异轨等高圆轨道卫星的星间稳定建链弧段计算方法及系统与流程

1.本发明涉及航天技术领域，具体地，涉及一种异轨等高圆轨道卫星的星间稳定建链弧段计算方法及系统。


背景技术：

2.随着遥感技术的不断发展，卫星应用越来越重视星间、星座间的协同探测与感知，用以发挥并提升卫星的体系效能，推进各类卫星建链融合已成为航天技术发展的必然趋势。异轨卫星相对运动复杂，卫星的相对位置和姿态始终处于动态变化中，两颗异轨星建链往往出现时断时续的现象，为实现稳定建链必须保证建链的两颗卫星在多个轨道周期内互相可见，即两星均在对方的稳定建链弧段内。
3.现有文献对星间稳定建链的条件分析停留在具体的两颗卫星上，采取点到点的思路将两颗卫星视作两个终端，通过位置参数计算可见性来做判断，一次计算只能判断两颗星的可见性。若采用点到线的思路计算本星在目标星轨道上的稳定建链弧段，则一次计算就能判断本星与多个目标星的可见性，便于卫星测运控人员快速判断本星与多颗目标星是否可稳定建链。
4.文献1，贺瑜飞2019年发表在计算机测量与控制上的《基于星间网络拓扑技术的星间链路优化设计》，在星间网络环境中，全链路生命周期达不到预期标准数值，进而导致拓扑信道传输特性不能得到满足，基于此现状，设计星间网络拓扑技术支持下的星间链路优化方法﹔在网络拓扑框架中，规划星间传感器节点的具体位置，推导拓扑演化所需的机制条件，提升全链路组织中数据信息的理想生命周期数值，完成星间网络的拓扑结构设计﹔在此基础上，研究星间链路的基本结构形式，判断处理优化流程的合理性，根据具体的优化设计建立条件，完成静态与动态链路的优化设计，实现星间链路优化设计的条件与流程完善﹔联合ldpc码，构造标准的星间校验矩阵，并处理信道中编码数据的译码形态，满足拓扑信道的传输特性，完成星间信道的ldpc编码，实现基于星间网络拓扑技术的星间链路优化设计﹔建立星间网络环境进行比对性实验，数据结果显示优化后星间链路生命周期最大值提升至135ms，wit指标数值始终保持在70％左右，拓扑信道传输特性得到满足从位置出发建立了两星可见的基本判断式，并以此为基础进行链路拓扑优化设计。但是该文献的判断式仍采用点到点的分析思路，与本发明点到弧段可见性的思路不能相提并论。
5.文献2，王沈泽、宴坚、陈翔等2014年发表在兵工学报上的《多层卫星网络构型优化中的永久星间链路可视条件》，星间链路对多层卫星网络性能有重要影响,其频繁的切换将引起路由变换、延时抖动等一系列问题，具备永久星间链路的多层卫星网络的性能将得到极大改善，通过分析两颗圆轨道卫星之间的相对运动关系,给出任意两颗圆轨道卫星间构建永久星间链路的可视条件的解析表达式，提出walker星座的全可视星概念,并给出存在全可视星的walker星座构型应具备的条件。上述条件可作为约束,应用于多层卫星网络的设计优化中,避免层间星间链路的频繁切换问题,降低网络复杂度。该专利文献与本发明从可见弧段和纬度幅角投影分析稳定建链弧段进而判断两星能否稳定建链的方法为两条不
同的技术路径，且该文献未从轨道相位差的角度描述永久链路星的集合，仍然采用点到点的思路。
6.公开号为cn103546211b的专利文献公开了一种基于时空先验建链信息的空分时分星间链路快速建链方法，其步骤为：(1)计算下一个有效测量通信时隙到达时刻toa；(2)计算下一个有效测量通信时隙卫星a到卫星b的位置矢量和速度矢量，将速度矢量投影到位置矢量方向获得到达多普勒信息foa；(3)由卫星a、b预报星历参数，分别计算卫星a、b在下一测量通信时隙相对于地心惯性坐标系的位置，计算下一测量通信时隙卫星a质心到卫星b质心的质心方向矢量；通过换算得到在卫星a天线坐标系下卫星a的天线指向欧拉角，进而建立卫星a、b之间的星间链路。但是该专利文献与本发明的方案不同。


技术实现要素：

7.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种异轨等高圆轨道卫星的星间稳定建链弧段计算方法。
8.根据本发明提供的一种异轨等高圆轨道卫星的星间稳定建链弧段计算方法，包括如下步骤：
9.投影值计算步骤：建立节线坐标系，计算本星纬度幅角在目标星轨道上的投影值；
10.地心夹角计算步骤：计算本星与目标星最远可见时的地心夹角；
11.位置差计算步骤：根据所述投影值，计算本星与目标星的位置差；
12.可见弧段值计算步骤：根据所述地心夹角，计算本星对目标星轨道的可见弧段值；
13.稳定建链弧段值计算步骤：根据所述投影值和所述可见弧段值，计算稳定建链弧段值；
14.稳定建链判断步骤：根据所述位置差和所述稳定建链弧段值，判断本星与目标星是否可稳定建链。
15.优选的，所述投影值计算步骤中，建立节线坐标系具体为：
16.本星的轨道为倾斜圆轨道，目标星的轨道为0倾角圆轨道，所述倾斜圆轨道和所述0倾角圆轨道均以地心为原点o；
17.所述倾斜圆轨道和所述0倾角圆轨道的轨道交线为节线，以所述节线作为x轴，以指向本星升起的方向为+x向，以指向北极为+z向，+y轴、+x轴以及+z轴构成右手坐标系。
18.优选的，所述投影值计算步骤中，本星纬度幅角在目标星轨道上的投影值从所述节线向投影点度量，绕+z轴度量为正，本星纬度幅角在目标星轨道上的投影值为：
[0019][0020]
其中，
△
ua′
为本星纬度幅角在目标星轨道上的投影值，
△
ua为本星纬度幅角，
△
i为本星的轨道倾角。
[0021]
优选的，所述地心夹角计算步骤中，本星和目标星的最远可见以本星与目标星的连线距离地球表面为h判定，h为强电离层距离地表高度，取值200km。
[0022]
优选的，所述地心夹角计算步骤中，本星视为a，目标星视为b，本星和目标星的地心夹角为∠aob：
[0023][0024]
其中，re为地球半径，aa为本星的半长轴。
[0025]
优选的，所述位置差计算步骤中，本星与目标星的位置差以节线坐标系下本星纬度幅角在目标星轨道上的投影值与目标星纬度幅角值的差表示：
[0026]
△
ua′b＝
△
ua′
‑△
ub[0027]
其中，
△
ua′b为本星与目标星的位置差，
△
ub为目标星纬度幅角值。
[0028]
优选的，在所述可见弧段值计算步骤中，本星投影视为a'，可见弧段以节线坐标系下目标星与本星投影的地心夹角∠a
′
ob表示：
[0029][0030]
其中，
△
ua为本星的纬度幅角，从所述节线开始度量；
△
i为本星的轨道倾角。
[0031]
优选的，在所述稳定建链弧段值计算步骤中，遍历计算本星纬度幅角从0～2π时的可见弧段值，并与本星纬度幅角及其在目标星轨道上的投影值负值相加，取其中最小值为稳定建链弧段值：
[0032]
△
uc＝[∠a
′
ob+
△
ua‑△
ua′
]
min
，ua∈[0，2]。
[0033]
优选的，在所述稳定建链判断步骤中，通过比较两星位置差与稳定建链弧段值大小来判断两星是否可稳定建链：
[0034]
当
△ua'b
≤
△
uc时，本星和目标星处于各自稳定建链弧段内，可稳定建链；当
△ua'b
＞
△
uc时，本星和目标星处于各自稳定建链弧段外，不能稳定建链。
[0035]
本发明还提供一种异轨等高圆轨道卫星的星间稳定建链弧段计算系统，包括如下模块：
[0036]
投影值计算模块：建立节线坐标系，计算本星纬度幅角在目标星轨道上的投影值；
[0037]
地心夹角计算模块：计算本星与目标星最远可见时的地心夹角；
[0038]
位置差计算模块：根据所述投影值，计算本星与目标星的位置差；
[0039]
可见弧段值计算模块：根据所述地心夹角，计算本星对目标星轨道的可见弧段值；
[0040]
稳定建链弧段值计算模块：根据所述投影值和所述可见弧段值，计算稳定建链弧段值；
[0041]
稳定建链判断模块：根据所述位置差和所述稳定建链弧段值，判断本星与目标星是否可稳定建链。
[0042]
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0043]
1、本发明提升了一对多的分析能力，便于卫星测运控人员快速判断本星与多颗目标星是否可稳定建链；
[0044]
2、本发明无需借助专业仿真工具即可计算出稳定建链弧段值，便于卫星测运控人员快速判断两星是否可稳定建链；
[0045]
3、本发明的计算过程中只有三角函数运算，简便易懂，便于卫星测运控人员快速
判断本星与目标星是否可稳定建链。
附图说明
[0046]
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0047]
图1为本发明的异轨等高圆轨道卫星的星间稳定建链弧段计算方法的步骤流程图；
[0048]
图2为本发明的节线坐标系下轨道参数定义图；
[0049]
图3为本发明的两星地心夹角定义图。
具体实施方式
[0050]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0051]
实施例1：
[0052]
如图1～3所示，本实施例提供了一种异轨等高圆轨道卫星的星间稳定建链弧段计算方法，包括如下步骤：
[0053]
投影值计算步骤：建立节线坐标系，计算本星纬度幅角在目标星轨道上的投影值；建立节线坐标系具体为：本星的轨道为倾斜圆轨道，目标星的轨道为0倾角圆轨道，倾斜圆轨道和0倾角圆轨道均以地心为原点o，倾斜圆轨道和0倾角圆轨道的轨道交线为节线，以节线作为x轴，以指向本星升起的方向为+x向，以指向北极为+z向，+y轴、+x轴以及+z轴构成右手坐标系，本星纬度幅角在目标星轨道上的投影值为：
[0054][0055]
其中，
△
ua′
为本星纬度幅角在目标星轨道上的投影值，
△
ua为本星纬度幅角，
△
i为本星的轨道倾角，本星纬度幅角在目标星轨道上的投影值从节线向投影点度量，绕+z轴度量为正。
[0056]
地心夹角计算步骤：计算本星与目标星最远可见时的地心夹角，本星和目标星的最远可见以本星与目标星的连线距离地球表面为h判定，h为强电离层距离地表高度，取值200km，本星视为a，目标星视为b，本星和目标星的地心夹角为∠aob：
[0057][0058]
其中，re为地球半径，aa为本星的半长轴。
[0059]
位置差计算步骤：根据投影值，计算本星与目标星的位置差，本星与目标星的位置差以节线坐标系下本星纬度幅角在目标星轨道上的投影值与目标星纬度幅角值的差表示：
[0060]
△
ua′b＝
△
ua′
‑△
ub[0061]
其中，
△
ua′b为本星与目标星的位置差，
△
ub为目标星纬度幅角值。
[0062]
可见弧段值计算步骤：根据地心夹角，计算本星对目标星轨道的可见弧段值，本星投影视为a'，可见弧段以节线坐标系下目标星与本星投影的地心夹角∠a
′
oa表示：
[0063][0064]
其中，
△
ua为本星的纬度幅角，从节线开始度量；
△
i为本星的轨道倾角。
[0065]
稳定建链弧段值计算步骤：根据投影值和可见弧段值，计算稳定建链弧段值，遍历计算本星纬度幅角从0～2π时的可见弧段值，并与本星纬度幅角及其在目标星轨道上的投影值负值相加，取其中最小值为稳定建链弧段值：
[0066]
△
uc＝[∠a
′
ob+
△
ua‑△
ua′
]
min
，ua∈[0,2]。
[0067]
稳定建链判断步骤：根据位置差和稳定建链弧段值，判断本星与目标星是否可稳定建链，通过比较两星位置差与稳定建链弧段值大小来判断两星是否可稳定建链：
[0068]
当
△ua'b
≤
△
uc时，本星和目标星处于各自稳定建链弧段内，可稳定建链；当
△ua'b
＞
△
uc时，本星和目标星处于各自稳定建链弧段外，不能稳定建链。
[0069]
实施例2：
[0070]
本实施例提供一种异轨等高圆轨道卫星的星间稳定建链弧段计算系统，包括如下模块：
[0071]
投影值计算模块：建立节线坐标系，计算本星纬度幅角在目标星轨道上的投影值；
[0072]
地心夹角计算模块：计算本星与目标星最远可见时的地心夹角；
[0073]
位置差计算模块：根据所述投影值，计算本星与目标星的位置差；
[0074]
可见弧段值计算模块：根据所述地心夹角，计算本星对目标星轨道的可见弧段值；
[0075]
稳定建链弧段值计算模块：根据所述投影值和所述可见弧段值，计算稳定建链弧段值；
[0076]
稳定建链判断模块：根据所述位置差和所述稳定建链弧段值，判断本星与目标星是否可稳定建链。
[0077]
实施例3：
[0078]
本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1、实施例2的更为具体的说明。
[0079]
本实施例提供一种异轨等高圆轨道卫星的星间稳定建链弧段计算方法，包括如下步骤：
[0080]
步骤a：建立节线坐标系，计算本星纬度幅角在目标星轨道上的投影值；
[0081]
步骤b：计算两星最远可见时的地心夹角；
[0082]
步骤c：计算两星位置差；
[0083]
步骤d：计算本星对目标星轨道的可见弧段值；
[0084]
步骤e：计算稳定建链弧段值；
[0085]
步骤f：判断本星与目标星是否可稳定建链。
[0086]
进一步的，在步骤a中，本星a为倾斜圆轨道，目标星b为0倾角圆轨道，以两星轨道交线为x轴，以地心为原点，指向本星升起的方向为+x向，指向北极为+z向，+y与+x、+z构成右手坐标系，本星投影值从节线向投影点度量，绕+z轴度量为正：
[0087][0088]
进一步的，在步骤b中，两星最远可见以两星连线距离地球表面为h判定，此时，两星地心夹角为：
[0089][0090]
式中，re为地球半径，a为本星/目标星半长轴。
[0091]
进一步的，在步骤c中，两星位置差以节线坐标系下本星a投影值与目标星纬度幅角值的差表示：
[0092]
△
ua′b＝
△
ua′
‑△
ub[0093]
进一步的，在步骤d中，可见弧段以节线坐标系下目标星b与本星a投影a'的地心夹角表示：
[0094][0095]
式中，
△
ua为本星的纬度幅角，从节线开始度量；
△
i为本星的轨道倾角。
[0096]
进一步的，在步骤e中，遍历计算本星纬度幅角从0～2π时的可见弧段值，并与本星纬度幅角及其投影值负值相加，取其中最小值为稳定建链弧段值：
[0097]
△
uc＝[∠a
′
ob+
△
ua‑△
ua′
]
min
，ua∈[0,2]。
[0098]
进一步的，在步骤f中，通过比较两星位置差与稳定建链弧段值大小来判断，当
△ua'b
≤
△
uc时，两星处于各自稳定建链弧段内，可稳定建链，反之，两星无法稳定建链。
[0099]
本实施例的计算方法旨在解决异轨等高圆轨道卫星建链过程中，本星对异轨道上多颗目标星的稳定可见问题。
[0100]
实施例4：
[0101]
本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1、实施例2的更为具体的说明。
[0102]
本实施例提供一种异轨等高圆轨道卫星的星间稳定建链弧段计算方法，根据本星、目标星轨道参数结合解析表达式直接计算出本星对目标星轨道的稳定建链弧段，无需借助stk等专业仿真工具开展长周期仿真，计算过程中只有三角函数运算，简便易懂，便于卫星测运控人员快速判断本星与目标星是否可稳定建链。
[0103]
实施步骤如图1所示。
[0104]
(1)建立节线坐标系：
[0105]
在时刻为t时，ua为60
°
，u
b1
为-50
°
，u
b2
为-70
°
，ia(
△
i)为37
°
，本星a纬度幅角投影值为：
[0106]
△
ua′
＝54.136
°
；
[0107]
(2)计算两星最远可见时的地心夹角：
[0108]
取re＝6371km，h＝200km，a＝14371km，则：
[0109]
∠aob＝125.5817
°
；
[0110]
(3)计算两星位置差：
[0111]
△
ua′
b1
＝104.136
°
，
△
ua′
b2
＝124.136
°
；
[0112]
(4)计算本星对目标星轨道的可见弧段值：
[0113][0114]
(5)计算稳定建链弧段值：
[0115]
△
uc＝122.3475
°
；
[0116]
(6)判断本星与目标星是否处于稳定建链弧段内：
[0117]
△
u1′
b1
＜
△
uc，两星处于各自可稳定弧段内，可稳定建链；
[0118]
△
ua′
b2
＞
△
uc，两星处于各自可稳定弧段外，不能稳定建链。
[0119]
本发明无需借助专业仿真工具即可计算出稳定建链弧段值，便于卫星测运控人员快速判断两星是否可稳定建链。
[0120]
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
[0121]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

技术特征：
1.一种异轨等高圆轨道卫星的星间稳定建链弧段计算方法，其特征在于，包括如下步骤：投影值计算步骤：建立节线坐标系，计算本星纬度幅角在目标星轨道上的投影值；地心夹角计算步骤：计算本星与目标星最远可见时的地心夹角；位置差计算步骤：根据所述投影值，计算本星与目标星的位置差；可见弧段值计算步骤：根据所述地心夹角，计算本星对目标星轨道的可见弧段值；稳定建链弧段值计算步骤：根据所述投影值和所述可见弧段值，计算稳定建链弧段值；稳定建链判断步骤：根据所述位置差和所述稳定建链弧段值，判断本星与目标星是否可稳定建链。2.根据权利要求书1所述的异轨等高圆轨道卫星的星间稳定建链弧段计算方法，其特征在于，所述投影值计算步骤中，建立节线坐标系具体为：本星的轨道为倾斜圆轨道，目标星的轨道为0倾角圆轨道，所述倾斜圆轨道和所述0倾角圆轨道均以地心为原点o；所述倾斜圆轨道和所述0倾角圆轨道的轨道交线为节线，以所述节线作为x轴，以指向本星升起的方向为+x向，以指向北极为+z向，+y轴、+x轴以及+z轴构成右手坐标系。3.根据权利要求书2所述的异轨等高圆轨道卫星的星间稳定建链弧段计算方法，其特征在于，所述投影值计算步骤中，本星纬度幅角在目标星轨道上的投影值从所述节线向投影点度量，绕+z轴度量为正，本星纬度幅角在目标星轨道上的投影值为：其中，
△
u
a
′
为本星纬度幅角在目标星轨道上的投影值，
△
u
a
为本星纬度幅角，
△
i为本星的轨道倾角。4.根据权利要求书3所述的异轨等高圆轨道卫星的星间稳定建链弧段计算方法，其特征在于，所述地心夹角计算步骤中，本星和目标星的最远可见以本星与目标星的连线距离地球表面为h判定，h为强电离层距离地表高度，取值200km。5.根据权利要求书4所述的异轨等高圆轨道卫星的星间稳定建链弧段计算方法，其特征在于，所述地心夹角计算步骤中，本星视为a，目标星视为b，本星和目标星的地心夹角为∠aob：其中，r
e
为地球半径，a
a
为本星的半长轴。6.根据权利要求书5所述的异轨等高圆轨道卫星的星间稳定建链弧段计算方法，其特征在于，所述位置差计算步骤中，本星与目标星的位置差以节线坐标系下本星纬度幅角在目标星轨道上的投影值与目标星纬度幅角值的差表示：
△
u
a
′
b
＝
△
u
a
′
‑△
u
b
其中，
△
u
a
′
b
为本星与目标星的位置差，
△
u
b
为目标星纬度幅角值。
7.根据权利要求6所述的异轨等高圆轨道卫星的星间稳定建链弧段计算方法，其特征在于，在所述可见弧段值计算步骤中，本星投影视为a'，可见弧段以节线坐标系下目标星与本星投影的地心夹角∠a
′
ob表示：其中，
△
u
a
为本星的纬度幅角，从所述节线开始度量；
△
i为本星的轨道倾角。8.根据权利要求7所述的异轨等高圆轨道卫星的星间稳定建链弧段计算方法，其特征在于，在所述稳定建链弧段值计算步骤中，遍历计算本星纬度幅角从0～2π时的可见弧段值，并与本星纬度幅角及其在目标星轨道上的投影值负值相加，取其中最小值为稳定建链弧段值：
△
u
c
＝[∠a
′
ob+
△
u
a
‑△
u
a
′
]
min
，u
a
∈[0,2]。9.根据权利要求8所述的异轨等高圆轨道卫星的星间稳定建链弧段计算方法，其特征在于，在所述稳定建链判断步骤中，通过比较两星位置差与稳定建链弧段值大小来判断两星是否可稳定建链：当
△
u
a'b
≤
△
u
c
时，本星和目标星处于各自稳定建链弧段内，可稳定建链；当
△
u
a'b
＞
△
u
c
时，本星和目标星处于各自稳定建链弧段外，不能稳定建链。10.一种异轨等高圆轨道卫星的星间稳定建链弧段计算系统，其特征在于，包括如下模块：投影值计算模块：建立节线坐标系，计算本星纬度幅角在目标星轨道上的投影值；地心夹角计算模块：计算本星与目标星最远可见时的地心夹角；位置差计算模块：根据所述投影值，计算本星与目标星的位置差；可见弧段值计算模块：根据所述地心夹角，计算本星对目标星轨道的可见弧段值；稳定建链弧段值计算模块：根据所述投影值和所述可见弧段值，计算稳定建链弧段值；稳定建链判断模块：根据所述位置差和所述稳定建链弧段值，判断本星与目标星是否可稳定建链。

技术总结
本发明提供了一种异轨等高圆轨道卫星的星间稳定建链弧段计算方法及系统，包括如下步骤：投影值计算步骤：建立节线坐标系，计算本星纬度幅角在目标星轨道上的投影值；地心夹角计算步骤：计算本星与目标星最远可见时的地心夹角；位置差计算步骤：根据所述投影值，计算本星与目标星的位置差；可见弧段值计算步骤：根据所述地心夹角，计算本星对目标星轨道的可见弧段值；稳定建链弧段值计算步骤：根据所述投影值和所述可见弧段值，计算稳定建链弧段值；稳定建链判断步骤：根据所述位置差和所述稳定建链弧段值，判断本星与目标星是否可稳定建链。本发明无需借助专业仿真工具即可计算出稳定建链弧段值，便于卫星测运控人员快速判断两星是否可稳定建链。是否可稳定建链。是否可稳定建链。


技术研发人员：刘飞 刘刚 宋效正 何赟晟 秦冉冉
受保护的技术使用者：上海卫星工程研究所
技术研发日：2022.12.29
技术公布日：2023/7/19