计算机仿真在混合星座覆盖分析中的应用
时间：2020-12-08 20:07:11 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要目前混合星座的卫星覆盖分析与仿真是一个热点研究问题。本文设计了大椭圆和地球同步轨道卫星的混合星座模型，对混合星座模型的覆盖情况进行了仿真分析，讨论了GEO星座和不同大椭圆星座组成的两种混合星座的卫星覆盖性能。研究结果对区域观测研究和通信星座设计有一定的参考价值。
【关键词】混合星座 区域覆盖 STK仿真
近年来，无论从政治、经济还是军事的角度出发，许多国家和地区都希望建立扩大GEO卫星通信系统的覆盖范围，解决目前急需的极区通信问题。与同步轨道系统相比，大椭圆轨道系统不存在高纬度地区仰角低的问题，通过合理选取HEO轨道参数可以覆盖高纬度地区及两极区域，有效弥补了GEO卫星的不足。因此，基于HEO的混合星座设计和覆盖效能分析研究已成为研究热点。
在大多数情况下，单颗GEO卫星难以实现全球或两极区域的不间断通信、探测任务。而HEO卫星和GEO卫星组网工作，由于卫星的运动在时间和空间上遵循一定的规律，使得对目标区域的覆盖能够实现相互补充和衔接，有效解决GEO卫星通信中存在的高纬度地区仰角低的问题，扩大GEO卫星通信系统的覆盖范围，解决目前急需的极区通信问题，为各种用户提供全球覆盖。混合星座能够更大程度地发挥卫星的作用，在全球性、时效性、连续性等方面具有单颗卫星无法比拟的优势。
卫星工具软件STK（SatelliteTool Kit）是航天领域中先进的系统分析软件，由美国分析图形有限公司（AGI）研制，用于分析复杂的陆地、海洋、航空及航天任务。它可提供逼真的2维、3维可视化动态场景以及精确的图表、报告等多种分析结果。支持卫星寿命的全过程，航天飞行任务的系统分析、设计制造，测试发射以及在轨运行等各个环节中都有广泛的应用，对于军事遥感卫星的战场监测、覆盖分析、打击效果评估等方面同样具有极大的应用潜力。
本文分析了HEO卫星轨道参数对卫星覆盖性能的影响，设计了HEO卫星和GEO卫星组网星座模型，并运用STK工具针对星座模型进行了仿真分析，讨论了星座的全球覆盖和多重覆盖性能。
1 混合星座卫星空间分布
为了克服GEO星座的无法实现全球覆盖的不足，并合理利用大椭圆轨道能够很好的覆盖中高纬度的优势，本文设计了GEO卫星和大椭圆卫星组成的混合星座。
大椭圆轨道与GEO卫星综合应用系统空间段包括5颗GEO卫星、6颗MOLNYA轨道卫星和4颗TUNDRA轨道卫星，任意选定5颗GEO卫星的轨位，6颗MOLNYA轨道卫星和4颗TUNDRA轨道卫星选取的轨道参考标准值。图1、图2分别给出了5颗GEO和大椭圆轨道卫星平面分布图。
2 混合星座对地区域覆盖仿真分析
2.1 GEO卫星和MOLNYA轨道卫星的覆盖能力
卫星通信系统一般由3-5颗GEO卫星星座组成，该星座是一个+/-65°纬度带内的准全球覆盖卫星星座，5颗GEO卫星组成的混合星座可以很好的覆盖中低纬度地区，但不能实现对高纬度区域和两极的覆盖，不能实现全球覆盖。如果增大通信仰角，则GEO卫星星座能覆盖到的区域范围随之缩小，反之，如果通信仰角增大，则星座覆盖范围会增大，因此，通信仰角直接限制着星座的覆盖范围。但无论如何设置通信仰角，5颗GEO卫星组成的星座都存在无法实现全球覆盖的弊端。
为了克服GEO星座存在的无法覆盖两极和高纬度地区的弊端，本文考虑利用椭圆轨道卫星的对高纬度地区覆盖性能良好的特点，尝试是否能够组成实现全球覆盖的混合星座。本文首先选择典型椭圆轨道MOLNYA，仿真了5颗GEO卫星+三颗MOLNYA轨道卫星（覆盖北极）+三颗MOLNYA轨道卫星（覆盖南极）的覆盖能力，图3为三颗MOLNYA轨道卫星（覆盖北极）+三颗MOLNYA轨道卫星（覆盖南极）的覆盖能力；图4为5颗GEO卫星+三颗MOLNYA轨道卫星（覆盖北极）+三颗MOLNYA轨道卫星（覆盖南极）的覆盖能力，图4为通信仰角15°的覆盖区域。其中蓝色区域表示单星覆盖区域，绿色区域表示同时有2颗卫星覆盖区域，红色部分表示同时有3颗卫星覆盖区域，黄色区域表示同时有4颗卫星覆盖区域，紫色区域表示同时有5颗卫星覆盖区域。
通过实验可知，如果不结合GEO星座，则三颗MOLNYA轨道卫星（覆盖北极）和三颗MOLNYA轨道卫星（覆盖南极）组成的混合星座可以很好的覆盖高纬度地区和两极区域，但对低纬度纬度区域存在覆盖不到的区域，不能实现全球覆盖。因此，如果要实现全球覆盖，就要结合5颗GEO卫星组合，构成的混合星座可以很好的实现全球覆盖。
2.2 GEO卫星和TUNDRA轨道卫星覆盖能力
除了典型的MOLNYA轨道卫星，还有一种性能优越的椭圆轨道YUNDRA轨道。为了验证GEO星座与大椭圆轨道星座相结合是否普遍能够实现全球覆盖，本节仿真了5颗GEO卫星+二颗TUNDRA轨道卫星（覆盖北极）+二颗TUNDRA轨道卫星（覆盖南极）的覆盖能力，图5为二颗TUNDRA轨道卫星（覆盖北极）+二颗TUNDRA轨道卫星（覆盖南极）的覆盖能力；图6为5颗GEO卫星+二颗TUNDRA轨道卫星（覆盖北极）+二颗TUNDRA轨道卫星（覆盖南极）的覆盖能力。其中蓝色区域表示单星覆盖区域，绿色区域表示同时有2颗卫星覆盖区域，红色部分表示同时有3颗卫星覆盖区域，黄色区域表示同时有4颗卫星覆盖区域，紫色区域表示同时有5颗卫星覆盖区域。
由以上的实验图可知，与MOLNYA轨道相比，二颗TUNDRA轨道卫星（覆盖北极）和二颗TUNDRA轨道卫星（覆盖南极）组成的混合星座具有能够实现全球覆盖的优点，但是每个区域只能实现一重到两重的覆盖，不能够很好的满足某些特殊应用对区域多重覆盖的需求，因此需要结合GEO组成能够实现区域多重覆盖的混合星座，以满足各种应用需求。
4 结论
本文在大椭圆（HEO）与GEO混合星座系统中，利用HEO卫星和GEO卫星作为空间段进行了仿真，通过仿真，详细探讨了GEO和不同HEO组成的混合星座的性能和特点，得到如下结论：
