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張雅聲, 賈璐, 于金龍, 等. 星下點軌跡恒定的低軌星座構(gòu)型設(shè)計方法[J]. 中國空間科學(xué)技術(shù), 2023, 43(3): 116-122.

ZHANG Y S, JIA L, YU J L, et al. LEO constellation configuration design method with constant trajectory of subsatellite points[J]. Chinese Space Science and Technology, 2023, 43(3): 116-122.

1.研究背景

當(dāng)前，巨型星座已成為太空領(lǐng)域備受關(guān)注的研究熱點，越來越多的國家或機構(gòu)提出低軌巨型星座計劃。對于巨型星座這一復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)，不少學(xué)者從空間安全、網(wǎng)絡(luò)性能、運控管理、應(yīng)用潛能等多個角度開展了充分研究，但針對低軌巨型星座構(gòu)型設(shè)計的研究仍十分匱乏，而星座的構(gòu)型設(shè)計至關(guān)重要，它直接決定了空間系統(tǒng)的服務(wù)性能，是建設(shè)巨型星座系統(tǒng)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。在此背景下，本文將針對巨型星座的構(gòu)型設(shè)計問題開展研究。

星座構(gòu)型設(shè)計方法主要分為兩類，分別是幾何解析法和優(yōu)化設(shè)計法。幾何解析法以空間幾何、軌道動力學(xué)為理論基礎(chǔ)，研究星間幾何拓撲關(guān)系，并用編碼的方式確定衛(wèi)星軌道參數(shù)。該方法具有形式簡潔，衛(wèi)星空間分布規(guī)律性較強，易于星座構(gòu)型維持控制等優(yōu)勢。Walker星座是該方法的典型，它采用衛(wèi)星總數(shù)、軌道平面數(shù)和相位因子3個參數(shù)編碼，被廣泛應(yīng)用于各導(dǎo)航星系統(tǒng)、銥星系統(tǒng)等，且Starlink、OneWeb星座也以Walker星座作為基礎(chǔ)構(gòu)型。優(yōu)化設(shè)計法利用遺傳算法、差分進化算法、蟻群算法等優(yōu)化算法，搜索任務(wù)驅(qū)動下的目標(biāo)函數(shù)在可行域內(nèi)的最優(yōu)解。該方法在求解難以建立解析關(guān)系式的復(fù)雜問題時具有優(yōu)越性，但不具備可解釋性。

由于巨型星座衛(wèi)星數(shù)量大，變量多，采用優(yōu)化設(shè)計法時存在搜索空間大，算法難以收斂的問題，因此，幾何解析法更適用于巨型星座構(gòu)型設(shè)計。參考幾何解析法，本文提出了一種恒定軌跡低軌星座構(gòu)型設(shè)計方法，該構(gòu)型應(yīng)用于巨型星座任務(wù)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下3方面。其一，星座內(nèi)衛(wèi)星在空間中的分布足夠均勻，覆蓋范圍可兼顧各時區(qū)。其二，每顆衛(wèi)星的基本軌道屬性相同，所受攝動力影響基本一致，減輕了星座運行過程中構(gòu)型控制的負擔(dān)。其三，由于巨型星座衛(wèi)星數(shù)量巨大，且 LEO衛(wèi)星相對地面具有高動態(tài)性，使得空間系統(tǒng)與地面系統(tǒng)的關(guān)系錯綜復(fù)雜，尤其對裝有定向天線的地面設(shè)備提升了設(shè)計與控制難度，天線需要不斷的定位、瞄準(zhǔn)、跟蹤衛(wèi)星。而本文提供的恒定軌跡星座構(gòu)型中所有衛(wèi)星永遠沿固定地面軌跡運行，意味著位于任意位置的地面設(shè)備與星座中任意衛(wèi)星的方位關(guān)系相同，地面設(shè)備對衛(wèi)星的跟蹤捕獲有規(guī)律的周期性重復(fù)，既有效降低星地系統(tǒng)協(xié)同的復(fù)雜度，又一定程度上保證了信號傳輸?shù)膹姸扰c穩(wěn)定性。

綜上所述，本文給出了一種巨型星座設(shè)計的新構(gòu)型，有助于豐富巨型星座設(shè)計理論，并為巨型星座任務(wù)的工程實踐提供更多選擇。

2.文章梗概

為探尋適用于低軌巨型星座的構(gòu)型設(shè)計方法，提供了一種所有衛(wèi)星共星下點軌跡，且該軌跡固定不變的低軌恒定軌跡星座構(gòu)型解析設(shè)計方法。該構(gòu)型用回歸因子、衛(wèi)星總數(shù)兩個參數(shù)進行編碼。首先，利用平均軌道根數(shù)思想，建立了地球非球形攝動帶諧項階數(shù)為J4條件下的回歸軌道設(shè)計解析模型。其次，根據(jù)衛(wèi)星與地球相對運動規(guī)律，確立了滿足共星下點軌跡條件的解析式。最后，結(jié)合回歸軌道設(shè)計與共星下點軌跡設(shè)計思想，建立低軌恒定軌跡星座構(gòu)型設(shè)計模型。最終仿真結(jié)果表明，該構(gòu)型設(shè)計方法符合所有衛(wèi)星共星下點軌跡、且軌跡固定不變的設(shè)計預(yù)期，驗證了本構(gòu)型設(shè)計方法的有效性。本星座構(gòu)型具有形式簡易、構(gòu)型易維持、覆蓋范圍廣的特點，確保了空間系統(tǒng)與地面系統(tǒng)的方位一致性，極大程度降低了星地系統(tǒng)協(xié)同的復(fù)雜度。

3.總結(jié)與展望

本文提供了一種適用于巨型星座任務(wù)的LEO恒定軌跡星座構(gòu)型解析設(shè)計方法，該構(gòu)型用回歸因子、衛(wèi)星總數(shù)2個參數(shù)進行編碼。最終仿真結(jié)果表明，該星座構(gòu)型設(shè)計方法確保了所有衛(wèi)星共星下點軌跡的同時，地面軌跡不隨時間發(fā)生漂移，符合恒定軌跡星座的設(shè)計預(yù)期，驗證了本構(gòu)型設(shè)計方法的有效性。本星座構(gòu)型確保了空間系統(tǒng)與地面系統(tǒng)的方位一致性，極大程度降低了星地系統(tǒng)協(xié)同的復(fù)雜度。

Starlink星座、OneWeb星座均以Walker星座作為基礎(chǔ)構(gòu)型，與此類似，本文提供的恒定軌跡星座構(gòu)型也可作為巨型星座的基礎(chǔ)構(gòu)型，通過多個該星座的拼接、組合以實現(xiàn)具體任務(wù)的對地覆蓋需求。除通信應(yīng)用外，低軌恒定軌跡星座構(gòu)型應(yīng)用于區(qū)域?qū)Φ赜^測星座，能夠確保對特定目標(biāo)區(qū)域的持續(xù)觀測,獲取實時情報。

張雅聲，航天工程大學(xué)研究員，研究方向為航天任務(wù)分析、衛(wèi)星星座設(shè)計與應(yīng)用。