本发明涉及卫星星座设计，尤其是一种面向船舶监测的星座构型设计方法。
背景技术：
1、船舶在经济、科研、文化、军事等领域都具有重要的地位，对船舶的实时监测一直是人类研究的重要方向。其中，卫星探测凭借其覆盖面积广、受天气影响小、监测质量高等优点，在船舶监测领域一直备受瞩目。
2、但是，利用卫星对船舶进行监测的技术仍需要克服以下困难：
3、1)、海上环境复杂，很难通过建立地面信号站的方式来保持船舶与卫星之间的信号的传输；
4、2)、船舶移动轨迹受到环境的影响是会不断变化的，很难确定船舶在某一时刻具体的行驶方向；
5、3)、卫星资源分配困难，每天有数以万计的船舶在海上作业，并且每天船舶活动的情况都在发生变化，很难设计高效的资源分配方案。
6、目前，针对船舶的卫星监测提出了一种实施方案，将船舶可能行驶过的区域进行分割，估计船舶经过各区域的概率，并根据概率的大小依次进行搜索，随后根据实际搜索情况对更新概率。这种方法的优点是能根据实际搜索结果动态地调整参数的设置，但存在计算数据过大、现实情况下很难对卫星进行实时调控的缺点。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本发明提供一种面向船舶监测的星座构型设计方法，本发明通过计算船舶航线和卫星星下点轨迹的位置关系，利用优化算法设计卫星星座的构型。
2、本发明的技术方案为：一种面向船舶监测的星座构型设计方法，包括以下步骤：
3、s1)、基于j2模型对卫星轨道建模并设计卫星回归轨道，以起运港和目标港为端点的假想线段作为船舶在这两个港口间的假想轨迹；并将船舶的整条航线看成是由多条假想轨迹首尾相连组成的集合；
4、s2)、计算卫星星下点轨迹与船舶的假想轨迹相交的预设点位置和个数，并使所有预设点对应位置的卫星传感器覆盖区域的集合能够覆盖船舶的整条实际航线；
5、s3)、将船舶行驶在每一预设点覆盖区域内监测需要的卫星分为一组；并且对于需要相同数量卫星的预设点采用同一组卫星进行监测，并对分组后的卫星进行编号；
6、s4)、计算星座内每一组卫星的星下点轨迹的经纬度坐标；
7、s5)、利用遗传算法优化星座的构型。
8、作为优选的，步骤s1)中，根据卫星轨道根数得到轨道坐标系下的卫星轨道方程为：
9、
10、然后将卫星轨道转换到地心坐标系下：
11、
12、对位置矢量进行积分，可得速度矢量的表达式：
13、
14、考虑地球扁状摄动j2项对卫星轨道模型的影响，并通过地球的引力场函数，得到卫星的加速度的表达式如下：
15、
16、式中，a为轨道半长轴，e为偏心率，f为真近点角；分别为偏心率矢量和半通经方向的单位矢量；μ为地球的标准引力参数；x、y、z为卫星在地心惯性坐标系下的坐标
17、作为优选的，步骤s1)中，根据船舶运行特点设计卫星的回归周期为1天，回归周期为1天的回归轨道要使卫星在某一固定数量的节点周期后能回到初始位置，即：
18、rδλ＝2π；
19、式中，r为一天之内卫星绕地球运动的整圈数；tn为卫星的节点周期；δλ为在一个节点周期tn内的卫星星下点在赤道平面上的前进量；
20、其中，一天之内卫星绕地球运动的整圈数r为：
21、
22、节点周期tn为：
23、
24、式中，re是地球半径；a为轨道半长轴；i为轨道倾角，e为偏心率；j2地球扁状摄动j2项；μ为地球的标准引力参数。
25、作为优选的，步骤s1)中，在一个节点周期tn内的卫星星下点在赤道平面上的前进量δλ的计算式为：
26、
27、式中，ωe为地球的自转角速度；为升交点赤经的变化率；re是地球半径；a为轨道半长轴；i为轨道倾角。
28、作为优选的，步骤s1)中，根据港口位置坐标以及船舶在各港口的到港、离港时间，结合船舶速度和航向角，得到船舶的假想轨迹，并转换到经纬度坐标系下：
29、
30、式中，αo、βo、αe、βe分别为起运港和经过t时间后船舶位置的经纬度坐标；lp为两港口间的直线距离，te、td分别为船舶出发的时刻与到达目标港的时刻，v是船舶的假想航行速度，因为将船舶的航线假想为一条直线，所以船舶的假想速度会小于实际速度；θ是船舶的假想航向角；re是地球半径。
31、作为优选的，步骤s2)中，将卫星星下点轨迹与船舶的假想轨迹相交的交点作为预设点，在确定预设点的个数和位置后，将目标区域看作由多个以预设点为中心的覆盖区的集合。
32、作为优选的，步骤s2)中，所述的预设点的个数和位置的确定方式如下：
33、1)、如果预设点在两港口的位置，此时对应的卫星传感器覆盖区相交，根据球面三角形的定理计算相交区域的覆盖宽度，如果覆盖宽度大于航线偏离假想轨迹的最大距离，则认为卫星传感器覆盖区域的集合能够覆盖船舶的整条实际航线；
34、2)、如果预设点在两港口的位置，此时对应的卫星传感器覆盖区相离、相切或者是重合覆盖的区域宽度小于航线偏离假想轨迹的最大距离，需要增加预设点个数；
35、并将船舶假想轨迹在船舶到港和离港的中间时刻对应的位置作为第三个预设点；然后再次断重合区域的覆盖宽度是否大于偏离假想轨迹的最大距离；若不满足，继续在假想轨迹上的两个三等分时间点对应的位置插入预设点，依次类推；
36、根据船舶的假想运行轨迹公式计算出船舶在假想轨迹上行驶时达到每一预设点的时刻t1,t2，t3，…，ts，并将其作为预设时刻，其中s是卫星需要经过的预设点的个数。
37、作为优选的，步骤s3)中，对于单颗卫星的重访周期都为一天的星座，卫星传感器的覆盖宽度rs，船舶航行速度v，期望重访时间td，给出星座中每一组卫星的最大数量n以及它们的发射时间间隔δt的公式：
38、
39、同一组卫星组成一个共地面轨迹星座，按编号顺序发射，发射的时间间隔为δt，将每一组的第一颗卫星记为参考卫星，通过遗传算法优化出参考卫星的轨道根数后，利用共地面轨迹星座的轨道根数关系计算同组其他卫星的轨道根数；本发明设计一种同相位的共地面轨迹星座，相邻两颗共地面轨迹星座中的卫星的升交点赤经关系式如下：
40、
41、其中，δλ为两卫星轨道升交点赤经的差值，ωe为地球自转角速度，tn为节点周期。
42、然后计算船舶驶出当前的覆盖区域需要的期望重访周期，即单个预设点监测所需的卫星个数，即每一组卫星的数量m:
43、
44、并计算其独立值p，即星座中有多少组卫星：
45、p＝|{m}|；
46、式中，rs为星传感器的覆盖宽度，l为重合覆盖区的长度，te为船舶在港口停泊的时间。
47、作为优选的，步骤s3)中，当船舶进入重合覆盖区时，选取船舶前进方向上的预设点对应的覆盖区进行计算；利用m的独立值对卫星进行分组，需要不同卫星颗数的预设点采用不同组的星座进行监测，需要相同卫星颗数的预设点采用同一组星座进行监测；即卫星的分组为：s1,s2,s3,…,sp；
48、第一个预设点，当m<n时，船舶在一天之内驶离当前点的覆盖范围，对第一组卫星进行编号：s11,s12,s13,…,s1m；当m>n时，船舶在覆盖区域内的行驶时间大于一天，经过该预设点的卫星为：s11,s12,s13,…,s1n；
49、对于下一个预设点，如果需要同样数量的卫星进行监测，仍采用第一组卫星；如果所需要的卫星数量不同，则将经过此预设点的卫星分为第二组，以此类推，确定整个星座需要的卫星数量。
50、作为优选的，步骤s4)中，根据j2模型，利用积分器得出卫星在地心惯性坐标系下的坐标，并进一步计算卫星星下点坐标并转换成经纬度，即星下点的经纬度坐标(α，β)为：
51、
52、式中，sx、sy、sz为星下点的笛卡尔坐标；ρ为星下点到地心的距离。
53、作为优选的，步骤s4)中，所述的星下点的笛卡尔坐标sx、sy、sz的表示为：
54、sx＝uxρ；sy＝uyρ；sz＝uzρ；
55、其中，
56、
57、式中，ux,uy,uz为地心指向卫星的单位向量；r为地心到卫星的距离；x、y、z为卫星在地心惯性坐标系下的坐标。
58、作为优选的，步骤s4)中，所述的星下点到地心的距离ρ的表达式为：
59、
60、其中ae是椭球体的半长轴，fe是椭球体的扁率；ux,uy,uz为地心指向卫星的单位向量。
61、作为优选的，步骤s5)中，计算每一组的参考卫星轨道根数，构建遗传算法优化模型为：
62、
63、subject to
64、
65、式中，是适应度函数，为目标函数，即参考卫星在每一个预设时刻实际的星下点坐标与相对应的预设点的距离之和；和是约束函数；p为星座内卫星的总组数；其中，a为轨道半长轴，e为偏心率，i为轨道倾角，ω为升交点赤经，ω为近地点幅角；τ为真近点角。
66、作为优选的，步骤s5)中，所述的目标函数和约束函数的表达式为：
67、
68、δα＝α-α'
69、δβ＝β-β'
70、式中，k是每一组参考卫星需要经过的预设点的个数；α'、β'为预设点的经纬度坐标，w为每个预设时刻的权重；α、β为经纬度坐标系下卫星实际的星下点坐标。最后根据共地面轨迹星座的轨道根数关系计算出同组其他卫星的轨道根数，进一步计算出整个星座的构型。
71、本发明的有益效果为：
72、1、本发明通过直接计算卫星星下点与两港口间连线的几何关系，可以有效地避免船舶实际运动的不确定性给设计带来的困难；
73、2、本发明设计成回归轨道卫星，可以实现星座的重复利用。
1.一种面向船舶监测的星座构型设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种面向船舶监测的星座构型设计方法，其特征在于：步骤s1)中，根据船舶运行特点设计卫星的回归周期为1天，回归周期为1天的回归轨道要使卫星在某一固定数量的节点周期后能回到初始位置，即：
3.根据权利要求2所述的一种面向船舶监测的星座构型设计方法，其特征在于：步骤s1)中，一天之内卫星绕地球运动的整圈数r为：
4.根据权利要求3所述的一种面向船舶监测的星座构型设计方法，其特征在于：步骤s1)中，根据港口位置坐标以及船舶在各港口的到港、离港时间，结合船舶速度和航向角，得到船舶的假想轨迹，并转换到经纬度坐标系下：
5.根据权利要求1所述的一种面向船舶监测的星座构型设计方法，其特征在于：步骤s2)中，将卫星星下点轨迹与船舶的假想轨迹相交的交点作为预设点，在确定预设点的个数和位置后，将目标区域看作由多个以预设点为中心的覆盖区的集合。
6.根据权利要求5所述的一种面向船舶监测的星座构型设计方法，其特征在于：步骤s2)中，所述的预设点的个数和位置的确定方式如下：
7.根据权利要求1所述的一种面向船舶监测的星座构型设计方法，其特征在于：步骤s3)中，对于单颗卫星的重访周期都为一天的星座，卫星传感器的覆盖宽度rs，船舶航行速度v，期望重访时间td，给出星座中每一组卫星的最大数量n以及它们的发射时间间隔δt的公式：
8.根据权利要求7所述的一种面向船舶监测的星座构型设计方法，其特征在于：步骤s3)中，当船舶进入重合覆盖区时，选取船舶前进方向上的预设点对应的覆盖区进行计算；利用m的独立值对卫星进行分组，需要不同卫星颗数的预设点采用不同组的星座进行监测，需要相同卫星颗数的预设点采用同一组星座进行监测；即卫星的分组为：s1,s2,s3,…,sp；
9.根据权利要求1所述的一种面向船舶监测的星座构型设计方法，其特征在于：步骤s4)中，根据j2模型，利用积分器得出卫星在地心惯性坐标系下的坐标，并进一步计算卫星星下点坐标并转换成经纬度，即星下点的经纬度坐标(α，β)为：
10.根据权利要求1所述的一种面向船舶监测的星座构型设计方法，其特征在于：步骤s5)中，构建遗传算法优化模型，计算每一组的参考卫星轨道根数，使参考卫星实际的星下点轨迹在每一个预设时刻尽量接近预设点，进一步求解其轨道根数：
