处于同一轨道平面上，只有沿轨道的偏移。与交轨向梳相比，沿轨向梳在一开始就更容易实现编队，因为如果有足够的飞行时间，在沿轨向形成星座所需要的推进剂方面的轨道控制工作要少得多。
[0004]星间采样间隔的设计是沿轨向梳状星座设计的重要环节。由于地球自转，星座中相邻卫星的星下点轨迹不完全重合，而是具有一定的间距，称为星间采样间隔。星间采样间隔可以通过改变卫星间沿轨道的偏移来调节，并且会随着星下点纬度的变化而变化。
[0005]设计星间采样间隔需要考虑多个问题。空间采样性能方面，需要保证幅宽不过宽，避免同一纬度相邻的两次测量的覆盖范围重合。相对SSH精度方面，由于相对SSH和误差项都受到星间采样间隔大小的影响，精度随着星间采样间隔的变化而变化。为了满足海洋中小尺度观测要求，需要星间采样间隔足够小，又要保证中小尺度海洋信号被采样观测且不被观测噪声淹没。目前还没有针对这些问题的星载高度计沿轨向梳状星座星间采样间隔设计方法。

技术实现思路

[0006]为解决上述问题，本专利技术提供一种针对星载高度计沿轨向梳状星座的星间采样间隔设计方法，该方法明确了星间采样间隔设计的目标，将需要考虑的问题量化为3个约束条件，并且给出了具体的计算方法。该方法计算得到的星间采样间隔范围保证了星座具有较好的空间采样性能和相对SSH测量精度。
[0007]本专利技术的星载高度计沿轨向梳状星座的星间采样间隔设计方法包括：
[0008]步骤1，对星下点轨迹进行分析，明确设计目标为确定赤道处星间采样间隔的大小。以下都是分析赤道附近的星间采样间隔d
c
。
[0009]步骤2，计算约束条件1：幅宽不超过单星全局采样间距。设地球半径为R
e
，沿轨向梳状星座的卫星数量为N，单星的3dB足迹大小为d
f
，星座轨道的回归圈数为n
r
，则有
[0010][0011]步骤3，计算相对SSH信号能量
‑
d
c
曲线。对于相距d
c
的2个测量点，相对SSH信号的能
量E
ΔSSH
就是其方差利用全球SSH数据，选取赤道附近的方形目标区域来估计SSH的自相关函数A
s
(d
c
)和均值μ
SSH
。然后计算模型参数和d0。根据近似模型来计算相对SSH信号方差。
[0012][0013][0014][0015]步骤4，计算相对SSH误差能量
‑
d
c
曲线。对于相距d
c
的2个测量点，相对SSH误差的能量E
e
就是其方差已知各项误差的空间幂律谱S
i
(k
s
)、绝对误差设A
R i
(d
c
)为各项误差空间自相关函数，为各项相对误差的方差。计算方法为
[0016]A
R,i
(d
c
)＝IFFT[S
i
(k
s
)] (5)
[0017][0018][0019]其中对于空间不相关误差项的需要单独考虑。
[0020]步骤5，计算约束条件2和3。约束条件2：能量比大于3dB。约束条件3：星间采样间隔不大于能量比随着星间采样间隔变化增加的拐点。分别选择合适的信号模型参数计算能量比，然后计算约束条件。
附图说明
[0021]图1为本专利技术提出方法的流程示意图；
[0022]图2为星间采样间隔随纬度幅角变化示意图(10km@赤道)；
[0023]图3为用于信号模型参数估计的SSH数据；
[0024]图4为信号模型参数估计的结果；
[0025]图5为各项相对SSH误差与星间采样间隔的函数关系；
[0026]图6为约束条件2的临界点计算结果；
[0027]图7为约束条件3的临界点计算结果。
具体实施方式
[0028]本专利技术的整体处理流程如图1所示。首先对星下点轨迹进行分析，得到星间采样间隔随星下点纬度的变化规律，明确设计目标为确定赤道处星间采样间隔的大小。然后，分别从空间采样性能和相对SSH测量精度两个方面，提出了星间采样间隔设计中的共计3个约束条件。空间采样性能方面，为了避免同一纬度相邻的两次测量的覆盖范围重合，需要令星座幅宽不超过单星全局采样间距，作为约束条件1。相对SSH精度方面，给出精度的量化指标，
即相对SSH信号和相对SSH测量误差的能量比，其随星间采样间隔变化而变化。为了满足海洋亚中尺度观测要求，需要星间采样间隔足够小，又要保证海洋信号不被观测噪声信号淹没，所以将能量比大于3dB作为约束条件2。达到能量比随着星间采样间隔变化增加的拐点后，相对SSH精度不再提高，所以将拐点作为约束条件3的临界点。
[0029]下面结合附图对本专利技术进行详细论述。
[0030]步骤1，对星下点轨迹进行分析，明确设计目标。
[0031]将卫星轨道近似为圆轨道，并且已知轨道平面的倾角为θ
I
，地球近似为理想球体，设半径为R
e
，自转的角速度为ω
e
，沿轨向梳状星座中相邻两颗卫星的星下点经过同一纬度的时间差始终不变，设为Δt，纬度为lat处的星间采样间隔为d
c
，赤道处为d
c0
。星间采样间隔由地球自转引起，所以有
[0032]d
c
＝ω
e
R
e
cos(lat)Δt (8)
[0033]d
c0
＝ω
e
R
e
Δt (9)
[0034]得到
[0035]d
c
＝d
c0
cos(lat),|lat|≤min{θ
I
,180
°‑
θ
I
} (10)
[0036]星间采样间隔随纬度幅角变化的关系如图2所示。对于高度计卫星，倾角θ
I
一般接近90度，这意味着星间采样间隔随着纬度变化，在d
c0
到接近0之间变化。同时，一旦确本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种星载高度计沿轨向梳状星座的星间采样间隔设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1，对星下点轨迹进行分析，明确设计目标；步骤S2，计算约束条件1：幅宽不超过单星全局采样间距；步骤S3，计算相对SSH信号能量
‑
d
c
曲线；步骤S4，计算相对SSH误差能量
‑
d
c
曲线；步骤S5，计算约束条件2：能量比大于3Db；计算约束条件3：星间采样间隔不大于能量比随着星间采样间隔变化增加的拐点。2.如权利要求1所述的一种星载高度计沿轨向梳状星座的星间采样间隔设计方法，其特征在于：所述步骤S1中，将卫星轨道近似为圆轨道，并且已知轨道平面的倾角为θ
I
，地球近似为理想球体，设半径为R
e
，自转的角速度为ω
e
，沿轨向梳状星座中相邻两颗卫星的星下点经过同一纬度的时间差始终不变，设为Δt，纬度为lat处的星间采样间隔为d
c
，赤道处为d
c0
；星间采样间隔由地球自转引起，所以有d
c
＝ω
e
R
e
cos(lat)Δtd
c0
＝ω
e
R
e
Δt得到d
c
＝d
c0
cos(lat),|lat|≤min{θ
I
,180
°‑
θ
I
}。3.如权利要求1所述的一种星载高度计沿轨向梳状星座的星间采样间隔设计方法，其特征在于：所述步骤S2中，设沿轨向梳状星座的卫星数量为N，幅宽为l，单星的3dB足迹大小为d
f
，则有l＝(N
‑
1)d
c
+d
f
设星座轨道的回归圈数为n
r
，单星的全局采样间距为d
g
，则有根据约束条件l≤d
g
，得到4.如权利要求1所述的一种星载高度计沿轨向梳状星座的星间采样间隔设计方法，其特征在于：所述步骤S3中，设赤道附近两点的SSH分别为SSH1和SSH2，假设赤道附近某一区域内的SSH是空间和时间上的二阶平稳过程，且均值为μ
SSH
，则相对SSH信号为ΔSSH＝SSH2‑
SSH1；由于SSH1和SSH2之间具有相关性，所以对ΔSSH的能量E
ΔSSH
需要进行具体的分析：E
ΔSSH
＝E(ΔSSH2)＝E[(SSH2‑
SSH1)2]＝var(SSH2‑
SSH1)+E2(SSH2‑
SSH1)＝var(SSH2‑
SSH1)
将两点距离d
c
时的var(SSH2‑
SSH1)记作给出其近似关系式：其中，表示两点距离足够远后，SSH不相关时ΔSSH的方差，d0则影响了相关性随d
c
变化下降的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李元昊，祁实，付嘉瑜，陈志扬，胡程，
申请(专利权)人：北京理工大学前沿技术研究院，
类型：发明
国别省市：