采用簡單太陽翼指向控制的IGSO星座設計

經姚翔 侯芬 佟金成（中國空間技術研究院通信衛星事業部，北京 100094）

采用簡單太陽翼指向控制的IGSO星座設計

經姚翔 侯芬 佟金成
（中國空間技術研究院通信衛星事業部，北京 100094）

在對以地球靜止軌道（GEO）衛星為基礎的全球覆蓋通信星座的設計中，提出一種特殊的傾斜地球同步軌道（IGSO）星座，該星座中的衛星可采用與GEO衛星相同的太陽翼對日指向策略，避免了IGSO衛星為實現太陽翼對日指向采用偏航控制而引起的衛星設計復雜性和研制成本的增加。采用網格法對該星座的覆蓋特性進行分析計算，結果表明這種IGSO星座可應用于單重覆蓋或極區覆蓋的任務，而3顆IGSO與3顆GEO衛星共同使用時可實現95%以上的全球通信覆蓋率。

傾斜地球同步軌道；太陽翼；指向控制；通信；全球覆蓋；衛星星座

1 引言

在通信領域，地球靜止軌道上單顆衛星可以提供地球表面約40%區域的通信服務，但在實現移動通信上有一些缺點，如傳播延時大、鏈路損耗大、對用戶終端的等效全向輻射功率和接收機品質因數要求高等。所以目前世界上真正實現全球覆蓋的移動通信系統只有3個低軌道衛星通信系統，即Iridium、Globalstar和Orbcomm。但當前12m以上星載天線在地球靜止軌道（GEO）衛星上得到使用，降低了對用戶終端的性能要求，已使得小型手持式移動用戶終端能夠方便地通過GEO衛星進行通信。而Inmarsat－4、Thuraya等GEO通信項目的運營也證明時延長這一缺點在某些應用上是可以接受的，所以全球覆蓋的通信衛星星座也可以GEO衛星為基礎，在中國國土以外的區域通過布局少量傾斜地球同步軌道（IGSO）衛星或者中地球軌道（MEO）衛星形成子星座來彌補覆蓋的缺口。

IGSO或者MEO的星座選擇中除了考慮覆蓋性能、衛星數量等因素外，很大程度上還需要考慮太陽翼指向控制的易實現性，因為這一因素直接或間接決定了衛星控制系統及星間鏈路設計的復雜性，從而影響到衛星的研制成本。國內外應用較為成熟的IGSO星座，包括美國的Sirius音頻廣播系統、日本的QZSS導航系統及中國的“北斗”導航系統等，這些IGSO星座都用于實現區域覆蓋，且采用的都是多軌道面組網星座，所以從根本上就決定只能采用偏航控制等復雜方式實現太陽翼控制。而本文首次提出一種特殊的單軌道面IGSO星座，作為GEO的補充應用于單重全球覆蓋及極區覆蓋任務，星座中的衛星可采用與GEO衛星相同的太陽翼對日指向策略，從而簡化衛星的設計，降低研制成本。

2 傾斜中高軌衛星的太陽翼控制策略

對于傾斜中高軌（包括IGSO和MEO）衛星，太陽翼的在軌光照條件不同于GEO和太陽同步軌道（SSO）。GEO相對黃道面為固定的23.44°夾角，所以太陽與軌道面夾角一年內只在0°～23.44°內變化，只要太陽翼法向跟隨太陽矢量在軌道面內的投影，就能保證太陽翼法向與太陽方向的夾角不會超過23.44°。而對于SSO，由于軌道面進動速度與太陽相對地球周年運動的平均速度相同，因此太陽方向與軌道面的夾角會在一個較小的角度內變化。所以這兩種軌道都可采用簡單的一維太陽翼跟蹤控制。但太陽相對傾斜中高軌軌道面的夾角有較大的年變化，圖1給出了太陽相對傾角i＝55°、升交點赤經Ω＝120°的IGSO軌道面的夾角θs變化情況（可達到70°），如果采用與GEO相同的太陽翼控制方式，則部分季節太陽入射角較大，光照效率只有34.2%，條件惡劣，無法滿足衛星能源需求。

因此為實現傾斜中高軌衛星太陽翼對日控制，需要通過二維的指向控制來實現，策略比較復雜，譬如采用偏航控制結合太陽翼一維指向調整的方案，這是IGSO衛星普遍采用的方法。采用偏航控制后雖可保證太陽翼始終對日，但它會造成星本體的轉動，一個軌道周期內偏航角的變化較大，使得星間鏈路的實現極為困難。這些都需要增加衛星的研制成本，降低系統的可靠性。圖2給出的是太陽與軌道面夾角32°時，一個軌道周期內偏航角ψ的變化曲線，范圍為－90°±58°；隨著太陽與軌道面夾角的減小，變化幅度還將增大，最大可達到±90°。偏航控制造成同一軌道面內兩顆衛星間的相對視線軌跡成為一段圓弧，圖3給出了同軌道面相位相差140°的衛星B對衛星A的視線軌跡在極坐標中的投影，矢徑表示衛星B方向與衛星A指地方向的夾角，極角表示衛星B在衛星A 的XOY平面投影與＋X的夾角（中高軌衛星的XOY平面即為衛星的對地面）。

圖1 一年內太陽相對IGSO軌道面夾角（Ω＝120°，i＝55°）Fig.1 Yearly variety of the angle of Sun above IGSO

圖2 采用偏航控制時偏航角的典型變化（一個軌道周期）Fig.2 Variety of yaw when using control method by yaw

圖3 同軌道面兩顆衛星間的相對視場軌跡Fig.3 Relative view track between two satellites in the same orbit

所以對于傾斜中高軌星座，復雜的太陽翼指向策略直接影響著平臺及載荷（星間鏈路）的設計，如果采用偏航控制策略，勢必增加載荷（星間鏈路）的研制難度，采用雙軸的太陽翼驅動機構則將直接增加衛星平臺的研制成本。如果能找到一種有如同GEO或SSO相對太陽位置關系的傾斜中高軌星座，就可以直接解決前面所說的設計難點。

3 升交點赤經0°的IGSO星座設計

分析表明，太陽位置相對軌道面變化以年為周期，作正弦變化。造成太陽位置相對軌道面變化的主要因素是軌道面與黃道面的夾角。對于固定傾角的軌道，軌道面與黃道面的夾角直接受升交點赤經Ω的影響，以下以傾角55°的軌道為例，給出Ω分別為0°、60°、120°、180°情況下，一年內太陽相對軌道面的變化，如圖4所示。可以看到，Ω＝0°時一年內太陽角的變化范圍最小，θmax＝31.56°；Ω＝180°時一年內太陽與軌道面夾角θs的變化曲線顯示θmax＝78.44°。一年內太陽與軌道面的最大夾角為

計算結果顯示太陽相對升交點赤經0°的傾斜中高軌道變化范圍較小，而且對于升交點赤經在±20°的情況基本都可近似計算為θmax≈｜i－23.44°｜。這就意味著如果選用升交點赤經在±20°，軌道傾角在0°～46.86°的中高軌衛星形成星座時，其太陽翼的在軌光照條件可相似于或者好于GEO。這就可以采用與GEO衛星相同的簡單太陽翼指向控制，同時星間鏈路的設計也相當方便。忽略姿態和軌道誤差時，同軌道面兩顆衛星間的相對軌跡就是一個固定點，極易實現星間鏈路的指向控制。即使傾角增大到55°，軌道面與太陽最大夾角也只有31.56°，相當于有85.2%的照射效率，只要在太陽電池功率上預留少許余量，完全可以滿足衛星的功率需求，實現與GEO衛星相同的太陽翼指向控制策略。

由于軌道攝動的緣故，升交點赤經將有長期漂移，無法長期固定在0°，但是對于同步高度的IGSO，升交赤經的長期漂移較小，漂移速率為每年－3°～－4°，10年壽命的衛星升交赤經的變化可被0°±20°所覆蓋，不需要消耗大量推進劑維持升交點赤經，即可保證軌道面與黃道面維持31.56°～33.5°的夾角，對太陽電池的照射效率無明顯影響。圖5中給出了IGSO在10年壽命期間升交點赤經的變化曲線，可以看到，壽命初期升交點赤經偏置為20°，逐年西退，壽命末期為－16.75°，計算中考慮了10×10階地球引力場、日月引力等攝動因素。而對于20 000km高度的MEO，其升交點赤經西退的速率將達到每年約12.5°，整個壽命期間變化幅度過大，軌道面與黃道面的夾角將有較大的變化范圍，衛星無法實施簡易太陽翼指向控制策略。

圖4 一年內太陽相對軌道面夾角Fig.4 Angle of the Sun above different IGSO orbit plane during one year

圖5 10年壽命期間IGSO升交點赤經的變化曲線Fig.5 RAAN′s variety of IGSO during 10years

0°升交點的IGSO衛星可組成同軌道面星座，圖6給出了傾角為55°的0°升交點5星星座對地覆蓋情況?？梢钥吹?，星座對各個經度區間覆蓋較為一致，在94%左右；對不同緯度帶的覆蓋情況，極區的覆蓋均可達到100%，但在0°～55°緯度帶的覆蓋略差，覆蓋率在緯度35°附近最低降至86%。

圖6 0°升交點IGSO星座的全球覆蓋特性Fig.6 Overlay of IGSO constellation with 0°RAAN

表1 星座對0°～55°緯度區域的覆蓋情況Tab.1 Constellation overlay to 0°～55°latitudes

表1從另一個角度給出不同連續覆蓋時間要求下星座對0°～55°的緯度區域的覆蓋情況，IGSO星座在23h連續覆蓋要求下有80%的區域可以滿足覆蓋要求，22h連續覆蓋要求下則90%的區域可實現覆蓋。

結果表明只有升交點赤經在0°附近的單軌道面IGSO星座可采用簡單太陽翼指向控制策略，雖然這類星座單獨使用時覆蓋性能并不太好，但可以彌補和增強對極區和赤道區域的覆蓋。

4 升交點赤經0°的IGSO星座的應用優點

在全球覆蓋星座設計中若以GEO衛星為基礎，中國國土以外的區域將通過布局少量IGSO衛星或者MEO衛星形成的子星座來彌補覆蓋缺口。這里對采用0°升交點IGSO星座和MEO星座進行對比，表明采用0°升交點IGSO星座的優勢。

全球覆蓋星座方案可以三顆GEO衛星為基礎，考慮到國內的可測控范圍，分別定點在東經17°、100°、160°。圖7給出了平均時間覆蓋率隨經度、緯度的變化曲線，可以看到，三顆GEO衛星基本可實現南緯70°～北緯70°之間、西經50°～東經225°的經度區間全時段覆蓋，而這三顆GEO衛星始終可用國內測控站進行監視控制。

圖7 3顆GEO星座的全球覆蓋特性Fig.7 Global overlay of 3 GEOs constellation

對于其余無法覆蓋的區域，采用IGSO星座或MEO星座作為補充。IGSO星座方案為三顆傾角為55°的0°升交點軌道面的IGSO衛星，即IGSO1、IGSO2、IGSO3，與赤道面交叉點經度分別為東經40°、東經140°、西經80°。這個IGSO星座可以較大程度上滿足對南北極的通信覆蓋，南北緯70°以上地區100%滿足全天23h的覆蓋，中國對美洲的通信也能滿足每天至少有17h連續時間的覆蓋。

圖8為3GEO＋3IGSO星座的通信覆蓋情況。從圖8（a）的3IGSO＋3GEO星座平均時間覆蓋率隨經度的變化曲線中可以看到，西經50°～東經225°的經度區間覆蓋率提高到88%左右。從圖8（b）星座對不同緯度帶的覆蓋情況可以看到在各緯度都可滿足95%以上的覆蓋率。

圖8 3GEO＋3IGSO通信覆蓋Fig.8 Telecommunication overlay of 3GEO＋3IGSO

圖9 IGSO間星間鏈路示意Fig.9 Inner－satellite links of IGSO constellation

但美洲或南極地區的通信需要通過IGSO衛星之間的星間鏈路（見圖9）來實現，如在美洲上空的IGSO3需要通過與東經40°或140°的IGSO衛星星間鏈路實現與其他地區的通信。

兩極及美洲地區的覆蓋若采用MEO星座實現，可用4顆傾角90°的同軌道面MEO衛星，軌道高度10000km。南北極、美洲地區的通信都是利用4顆MEO通過星間鏈路實現，但是西經55°至西經130°，南北緯35°以內區域覆蓋率不夠高。圖10給出了3GEO＋4MEO星座對不同經、緯度帶的覆蓋情況，可以看到西經55°～西經130°略低，但不小于70%，在兩極可滿足100%，而中低緯度略低，但也可滿足91%以上的覆蓋率。

圖10 3GEO＋4MEO通信覆蓋Fig.10 Telecommunication overlay of 3GEO＋4MEO

表2給出了3GEO＋3IGSO與3GEO＋4MEO兩個方案在通信覆蓋、通信鏈路設計、衛星設計、測控需求等各方面的對比。

表2 星座方案對比Tab.2 Contrast between 3GEO＋3IGSO and 3GEO＋4MEO

從表2中可以看到，就通信覆蓋、衛星數量和星間通信需求而言，IGSO星座方案與MEO星座方案是相當的，而且都要使用星間鏈路。但從具體衛星設計來說，由于IGSO衛星可采用簡單的太陽翼對日指向策略，星間鏈路的作用距離、指向方向固定，所以可采用與GEO衛星相同的設計方案，衛星研制難度低。而MEO衛星只能采用復雜的太陽翼指向控制，星間鏈路的指向方向上受偏航控制的影響變化幅度較大，這無論對星間鏈路天線的指向控制還是對轉動機構的壽命都有很高的要求，將大幅增加衛星的設計難度和研制成本。

5 結束語

0°升交點的IGSO衛星可組網成為一種特殊的IGSO星座，采用與GEO相同的簡易太陽翼對日指向策略可以大幅降低衛星及星座星間鏈路設計的難度和研制成本。計算結果表明設計壽命10年左右的衛星即使受到軌道攝動的影響，只要合理設置初始升交點赤經，可保證升交點赤經在0°±20°范圍內，從而保持采用簡易太陽翼對日指向策略的有效性。這一特殊的IGSO星座在與GEO衛星混合組網，可起到較好的互補效果，實現全球通信覆蓋，因此它在工程實用性及應用性上都有較大的價值。

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Design on IGSO Constellation with Simple Solar Array Pointing Strategy

JING Yaoxiang HOU Fen TONG Jincheng
（Institute of Telecommunication Satellite，China Academy of Space Technology，Beijing 100094）

Based on the GEO satellites，an especial IGSO constellation was presented for the global telecommunication constellation.To reduce the complexity and the cost of the satellite development，the control mode which the GEO satellite adopted to control the solar arrays′pointing was used in this IGSO constellation.Simulation results show that this kind of IGSO constellation not only can realize mono－overlay or polar overlay，but also can achieve 95%of the global telecommunication overlay by only 3IGSO satellites associated with 3 GEO satellites.

IGSO；Solar array；Pointing control；Telecommunication；Global overlay；Constellation

10.3780／j.issn.1000－758X.2015.03.002

經姚翔 1980年生，2002年畢業于南京大學天文專業，高級工程師。研究方向為航天器總體設計。

（編輯：車曉玲）

2014－10－25。收修改稿日期：2015－02－28