《区域导航卫星系统的星座设计与比较》由会员分享，可在线阅读，更多相关《区域导航卫星系统的星座设计与比较（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第卷第期 望赵年抢月飞行器测控学报。哭珍 区域导航卫星系统的星座设计与比较王莉北京跟踪与通信技术研究所北京兀目摘要区域卫星导航系统因其能以较低的建设成本为特定地区提供连续、全天候高精度导航定位服务而受到越来越多的国家和地区的关注。区域导抗定位星座设计通常最关 注的 问题是以最少数量的卫星获得最佳的星座位即值。本文从降低工程建设的技术复杂度和 系统成本的角度出发,设计了多种区域导抗系统的星座,比较了各星座的几何特性、链路电平变化、天线波束、轨道星独时间、软道保持等因素,提出了 区域卫星导航系统的最优星座设计 方案。主题词区域导航星座设计引言卫星导航定位系统,无论是对于军用还是民用,都越来越显示出
2、它 的重要性。鉴于玲和刀均为军用 系统,人们在对其进行开发利用的同时,会或多或少地受到某些约束和限制,因而许多国家和地区已开始着手研究建设完全 自主的卫星导航定位系统。由于全球导航系统的建设和维持费用均十分昂贵,对于以 区域应用为目的 的系统而言,建立区域型卫星导航系统是比较经济和现实的选择。建设区域卫星导航系统,首先需解决最优星座设计问题。星座设计涉及许多因素,如卫星的轨道、星座中卫星的总数、轨道面数目及分布规律、每个轨道面上的卫星数目及卫星 间相对位置关系、相邻两轨道面上卫星的相对位置关系等等。所有卫星的轨道高度、倾角及偏心率完全相同,轨道面和卫星呈等间隔分布的星座称为对称性星座,星座 中
3、包含不同轨道特性的卫 星,称为复杂星座。从恤玫沮以玩记、凡橱、压汕等著名学者,先后研究了单星或多星对全球或带状区域持续覆盖的对称性星座,定义了著名的星形星座、星座、蔷薇星座等等,并从几何学的角度,解决了这些星座所需的最少卫星数目以及卫星在星座 中的最佳分布问题,形成了经典的星座设计方法。随着卫星导航和卫星通信技术的飞速发展,对星座设计技术提出 了越来越高的要求。现代星座设计,除了要满足基本的覆盖要求外,还需考虑许多工程实际问题,如 当有。颗卫星失效时星座的稳健性、系统的总成本、卫星设计和研制费用、卫星和地面站的共视情况、服务有效性和卫星可靠性、发射支持和在轨操作、生产合同、系统的管理和维持费用
4、等一系列问题。另外,根据不 同应用需求,星座中可能需要包含多种具有不同轨道特性的卫星,因而对复杂星座的设计需求和设计方法研究成为星座设计的新热点。本文为卯浏控年会优秀论文。飞行器测控学报第卷轨道考虑全球导航定位系统的卫星轨道,不论采用低、中、高轨卫星,通常均采用圆形轨道,如子午仪系统、和以刀等等。因为圆轨能够保证卫星运行到任何位置时,离地高度及对地面的夜盖面积基本不变,覆盖区内用户收到信号 的强度也大致相等。区域导航系统与全球导航系统有所不 同,其设计难度更大,所要考虑的问题更多。区域导航系统强调的是对指定区域的连续覆盖,而对非指定区域的覆盖应尽可能小,这样有利于提高卫星利用率。因此,卫星轨道
5、就不一定选择圆形轨道,轨道面和卫星也不一定呈均匀分布。自年代起,针对区域移动通信卫星系统,许多国家和地区的航天研究机构对非静止卫星轨道进行了大量的研究,所研究的轨道对区域导航定位系统有很好的借鉴作用。这里选择了几种典型轨道,作为我们星座设计的研究对象。轨道指具有一定倾角的地球同步圆形轨道,其星下点轨迹如图轨道主要参数列于表,下同。叭心冻结轨道指具有一定倾角和偏心率的同步椭圆轨道图。意大利空 间局曾提出利用三颗地球静止卫星加两颗冻结轨道卫星构成区域卫星导航系统的方案设想欧空局在研究移动卫星通信计划时,也曾将冻结轨道列人研究对象。辉辉声、刹刹忿忿然然然然然然然茄军之一一一 乒乒乒乒乒乒乒蒸军军盯盯
6、一哺哺、硕硕羚羚服服戮 人人少少丫 、八八气气卜、一 酬酬俏俏散散不不, ,厂厂厂厂厂 厂厂厂厂厂厂厂厂久产户户洲洲一一尸尸一一一沐、义义二夕海发一只一方一一 叫叫叫叫一一一一霍霍、甲一一一一一 几几止生一矿矿矿矿日日乡翻荞了了又二芝芝封封咬咬门尸,勺, ,几几几几璧璧璧璧璧璧璧璧璧璧璧亏 牙牙户户乡产阅阅群哭哭哭哭哭哭 交交交令令才才黑黑稀气气纂厂厂、气气气,口口人 州州、卜卜少少少卫卫少少了了一一碌止止火一一缪互互三二二一一二蛋一门门一一招夔一一钊钊魂的幻七幻印加印一幻七即印即圈】仪姆轨道显座配里示意圈图冻结轨道且座配里示意圈抽那近圆地迹 轨道指星下点轨迹为近 圆形的倾斜椭圆同步轨道图。轨
7、道指周期为小时、具有特定倾角和偏心率的大椭圆轨道图。若设计为北半球提供服务的星座,则适当选择远地点,可使卫星具有北半球可见时间长,卫星利用率高,高纬度地区仰角较高护等特点,常作为区域性卫星通信系统和导航定位系统星座设计的研究对象。世界上最早的国内卫星通信系统一一前苏联的闪电加通信卫星系统就采用这种轨道,因而凡符合这些条件的轨道按此命名为山轨道。欧空局的移动卫星通信计划,也研究了如图所示 的轨道。幻训轨道又称持续环轨道,其轨道具有非地球静止卫星持续 占据准静止轨道环之特点。我们选用了两种众姗轨道如叩璐一轨道,周期为小时,远地点高度约为,回归周期为天,其星下点轨迹参见 图。该轨道在一个回归周期 内
8、,其星下点轨迹纵五个均匀分布的准静止轨道环顺序覆盖整个北半球,且在高纬度区具有较好的仰角灯孙,适用于覆盖北半球高纬第期王莉区域导航卫星系统的星座设计与比较度地区的通信系统星座设计。欧洲的陆地移动通信系统拟采用由颗洲叩础一工卫星组成的星座。汽多蔺蔺衬衬公公,盆二二 瞩瞩瞩瞩龙龙龙龙龙龙龙龙龙咤咤咤咤咤咤咤未 扁菠菠蒸蒸蒸蒸蒸蒸蒸蒸蒸蒸蒸蒸蒸蒸朽朽朽一产卜二一口口口口 入入、护才才、近近答答罐罐碧一一飞飞啄啄啄啄啄啄一一 夕夕一一一胃一一户户飞沁沁 爆爆羚公公长长长长, , , , , , 二二二一斗一一、片二二巨多二二一一一侧一、一运勿飞季季嘴嘴簇簇,孟阅三拼、 墉墉墉墉墉墉墉墉墉墉荞茸茸、一森
9、森凡凡凡凡么么么么么么么么尸传传传传习习一六六一 喊喊盯亡亡料料曦曦酬一一一一入入入入入入升, ,群群群对、块块 浑浑 芍福福 哗哗哗奋拼火、叫叫火火一工工一夕丈丈一产一一一一尸尸尸尸尸尸尸尸尸一乙乙一一一一叼一曰一印,加书幻,为圈近团地迹轨道星座配示愈图圈吻软道星座配里示意圈洲甲一轨道,周期为小时,其星下点轨迹与加轨道的非常相近图。这种轨道的卫星用以地轴为中心的两个准静止环顺序筱盖北半球上空东西对称的两个固定地区。欧空局的刃曾考虑采用该轨道的星座。这种轨道也可用于高纬度区的卫星通,例如西德联邦邮电部的卫星通信系统。江介均一一一镬镬屯滚滚州州州州两雪雪一一一一仁仁祥祥汽汽丫丫、 火火人 、气气
10、厅厅厅厅厅厅 拼拼扮二二叹叹尸、火火 乙乙蛋一一认一一一, ,二二二二远远一一一司司扮扮研研、一,七招招添添添添添一城洲砂州州 沪沪沪酬腻腻才下下 潇潇。一樱樱盆沂沂 饵饵饵饵饵丁丁 犯犯义义丫丫曰国国一一一一争争老戛二虱虱虱虱虱虱虱虱一一气浮一一 哥哥哥了了衬衬碾碾矛矛厂笼二翻翻翻翻翻乌乌乌尸叹叹叹叹叹 人爆爆万万抖抖抖抖一一八八户户绮性性 刀刀、一一二州州州州州州州州沙沙 戈戈戈卜之贬贬绘匕乡乡一工一一匕万之一一一夕夕夕夕夕夕夕夕夕夕夕夕夕夕夕夕夕夕夕夕夕一、之一 之之兰竺一一一下二之之之之之之之之之一,加图,句为一工轨道星座配里示意图印的一,印减幻圈】加星座配里示意图表星座配置及主要轨道
11、参数目目口翻纽主主主卫星轨道道卫星总数数非静止卫星主要参数数名名名称称称称称称称称称称称称称称称称称称称称称称称称称近近近近近近近近近近近近近地点高度度远地点高度度倾角角周期期扫扫巴 疙巴二钾日勺勺勺勺刀刀】一巴巴巴众如一十以肠炭刃刃口口口云一十久万石 之义幻幻以以以,一即即引 义。加加一一妙伪伪伪印一力一一川川】娜娜娜为阴一一到到欢刃各飞肠备跳色浮服第拐卷几种星座配置及几何特性计算评判卫星导航系统星座的质量,通常用田如即星座值来描述。星座值反映了星座的几何特性和连续可 用 性,也是星座整体性能的一个重要体现。对于导航定位系统而言,定义为覆盖区内值小于某一 门限值的 区域所占百分比在全时段上
12、的平均值。性能良好的导航卫星系统,一般要求其均最大值小于,否则开发潜力不大。辉辉梦阅鬓鬓鬓鬓吮段段鸳鸳鸳鸳入一万落落落落三三三三 认认喊喊了了琪瑰丝扩仑“ 遗矍万万目目目目目叮丫、丫丫丫 邢邢对火火一不不浏浏卜封华二书立立少火之之一一月尸户户户一侧侧一一臀一了了了了圈”一星座配里示意图本文在作星座设计时,服务范围取亚太地区设为一巧伊和一,计算了多种卫星轨道和星座配置表和图一图下整个覆盖区内仅值小于给定 门限的星座值。表各星座的主要性能星星座座新增卫星星卫星星值刊以, ,编编号号轨道类型型总数数数数数数数数数数数数数数数数平均值值以犯嵘刃一以以以肠侧恤一卯。口口口口汀一工工田以以以理一。卯 只只
13、卯卯卯 肠肠肠幻一卯 陋一。一卯卯 叨叨口口口朋一一二注计算时取用户的最低观侧仰角为。区域卫星导航系统,可充分利用地球静止卫星 的优势,在覆盖区赤道上空按适当的经度间隔,布设一颗地球静止卫星。静止 星不仅可以为用户提供小时的连续覆盖,而且可将系统必须的信息播给服务区内用户,由此可简化非静止轨道卫星的复杂度。下 文中所设计的各种星座中,均在覆盖区赤道上空布设了颗地球静止卫星。由于本文所设计的是区域被盖星座,包括多种轨道的卫星,而且选用了一些特殊轨道,因而不能直接套用经典方法进行星座设计,而只能借鉴经典设计思想,根据区域导航系统特殊的设计条件和设计要求,进行适 当调整或研究新的星座设计方法。有关星
14、座的具体设计方法今后将有另文给出。另外,有关星座的稳健性设计和评估,因涉及卫星 的可靠性指标,本文暂不予讨论。针对表中给出的多种轨道参数,采用适当的星座设计方法,分别计算了各种星座配置第期王莉区域导航卫星系统的星座设计与比较见 图一图的几何特性,结果列于表。其 中星座与星座基本相同,只是轨道倾角调整为星座是将星座中反 向配置的颗卫星之轨道倾角调整为“图,目的是改善星座对低纬度地区的观测几何特性。由表可见,当均的门限值设为时,各星座的星座值基本上都能达到,只有很小的地区短时间内出现略大于的刃值,且全搜盖区小时之平均值均小于,因此星座的几何特性均比较好,其中以和星座的几何特性为最佳。其它因素分析星
15、座设计不仅要考虑几何特性,还须考虑到其它诸多因素的影响。下面我们将表中各星座分成三类进行讨论,即倾斜同步圆轨、同步椭圆轨道、和大椭圆轨道一。并选择这三类星座 中具有较好几何特性的、和星座作为代表,对有关问题进行研究。空 间传输损耗变化空 间传输损耗主要取决于卫星离用户的距离。卫星在轨道上的位置不同,离地面某点的距离也不同,由此信号的空间传输损耗也要随之发生变化。这种 差别当轨道为大偏心率时,尤为明显。表典型星座的空间传输损耗变化情况星星座编号号星地距离传输损耗耗传输损耗耗扭扭变化范围氏 石盯。以以以一一仪砚砚砚倪闷 月月 叹注 最大最小星地距离是指服务区用户实际定位时可见卫星的最大最小斜距。对
16、于某一用户而言,定位时需同时接收多颗卫星信号,若其中一颗卫星工作在离该用户最大斜距处,另一颗卫星工作在最小斜距处,假设所有卫星的扮口值相 同,对于星座而言,因远近效应引起的 电平强弱差最高可达鹉表,对于星座则为,这么大的动态范围给用户接收机的研制带来很大的 困难。而星座的远近效应则较小。星上天线波束变化当卫星处于不同轨道位置时,天线覆盖指定区域所要求的波束宽度也不同。表给出了当各星座中的卫星分别处于最低和最高工作高度时,要求星上天线波束宽度的变化范围。表中数据显示,当卫星沿 犯轨道运行时,无论处于什么位置,其对地覆盖张角不变当卫星沿椭圆轨道运行时,天线的对地张角将发生变化,尤其是沿助叩此这样的大偏心率轨道运行时,从近地区运行至远地区,卫星高度的变化范围达仪,由此引起的天线对地覆盖张角变化范围将近阅。系统设计时,既要满足卫星处于最低工作高度时的波束覆盖要求,又要满足卫星处于最飞行器测控学报第卷大工作斜距时的发射功率要求。在最大斜距上
