导航卫星星座的工程设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于导航星座优化设计技术领域，具体涉及一种导航卫星星座的工程设计 方法。
【背景技术】
[0002] 卫星导航系统可以在全球范围内为用户提供全天候的、连续精确的位置、速度和 时间信息，具有巨大的军事和经济效益，引起了世界各国的广泛关注。目前已经在轨并提供 服务的导航星座包括：美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS系统和中国的北斗卫星导航系 统。目前正在建设中的导航星座包括：欧盟的Galileo系统、印度的IRNSS区域导航卫星系 统以及日本的QZSS准天顶卫星导航系统。
[0003] 如何合理的设计星座构型是卫星导航系统运行的前提。
[0004]GPS最初设计为Walker24/3/1星座，后因经费问题采用了Walker18/6/2构型， 并沿用至今。GPS采用了轨道倾角为55°，高度约为20196km的1天/2圈回归轨道。12小 时的回归周期，有利于地面观测和运行控制，但是此轨道受到地球重力场的共振影响，难以 保持长期稳定。
[0005]GLONASS星座采用的是Walker24/3/1星座，卫星轨道为倾角64. 8°，高度 19129km的8天17圈回归轨道。由于GLONASS卫星的轨道倾角大于GPS卫星的轨道倾角， 所以在高纬度（50°以上）地区的可见性较好。
[0006] 北斗卫星导航系统的空间星座由5颗地球静止轨道（GE0)卫星、27颗中圆地球轨 道（ΜΕ0)卫星和3颗倾斜地球同步轨道（IGS0)卫星组成。
[0007]GE0卫星轨道高度35786千米，分别定点于东经58. 75度、80度、110. 5度、140度 和160度；ΜΕ0卫星采用Walker24/3/l星座，轨道高度21528千米，轨道倾角55度，回归周 期为7天13圈；IGS0卫星轨道高度35786千米，轨道倾角55度，分布在三个轨道面内，升交 点赤经分别相差120度，三颗卫星的星下点轨迹重合，交叉点经度为东经118度。Galileo 星座构型为Walker27/3/1，采用倾角为56°，高度为23222km的10天/17圈回归轨道。 IRNSS系统空间段由7颗卫星组成，其中3颗为地球静止卫星，经度分别为东经34°，东经 83°和东经132°。另外4颗卫星位于两个地球同步轨道上，轨道面与赤道面夹角为29°， 地面轨迹的中央经度分别为东经55°和东经11Γ。准天顶卫星系统由3颗卫星组成，分 别运行在倾角45°，升交点赤经140°，与地球自转周期相同的3条轨道上。
[0008] 导航卫星星座设计过程是一个星座参数多目标优化的过程，通过优化设计，使服 务区获得最优的星座性能，满足成本和性能的约束。在目前的导航星座设计中，考虑的边界 约束条件主要是星座的覆盖性能、导航精度等，例如《基于半分析式方法的全球导航星座设 计》（帅平等，中国空间科学技术，2006年第4期）、《区域导航星座分析设计研究》（帅平等， 空间科学学报，2006年第4期）、《一种多任务导航星座设计方法》（贺泉等，上海航天，2007 年第6期）、《卫星星座理论与设计》（张育林等，科学出版社，2008年9月，第一版）。现有 导航星座设计方法所考虑的边界约束条件数量有限，导致所设计的星座工作性能有限。
【发明内容】
[0009] 针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种导航卫星星座的工程设计方法，在导 航卫星星座设计过程中，还考虑初始升交点赤经选择、与其它现有卫星导航系统的兼容性、 运载发射的约束、轨位频率国际谈判可用性、星座的分阶段部署、星座备份等问题，由此设 计的星座具有高的工作性能。
[0010] 本发明采用的技术方案如下：
[0011] 本发明提供一种导航卫星星座的工程设计方法，包括以下步骤：
[0012] 步骤1 :确定卫星轨道高度；
[0013] 步骤2 :以步骤1确定的卫星轨道高度作为已知值，确定卫星轨道倾角；
[0014] 步骤3 :确定卫星数量；
[0015] 计算不同卫星数量下最优构型的roop可用性，以构型roop值可用性作为优选标 准，选择导航性能优于设定值的卫星数量；在导航性能相当的情况下，选择数量最少的卫星 数量；
[0016] 步骤4 :确定轨道面数与相位因子；
[0017] 以步骤3确定的卫星数量为已知值，计算不同轨道面数与相位因子下构型的roop 可用性，以构型roop值可用性作为优选标准，选择导航性能最优的轨道面数与相位因子；
[0018] 步骤5 :确定初始升交点赤经；
[0019] S5. 1，计算现有GNSS星座构型的轨道面进动速度；
[0020] S5. 2,根据现有GNSS的某一时刻第一轨道面的升交点赤经，计算得到发射时刻设 计星座的初始升交点赤经，以获得与现有GNSS最优的兼容互操作能力；
[0021] 步骤6 :判断用户是否有采用GE0卫星进行区域增强的设计需求，如果没有，则直 接转到步骤8 ;如果有，则执行步骤7 ;
[0022] 步骤7,在确定GE0卫星数量的前提下，优化GE0卫星的站位，以构型的覆盖性能作 为优选标准，选择覆盖性能最优的GE0卫星站位；其中，考虑国际谈判可用性确定GE0卫星 的轨位频率；然后转到步骤8 ;
[0023] 步骤8,判断用户是否有采用IGS0卫星进行区域增强的设计需求，如果没有，则直 接转到步骤9 ;如果有，则执行S8. 1-S8. 2 ;
[0024] S8. 1，根据用户需求，选定IGS0卫星的轨道倾角、轨道偏心率和升交点地理经度；
[0025] S8. 2,以覆盖性能、星间链路性能最优为优化目标，优化S8. 1所选定的IGS0卫星 的相位角，进而确定IGS0卫星的轨道面；其中，考虑国际谈判可用性确定IGS0卫星的轨位 频率；
[0026] 步骤9 :制定星座分阶段部署策略；
[0027] 首先，明确运载火箭的发射能力；其次，以构型roop值可用性作为优选标准，以服 务区的性能提升最优为优化目标，确定组网顺序和卫星站位，得到星座分阶段部署策略；
[0028] 步骤10 :制定星座备份策略，包括星座组网阶段备份策略和星座运行阶段备份策 略；
[0029] 其中，星座组网阶段备份策略通过以下方法获得：
[0030] 首先考虑运载火箭的发射成功率；其次，根据步骤9制定的星座分阶段部署策略， 计算不同备份方式下的组网成功概率；最后，根据组网成功概率标准，优化各种备份策略， 得到最终制定得到的组网阶段备份策略；
[0031] 星座运行阶段备份策略通过以下方法获得：
[0032] 首先，确定边界约束条件，包括卫星可靠性、可恢复故障平均间隔、可恢复故障平 均修复时间、卫星操作维持平均间隔以及卫星操作维持平均持续时间因素；
[0033] 其次，以所确定的边界约束条件为变量建立星座可用性模型，分别制定星座运行 阶段的地面备份策略和在轨备份策略。
[0034] 优选的，
[0035] 步骤1 :确定卫星轨道高度具体包括以下步骤：
[0036] S1. 1，根据空间辐射环境影响筛选备选轨道，得到符合设定轨道高度范围的第一 备选轨道集合；
[0037] S1. 2,根据轨道回归特性和避免共振轨道要求对SI. 1得到的第一备选轨道集合 进一步筛选，得到可选择的第二备选轨道集合；
[0038] S1. 3,从S1. 2得到的第二备选轨道集合中排除现有GNSS系统已经使用的轨道， 并考虑与现有GNSS系统的兼容性，得到可选择的与现有GNSS系统兼容的第三备选轨道集 合；
[0039]S1. 4,假定Walker星座其它参数，以构型HXP值可用性作为优选标准，从所述第 三备选轨道集合中选择导航性能优于设定值的第四轨道集合；再从第四轨道集合中选择 回归天数最少的轨道，则所选择的回归天数最少的轨道高度值即为最终确定的卫星轨道高 度。
[0040] 优选的，S1. 1中，