卫星网络——Walker星座简单介绍

一、星座构型介绍

        近年来，随着卫星应用领的不断拓展，许多任务已经无法单纯依靠单颗卫星来完成。与单个卫星相比，卫星星座的覆盖范围显著增加，合理的星座构型可以使其达到全球连续覆盖或全球多重连续覆盖，这样的特性使得在全球通信或导航飞行任务中有着独特的优势，其整体功能远大于单个卫星的功能总和。目前，常采用的星座构型有如下几种：星形星座、Walker-δ星座、Rosette星座等。

1.1 星形星座 (Star Constellation)

        星形星座通常由几颗卫星组成，这些卫星在空间中相对位置固定，形成星形图案。这种构型主要用于特定区域的高密度覆盖。主要用于地区性的通信服务，如定点通信网络。

1.2 Walker-Delta星座 

        Walker-Delta配置特别强调卫星在不同轨道平面之间的相位差配置，以保证全球或大范围的连续覆盖。Delta指的是其特定的相位分布，旨在最大限度地减少覆盖间隙和重复覆盖。这种星座适用于全球通信、地球观测，尤其是当需要全球连续覆盖时。

1.3 Rosette星座

        Rosette星座是指卫星在轨道上分布形成类似玫瑰花图案的构型。这通常通过调整卫星在不同轨道平面上的偏心率和升交点赤经来实现。用于提供针对特定地区的重复覆盖，常见于军事和监视任务。

二、Walker星座

2.1 概述

        Walker星座是一种设计用来在多个轨道平面上部署卫星的方式，以便实现对地球的全球或特定区域覆盖。这种设计由John Walker在1970年代提出，它提供了一种系统化的方法来优化卫星的覆盖效率和通信能力。Walker星座的设计通常用三个参数T/P/F来描述：

• T (Total number of satellites): 星座中卫星的总数。
• P (Number of orbital planes): 使用的轨道平面数。
• F (Phasing factor): 相邻轨道平面中卫星的相位差。

2.2 设计目的

        Walker星座的主要目的是通过在多个轨道平面上均匀分布卫星来提高对某个地区或全球的覆盖能力。这种配置可以减少卫星之间的覆盖重叠，从而增加系统的总体效率。

2.3 常见类型

Walker星座有几种常见的类型，包括但不限于：

1. Walker Delta (δ): 在这种配置中，所有卫星的倾角相同，通常用于全球覆盖。例如，Iridium通信系统就是使用Walker Delta构型，包括66颗卫星分布在6个轨道平面上。

2. Walker Star : 这种构型中，卫星在不同的轨道平面上，但所有卫星的升交点赤经相同，形成星形图案。这种配置较少见，通常用于特定的科学和军事应用。

        这里我们主要讨论的是Walker Delta (δ)。

2.4 设计优势与挑战

        Walker星座能够提供高效的全球覆盖，优化资源利用，并减少单个卫星的任务负担。然而，这种星座的设计和维护相对复杂，需要精确的轨道控制和大量的地面支持设施。此外，卫星发射和在轨替换的成本也较高。总的来说，Walker星座是一种非常有效的卫星部署策略，适用于需要广泛覆盖和高服务可靠性的用场景。

三、参数含义

        在Walker星座的设计中，T,P,F这三个参数共同决定了卫星系统的覆盖性能和操作效率。这些参数详细定义如下：

3.1 T: 总卫星数（Total number of satellites）

        T表示星座中卫星的总数量。其主要的作用是控制星座的规模，它会直接影响到系统的成本、覆盖范围、覆盖频率以及系统的冗余性。卫星数量的增加可以提高系统的鲁棒性和服务的连续性，但同时也会增加初始投资和后续运维的复杂性和成本。

3.2 P: 轨道平面数（Number of orbital planes）

        P 是卫星被分配到的不同轨道平面的总数。它会影响星座的空间布局和地面覆盖的均匀性。增加轨道平面的数量可以改善全球或指定区域的覆盖均匀性，有助于减少地面站与卫星之间通信的盲区。

3.3 F: 相位因子（Phasing factor）

        F 是相邻轨道平面中卫星的相位差，即在相邻轨道平面上对应卫星之间的角度差。它的作用是确定不同轨道平面上的卫星如何相对于彼此位置错开，这对于优化卫星的视野覆盖和最小化信号覆盖重叠至关重要。合适的相位差可以确保全球或特定地区的有效连续覆盖，避免卫星资源的浪费。

3.4 计算和应用

        这些参数的组合用于计算和设计Walker星座以满足特定的任务需求，例如全球通信、地球观测或导航服务。通过精确的计算和调整这些参数，可以确保星座的设计最大化地利用每颗卫星的潜力，提供高效且经济的服务。Walker星座的设计允许灵活地根据具体的应用需求进行调整，使其能够应对各种操作环境和服务要求。

3.5 示例

• Iridium: 该系统使用Walker Delta星座配置，部署66颗卫星于6个轨道平面，每个平面的卫星相位差为2，提供连续全球通信服务，特别是在远离传统通信基础设施的地区。

• Globalstar: 采用48颗卫星分布在8个轨道平面上，每个平面的卫星相位偏移为1的修改版Walker星座配置，专注于低纬度地区的通信服务，通过使用低地球轨道（LEO）卫星来减少通信延迟，提高信号质量。

• Galileo: 虽然配置与传统的Walker星座有所不同，但采用24颗卫星分布在3个轨道平面上，相邻轨道平面的相位差为1，这种配置有助于提供全球覆盖，确保高精度的定位服务，适用于民用和军事领域。

• Landsat (及哨兵系统): 虽然不完全遵循Walker星座配置，但采用了类似的多平面轨道部署策略，用于环境监测、资源管理和地理信息系统（GIS）的数据收集，实现高效的地球覆盖。 

四、Walker星座的轨道面

        在Walker星座设计中，轨道平面（Orbital Plane）是构成星座的关键结构元素之一。每个轨道平面包含了一组卫星，这些卫星在相同的倾角和升交点赤经下运行，但在不同的相位角位置。轨道平面的配置对于实现整个星座的覆盖目标和通信连续性至关重要。

4.1 轨道平面的关键特性

1. 倾角（Inclination）:所有在同一轨道平面上的卫星共享相同的倾角。倾角决定了卫星能够覆盖的最高纬度，从而影响覆盖范围。

2. 升交点赤经（Right Ascension of the Ascending Node, RAAN）:轨道平面的空间定位主要通过升交点赤经来定义，这是卫星穿越赤道向北时的地理位置。不同轨道平面的RAAN通常会有所不同，以确保卫星能够均匀地覆盖整个地球。

3. 相位差（Phasing）:轨道平面之间的相位差是通过Walker星座的相位因子 F 来调整的，确保不同轨道平面上的卫星在其轨道上的位置相对错开，以优化地球表面的覆盖。

4.2 轨道平面的配置方法

Walker星座的配置可以通过下面的步骤进行设计：

• 确定总卫星数 T: 基于任务需求，确定需要多少颗卫星。
• 选择轨道平面数 P: 根据覆盖需求和成本考虑，选择合适的轨道平面数量。
• 计算相位因子 F: 确定相邻轨道平面之间的相位错开，以保证覆盖的均匀性。
• 分配升交点赤经和倾角: 根据地理覆盖需求和轨道动力学，为每个轨道平面分配合适的倾角和RAAN。

4.3 示例：Iridium 通信星座

        Iridium星座使用Walker星座设计，具有以下特性：

• 星座配置: T=66，P=6，F=2
• 倾角: 约 86.4°
• RAAN: 每个轨道平面的RAAN相差60°（因为 360°/6=60°）

        这种设计使得Iridium星座能够实现全球无缝覆盖，每个轨道平面上的卫星均匀分布，提供高效的通信服务。通过精心设计的轨道平面配置，Walker星座能够满足广泛的应用需求，从全球通信到精确的地球观测，提供高效且可靠的空间服务。