文摘
网格技术是一个经典的方法计算卫星星座覆盖地面区域。针对改善传统方法的计算效率低,使用纬度条纹部门提出了一个方法,具有效率高,我们命名为纬度条纹的方法。将目标区域划分为几个纬度条纹后,计算每个纬度条纹的报道地位通过球面几何学在第一个轨道周期的关系。剩下的轨道周期的经度范围区间计算滑动覆盖状态在第一轨道周期。基于这种方法,仿真时间的瞬时和累计报道可以更有效地计算。,累计覆盖和高度之间的关系可以通过这种方法,计算快速,可用于重复与太阳同步轨道的优化设计。传统的网格点之间的比较方法和纬度条纹法表明纬度条纹法具有较高的效率和准确性。通过各种案例研究、重复与太阳同步轨道的优化设计是成功的代表。
1。介绍
随着民用卫星技术的发展,许多卫星组成的星座在遥感中扮演一个重要的角色1)、沟通(2)、导航(3),和环境监测4]。为地球遥感卫星成像和通信卫星上行/下行数据交换都涉及分析卫星星座的覆盖地面。星座覆盖性能的地面是一个指标来判断卫星星座设计的优点。速度和准确性的覆盖性能评估有一个非常重要的卫星星座优化设计的意义。
莫里森提出的网格点的方法是(5];他将地面区域分成一些网格点。通过判断卫星能否覆盖每一个网格点,瞬时和累计报道。王等人。6]研究了通用航空汽车(CAV)星座分析地球覆盖的基础上根据网格点的方法一个骑兵。邓et al。7)空间区域划分为网格点和分析红外LEO星座的空间覆盖性能。然而,他们将目标区域划分为多个网格点分析覆盖性能。当目标区域大,需要分割精度高,花费大量的时间来计算卫星星座的覆盖性能。
除了网格点的方法,还有其他的方法来解决覆盖问题。卫星星座设计问题与不同种类的保险需求,沃克(8和巴拉德9Walker)提出了圆轨道星座和玫瑰星座分别连续覆盖全球。Palmerini [10]和Ulybyshev [11)设计的椭圆轨道星座单一的连续报道。骑手和亚当斯(12,13]分析了覆盖区域的地面轨迹卫星通过引入“Streets-of-Coverage”的概念和研究极地和倾斜轨道卫星星座设计的单个和多个覆盖需求。上述方法只适用于某一特定区域。歌等。14)开发的概念“经度条纹”,然后把目标区域分成几个经度条纹,并提议瞬时和累计覆盖能力的计算方法。准确的覆盖率可以通过这种方法,但它基于目标的精确划分区域。针对重复轨道的设计,一个解析算法是解决全球覆盖。该方法是每个进入其映射升序和降序节点指定的纬度圈,然后积累圆上的投影宽度的视野卫星(15]。然而,这种方法只能用于判断完全覆盖世界各地,它不能得到准确的报道。以上方法计算精度较低,而其他人只能用于特殊情况,导致有限的实际应用。
设计遥感星座时,覆盖的面积比例是一个卫星性能被认为是(16]。目前,轨道计算的理论方法的重复轨道是相当成熟17,18]。,覆盖率百分比是重复轨道的优化(19]。然而,上述研究都是通过数值计算,成本的计算。作为一个设计工具,它比semianalytic方法由于遍历性能在轨道上的高度。
本文提出了一种新的方法来计算覆盖卫星星座和区域目标之间基于纬度条纹,这是叫纬度条纹的方法。第一,全球除以几个窄条纹纬度,然后每个纬度的经度间隔的条纹在该地区的目标。通过计算每个纬度条纹的覆盖状况,卫星的覆盖。通过分析卫星的地面轨迹,覆盖同一纬度条纹之间的关系和卫星轨道周期。考虑地球的自转地球惯性坐标(ECI)系统。卫星的地面轨迹是下跌,以及卫星覆盖经度间隔相同的纬度条纹。因此在覆盖率计算,计算纬度条纹的报道地位在第一个轨道周期,然后剩下的轨道周期的纬度覆盖间隔计算滑动覆盖状态在第一个轨道周期,和,最后,综合统计数据覆盖率。
2。基本概念和定义
首先,本文中使用的术语的定义。单一卫星记录。记录单卫星覆盖地面。星座记录,全球区域记录,和地面区域目标记录。一个点的经度和纬度地球表面上表示和。
定义1(纬度条纹)。纬度条纹中心纬度是指一个地区在地球表面。假设条纹宽度是;它表明一个地区的纬度区间和经度间隔。
定义2(经度区间)。经度纬度范围内缟纬度和经度间隔条纹代表一个经度范围的子范围,这是记录。纬度条纹经度的间隔代表一个地区,周围是经度范围和纬度范围。
定义3(经度地区区间)。地区的经度纬度条纹间隔的一部分在该地区是哪一个;这是一个经度间隔。区域经度间隔记录;当纬度条纹宽度不是强调,它是表示。也就是说,。
定义4(经度范围区间)。覆盖经度纬度条纹间隔的交集和覆盖范围一个卫星,地面是一个经度间隔。覆盖经度间隔记录;当纬度条纹宽度不是强调,它是表示。也就是说,。
定义5(经度地区覆盖区间)。区域覆盖经度间隔的交集区域间隔和覆盖经度间隔,记录。,在那里代表一个经度间隔。这个项目代表单个卫星之间的覆盖范围和纬度条纹在目标区域。
每颗卫星的星座,区域覆盖可以计算经度间隔,和星座的覆盖经度的间隔是工会的卫星覆盖经度间隔:
纬度条纹的宽度经度和纬度条纹的间隔;该地区对应纬度条纹
区域覆盖间隔对应于一个纬度条纹可能是一个单一的时间间隔或间隔。所以星座的覆盖区域纬度条纹
星座总覆盖面积的目标地区
卫星星座的覆盖率目标区域在特定的时间 在哪里目标区域的面积。在这篇文章中,目标区域可以任意区域,纬度区区域或全球地区。
3所示。纬度条纹方法的基本思想
这里纬度条纹方法的基本思想是:根据给定的划分粒度,世界被分为几个小纬度条纹。通过计算目标区域的十字路口和纬度条纹,每个纬度条纹在目标的经度的间隔。图1是全球除纬度条纹的方法。
然后,仿真时间分为轨道周期。首先,纬度条纹的报道地位的第一颗人造卫星轨道周期进行了分析。根据地球自转的特点,剩余的纬度范围区间轨道周期计算滑动覆盖状态的第一个轨道周期。最后,每个纬度条纹的覆盖的卫星星座相结合;综合统计得到瞬时覆盖率和累积覆盖率。
计算过程的瞬时覆盖一个卫星在目标区域在时间给出如下。
步骤1。根据用户的需求,划分粒度设置为纬度的条纹然后是全球分为几个纬度条纹。这些条纹形成一组纬度条纹。
步骤2。十字路口的纬度条纹和目标纬度条纹的目标得到;如果目标区域是全球地区,这一步可以忽略。通过这一步,一组的纬度条纹与目标的关系可以获得。
步骤3。选择一个纬度的条纹这不是计算纬度条纹的集合。
步骤4。计算的交点和目标;然后区域经度间隔是获得。
第5步。计算覆盖范围的卫星在时间。
步骤6。纬度条纹的交集和覆盖范围和覆盖经度间隔是获得。
步骤7。得到的交集区域经度区间和覆盖经度间隔和区域覆盖经度区间的卫星。
步骤8。转到步骤3当一个纬度条纹不计算纬度条纹的存在。
第9步。找出相对应的区域的区域覆盖经度的间隔;因此,目标地区的覆盖率的卫星在时间是获得。
这种方法与传统的网格点方法在某些方面,但这两种方法在本质上是不同的。网格点的基本思想是基于概率抽样方法,但是纬度法是一种基于微积分无穷小。该方法将该地区几个纬度条纹。当纬度条纹宽度窄,经度方向的变化很小。同时,这种方法非常类似于经度条纹法(14];他们使用条纹将目标区域;而条纹方法使用经度条纹把目标区域,纬度条纹条纹方法使用的自由度。纬度圈不改变地球的旋转,所以卫星星座的覆盖计算简化组合的地球自转和卫星轨道周期的特点。根据这一方法,提高计算效率。
4所示。覆盖率计算地面卫星星座
4.1。覆盖在一个轨道周期计算
自目标地区,所以一套纬度条纹在这个地区。这些纬度的经度间隔的条纹。取一个纬度的条纹中央纬度在纬度条纹作为一个例子。卫星和纬度地带之间的几何关系如图2。
如果卫星不覆盖目前卫星的覆盖率,纬度条纹是0。子卫星的经度和纬度点记录。是一个弧段的纬度圈纬度是什么。点和的十字路口是卫星覆盖圆和圆弧段。假设点的经度是和卫星的覆盖半径。通过考虑球面三角形在哪里北极,方程可以得到:
然后(6)可以简化
使点的经度是,点的经度是:
根据(8),点的经度和纬度和可以计算然后覆盖经度的间隔纬度的条纹可以获得。假设区域经度纬度条纹的间隔是。考虑到经度间隔的子区间,所以区域覆盖卫星的经度的间隔可以表示为
4.2。覆盖在仿真时间计算
考虑地球的自转地球惯性坐标(ECI)系统。卫星的地面轨迹是下跌,以及卫星覆盖经度间隔相同的纬度条纹。卫星轨道周期后,卫星可以重新审视同一纬度条纹;即同一纬度访问条纹的时差是一个卫星轨道的时期。根据这一理论,纬度的报道地位条纹在第一个计算卫星轨道周期,然后在剩下的纬度范围区间轨道周期计算滑动覆盖状态的第一个轨道周期。
这种方法只需要计算的交点覆盖间隔和地区经度间隔计算覆盖率时剩下的轨道周期,可以节省计算覆盖率经度间隔的时间。
倾斜线在图3子卫星的地面轨迹点和椭圆是地球卫星对地面的覆盖在特定的时间。
在图3,和的十字路口是卫星覆盖和纬度条纹在第一轨道周期。和卫星覆盖的十字路口,纬度在第二轨道周期条纹。和卫星覆盖的十字路口,纬度在第三轨道周期条纹。通过翻译一个区间;通过翻译有两个间隔。
假设的经度是,即一个卫星覆盖的十字路口,纬度内缟是。后轨道周期,纬度条纹的交集 在哪里是节点。考虑到经度纬度条纹的区间范围,需要调整。是指地球的角速度。分别是颞升交点赤经的变化微扰模型。的区别是和;它可以表示为
5。数值模拟瞬时覆盖率
5.1。瞬时覆盖率计算
本章验证目标的瞬时覆盖地区由不同的方法。沃克的星座(8与参数)作为一个例子。卫星轨道高度1300公里,轨道的倾角,每个卫星的星座是配备了一个简单的圆锥半张角的传感器。目标区域被定义为从纬度区域来。仿真开始时间是2016-1-1就是(UTCG)和结束时间是2016-1-3就是(UTCG)。仿真步骤是设置为1。
目标区域由不同的部门划分粒度,分别,,。纬度地带的划分粒度方法被定义为(单位:度)之间的距离两个相邻条纹。网格点的划分粒度方法被定义为(单位:度)之间的距离两个连续的网格点在目标区域均匀划分的网格点。在数据4,5,6,星座覆盖率计算目标区域比较的两个方法。
水平轴代表时间(单位:秒),纵轴代表星座覆盖率。红色实线是纬度的覆盖率条纹和黑色虚线的方法网格点的方法。
对比结果如图4,5,6和计算的区别这两种方法之间的覆盖率,数字7,8,9可以获得。水平轴代表时间(单位:秒),纵轴代表星座覆盖率的两种方法的区别。
在数据比较计算结果4- - - - - -9,有一些分析如下:(1)划分粒度越小,两种方法的结果更准确,星座覆盖率的差异更小。(2)当划分粒度覆盖率的差异,两种方法的顺序和纬度地带方法的准确性。
为了比较的计算效率纬度条纹法与传统网格法,经度条纹方法介绍,提出了文献[14]。计算精度定义为划分粒度的倒数。图10是三种方法的计算时间为目标区域在模拟时间。三种方法是网格点,经度和纬度条纹,条纹。
从图10,当部门粒度是相同的,所花费的时间纬度地带方法至少在三个方法。当划分粒度花费26 s计算覆盖率由纬度条纹,由网格点远低于所花费的时间,同时低于由经度方法所花费的时间。它表明纬度条纹的效率的方法。
5.2。结果分析
从部分5。1当划分粒度小,网格点的计算结果差异法和经度地带法也小。当计算覆盖率的网格点的方法,目标区域沿着经度和纬度方向分为若干个网格。然而,当使用纬度条纹方法,目标区域沿经度方向分为几条。覆盖率经度纬度方向的间隔是准确的,这消除了错误在纬度方向划分目标区域。计算精度很大时,计算结果的纬度地带方法和网格点方法一致。
时在同一部门的粒度,纬度地带方法的计算时间短于网格点的方法。原因是纬度地带方法充分利用地球自转的特点。目标的覆盖仿真时间只能通过计算目标的覆盖在第一个轨道周期,从而提高计算效率。网格点方法和经度条纹方法不考虑地球自转的特点,所以他们花更多的时间来计算覆盖率。
6。数值模拟为累积的报道
6.1。重复轨道设计
重复轨道也称为重复地面轨迹的轨道,它被定义为轨道与地面周期性重复的痕迹。他们的地面轨迹会跟着一个整数的革命在节的日子。这些轨道有良好的外表对于地球的报道,这是有利于遥感。在工程实践中,重复的因素代表轨道完成每天的数量(17,18]。确定所有地面痕迹的位置和序列,这被定义为
在(12),可以写成一个整数号码吗加上一个小数部分,在那里是一个整数'和。
遥感卫星的全球覆盖地球是最重要的参数之一。目前,重复轨道最找出最优轨道设计的高度,但它花费很多时间。
基于纬度条纹方法本文累积覆盖率之间的关系和轨道高度可以迅速获得,这使得它更方便设计师选择最好的轨道。根据这一方法,可以获得不同轨道高度的设置,满足全球覆盖地球。通过选择不同的轨道值高度集中,设计师的设计可以节省大量的时间重复轨道并迅速做出决定。
HJ-1A轨道数据的使用在这一章,HJ-1A卫星的卫星星座在环境监测和预测4),设计目标是覆盖地球在四天之内。HJ-1A配备了一个简单的圆锥半张角的传感器,这颗卫星只需要照片的时期下行轨道。考虑的目标在4天内HJ-1A覆盖地球。所以仿真开始时间是2016-1-1就是(UTCG)和结束时间是2016-1-5就是(UTCG)。仿真步骤是设置为1 s轨道高度的HJ-1A选择范围从600到700公里。
覆盖率百分比之间的关系和高度HJ-1A是显示在图11。不同轨道高度,覆盖率HJ-1A世界各地是不同的在四天之内。当高度的范围是639 - 650公里,卫星的全球覆盖率是100%。所以当我们的目标是全球覆盖,卫星的高度可以选择639 - 650公里的高度。
实际上,HJ-1A设计为649.053公里的轨道高度根据这篇文章(4),在639 - 650公里的范围。它显示了由纬度条纹方法计算结果的准确性。当分割精度30年代,成本计算纬度条纹的覆盖率。
6.2。为CFOSAT设计重复轨道
CFOSAT(中法海洋卫星轨道)是一个法中任务嵌入两波和风力测量仪器(15]。CFOSAT拥有半张角是狭窄的视野。它是太阳同步极轨道的,想象在升序和降序的轨道。设计目标是覆盖地球的11 - 14天。
累积覆盖率百分比之间的关系和高度CFOSAT几个时期是显示在图12。图通过纬度方法非常类似于本文图(15]。更方便设计师选择最好的轨道。有一些图的分析12如下:(1)在11天内,卫星的轨道高度约502公里,512公里,520公里,540公里将有良好的覆盖特性。当轨道高度502公里,累计覆盖率是96.68%。(2)14天内,当轨道高度变化在501 - 503公里,520 - 521公里,526 - 527公里,和538 - 548公里,卫星星座的全球覆盖率是100%。因此,卫星的高度可以选择为全球完全覆盖在上面的范围问题。表1显示了一些重复的参数时太阳同步轨道的轨道高度范围是501 - 503公里。在表1,是地面轨迹重复参数。这些有不同的重复周期轨道和地面轨道,但他们可以实现全球14天内全覆盖。根据文献[20.),当轨道高度大约是相同的,一个使用低轨道可以转移到另一个轨道技术。这种技术保证的实现几个目标过程中相同的任务,这是用于不同的任务。(3)覆盖率分析的传输错误的影响:拿一个轨道高度557公里内12天为例;累计覆盖率是72.80%。当轨道高度增加到567公里,覆盖率降低到20.7%。与此同时,根据累积覆盖率之间的关系和轨道高度,可以制定详细战略轨道控制。此外,整体设计可以结合工况的载荷在不同高度和权衡的选择。
当划分粒度和仿真时间是14天,花费50年代计算纬度条纹的覆盖率。
7所示。结论
本文提出了一种新的方法对卫星星座覆盖在地上。该方法将目标区域由几个窄条纹。贡献之一是,该方法消除了错误在纬度方向划分目标区域,所以计算结果更准确。另一个贡献是它充分利用地球自转的字符,因此计算效率提高。根据这种方法,瞬时和累计覆盖率可以快速计算。当这种方法应用于重复太阳同步轨道上的设计,覆盖率百分比之间的关系和轨道高度可以迅速获得。与传统方法相比,该方法更方便设计师选择最好的轨道,可以制定详细的战略轨道控制。
相互竞争的利益
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作是由中国自然科学基金资助下不。41571403,61472375,61103144。支持的项目是基础研究创建的国立大学,中国地质大学(武汉),在批准号1610491 b21。相应的作者也承认的鼓励和关心秦罗(父亲)和e·刘(母亲)。