[发明专利]用于全球覆盖的卫星系统和方法

说明书

本发明涉及卫星系统，更特别地，本发明涉及提供一种全球覆盖的、新颖的、非对地静止的卫星系统和方法，以用于天气和气候监测、通信应用、科学研究，以及类似的任务。与本领域的教导相反，已经发现，全球覆盖可以使用六颗卫星的星座来获得，这些卫星在两个正交的、24恒星时轨道(对地同步)中，轨道具有70°至90°的倾斜度和0.275至0.45的离心率。通过将这些卫星中的三颗布设于远地点位于北极上方的第一轨道，而将这些卫星中的三颗布设于远地点位于南极上方的第二正交轨道，可以获得全球覆盖。同时，这些轨道中的卫星避开了大部分范艾伦带。

技术领域

本发明涉及卫星系统，更特别地，本发明涉及提供一种全球覆盖的、新颖的、非对地静止(non-geostationary)的卫星系统和方法，以用于天气和气候监测、通信应用、空中交通管理(ATM)、科学研究，以及类似的任务。

背景技术

气象监测卫星和通信卫星通常位于对地静止轨道(GEO)或近地轨道(LEO)。GEO卫星看起来在空中是不动的，使卫星可对地球表面的给定区域连续观测。不幸的是，要获得这样的轨道，只能将卫星布置在地球赤道(0°纬度)的正上方，具有与地球自转周期相等的周期，轨道离心率几乎为零，海拔高度35,789km。尽管这样的轨道在很多应用领域是有用的，然而它们在覆盖较高纬度方面的表现是非常糟糕的(对于天气和气候监测来说，在60°纬度以上时不是很有用，或者对于可靠的移动通信来说，在70°纬度以上时不是很有用)。例如，GEO气象监测卫星上的光学传感器将以很糟糕的角度(即，低的“仰角”)观测较高纬度地区，以至于不能收集有用的数据。由于卫星的仰角随纬度增加而下降，GEO通信卫星链路同样变得不可靠或者失效。

LEO卫星位于低海拔高度(低于2,000km)的圆形轨道并可提供连续的全球覆盖，但是这需要很多的卫星，因为每颗卫星在相对短的时间内处于一给定地区的上方。LEO系统的一个操作性的示例是铱星系统，其使用了66颗卫星的星座。尽管对于相对低带宽的通信是实用的，然而，其对于宽带通信或对于天气和气候监测(这需要将大的且昂贵的有效载荷布设在每颗卫星上)并非是成本有益的。考虑到建造、发射和维护每颗卫星的成本，LEO星座对于提供连续的全球卫星覆盖来说是非常昂贵的。

高椭圆轨道(HEO)，例如，莫尼亚轨道和经典苔原轨道，可以以更少的卫星提供更好的高纬度汇集(converge)，但是这两种轨道都是有问题的。

HEO卫星的轨道的其中一个焦点是地球的中心。卫星在椭圆轨道中的速度是距焦点距离的减函数。安排卫星在其轨道的一部分中(近地点)靠近地球行进，这将会使其在那时非常快地行进，而在轨道的另一端(远地点)，其将非常慢地行进。处于这些轨道中的卫星在地球的一选定区域的上方花费了多数时间——称为“远地点停留”的现象。轨道被设计为，卫星在感兴趣的区域的上方相对慢速移动，而在不感兴趣的区域的上方快速移动。

HEO的轨道平面相对于地球的赤道是倾斜的。倾斜度通常被选择为接近63.4°，这是为了使对卫星机载推进系统的需求最小化，以将远地点保持在服务区域上空。也就是说，具有63.4°的倾斜度的轨道将具有轨道长轴的零进动，因此远地点在北半球上空保持固定。具有63.4°以外的倾斜度时，近地点的幅角将随时间改变，而这一般是不合需要的。

莫尼亚轨道是具有大约12小时轨道周期的HEO。莫尼亚轨道的近地点的海拔高度低(在地球表面的上方500km的量级)，并且轨道经过范艾伦带。范艾伦带是地球周围的带电粒子(等离子体)带，其被地球的磁场保持在适当位置。太阳能电池、集成电路和传感器被这些带中的辐射水平所破坏，即使它们被“硬化”或者采取了其他安全措施(例如，当经过强辐射地区时将传感器关闭)。尽管作了这些努力，原本有15年预期寿命的卫星也将只有大约5年的寿命，如果它们不得不定期行进经过高能质子的内范艾伦带的话(电子的外带不太成问题)。卫星的缩短的寿命使得莫尼亚系统非常昂贵。