[发明专利]一种适用于正交圆轨道星座构型的星座设计方法

权利要求书

1.一种适用于正交圆轨道星座构型的星座设计方法，所采用的步骤是：

步骤1：建立地心惯性坐标系(Earth-Centered inertial coordinate system，ECI)，以地心为原点，X轴和Y轴在赤道平面内，X轴指向春分点，Y轴垂直于X轴，且X、Y、Z三个轴符合右手螺旋准则，即Z轴指向北极；然后根据卫星的轨道参数可以将卫星的实时坐标表示成一个与时间t有关的函数，对t取不同的抽样间隔，可以得到不同精度的设计结果；

步骤2：根据极轨道卫星星座的中低纬度地区覆盖空隙区域特征，找到可以表征该区域的所有特征点；特征点分为两种，一种是两颗相邻极轨道卫星的地面覆盖圆的交点，另一种是两颗相邻赤道卫星在地面的中垂曲线与空隙区域的交点，共同构成特征点集V；

步骤3：确定赤道轨道星座卫星的最小覆盖半宽度角参数，针对某一抽样时刻，分别计算每颗赤道轨道卫星与V中每一个特征点之间的地心夹角，对于每个特征点都可得到与其最近的卫星的夹角θ_i，即覆盖该特征点需要赤道卫星的半覆盖角宽度为θ_i，那么在所有θ_i中取最大值θ_max就是该时刻的赤道卫星星座最小覆盖半宽度角参数的值，最后计算一个星座周期内所有抽样时刻的θ_max并再次取最大值，即可得到卫星星座最终的参数设计结果。

2.根据权利要求1所述的一种适用于正交圆轨道星座构型的星座设计方法，其特征在于分析极轨道产生空隙的特点，并计算空隙特征点集的具体方法为：

(1)特征点是空隙区域顶点

每个极轨道星座卫星的对地覆盖区域都是相等的球面圆，按照极轨道星座的默认设定，相邻卫星的地面覆盖圆必然有交点；并且空隙区域的顶点一定是某两圆交点，但两圆交点不一定是空隙区域的顶点；但是如果某两球面圆产生的交点不在任何其他第三个圆的内部，则该交点必是空隙顶点，反之亦然；设卫星坐标点集为S＝{s₁，s₂，…s_n}，那么两圆交点可由式(1)得到

其中i，j＝1，2...n，且i≠j，a，b表示向量a和向量b的夹角；若上式有解即表示卫星s_i和s_j的地面覆盖圆存在交点，且交点坐标就是方程解(x′，y′，z′)；继而对于且k≠i≠j，若满足

s_k，(x′，y′，z′)＞α (2)

则该球面圆交点是空隙的顶点；记所有空隙的顶点组成的顶点集为V′＝{v₁，v₂，…，v_m}；

(2)特征点是空隙区域边界上的点

空隙的边界是极轨道星座卫星对地覆盖球面圆的一部分圆弧，如果顶点集中的某两个元素v_p、v_q(p，q＝1，2，…，m，且p≠q)只同属于一个球面覆盖圆，且v_p和v_q之间的劣弧上不存在另一个点也属于点集V′，则v_p和v_q之间的这段劣弧是空隙的边界；容易判断赤道星座区域的划分圆弧是否与空隙边界有交点，如有，记边界所属圆的覆盖卫星为s_i，产生划分圆弧的两相邻赤道星座卫星的坐标为(x_a，y_a，z_a)和(x_b，y_b，z_b)，单颗卫星覆盖半地心角宽度为α，其交点坐标(x″，y″，z″)可根据式(3)求得

上式可能会得到一个不与空隙边界相交的衍生解，可根据v_p、v_q和(x″，y″，z″)的赤经赤纬范围来得到满足要求的正确解；将所有与空隙边界相交产生的交点集记为V″；令V＝V′∪V″，V为空隙的特征点集，包括空隙区域的顶点和子区域划分产生的交点，只需保证V中的每个元素都在赤道卫星星座的覆盖区域内即可说明全球被无缝隙覆盖。

3.根据权利要求1所述的一种适用于正交圆轨道星座构型的星座设计方法，其特征在于确定赤道轨道星座的最小覆盖参数的具体方法为：

赤道轨道星座的最小覆盖是指在给定赤道卫星数量时，其实现的地面覆盖刚好能完全覆盖极轨道星座产生的空隙区域，如果继续减小赤道星座的覆盖范围就不能实现全球的连续覆盖；记赤道星座的坐标点集为E＝{e_l|e₁，e₂，…，e_L}，其中l＝1，2，…，L；V＝{v_f|v₁，v₂，…，v_F}，其中f＝1，2，…，F；那么赤道卫星星座为最小覆盖时，其地面覆盖半地心角宽度α_E为

式(4)得到的是该卫星时刻赤道星座的覆盖参数，要实现复合星座的全球连续覆盖设计，还需要计算一个卫星周期内的覆盖参数并取其最大值。