[发明专利]用于极地纬度的卫星系统及方法

说明书

发明领域

本发明涉及卫星系统并且更特别地，提供了一种在北半球或南半球较高纬度进行天气和气候监测，通讯应用，科学研究和类似工作的卫星系统和方法。

背景技术

气象监测卫星和通讯卫星通常位于地球同步轨道（GEO）或近地轨道（LEO）。GEO卫星在天空中看起来不动，使得卫星能够连续观察地球表面上的给定区域。不幸的是，这样的轨道仅能通过将卫星直接置于地球赤道（0°纬度）上方，且周期等于地球转动周期，轨道偏心率近似为0且高度为35，789km获得。虽然这样的轨道在许多应用中是有用的，但是其对于较高纬度的覆盖却是非常糟糕的（对于纬度高于60°的天气和气候监测，以及对于纬度高于70°的可靠移动通讯不是特别有用）。GEO气象监测卫星上的光学传感器，例如，将以十分差的角度（即，低“仰角（elevation angle）”）观察更高纬度，以至于它不能采集有用的数据。GEO通讯卫星链路由于卫星的仰角随着纬度的增加而减小变得不可靠或失效。

近地轨道（LEO）卫星被置于低纬度（低于2，000km）的圆形轨道上并能够提供极地地区的连续覆盖，但其需要多颗卫星因为每一颗在相对短的时间内位于该地区的上方。一个可操控示例为使用具有66颗卫星的星座的铱星系统。虽然对于相对低带宽通讯是具有实用性的，但是它对于宽带通讯或对于需要大而贵的将被置于各个卫星上的有效负载的天气和气候监测来说不具备经济效益的。从建设，发射和维护各个卫星的角度，提供特定地理区域的连续卫星覆盖是十分昂贵的方式。

诸如Molniya及经典Tundra轨道的高椭圆轨道（HEO）能够以较少的卫星提供更好的高纬度覆盖，但是两个轨道均存在问题。

高椭圆轨道（HEO）是一个焦点为地球中心的轨道。椭圆形轨道上的卫星速度是与焦点相距的距离的衰减函数。通过安置卫星使其在轨道的一部分（近地点）接近地球，将会导致其在该时刻运行得非常快，而在轨道的另一端（远地点），运行得非常慢。置于这些轨道上的卫星花费其大部分的时间处于地球的被选择区域的上方，这是公知的“远地点停歇（apogee dwell）”现象。卫星在感兴趣区域的上方移动得相对缓慢，而在不感兴趣区域的上方移动得快。

HEO的轨道平面相对于地球赤道倾斜。为了最小化对卫星星载推进系统的需求，选择接近63.4°的倾角，以使远地点维持在服务区域的上方。

Molniya轨道是一种轨道周期约为12小时的HEO。Molniya轨道的近地点高度低（大约高于地球表面500km）且该轨道经过范艾伦带（Van Allen Belts）。范艾伦带为围绕地球的具有高能带电粒子的带，其借助地球磁场处于合适的位置。太阳能电池、集成电路和传感器会被这些带中的辐射层损坏，即使它们已“变硬”或者已实施其它安全措施，例如，当经过具有强烈辐射的地区时关闭传感器。虽然做出这些努力，但是那些不然的话具有15年预期寿命的卫星如果它们不得不定期地经过具有高能质子的内层范艾伦带（外层的电子问题较小）将仅具有大约5年的寿命。卫星缩短了的寿命使得Molniya系统很昂贵。

经典Tundra轨道也是一种高椭圆轨道，具有与Molniya（63.4°）相同的倾角。它还是一个轨道周期为一恒星日（约为24小时）的地球同步轨道。Tundra轨道上唯一的可操控系统为天狼星卫星广播（Sirius Satellite Radio），其操控具有位于不同平面的三颗卫星的星座，各卫星平面偏移120°，以向其广播系统提供期望的覆盖。在经典Tundra轨道上的两颗卫星不能提供极地地区的连续覆盖。

即使看到Molniya（短设计寿命）和经典Tundra系统（需要多于两颗卫星，用于极地覆盖）的问题，本领域专家仍支持将这些系统用于以下应用中。例如：

一篇最近的NASA文章（“对于将气象成像设备发射至Molniya轨道的情况（The case for launching a meteorological imager in a Molniya orbit）”，作者Lars Peter Riishojgaard，全球模拟和同化办公室），声称提供一种用于在较高纬度进行气象监测的卫星系统的最有效方法，为使用Molniya系统：

http://www.wmo.int/pages/prog/www/OSY/Meetings/ODRRGOS-7/Doc7-5(1).pdf