基于STK 的星座设计与性能评估

基于STK 的星座设计与性能评估

柴霖，袁建平，方群，李新刚

摘要：分析了区域性覆盖星座的任务要求及设计特点，结合我国周边地区的地理情况，提出了一种利用太阳同步回归轨道的低轨道区域性覆盖星座设计方案，并应用STK仿真软件完成了该星座的设计与性能评估。仿真结果表明，该星座完全满足对区域性覆盖的任务要求。
关键词：STK；区域性覆盖；太阳同步回归轨道；星座设计

0  引言

星座设计是根据任务要求，选择适合的轨道形式，通过优化设计的方法构造星座系统，以最小的空间段投资为用户提供所要求的服务。从星座类型设计上可分为三种：一是针对全球覆盖的星座设计；二是针对地带性覆盖的星座设计；三是针对区域性覆盖的星座设计。对于第一、二种星座设计已经有公认的最优化设计方法（如Walker 三角形算法、基于覆盖带的设计方法等），但对于区域性覆盖星座尚未有通用的经典设计方法。近年来，无论从政治、经济还是军事的角度出发，许多国家和地区都希望建立低成本的非同步轨道区域性系统。中、低轨道系统与同步轨道系统相比，具有传播延时短、传输损耗小、节省运载器成本、提高有效载荷分辨率等突出优点。所以，中、低轨道区域性覆盖星座的设计研究已成为当务之急。
本文根据区域性覆盖的任务要求，提出了一种低轨道区域覆盖的星座设计方案，并利用STK仿真软件进行了星座运行全过程的仿真，对星座的各项性能参数进行了评估。

1 区域性覆盖星座的任务要求

全球覆盖星座与区域覆盖星座的区别主要来自任务的不同，不同的任务要求对星座设计的各项指标都有不同的影响，对地观测区域性覆盖星座的任务要求一般有以下两点：
（1）卫星每经过一个周期（回归周期），应该再次出现在以前经过的地区上空，这样就可以对地球表面同一区域每隔一定时间进行反复观测，比较在一个回归周期内地面目标的变化；
（2）卫星飞经被观察地区上空时，这些地区应该处于比较好的光照条件下。
综合以上需求，对地观测区域性覆盖星座常采用太阳同步回归轨道。太阳同步轨道的特点是轨道平面法线和地日连线的夹角（光照角）保持不变，即卫星经过赤道节点的地方时不变。它提供了一个恒定的太阳方位角，使得卫星在升轨段或降轨段，经过同一纬度的当地时间是相同的，从而能使卫星在同样的时间和光照条件下，多次观测同一地区或同一纬度带，这便于观测结果的处理和判读。采用太阳同步轨道主要是利用可见光观测，如果任务设备为微波雷达等，也可考虑采用其它的地球回归轨道。本文利用太阳同步轨道的特点，选择适当的发射时间，使卫星经过所选定的区域上空时，这些地区有比较好的光照条件，有利于对地面目标进行可见光观测。另外考虑到对地面观测的持续性，星下点轨迹间隔一天后重复，需采用回归轨道，即太阳同步回归轨道。需要设计以下主要轨道参数：
（1）轨道形式：已确定为圆形太阳同步回归轨道；
（2）轨道高度：关系到轨道周期、轨道倾角的确定；
（3）轨道倾角：由于太阳同步轨道的特性，由轨道高度可计算出相应的轨道倾角；

（4）轨道升交点赤经、卫星入轨位置及时间：可以确定卫星何时经过目标区域的上空。

2 星座设计方案及仿真分析

本文将设计一个对我国周边三个敏感地区进行间歇性、重复观察的近地侦察卫星星座。具体要求及初始条件如下：
（1）分别以目标1（东经121.51°，北纬25.03°）、目标2（东经112.5°，北纬8.1°）、目标3（东经95.15°，北纬26.02°）为中心观测点，覆盖附近区域；
（2 ） 地面站1：海口（ 东经109.25°，北纬19.35°）；地面站2：北京（东经114.2°，北纬40.45°）；地面站3：西安（东经100.57°，北纬34.30°）；
（3）侦察卫星应每隔1~2小时重复观察目标一次，向地面站下传数据一次；
（4）假设星上遥感器覆盖角（圆锥角）为45°；

（5）每天观察目标的时刻相同。为充分利用光照条件，要求白天观察频繁（间隔不超过1h），夜晚观察次数较少（间隔不超过2h）。
卫星的轨道高度和倾角是星座设计中最重要的两个参数，本文设计的星座将采用一个共同的轨道高度和倾角，这是因为轨道的漂移主要取决于这两个参数。不同高度和倾角的一组卫星其几何关系将随时间而改变，难以组成一个在长时间内协调工作的星座。
首先来确定轨道高度，轨道高度的选择与摄影地面分辨率、摄影地面覆盖、轨道寿命、测轨精度、空间辐射环境和发射成本等有关，是飞行任务总体设计优化和折衷的结果。太阳同步轨道高度一般在1000km以下，为满足星座对地面覆盖的要求，本文选择轨道高度为680km。较低的轨道高度在对地观测当中是十分有利的，而且通过仿真证实此高度
下星座可以理想地满足对目标区域及地面站的覆盖要求。
轨道倾角i 可利用以下公式确定：

式中，r 为圆形太阳同步轨道半径，R  为地球平均半径，( h 为轨道高度。计算得出 i =98.11°。

卫星的轨道平面个数是星座的又一个重要性能参数，具有一个或两个轨道面的星座响应用户需求变化的能力比多轨道面星座要好。在星座升降过程中需要调整卫星在星座中的相位，而在不同轨道面之间机动卫星所需的推进剂大大多于在一个轨道平面内机动卫星所需的推进剂，因此常将较多卫星送入较少的轨道平面。在本文设计的星座中六颗卫星按不同相位分布于同一个轨道面内。为了充分利用光照条件，可设定六颗卫星分别于当地时间4、6、8、10、12、14 时入轨，入轨时间可根据任务要求（每天观察目标的时刻）计算得出。
利用STK提供的动力学模型进行卫星轨道设计，以对话框的形式设置轨道类型、轨道高度、倾角、过升交点经度、过近地点时间等轨道要素。为保证卫星轨道仿真计算的精度，在计算模型中选取了高精度的地球引力势模型、大气阻力模型（Harris Priester 大气模型）、太阳光压模型等，并采用高阶Range-Kutta-Fehlberg算法来积分求解卫星运动方程。设置好仿真时间、仿真速度等参数之后，就可以动态演示卫星星下点轨迹及遥感器的覆盖情况（见图!），并可利用加速、减速、顺飞、倒飞、暂停等功能灵活地控制仿真演示过程。

图1 中星下点轨迹的高亮部分显示了卫星的相应侦察时段，在卫星通过地面测控站或目标时，会闪烁显示地面站或目标以及它们与卫星之间的传输线路，并显示遥感器对地面站或目标的覆盖区的实时变化。STK可以用图形和文本报告形式显示和保存各个目标和地面站被覆盖的时间段。表1就是由STK提供的星座中所有卫星对目标! 的覆盖情况，从中可看出由于为卫星选择了合适的入轨时间，使得在白天光照条件好的时段，卫星可以频繁地寻访目标。每天从8时~ 20 时寻访间隔不超过1h，20时~ 8 时寻访间隔不超过86min。仿真时间延长至一天以上，可以看到卫星每天的观察时刻相同，向地面站下传数据的时刻也相同。仿真结果表明，对于其它的目标和地面站也完全满足覆盖要求。

3 结论

本文利用太阳同步回归轨道设计的低轨道区域性覆盖星座，可以满足对我国周边热点地区进行频繁观测的任务需求，具有重要的现实意义和较高的工程参考价值。

参考文献

［ 1 ］Micro-Mini-Satellites for Affordable EO constellation：Rapid Eye and DMC
［ 2 ］ Autonomous Constellation Maintenance
［ 3］ 闫野，任萱，陈磊。 卫星对地球覆盖情况的判据及算法探讨
［ 4］ 李文华，袁建平，等。卫星星座应用设计
［ 5 ］ 连全斌，张乃通，张中兆。 地带性覆盖星座通用优化设计方法研究

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