类星链卫星星座轨道的分析及设计

分类： 天文学 提交时间： 2023-10-07 合作期刊: 《天文学报》

汤靖师 屈颖莹 王琦

摘要： 卫星星座对于通信、导航、对地观测等卫星系统中有比较广泛的应用, 可以提供较好的地面覆盖, 更好地满足系统的需求. 在各类卫星星座中, Walker星座的应用比较广泛. 这类星座设计相对简单, 地面平均覆盖性能较好, 可用于导航卫星、低轨通信卫星的星座设计. 虽然Walker星座的地面平均覆盖性能较好, 但卫星的星下点轨迹一般并不重合. 更重要的是, 当多个Walker星座协同工作时, 如果要保证星座间整体同步且轨道平面具有相同的进动速率$\Omega_1$, 那么即使稍稍改变其他星座的轨道倾角, 轨道半长径$a$也会出现相当大的变化. 据此, 美国太空探索(SpaceX)公司在其星链(Starlink)卫星星座中调整了设计思路, 以不同星座间具有相同的回归周期($N_{\rm day}$天内完成$N_{\rm orb}$个轨道周期)为依据, 实现了多层(shell)运动同步的星座设计, 并且在同层星座内所有卫星具有相同的星下点轨迹. 根据SpaceX公司公布的专利, Starlink星座第2期3层轨道的星座即采用这种设计方案. SpaceX在其专利文档中公布并主张了上述理念和特性, 但没有提供设计思路和技术细节. 以此为基础, 探讨可能的``类星链''星座设计思路, 并在此基础上分析这类星座中星间链路的选择策略及特性.

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