采用简单太阳翼指向控制的IGSO星座设计.pdf

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1、10中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechn0109y2015年6月第3期采用简单太阳翼指向控制的IGSO星座设计经姚翔侯芬佟金成(中国空间技术研究院通信卫星事业部，北京100094)摘要在对以地球静止轨道(GEO)卫星为基础的全球覆盖通信星座的设计中，提出一种特殊的倾斜地球同步轨道(IGSO)星座，该星座中的卫星可采用与GEO卫星相同的太阳翼对日指向策略，避免了1GSO卫星为实现太阳翼对日指向采用偏航控制而引起的卫星设计复杂性和研制成本的增加。采用网格法对该星座的覆盖特性进行分析计算，结果表明这

2、种IGSO星座可应用于单重覆盖或极区覆盖的任务，而3颗IGSO与3颗GEO卫星共同使用时可实现95％以上的全球通信覆盖率。关键词倾斜地球同步轨道；太阳翼；指向控制；通信；全球覆盖；卫星星座DOI：10．3780／i．issn．1000—758X．2015．03．0021引言在通信领域，地球静止轨道上单颗卫星可以提供地球表面约40％区域的通信服务，但在实现移动通信上有一些缺点，如传播延时大、链路损耗大、对用户终端的等效全向辐射功率和接收机品质因数要求高等。所以目前世界上真正实现全球覆盖的移动通信系统只有3个低轨道卫星通信系统，即

3、Iridium、Globalstar和Orbcomm。但当前12m以上星载天线在地球静止轨道(GEO)卫星上得到使用，降低了对用户终端的性能要求，已使得小型手持式移动用户终端能够方便地通过GEO卫星进行通信。而Inmarsat一4、Thuraya等GEO通信项目的运营也证明时延长这一缺点在某些应用上是可以接受的，所以全球覆盖的通信卫星星座也可以GEO卫星为基础，在中国国土以外的区域通过布局少量倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星或者中地球轨道(MEO)卫星形成子星座来弥补覆盖的缺口。IGS0或者MEO的星座选择中除了考虑覆盖性能、

4、卫星数量等因素外，很大程度上还需要考虑太阳翼指向控制的易实现性，因为这一因素直接或间接决定了卫星控制系统及星间链路设计的复杂性，从而影响到卫星的研制成本。国内外应用较为成熟的IGSO星座，包括美国的Smus音频广播系统、日本的QZSS导航系统及中国的“北斗”导航系统等，这些IGSO星座都用于实现区域覆盖，且采用的都是多轨道面组网星座，所以从根本上就决定只能采用偏航控制等复杂方式实现太阳翼控制。而本文首次提出一种特殊的单轨道面IGSO星座，作为GEO的补充应用于单重全球覆盖及极区覆盖任务，星座中的卫星可采用与GEO卫星相同的太阳

5、翼对日指向策略，从而简化卫星的设计，降低研制成本。收稿日期：2014—10一25。收修改稿日期：2015一02—282015年6月中国空间科学技术2倾斜中高轨卫星的太阳翼控制策略对于倾斜中高轨(包括IGSO和ME())卫星，太阳翼的在轨光照条件不同于GEO和太阳同步轨道(Ss())。GE()相对黄道面为固定的23．44。夹角，所以太阳与轨道面夹角一年内只在o。～23．44。内变化，只要太阳翼法向跟随太阳矢量在轨道面内的投影，就能保证太阳翼法向与太阳方向的夹角不会超过23．44。。而对于SS()，由于轨道面进动速度与太阳相对地球

6、周年运动的平均速度相同，因此太阳方向与轨道面的夹角会在一个较小的角度内变化。所以这两种轨道都可采用简单的一维太阳翼跟踪控制。但太阳相对倾斜中高轨轨道面的夹角有较大的年变化，图1给出了太阳相对倾角j一55。、升交点赤经n一120。的IGS()轨道面的夹角e；变化情况(可达到70。)，如果采用与GE()相同的太阳翼控制方式，则部分季节太阳入射角较大，光照效率只有34．2％，条件恶劣，无法满足卫星能源需求。因此为实现倾斜中高轨卫星太阳翼对日控制，需要通过二维的指向控制来实现，策略比较复杂，70o60≈50龊泳4()型30薜坚2()《

7、10050100150200250300350太阳黄经／(。)罔1一年内太阳相对IGS()轨道面夹角(力一120。，i一55。)Fig．1YearlyvarietyoftheangleofSunaboveIGS()譬如采用偏航控制结合太阳翼一维指向调整的方案，这是IGS()卫星普遍采用的方法。采用偏航控制后虽可保证太阳翼始终对日，但它会造成星本体的转动，一个轨道周期内偏航角的变化较大，使得星问链路的实现极为困难。这些都需要增加卫星的研制成本，降低系统的可靠性。图2给m的是太阳与轨道面夹角32。时，一个轨道周期内偏航角函的变化曲

8、线，范围为一90。±58。；随着太阳与轨道面夹角的减小，变化幅度还将增大，最大可达到±90。。偏航控制造成同一轨道面内两颗卫星间的相对视线轨迹成为一段圆弧，图3给出了同轨道面相位相差140。的卫星B对卫星A的视线轨迹在极坐标中的投影，矢径表示卫星B方向与卫星A指地方向的夹角，