星下点轨迹恒定的低轨星座构型设计方法

张雅声,贾璐,于金龙,梁爽

航天工程大学,北京 101416

1 引言

当前,巨型星座已成为太空领域备受关注的研究热点,越来越多的国家或机构提出低轨巨型星座计划[1],其中,最受关注的“Starlink”星座[2]和“OneWeb”星座[3]正按计划持续部署,中国也相继提出“鸿雁”“虹云” “国网”等低轨大型星座计划[4]。对于巨型星座这一复杂而庞大的系统,不少学者从空间安全、网络性能、运控管理、应用潜能等多个角度开展了充分研究[5-7],但针对低轨巨型星座构型设计的研究仍十分匮乏,而星座的构型设计至关重要,它直接决定了空间系统的服务性能,是建设巨型星座系统的基础和关键。在此背景下,本文将针对巨型星座的构型设计问题开展研究。

星座构型设计方法主要分为两类,分别是几何解析法和优化设计法[8]。几何解析法以空间几何、轨道动力学为理论基础,研究星间几何拓扑关系,并用编码的方式确定卫星轨道参数。该方法具有形式简洁,卫星空间分布规律性较强,易于星座构型维持控制等优势。Walker星座是该方法的典型,它采用卫星总数、轨道平面数和相位因子3个参数编码,被广泛应用于各导航星系统、铱星系统等,且“Starlink”“OneWeb”星座也以Walker星座作为基础构型。优化设计法利用遗传算法、差分进化算法、蚁群算法等优化算法,搜索任务驱动下的目标函数在可行域内的最优解。该方法在求解难以建立解析关系式的复杂问题时具有优越性,但不具备可解释性。

由于巨型星座卫星数量大,变量多,采用优化设计法时存在搜索空间大,算法难以收敛的问题,因此,几何解析法更适用于巨型星座构型设计。……