计算机仿真在混合星座覆盖分析中的应用

【关键词】混合星座 区域覆盖 STK 仿真

近年来，无论从政治、经济还是军事的

角度出发，许多国家和地区都希望建立扩大

GEO 卫星通信系统的覆盖范围，解决目前急

需的极区通信问题。与同步轨道系统相比，大

椭圆轨道系统不存在高纬度地区仰角低的问

题，通过合理选取HEO 轨道参数可以覆盖高

纬度地区及两极区域，有效弥补了GEO 卫星

的不足。因此，基于HEO 的混合星座设计和

覆盖效能分析研究已成为研究热点。

在大多数情况下，单颗GEO 卫星难以实

现全球或两极区域的不间断通信、探测任务。

而HEO 卫星和GEO 卫星组网工作，由于卫星

的运动在时间和空间上遵循一定的规律，使得

对目标区域的覆盖能够实现相互补充和衔接，

有效解决GEO 卫星通信中存在的高纬度地区

仰角低的问题，扩大GEO 卫星通信系统的覆

盖范围，解决目前急需的极区通信问题，为各

种用户提供全球覆盖。混合星座能够更大程度

地发挥卫星的作用，在全球性、时效性、连续

性等方面具有单颗卫星无法比拟的优势。

卫星工具软件STK(SatelliteTool Kit) 是航

天领域中先进的系统分析软件, 由美国分析图

形有限公司(AGI) 研制, 用于分析复杂的陆地、

海洋、航空及航天任务。它可提供逼真的2 维、

3 维可视化动态场景以及精确的图表、报告等

多种分析结果。支持卫星寿命的全过程，航天

飞行任务的系统分析、设计制造, 测试发射以

及在轨运行等各个环节中都有广泛的应用, 对

于军事遥感卫星的战场监测、覆盖分析、打击

效果评估等方面同样具有极大的应用潜力。

本文分析了HEO 卫星轨道参数对卫星覆

文/卢山1 周红彬1 李刚2

目前混合星座的卫星覆盖分

析与仿真是一个热点研究问题。

本文设计了大椭圆和地球同步轨

道卫星的混合星座模型，对混合

星座模型的覆盖情况进行了仿真

分析，讨论了GEO 星座和不同大

椭圆星座组成的两种混合星座的

卫星覆盖性能。研究结果对区域

观测研究和通信星座设计有一定

的参考价值。

摘 要

盖性能的影响，设计了HEO 卫星和GEO 卫星

组网星座模型，并运用STK 工具针对星座模

型进行了仿真分析，讨论了星座的全球覆盖和

多重覆盖性能。

1 混合星座卫星空间分布

为了克服GEO 星座的无法实现全球覆盖

的不足，并合理利用大椭圆轨道能够很好的覆

盖中高纬度的优势，本文设计了GEO 卫星和

大椭圆卫星组成的混合星座。

大椭圆轨道与GEO 卫星综合应用系统空

间段包括5 颗GEO 卫星、6 颗MOLNYA 轨道

卫星和4 颗TUNDRA 轨道卫星，任意选定5

颗GEO 卫星的轨位，6 颗MOLNYA 轨道卫星

和4 颗TUNDRA 轨道卫星选取的轨道参考标

准值。图1、图2 分别给出了5 颗GEO 和大

椭圆轨道卫星平面分布图。

2 混合星座对地区域覆盖仿真分析

2.1 GEO卫星和MOLNYA轨道卫星的覆盖能力

卫星通信系统一般由3-5 颗GEO 卫星星

座组成，该星座是一个+/-65°纬度带内的准全

球覆盖卫星星座，5 颗GEO 卫星组成的混合

星座可以很好的覆盖中低纬度地区，但不能实

现对高纬度区域和两极的覆盖，不能实现全球

覆盖。如果增大通信仰角，则GEO 卫星星座

能覆盖到的区域范围随之缩小，反之，如果通

信仰角增大，则星座覆盖范围会增大，因此，

通信仰角直接限制着星座的覆盖范围。但无论

如何设置通信仰角，5 颗GEO 卫星组成的星

座都存在无法实现全球覆盖的弊端。

为了克服GEO 星座存在的无法覆盖两极

和高纬度地区的弊端，本文考虑利用椭圆轨道

卫星的对高纬度地区覆盖性能良好的特点，尝

试是否能够组成实现全球覆盖的混合星座。本

文首先选择典型椭圆轨道MOLNYA，仿真了

5 颗GEO 卫星+ 三颗MOLNYA 轨道卫星（覆

盖北极）+ 三颗MOLNYA轨道卫星（覆盖南极）

的覆盖能力，图3 为三颗MOLNYA 轨道卫星

（覆盖北极）+ 三颗MOLNYA 轨道卫星（覆

盖南极）的覆盖能力；图4 为5 颗GEO 卫星

+ 三颗MOLNYA 轨道卫星（覆盖北极）+ 三

颗MOLNYA轨道卫星（覆盖南极）的覆盖能力，

图4 为通信仰角15°的覆盖区域。其中蓝色区

域表示单星覆盖区域，绿色区域表示同时有2

颗卫星覆盖区域，红色部分表示同时有3 颗卫

星覆盖区域，黄色区域表示同时有4 颗卫星覆

盖区域，紫色区域表示同时有5 颗卫星覆盖区

域。

通过实验可知，如果不结合GEO 星座，

则三颗MOLNYA 轨道卫星（覆盖北极）和三

颗MOLNYA 轨道卫星（覆盖南极）组成的混

合星座可以很好的覆盖高纬度地区和两极区

域，但对低纬度纬度区域存在覆盖不到的区域，

不能实现全球覆盖。因此，如果要实现全球覆

盖，就要结合5 颗GEO 卫星组合，构成的混

合星座可以很好的实现全球覆盖。

2.2 GEO卫星和TUNDRA轨道卫星覆盖能力

除了典型的MOLNYA 轨道卫星，还有

一种性能优越的椭圆轨道YUNDRA 轨道。为

了验证GEO 星座与大椭圆轨道星座相结合是

否普遍能够实现全球覆盖，本节仿真了5 颗

GEO 卫星+ 二颗TUNDRA 轨道卫星（覆盖北

极）+ 二颗TUNDRA 轨道卫星（覆盖南极）

的覆盖能力，图5 为二颗TUNDRA 轨道卫星

（覆盖北极）+ 二颗TUNDRA 轨道卫星（覆

盖南极）的覆盖能力；图6 为5 颗GEO 卫星

+ 二颗TUNDRA 轨道卫星（覆盖北极）+ 二

颗TUNDRA轨道卫星（覆盖南极）的覆盖能力。

其中蓝色区域表示单星覆盖区域，绿色区域表

示同时有2 颗卫星覆盖区域，红色部分表示同

时有3 颗卫星覆盖区域，黄色区域表示同时有

4 颗卫星覆盖区域，紫色区域表示同时有5 颗

卫星覆盖区域。

由以上的实验图可知，与