[发明专利]导航卫星星座的工程设计方法

说明书

本发明提供一种导航卫星星座的工程设计方法，包括以下步骤：确定卫星轨道高度；确定卫星轨道倾角；确定卫星数量；确定轨道面数与相位因子；确定初始升交点赤经；判断用户是否有采用GEO卫星进行区域增强的设计需求，如有，则优化GEO卫星的站位；判断用户是否有采用IGSO卫星进行区域增强的设计需求，如有，则优化IGSO卫星的相位角，进而确定IGSO卫星的轨道面；制定星座分阶段部署策略；制定星座备份策略，包括星座组网阶段备份策略和星座运行阶段备份策略。按照本发明设计方法，能够设计出满足用户需求、星座性能优、卫星数目少、而且与现有GNSS具有较好兼容互操作能力的导航星座。

技术领域

本发明属于导航星座优化设计技术领域，具体涉及一种导航卫星星座的工程设计方法。

背景技术

卫星导航系统可以在全球范围内为用户提供全天候的、连续精确的位置、速度和时间信息，具有巨大的军事和经济效益，引起了世界各国的广泛关注。目前已经在轨并提供服务的导航星座包括：美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS系统和中国的北斗卫星导航系统。目前正在建设中的导航星座包括：欧盟的Galileo系统、印度的IRNSS区域导航卫星系统以及日本的QZSS准天顶卫星导航系统。

如何合理的设计星座构型是卫星导航系统运行的前提。

GPS最初设计为Walker 24/3/1星座，后因经费问题采用了Walker 18/6/2构型，并沿用至今。GPS采用了轨道倾角为55°，高度约为20196km的1天/2圈回归轨道。12小时的回归周期，有利于地面观测和运行控制，但是此轨道受到地球重力场的共振影响，难以保持长期稳定。

GLONASS星座采用的是Walker 24/3/1星座，卫星轨道为倾角64.8°，高度19129km的8天17圈回归轨道。由于GLONASS卫星的轨道倾角大于GPS卫星的轨道倾角，所以在高纬度(50°以上)地区的可见性较好。

北斗卫星导航系统的空间星座由5颗地球静止轨道(GEO)卫星、27颗中圆地球轨道(MEO)卫星和3颗倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星组成。

GEO卫星轨道高度35786千米，分别定点于东经58.75度、80度、110.5度、140度和160度；MEO卫星采用Walker24/3/1星座，轨道高度21528千米，轨道倾角55度，回归周期为7天13圈；IGSO卫星轨道高度35786千米，轨道倾角55度，分布在三个轨道面内，升交点赤经分别相差120度，三颗卫星的星下点轨迹重合，交叉点经度为东经118度。Galileo星座构型为Walker 27/3/1，采用倾角为56°，高度为23222km的10天/17圈回归轨道。IRNSS系统空间段由7颗卫星组成，其中3颗为地球静止卫星，经度分别为东经34°，东经83°和东经132°。另外4颗卫星位于两个地球同步轨道上，轨道面与赤道面夹角为29°，地面轨迹的中央经度分别为东经55°和东经111°。准天顶卫星系统由3颗卫星组成，分别运行在倾角45°，升交点赤经140°，与地球自转周期相同的3条轨道上。

导航卫星星座设计过程是一个星座参数多目标优化的过程，通过优化设计，使服务区获得最优的星座性能，满足成本和性能的约束。在目前的导航星座设计中，考虑的边界约束条件主要是星座的覆盖性能、导航精度等，例如《基于半分析式方法的全球导航星座设计》(帅平等，中国空间科学技术，2006年第4期)、《区域导航星座分析设计研究》(帅平等，空间科学学报，2006年第4期)、《一种多任务导航星座设计方法》(贺泉等，上海航天，2007年第6期)、《卫星星座理论与设计》(张育林等，科学出版社，2008年9月，第一版)。现有导航星座设计方法所考虑的边界约束条件数量有限，导致所设计的星座工作性能有限。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种导航卫星星座的工程设计方法，在导航卫星星座设计过程中，还考虑初始升交点赤经选择、与其它现有卫星导航系统的兼容性、运载发射的约束、空间轨位频率申请情况、星座的分阶段部署、星座备份等问题，由此设计的星座具有高的工作性能。