[发明专利]一种区域覆盖推扫星座及其构建方法

说明书

本发明公开一种区域覆盖推扫星座，所述区域覆盖推扫星座包括：至少一组推扫卫星群；至少一组推扫卫星群中的卫星轨道要素构型相同，升交点赤经不同。本发明还公开了一种区域覆盖推扫星座的构建方法，包括：选定观测区域，并根据观测区域的形状找到其外截圆；根据所述外截圆的半径，确定推扫卫星群的卫星数量和轨道倾角；计算相邻卫星升交点赤经差；确定推扫卫星星座的构型。本发明针对传统Walker星座构型对区域目标监测成本过高、可操作性不强及容易出现遗漏目标的问题，提出了一种推扫星座构型，该构型可以有效解决有限区域范围的离散全覆盖问题，与传统Walker星座相比，该方法具有更完备的覆盖性能，能够满足非常苛刻的任务需求，具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种区域覆盖推扫星座及其构建方法，尤其是一种基于覆盖带拼接的推扫星座的实现方法，属于航天器星座与轨道设计技术领域。

背景技术

在卫星早期应用中，主要通过单颗卫星来完成任务。但除个别情况外(地球静止轨道)，多数卫星都不能够固定在地球某个点的上空，其覆盖范围总是不断变化的。因此，为利用多颗卫星协同工作共同完成某一特定任务，卫星星座的概念应运而生。卫星星座(简称星座)是指由多颗卫星组成，卫星轨道形成稳定的空间几何构型，卫星与卫星之间保持固定的时空关系，用于完成特定航天任务的卫星系统。

星座构型是对星座中卫星的空间分布、轨道类型以及卫星间相互关系的描述。星座轨道构型是星座的基本要素，反映了星座中卫星的时空布局，是星座覆盖性能、工作性能以及运行维持性能的决定性因素。Walker星座是一类星座构型的统称，它包括星形星座、δ星座、σ星座、w星座、玫瑰星座等，其中Walker-σ星座在工程中得到较为广泛的应用，尤其是针对大面积或全球观测任务而言，具有全球覆盖、纬度带覆盖最有效的特点。

Walker星座是由均匀分布在多个倾斜圆轨道上的卫星组成，卫星轨道的长半轴、偏心率和轨道倾角相同，同一轨道上的卫星沿轨道均匀分布，轨道平面沿赤道均匀分布，且不同轨道平面上的卫星的相位差相同。通常用N/P/F:i来表示Walker星座构型，其中：N表示星座中卫星的总数；P表示星座中轨道平面的数量；F为相位因子，是一个0～P-1之间的整数，用于表示不同轨道平面上卫星的相位差；i为轨道倾角。其覆盖区域可以表示为且最高覆盖纬度与轨道倾角i有关，通常有

图1是一个24/4/1:45°Walker星座的星下点轨迹分布图。可见，该星座的星下点轨迹沿赤道在南北纬45°范围内对称分布。

图2是该星座对南北纬45°范围探测时间间隔统计情况。可见，随着纬度的增高，探测时间间隔不断减少，且以纬度为0°的赤道为对称轴，南半球和北半球是相同的。因此，Walker星座比较适合于全球均匀覆盖的星座设计，并且适合于对静止目标的探测。

在卫星对地观测任务中，针对有限区域范围的全覆盖是一种常见的工作模式。经典的Walker星座并不适用于此类观测任务，存在覆盖性能较低，成本较大的缺点。例如，针对在我国东南海域的一个探测区域，如图3所示。

要求对该区域内的运动目标进行探测，且重访周期最多12小时(43200s)，必须能够发现目标。已知目标的最大运动速度为60km/h，目标监视卫星的轨道高度为500km，监视载荷的对地瞬时覆盖宽度为200km。

按照Walker星座设计方法，下表给出了多种Walker构型对目标区域的覆盖情况。

表1 Walker星座对目标区域的覆盖情况