2.2　星座设计

星座设计中涉及的因素包括轨道高度、轨道倾角、轨道类型、平面数、每个轨道面内的航天器数及航天器在轨道面的相位 ^［4］ 。星座设计的基本原则主要有以下几个方面。

（1）应避免轨道摄动造成的星座变形。为此，应该尽量避免选择椭圆轨道而选择圆轨道。另外，所有的轨道应该有相同的倾角和高度，以保证所有航天器的交点进动相等。

（2）如果给定星座的航天器总数，那么一般应将较多的航天器布设在较少的轨道面内。同时，为了满足星座性能台阶的要求，每一个轨道面内都应放入至少一颗备用的航天器。星座应能提供不同的性能台阶，在某些航天器出现故障时星座应可以降级稳定工作。

（3）航天器星座的轨道高度应布置得尽量高，这样可以减小大气阻力对轨道的摄动影响、增加对用户的服务时间。

（4）选择轨道面的位置，确保覆盖的均匀性。

一般，星座的设计过程如下 ^［5］ 。

（1）确定任务需求，尤其需要关注的是性能提高和降级台阶指标。

（2）在需求分析的基础上，从总体设计和轨道设计入手，结合星座构型和功能的特点，根据上述设计原则进行初步的分析和设计。

（3）对所设计的星座性能进行综合评估。

（4）形成设计文件，对设计过程进行反复迭代，直至获得满足任务需求的最优或近优星座。

为了衡量一个星座系统的性能优劣，不仅要以系统初始满站位运行时的星座性能为评判依据，还要考虑星座系统长期运行后的服务水平是否能够维持初始的设计状态而不出现大幅度的性能降级。星座构型对系统长期稳定运行的影响可以从容错性和稳定性两个方面来进行讨论。

1.容错性设计

在星座构型设计时需要进行性能分析，这时通常考虑星座满站位运行的情况。所谓星座满站位运行，指的是星座所具备的全系统运行能力，即按照预先设计的方案将所有航天器都发射部署完毕后星座的系统能力。但是，在星座运行过程中，星座中的某些航天器可能出现故障，星座可能出现站位空缺，进而导致星座性能下降。所谓星座几何构型的容错性，就是星座在一颗或多颗航天器失效后系统继续工作的能力。为了使星座仍然能够尽可能地完成任务，可采用以下容错性技术。

1）冗余设计

为了使系统具有一定的冗余度，可以在标称设计状态的基础之上增加航天器数目或提高轨道高度。这样一来，正常状态下的系统性能高于任务要求，当系统中出现故障航天器时，星座仍可以维持一定的服务水平。这种方式就是所谓的冗余设计，它是以过高设计星座性能为代价的，可能导致系统成本过高。

2）备份设计

在星座中部署一定数量的备份航天器，这些备份航天器平时在轨道上处于不工作状态。当星座中出现故障航天器时，可以将备份航天器调整到合适的位置，融入系统正常工作。所谓合适的位置，可以是失效航天器的站位，也可以是其他的位置。备份策略实际上就是冗余设计的思想。

3）重构设计

如果出现故障航天器，那么星座中其他航天器可以进行轨道机动或星座构型重构（例如，调整与故障航天器同轨道面的其他航天器的位置，使它们在轨道面内重新均匀分布），这种方式也可以在一定程度上弥补航天器故障带来的性能下降。

4）稳健性设计

即使星座具有相同高度和相同数量的航天器，如果其布局不同，那么星座的容错性往往也是有所差异的，因此我们可以根据容错性的需求选择合适的星座参数。在初始设计中，考虑星座中出现故障航天器或系统性能降级的情况，将可接受的系统性能下降幅度作为优化准则之一。通过选择合适的设计参数，使得设计的系统在不过分提高系统成本的前提下具有较强的容错能力。这样做可能在一定程度上牺牲星座其他方面的性能，但是如果设计合理，那么就可以确保系统长期稳定运行。

工程上，星座设计中措施的选取应该以任务的要求、星座的功能和系统的指标等为根据，既可以是策略的单独使用，也可以是策略的组合使用 ^［6］ 。一般来讲，需要连续服务的星座（如导航星座、通信星座等）不适合采用重构策略，因为这些星座需要昼夜不停歇地工作，航天器位置的调整和星座的重构（尤其是多颗航天器都需要进行轨道机动）会严重影响系统的服务性能。但是，重构策略对预警监视类星座等军用星座来说还是适用的，这类星座只需要在特定时刻提供服务。在星座的非服务时刻，如果发生航天器失效，那么进行星座站位调整的时间比较充足。当情况比较紧急时，这种方法也能够有效地缓解航天器失效带来的服务质量损失。

稳健性设计可以使星座以较小的代价具备较高容错能力。从优化设计的角度来看，星座中出现了故障航天器代表着表征星座构型的设计变量发生了变化。如果设计的方案对某一设计变量的变化敏感，那么就表示该方案在变量存在波动的情况下性能并不是最优的，这是容错性差的表现。因此，在进行星座优化设计时，不仅要搜寻理论上可行的解，同时也要兼顾存在随机波动条件下的设计结果的稳健性。星座设计的系统容错能力需要引起设计师的重视，这也是品质设计的基本思想。

事实上，无论是备份策略还是重构策略，都与星座原始几何构型相关。如果原始构型设计是合理的，那么重构后的构型或激活备份航天器就可以使得性能较好地恢复。因此，作为一种更为全面的设计思想，我们应将星座的备份或重构策略作为星座设计的一个子任务，并将调整备份航天器的代价或调整重构后的系统性能视为星座设计的指标，与其他性能放在一起综合考虑。评价子任务设计的性能指标很多，容错性是其中之一。无论是采用备份策略还是采用重构策略，容错性能好的星座都可以得到很好的性能修复性。因此，星座容错性分析（即航天器失效的星座性能降级分析）也是星座重构策略和备份策略设计的基础。

2.稳定性设计

星座几何构型的稳定性与在运行期间受到的自然摄动外力有很大关系。在长期的摄动外力作用下，星座中航天器的相对位置关系会有所变化。当这种变化累积到一定程度后，星座的构型遭到破坏，其工作服务性能将严重下降。星座构型变化越快，性能变化也越快，因此星座的稳定性随之变差；反之，星座构型变化越慢，性能变化也越慢，星座的稳定性随之改善。星座的稳定性除了直接影响系统的服务水平外，还影响到系统的可靠性和成本。为了将星座的构型维持在可容许范围之内，在星座的运行过程中需要频繁调整航天器轨道参数、规划和轨道控制，这样一来就会增加系统运行维持费用。同时，航天器的机动过程也往往伴随着系统可靠性的暂时下降。

所谓星座站位维持，就是主动地保持星座稳定性。与主动保持方法对应的是通过合理设计星座构型参数以减缓摄动外力带来星座构型破坏，这种被动的方法能够降低星座构型的维持成本。为了实现较好的稳定性而进行星座几何构型设计，通常需要进行轨道高度的选择和星座参数的偏置。从星座稳定性的角度来看，在轨道高度的选择上需要避开某些高度。例如，回归轨道存在共振影响，特别是对于周期为1/2恒星日的回归轨道，共振影响尤为明显。星座参数的偏置实际上是调整星座中航天器的相对位置关系，即设计标称星座完成后，对相关的星座或轨道参数增加或减小一个小量。星座参数偏置的目的在于对摄动进行补偿，即向摄动引起的星座构型变化的反方向作偏置。由于星座中航天器偏置的方向不一致，星座整体构型依然均匀对称，因此能够在保证星座初始性能水平幅度降低较小的同时长时间维持星座性能。这种方法是对星座各种性能的折中考虑，它虽然稍微牺牲了星座的初始满站位运行水平，但是大大减小了维持开销和控制频率。

稳定性的几何构型设计可以采取两种方式。一种方式是在建立星座模型的时候将每个航天器的参数作为独立设计变量，并在每次迭代计算中都将星座用高精度动力学进行建模，同时仿真时间采用足够长的周期。另外一种方式是先进行星座标称构型设计，如先考虑其他性能指标的Walker星座设计，在设计进程到达一定阶段后，再将每个参数作为独立的设计变量进行稳定性设计。后一种方式更为合理，原因有三：首先，它避免了设计初始阶段变量过多带来的求解困难；其次，它在设计初始阶段不需要在高精度动力学环境下进行长周期仿真；最后，这种方式中后一阶段设计变量的取值范围较小，精度较高。 ktITMQuW7OOsVkRZ9hCt7R4flVDuSV9Uu70eKcZRYTge60HyWKOd0N0uh+MWbv7j