基于STK的微纳通信卫星星座设计

基于ＳＴＫ的微纳通信卫星星座设计

孟凡坤党同心张俊华

（解放军信息工程大学信息工程学院，郑州４５０００２）

摘要：微纳卫星及其星座设计是卫星移动通信的一个重要发展方向和热点领域．本文阐述了微纳通信卫星的概念和应用，对通信卫星星座设计进行了介绍，提出了基于ＳＴＫ的区域覆盖星座设计方法，结合指定区域进行了实例仿真，给出了优化结果并进行了总结和展望．关键词：微纳卫星，星座设计，ＳＴＫ，遗传算法

Ｍｉｃｒｏ—ＮａｎｏＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＣｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎＢａｓｅｄｏｎＳＴＫ．

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（ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ，４５０００２，Ｃｈｉｎａ）

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１微纳卫星概述

根据星体的重量对卫星进行分类，一般将５００．ｑｏｏｏｋｇ的称为小型卫星：１００－－５００ｋｇ的称为超小卫星；ｌＯ～ｌＯＯｋｇ的称为微型卫星；ｌ～ｌＯｋｇ的称为纳卫星：０。１￣Ⅱ昭的称为皮卫星。其中从１９８５年至２００３年仅微纳卫星就发射了２１０多颗，占到所有发射的小卫星的８０％。随着计算机、微纳技术及微机电技术的迅速发展，卫星有效载荷的尺寸显著减小。国际航天界在２０世纪末出现了微纳卫星研究热潮。微纳卫星具有功能密度与技术性能高、投资营运成本低、灵活性强、系统建设周期短、风险小等优点，并可进一步以分布式的星座来实现目前大卫星难以实现的某些任务。微纳卫星可广泛应用于数据通信、数据传输、环境监测、导航定位、科学试验等诸多领域。因此不仅美、俄，甚至瑞典、日本、以色列、巴西、南非等国家，以及～些大学实验室都在研制并发射了微纳卫星，因此有人称微纳卫星叫“大学卫星”。

微纳卫星有两个主要应用方向：一是单颗专用功能卫星，用于执行对地观测和测绘、’科学试验以及特殊军事任务等；二是以组网和编队飞行的方式协同工作，组网或编队后卫星群的性能不亚于单颗大型卫星，而且还可以产生新的应用。组网方式在完成单星研制、・发射和应用试验后将成为微纳卫星的重点发展方向。

利用微纳卫星组网，建立一个完全覆盖本土及周边地区，并在全球使用的现代通信体系，电５３８’

可以与现有地面通信、同步卫星通信系统结合在—起，在现代民用／军事通信中发挥重要作用，主要表现在下列方面：

１）把语音、多媒体、短数据等通信业务综合在—起，在全球范围内进行存储转发，同时与其他地面、空间的通信手段相结合，建立完整的国家指挥中心、各级战略战术指挥机构及战场通信联络体系，通过此体系直接获得各种重要的数据和信息。

２）通过装备到基层甚至单兵的手持移动数据通信终端，对移动物体进行跟踪控制和远端数据采集。

３）建立统一的军事设施、战场环境、侦察情报等数据的采集系统，作为对车、船、坦克和飞机等运输工具定位跟踪及状态报告的手段。

．２通信卫星星座设计

微纳卫星组网就是要通过星座设计构建确定结构和形状的星座．对于通信卫星，无论是军用还是商用，星座设计的原则都是首先要满足卫星应用的要求，即保证全球或某一指定区域能够被卫星以一定的时间和空间覆盖或保证全球或区域用户得到满足时空要求的通信支持。由于不同轨道类型（圆轨道、椭圆轨道、太阳同步轨道、回归轨道等）和轨道高度（ＬＥＯ、ＭＥＯ、瑚巳Ｏ）决定着不同的覆盖效能，所以首先需要针对不同的航天任务类型和覆盖要求确定不同的轨道形式，对不同轨道卫星地面覆盖效能进行分析．对于通信卫星，需考虑地面站天线最小接收仰角的限制，及地面站天线与卫星连线的水平夹角至少不能低于５。．

对于全球覆盖和纬度带覆盖，目前可以采用ｗａｌｋｅｒ星座均匀组网的形式进行，而对区域性覆盖星座目前还没有通用的经典设计方法。区域覆盖星座的设计涉及多个特征点和多项优化指标，是一个典型的多目标优化问题，因此难以用解析的方法进行，只能用数字仿真的方法对星座的覆盖性能进行计算和评价。衡量星座覆盖性能的标准有总覆盖时间、覆盖率、覆盖次数、平均覆盖时间、最大覆盖间隔和平均覆盖间隔等多种。选择区域内一些有代表性的特征点，用不同准则进行评价，可获知星座系统对指定区域的覆盖性能。对于通信卫星，还需考虑卫星有效载荷的技术性能、地面用户终端的技术性能和通信模式等因素进行综合分析和权衡．基本的星座设计的过程如图１所示。

确定任务要求

ｌ覆盖性能要求Ｉｌ性能增长与降级ｌｌ不同任务与通信灵敏度ｌ

单星轨道设计、覆盖性能分析与成本综台分析权衡

■

星座设计．覆盖性能分析与成本综合分析权衡

ｌ

ｌ不同轨道性能分析；池圆轨道、极轨，椭圆轨道、混合轨道等星座性能评价ｔ覆盛性能与蹙多、性能增长与降级、高度台阶等ｌｌ

冒ｌ星座设计的流程图・５３９・

如图所示，星座设计首先建立任务要求与轨道要素、卫星数量等因素之间的关系；然后，根据指标要求选择和确定轨道要素和卫星数量。微纳卫星的功能发挥主要依赖组网，而组网又有针对全球应用的均匀组网和针对局部区域应用的非均匀组网两种形式。常用的均匀组网方式，如万星座，可以使地面任意区域都能获得相同覆盖效果，这种组网方式设计简单。如果对一战区实施不问断通信保障或连续监视，采用这种万星座，则为满足这一特殊要求，需增加大量卫星，这将造成极大浪费．这时就应考虑针对局部区域应用的非均匀组网方式。３基于ＳＴＫ的区域覆盖星座设计

８ＴＫ也称为卫星工具包（８ａｔｅＩｌｉｔｅＴｏｏｌＫｉｔ），是美国ＡＧＩ公司推出的应用于航天领域的先进的、商业化的卫星系统及航天任务分析软件。ＳＴＫ可以快速方便地分析复杂的陆、海、空、天任务，并提供易于理解的图表和文本形式的分析结果，确定最佳解决方案。利用ＳＴＫ和优化程序进行交互是区域覆盖星座设计的一个主要方法。通过ＳＴＫ连接功能，实现优化程序与ＳＴＫ的通信。优化程序将星座参数传至￥ＴＫ，ＳＴＫ根据这些参数调整仿真场景，并分析星座对区域的覆盖效能，再将结果返回优化程序．由于ＭａｔＩ＿ａｂ有较好的计算效率和较为成熟的优化算法，同时可以通过ｓ１Ｘ／Ｃｏ蛐ｅｃｔ接１３进行优化算法的执行。因此本文提出了ＭａｔＬａｂ－Ｉ－ＳＴＫ的优化仿真结构，较好的集成了具有不同优势的软件，实现了优化仿真，较之传统优化方式有较好的效率。具体软件结构图如图２所示。

图２基于ＳＴＫ的星座优化设计软件结构图

遗传算法是一种高效的并行搜索优化算法，它是从代表问题可能潜在解集的一个种群（ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ）开始的，而一个种群则由经过基因（ｇｅｎｅ）编码（ｃｏｄｉｎｇ）的一定数目的个体（ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ）组成。初代种群产生之后，按照适者生存和优胜劣汰的原理，逐代（ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）演化产生出越来越好的近似解．在每一代，根据问题域中个体的适应度（ｆｉｔｎｅｓｓ）大小挑选（ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ）个体，并借助于遗传算（ｇｅｎｅｔｉｃｏｌ∞ｒａｔｏｒｓ）进行交叉（ｃｒｏｓｓｏｖｅｒ）和变异（ｍｕｔａｔｉｏｎ），产生出代表新的解集的种群。这个过程使种群像自然进化一样的后生代种群比前代更加适应环境，末代种群中的最优个体经过解码（ｄｅｃｏｄｉｎｇ）。可以作为问题的近似最优解。因此，本文采用遗传算法作为优化程序，通过８ＴＫ计算返回用户要求的目标区域覆盖性能指标，然后基于获得的各项覆盖性能通过遗传算法对目标解进行寻优转移，如此交互循环，最后获得符合条件的最优解或最优解集。具体卫星星座设计优化流程如图３所示。

图３基于遗传算法的星座优化设计流程框图

４实例仿真分析

根据上述流程，本文针对指定区域和覆盖性能要求，在只考虑Ｊ２项扰动下，首先以单星覆盖时间最长为指标，在一定的高度和倾角优化范围内通过优化得到一个基于回归轨道的单星轨道参数，然后采用相同的轨道倾角和高度，对星座每个卫星的升交点赤经和平近地点进行优化，可以得到了一个６星组网方案，可以看到在一个回归周期的仿真时间内覆盖效能指标基本满足要求。

覆盖区域范围如图４所示。

优化目标：最大覆盖间隔小于３小时，平均覆盖间隔小于ｌ小时；

轨道倾角优化范围；２８＿—＿５０ｄｅｇ；轨道高度优化范围：６００＿—－７２０ｋｉｎ；

限制参数：天线张角≤＋＿６０ｄｅｇ，地面最小观测角ｌＯｄｅｇ。‘

星座统一参数如表ｌ所示．・５４１・

参考文献

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阴王瑞，马兴瑞，李明．采用遗传算法进行区域覆盖卫星星座优化设计【Ｊ】．宇航学报，２００２，２３作者简介：一

孟凡坤（１９６３－－），男，山东临沂入，硕士，副教授，主要研究领域为航天技术；党同心（１９７７．），男，硕士。讲师，主要研究领域为雷达信号处理；张俊华（１９７５・），女，博研．讲

・５４３・．师，主要研究领域为卫星遥感。