導(dǎo)航衛(wèi)星星座的工程設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于導(dǎo)航星座優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種導(dǎo)航衛(wèi)星星座的工程設(shè)計(jì) 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以在全球范圍內(nèi)為用戶提供全天候的、連續(xù)精確的位置、速度和 時(shí)間信息，具有巨大的軍事和經(jīng)濟(jì)效益，引起了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。目前已經(jīng)在軌并提供 服務(wù)的導(dǎo)航星座包括：美國(guó)的GPS系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)和中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系 統(tǒng)。目前正在建設(shè)中的導(dǎo)航星座包括：歐盟的Galileo系統(tǒng)、印度的IRNSS區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系 統(tǒng)以及日本的QZSS準(zhǔn)天頂衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。
[0003] 如何合理的設(shè)計(jì)星座構(gòu)型是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行的前提。
[0004]GPS最初設(shè)計(jì)為Walker24/3/1星座，后因經(jīng)費(fèi)問(wèn)題采用了Walker18/6/2構(gòu)型， 并沿用至今。GPS采用了軌道傾角為55°，高度約為20196km的1天/2圈回歸軌道。12小 時(shí)的回歸周期，有利于地面觀測(cè)和運(yùn)行控制，但是此軌道受到地球重力場(chǎng)的共振影響，難以 保持長(zhǎng)期穩(wěn)定。
[0005]GLONASS星座采用的是Walker24/3/1星座，衛(wèi)星軌道為傾角64. 8°，高度 19129km的8天17圈回歸軌道。由于GLONASS衛(wèi)星的軌道傾角大于GPS衛(wèi)星的軌道傾角， 所以在高緯度（50°以上）地區(qū)的可見(jiàn)性較好。
[0006] 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的空間星座由5顆地球靜止軌道（GE0)衛(wèi)星、27顆中圓地球軌 道（ΜΕ0)衛(wèi)星和3顆傾斜地球同步軌道（IGS0)衛(wèi)星組成。
[0007]GE0衛(wèi)星軌道高度35786千米，分別定點(diǎn)于東經(jīng)58. 75度、80度、110. 5度、140度 和160度；ΜΕ0衛(wèi)星采用Walker24/3/l星座，軌道高度21528千米，軌道傾角55度，回歸周 期為7天13圈；IGS0衛(wèi)星軌道高度35786千米，軌道傾角55度，分布在三個(gè)軌道面內(nèi)，升交 點(diǎn)赤經(jīng)分別相差120度，三顆衛(wèi)星的星下點(diǎn)軌跡重合，交叉點(diǎn)經(jīng)度為東經(jīng)118度。Galileo 星座構(gòu)型為Walker27/3/1，采用傾角為56°，高度為23222km的10天/17圈回歸軌道。 IRNSS系統(tǒng)空間段由7顆衛(wèi)星組成，其中3顆為地球靜止衛(wèi)星，經(jīng)度分別為東經(jīng)34°，東經(jīng) 83°和東經(jīng)132°。另外4顆衛(wèi)星位于兩個(gè)地球同步軌道上，軌道面與赤道面夾角為29°， 地面軌跡的中央經(jīng)度分別為東經(jīng)55°和東經(jīng)11Γ。準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)由3顆衛(wèi)星組成，分 別運(yùn)行在傾角45°，升交點(diǎn)赤經(jīng)140°，與地球自轉(zhuǎn)周期相同的3條軌道上。
[0008] 導(dǎo)航衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)過(guò)程是一個(gè)星座參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化的過(guò)程，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使服 務(wù)區(qū)獲得最優(yōu)的星座性能，滿足成本和性能的約束。在目前的導(dǎo)航星座設(shè)計(jì)中，考慮的邊界 約束條件主要是星座的覆蓋性能、導(dǎo)航精度等，例如《基于半分析式方法的全球?qū)Ш叫亲O(shè) 計(jì)》（帥平等，中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)，2006年第4期）、《區(qū)域?qū)Ш叫亲治鲈O(shè)計(jì)研究》（帥平等， 空間科學(xué)學(xué)報(bào)，2006年第4期）、《一種多任務(wù)導(dǎo)航星座設(shè)計(jì)方法》（賀泉等，上海航天，2007 年第6期）、《衛(wèi)星星座理論與設(shè)計(jì)》（張育林等，科學(xué)出版社，2008年9月，第一版）?，F(xiàn)有 導(dǎo)航星座設(shè)計(jì)方法所考慮的邊界約束條件數(shù)量有限，導(dǎo)致所設(shè)計(jì)的星座工作性能有限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明提供一種導(dǎo)航衛(wèi)星星座的工程設(shè)計(jì)方法，在導(dǎo) 航衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)過(guò)程中，還考慮初始升交點(diǎn)赤經(jīng)選擇、與其它現(xiàn)有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容性、 運(yùn)載發(fā)射的約束、軌位頻率國(guó)際談判可用性、星座的分階段部署、星座備份等問(wèn)題，由此設(shè) 計(jì)的星座具有高的工作性能。
[0010] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0011] 本發(fā)明提供一種導(dǎo)航衛(wèi)星星座的工程設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：
[0012] 步驟1 :確定衛(wèi)星軌道高度；
[0013] 步驟2 :以步驟1確定的衛(wèi)星軌道高度作為已知值，確定衛(wèi)星軌道傾角；
[0014] 步驟3 :確定衛(wèi)星數(shù)量；
[0015] 計(jì)算不同衛(wèi)星數(shù)量下最優(yōu)構(gòu)型的roop可用性，以構(gòu)型roop值可用性作為優(yōu)選標(biāo) 準(zhǔn)，選擇導(dǎo)航性能優(yōu)于設(shè)定值的衛(wèi)星數(shù)量；在導(dǎo)航性能相當(dāng)?shù)那闆r下，選擇數(shù)量最少的衛(wèi)星 數(shù)量；
[0016] 步驟4 :確定軌道面數(shù)與相位因子；
[0017] 以步驟3確定的衛(wèi)星數(shù)量為已知值，計(jì)算不同軌道面數(shù)與相位因子下構(gòu)型的roop 可用性，以構(gòu)型roop值可用性作為優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)，選擇導(dǎo)航性能最優(yōu)的軌道面數(shù)與相位因子；
[0018] 步驟5 :確定初始升交點(diǎn)赤經(jīng)；
[0019] S5. 1，計(jì)算現(xiàn)有GNSS星座構(gòu)型的軌道面進(jìn)動(dòng)速度；
[0020] S5. 2,根據(jù)現(xiàn)有GNSS的某一時(shí)刻第一軌道面的升交點(diǎn)赤經(jīng)，計(jì)算得到發(fā)射時(shí)刻設(shè) 計(jì)星座的初始升交點(diǎn)赤經(jīng)，以獲得與現(xiàn)有GNSS最優(yōu)的兼容互操作能力；
[0021] 步驟6 :判斷用戶是否有采用GE0衛(wèi)星進(jìn)行區(qū)域增強(qiáng)的設(shè)計(jì)需求，如果沒(méi)有，則直 接轉(zhuǎn)到步驟8 ;如果有，則執(zhí)行步驟7 ;
[0022] 步驟7,在確定GE0衛(wèi)星數(shù)量的前提下，優(yōu)化GE0衛(wèi)星的站位，以構(gòu)型的覆蓋性能作 為優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)，選擇覆蓋性能最優(yōu)的GE0衛(wèi)星站位；其中，考慮國(guó)際談判可用性確定GE0衛(wèi)星 的軌位頻率；然后轉(zhuǎn)到步驟8 ;
[0023] 步驟8,判斷用戶是否有采用IGS0衛(wèi)星進(jìn)行區(qū)域增強(qiáng)的設(shè)計(jì)需求，如果沒(méi)有，則直 接轉(zhuǎn)到步驟9 ;如果有，則執(zhí)行S8. 1-S8. 2 ;
[0024] S8. 1，根據(jù)用戶需求，選定IGS0衛(wèi)星的軌道傾角、軌道偏心率和升交點(diǎn)地理經(jīng)度；
[0025] S8. 2,以覆蓋性能、星間鏈路性能最優(yōu)為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化S8. 1所選定的IGS0衛(wèi)星 的相位角，進(jìn)而確定IGS0衛(wèi)星的軌道面；其中，考慮國(guó)際談判可用性確定IGS0衛(wèi)星的軌位 頻率；
[0026] 步驟9 :制定星座分階段部署策略；
[0027] 首先，明確運(yùn)載火箭的發(fā)射能力；其次，以構(gòu)型roop值可用性作為優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)，以服 務(wù)區(qū)的性能提升最優(yōu)為優(yōu)化目標(biāo)，確定組網(wǎng)順序和衛(wèi)星站位，得到星座分階段部署策略；
[0028] 步驟10 :制定星座備份策略，包括星座組網(wǎng)階段備份策略和星座運(yùn)行階段備份策 略；
[0029] 其中，星座組網(wǎng)階段備份策略通過(guò)以下方法獲得：
[0030] 首先考慮運(yùn)載火箭的發(fā)射成功率；其次，根據(jù)步驟9制定的星座分階段部署策略， 計(jì)算不同備份方式下的組網(wǎng)成功概率；最后，根據(jù)組網(wǎng)成功概率標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化各種備份策略， 得到最終制定得到的組網(wǎng)階段備份策略；
[0031] 星座運(yùn)行階段備份策略通過(guò)以下方法獲得：
[0032] 首先，確定邊界約束條件，包括衛(wèi)星可靠性、可恢復(fù)故障平均間隔、可恢復(fù)故障平 均修復(fù)時(shí)間、衛(wèi)星操作維持平均間隔以及衛(wèi)星操作維持平均持續(xù)時(shí)間因素；
[0033] 其次，以所確定的邊界約束條件為變量建立星座可用性模型，分別制定星座運(yùn)行 階段的地面?zhèn)浞莶呗院驮谲墏浞莶呗浴?br>[0034] 優(yōu)選的，
[0035] 步驟1 :確定衛(wèi)星軌道高度具體包括以下步驟：
[0036] S1. 1，根據(jù)空間輻射環(huán)境影響篩選備選軌道，得到符合設(shè)定軌道高度范圍的第一 備選軌道集合；
[0037] S1. 2,根據(jù)軌道回歸特性和避免共振軌道要求對(duì)SI. 1得到的第一備選軌道集合 進(jìn)一步篩選，得到可選擇的第二備選軌道集合；
[0038] S1. 3,從S1. 2得到的第二備選軌道集合中排除現(xiàn)有GNSS系統(tǒng)已經(jīng)使用的軌道， 并考慮與現(xiàn)有GNSS系統(tǒng)的兼容性，得到可選擇的與現(xiàn)有GNSS系統(tǒng)兼容的第三備選軌道集 合；
[0039]S1. 4,假定Walker星座其它參數(shù)，以構(gòu)型HXP值可用性作為優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)，從所述第 三備選軌道集合中選擇導(dǎo)航性能優(yōu)于設(shè)定值的第四軌道集合；再?gòu)牡谒能壍兰现羞x擇 回歸天數(shù)最少的軌道，則所選擇的回歸天數(shù)最少的軌道高度值即為最終確定的衛(wèi)星軌道高 度。
[0040] 優(yōu)選的，S1. 1中，