CN103886210B - 一种太阳同步回归轨道全局搜索确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳同步回归轨道全局搜索确定方法，首先需要明确任务高度范围[H_min,H_max]、载荷视场角FOV或地面固定幅宽L、整星有无侧摆能力及相应侧摆角G、不侧摆时是否要求全球覆盖及赤道上相邻两轨最小搭接率C、全球重访天数TR以及最大回归天数N等任务输入条件。根据N计算太阳同步回归特性的轨道集群，计算轨道集群中个体对应的任务指标。使用二进制方式编码所有个体的任务指标满足度，某项指标满足时为1，不满足为0，若存在均为1的二进制子串，则输出为结果，将所有均为1的子串结果按照任务指标的重要性进行排序并选择最佳方案；若不存在均为1的二进制子串，则将位置0总数最少的子串反馈至输入条件，用图形法分析区域分布范围，指导输入条件修改。

Description

一种太阳同步回归轨道全局搜索确定方法

技术领域

本发明涉及一种太阳同步回归轨道全局搜索确定方法，属于卫星研制与部署技术领域。

背景技术

由于太阳同步轨道具有稳定的在轨和地面光照条件，回归轨道具有周期性重复观测特性，因此两者相结合后被广泛应用于低轨卫星任务。

卫星轨道高度的设计范围往往根据载荷能力或任务指标要求给定，除此之外还需要综合考虑卫星平台的能力，满足所有任务指标且能够高效完成任务的轨道方案是设计的最终目标。太阳同步回归特性若非特别指定，一般都需要结合指标参数进行优化选择，由于计算的结果中未必会有满足所有任务指标的方案，因此轨道方案优化可能是一个与任务约束反复迭代的过程，当任务指标要求合理时，则直接给出轨道方案优化结果。太阳同步回归特性与高度一一映射，但在一定高度范围内却有无穷种太阳同步回归特性，因此仅从高度范围上选择太阳同步回归特性容易造成轨道挑选的遗漏，不利于找出最佳方案。当给定任务高度范围、载荷视场宽度或地面固定幅宽、有无整星侧摆能力、不侧摆时是否要求一个回归周期内全球覆盖、需要的全球重访天数以及最大回归天数等一系列任务指标时，以轨道高度范围作为计算时的自由变量显得既繁琐又无法收敛，即可能导致最优轨道的设计遗漏，也不利于最优轨道的筛选，且当不存在满足所有输入条件的轨道方案时，无法指导输入条件的迭代修改。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种太阳同步回归轨道全局搜索确定方法，能够找出满足所有任务指标的轨道方案，可按照任务指标的重要性进行最佳方案选择或对无法满足的任务指标进行迭代修改。

本发明的技术方案是：本发明是针对一种太阳同步回归轨道全局搜索确定方法，首先需要明确任务高度范围[H_min,H_max]、载荷视场角FOV或地面固定幅宽L、整星有无侧摆能力及相应侧摆角G、不侧摆时是否要求全球覆盖及赤道上相邻两轨最小搭接率C、全球重访天数T_R以及最大回归天数N等任务输入条件。根据N计算太阳同步回归特性的轨道集群，计算轨道集群中个体对应的任务指标。使用二进制方式编码所有个体的任务指标满足度，某项指标满足时为1，不满足为0，若存在均为1的二进制子串，则输出为结果，将所有均为1的子串结果按照任务指标的重要性进行排序并选择最佳方案；若不存在均为1的二进制子串，则将位置0总数最少的子串反馈至输入条件，用图形法分析区域分布范围，指导输入条件修改。

如图1所示，本发明具体包括如下步骤：

（1）给定任务指标输入条件：高度范围[H_min,H_max]、载荷视场宽度FOV或地面固定幅宽L、整星有无侧摆能力及其最大侧摆角度G、不侧摆时是否要求一个回归周期内全球覆盖以及赤道上相邻两轨最小搭接率C、需要的全球重访天数TR及最大回归天数N；

（2）根据给定的最大回归天数N，计算太阳同步回归特性的集群，对所述集群中的个体进行轨道参数解算，得到所有太阳同步回归轨道对应的高度H和倾角i，具体如下：

（2.1）满足回归轨道特性条件

回归轨道特性用表示，其中K、R与D均为正整数，D=1～N，R无特殊物理意义，R与D互质且R<D，K表示一天当中卫星运行的整圈数；满足上述所有条件的组成待选集群；

回归轨道的高度H、倾角i和偏心率e满足下列关系：

其中，a=R_e+H，p=a(1-e²)，ω_e为地球自转角速度，Re为地球半径，μ为地球引力常数，J₂为地球引力二阶带谐项系数，J₄为地球引力四阶带谐项系数，为地球非球形引力四阶摄动项；

（2.2）满足太阳同步轨道特性条件

太阳同步轨道的高度H、倾角i和偏心率e满足下列关系：

其中，n_s为地球公转角速度；

当给定回归特性和偏心率e后，根据上述公式（1）和（2）确定该条太阳同步回归轨道的高度H和倾角i；一般而言无特殊要求时默认为太阳同步回归圆轨道，即偏心率e=0；

（3）根据所述步骤（2）中得到的所有太阳同步回归轨道，分别计算卫星在各条太阳同步回归轨道上对应的任务指标，具体如下：

（3.1）幅宽L、视场角FOV和重访可视范围L_R与高度H关系

当给定固定载荷视场角FOV时，计算给定高度上的地面幅宽L，反之给定地面固定幅宽L可反算该高度上对应的FOV，高度H、视场角FOV和地面幅宽L三者之间的对应关系如下：

其中，θ₂和θ₁为载荷定义的视场边界，FOV=θ₂-θ₁；

当整星具有侧摆能力时，可视范围角度为(FOV+2G)，将(FOV+2G)等效为公式(3)中的视场角，计算重访可视范围LR：

（3.2）无侧摆覆盖与重访搭接判断

卫星在回归轨道上相邻两天的地面轨迹，间隔天数为R，按照D进制进行轨迹排列，直至完成过所有轨迹位置的天数，地面轨迹分布示意如下：

若要求卫星实现一个回归周期内的无侧摆覆盖，则要求上述轨迹分布示意中的相邻两轨之间距离小于等于地面幅宽L，相邻两轨的搭接率C′计算如下：

若要求实现在天数为T_R内的全球重访，则要求1～T_R天内，按照L_R的可视范围能够实现截止至T_R天对上述示意的无漏缝搭接；

（4）对所述步骤（3）中计算的指标进行二进制子串方式编码，一条子串代表某一条太阳同步回归轨道对应任务指标的满足度，该指标满足时为1，不满足为0；

该条轨道上的子串内容排列为：高度H是否位于[H_min,H_max]内、能否实现无侧摆覆盖、C′是否大于等于C、最大侧摆角G时能否在T_R天内实现全球重访；

若存在均为1的二进制子串，则输出至结果并转入步骤（5），否则返回步骤（1），将子串位置0总数最少的信息反馈至输入条件进行迭代修改；

（5）对所述步骤（4）中初步挑选出的方案，按照任务指标的重要性进行排序，用图形分析法直观的找出最佳方案。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明方法是针对太阳同步回归轨道的全局搜索确定，以任务指标和卫星平台能力等约束条件作为输入，从太阳同步回归轨道特性角度挑选符合条件的个体，该方法能够搜索出个体分布集群，快速定位出全局最佳个体或指导任务约束条件的迭代修改。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为4天重访的侧摆角随轨道高度变化；

图3为不侧摆时图像搭接率随轨道高度变化；

图4为回归天数随轨道高度变化；

图5为FOV随轨道高度变化；

图6为相邻轨间距随轨道高度变化。

具体实施方式

实施例

以设计某颗卫星的轨道为例，任务约束条件为：高度范围为[620,640]km、偏心率为0、地面固定幅宽L=100km、整星具有侧摆能力且最大侧摆角G为±40°、考虑侧摆角和视场角贡献时的全球重访天数T_R为4天、需要实现一个回归周期之内的不侧摆覆盖且相邻两轨搭接率C为地面幅宽L的10%～20%、为适应数据业务周期需求的最大回归天数N不超过60天。假定任务指标的优先级为回归天数>侧摆角，当出现回归天数最短且方案唯一时，选定为最佳方案，当回归天数相同时选择侧摆角最小者为最佳方案，其他任务指标仅需满足即可。

根据最大回归天数约束和所述步骤（1），计算相应的太阳同步回归特性集群。将集群中的个体按照所述步骤（2）～（4）进行任务指标满足度分析，得到个体各项任务指标的聚集区：图2为重访所需侧摆角随轨道高度变化，图3为不侧摆时图像搭接率随轨道高度变化，图4为回归天数随轨道高度变化，图5为FOV随轨道高度变化，图6为相邻轨间距随轨道高度变化。

依据所述步骤（5）进行最佳方案的选择，通过图3找出满足所有任务指标的个体总共有4个，如表1所示。

表1满足所有任务指标的轨道方案

按照给定任务指标的优先级，方案一和方案二的回归周期在四个方案中最短，因此挑选出方案一和方案二继续比较侧摆角的大小，最终选择方案一作为本次轨道优化设计的最佳方案。

若给定的约束条件中，轨道高度的要求范围为[550,600]km、侧摆角和回归天数要求过小等，均可能导致某些任务指标无法满足，出现该情况则可依据图2～图6指导任务指标的修改。

本发明方法对太阳同步回归轨道的全局搜索，按照回归特性方式能够收敛至全局最佳个体，且能直观体现各项任务指标的聚集区域，指导最优方案的选择或对任务设计的迭代。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种太阳同步回归轨道全局搜索确定方法，其特征在于实现步骤如下：

(1)给定任务指标输入条件：高度范围[H_min,H_max]，载荷视场宽度FOV或地面固定幅宽L，整星有无侧摆能力及其最大侧摆角度G，不侧摆时是否要求一个回归周期内全球覆盖以及赤道上相邻两轨最小搭接率C，需要的全球重访天数T_R及最大回归天数N；

(2)根据给定的最大回归天数N，计算太阳同步回归特性的集群，对所述集群中的个体进行轨道参数解算，得到所有太阳同步回归轨道对应的高度H和倾角i，具体如下：

(2.1)满足回归轨道特性条件

回归轨道特性用表示，其中K、R与D均为正整数，D＝1～N，R为间隔天数，R与D互质且R<D，K表示一天当中卫星运行的整圈数；满足上述所有条件的组成待选集群；

回归轨道的高度H、倾角i和偏心率e满足下列关系：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\&omega;}}_e=\frac{nD}{KD+R}\&lsqb;1-\frac{3}{4}{J}_2{\left(\frac{R_e}{p}\right)}^2(1-5{\cos }^{2}i)+\sqrt{1-e^2}(1-3{\cos }^{2}i)\&rsqb;-\frac{{\mathrm{nA}}_2\cos i}{p^2}-\frac{{\mathrm{nA}}_2^2\cos i}{p^4}\&lsqb;\frac{2}{3}+\\ \frac{e^2}{6}+\sqrt{1-e^2}-{\sin }^{2}i(\frac{5}{3}-\frac{5e^2}{24}+\frac{3}{2}\sqrt{1-e^2})\&rsqb;-O\&lsqb;\frac{J_4}{J_2^2}\&rsqb;\end{array}---\left(1\right)$

其中，a＝R_e+H，p＝a(1-e²)，ω_e为地球自转角速度，R_e为地球半径，μ为地球引力常数，J₂为地球引力二阶带谐项系数，J₄为地球引力四阶带谐项系数，为地球非球形引力四阶摄动项；

(2.2)满足太阳同步轨道特性条件

太阳同步轨道的高度H、倾角i和偏心率e满足下列关系：

$n_s=-\cos i\left(\frac{3J_2}{2p^2}n\right)\{1+\left(\frac{3J_2}{2P^2}\right)\&lsqb;(\frac{3}{2}+\frac{1}{6}{e}^2+\sqrt{1-e^2})-{\sin }^{2}i(\frac{5}{3}-\frac{5}{24}{e}^2+\frac{3}{2}\sqrt{1-e^2})-O\&lsqb;\frac{J_4}{J_2^2}\&rsqb;\&rsqb;\}---\left(2\right)$

其中，n_s为地球公转角速度；

当给定回归特性和偏心率e后，根据上述公式(1)和(2)确定该条太阳同步回归轨道的高度H和倾角i；一般而言无特殊要求时默认为太阳同步回归圆轨道，即偏心率e＝0；

(3)根据所述步骤(2)中得到的所有太阳同步回归轨道，分别计算卫星在各条太阳同步回归轨道上对应的任务指标，具体如下：

(3.1)幅宽L、视场角FOV和重访可视范围L_R与高度H关系

当给定固定载荷视场角FOV时，计算给定高度上的地面幅宽L，反之给定地面固定幅宽L可反算该高度上对应的FOV，高度H、视场角FOV和地面幅宽L三者之间的对应关系如下：

$L=R_e({\mathrm{\&theta;}}_2-{\mathrm{\&theta;}}_1+\arcsin (\frac{\left(R_e+H\right)\&CenterDot;{\mathrm{sin\&theta;}}_1}{R_e})-\arcsin (\frac{(R_e+H)\&CenterDot;{\mathrm{sin\&theta;}}_2}{R_e}\left)\right)---\left(3\right)$

其中，θ₂和θ₁为载荷定义的视场边界，FOV＝θ₂-θ₁；

当整星具有侧摆能力时，可视范围角度为(FOV+2G)，将(FOV+2G)等效为公式(3)中的视场角，计算重访可视范围L_R：

$L_R=R_e({\mathrm{\&theta;}}_2-{\mathrm{\&theta;}}_1+2G+\arcsin (\frac{\left(R_e+H\right)\&CenterDot;\sin \left(G+{\mathrm{\&theta;}}_1\right)}{R_e})-\arcsin (\frac{(R_e+H)\&CenterDot;\sin \left(G+{\mathrm{\&theta;}}_2\right)}{R_e}\left)\right)---\left(4\right)$

(3.2)无侧摆覆盖与重访搭接判断

卫星在回归轨道上相邻两天的地面轨迹，间隔天数为R，按照D进制进行轨迹排列，直至完成过所有轨迹位置的天数，地面轨迹分布示意如下：

若要求卫星实现一个回归周期内的无侧摆覆盖，则要求上述轨迹分布示意中的相邻两轨之间距离小于等于地面幅宽L，相邻两轨的搭接率C'计算如下：

$C^{/}=1-\frac{2{\mathrm{\&pi;R}}_e}{(KD+R)L}---\left(5\right)$

若要求实现在天数为T_R内的全球重访，则要求1～T_R天内，按照L_R的可视范围能够实现截止至T_R天对上述示意的无漏缝搭接；

(4)对所述步骤(3)中计算的指标进行二进制子串方式编码，一条子串代表某一条太阳同步回归轨道对应任务指标的满足度，该指标满足时为1，不满足为0；

该条轨道上的子串内容排列为：高度H是否位于[H_min,H_max]内、能否实现无侧摆覆盖、C^/是否大于等于C、最大侧摆角G时能否在T_R天内实现全球重访；

若存在均为1的二进制子串，则输出至结果并转入步骤(5)，否则返回步骤(1)，将子串位置0总数最少的信息反馈至输入条件进行迭代修改；

(5)对所述步骤(4)中初步挑选出的方案，按照任务指标的重要性进行排序，用图形分析法直观的找出最佳方案。