[论文解读] A Semi-Analytical Method for Calculating Revisit Time for Satellite Constellations with Discontinuous Coverage

Nicholas H. Crisp, Sabrina Livadiotti+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2018

Spacecraft Design and Technology参考文献 11被引用 14

一句话总结

本文提出了一种半解析方法，用于计算具有间歇性覆盖的地球观测卫星星座的重访时间，通过椭圆投影地影几何实现与STK相当的精度，同时具备解析方法的效率。该方法可快速、准确地评估不同轨道参数、传感器配置和目标纬度下的最大重访时间，支持早期任务设计与优化，计算成本极低。

ABSTRACT

This paper presents a unique approach to the problem of calculating revisit time metrics for different satellite orbits, sensor geometries, and constellation configurations with application to early lifecycle design and optimisation processes for Earth observation missions. The developed semi-analytical approach uses an elliptical projected footprint geometry to provide an accuracy similar to that of industry standard numerical orbit simulation software but with an efficiency of published analytical methods. Using the developed method, extensive plots of maximum revisit time are presented for varying altitude, inclination, target latitudes, sensor capabilities, and constellation configuration, providing valuable reference for Earth observation system design.

研究动机与目标

• 解决在具有间歇性覆盖的地球观测星座早期设计阶段，对快速、准确重访时间计算的需求。
• 克服STK和专用软件等数值仿真工具的计算低效问题，这些工具每次分析需数分钟，不适用于大规模优化。
• 开发一种方法，在保持与数值仿真相当的精度的同时，具备解析方法的速度，从而支持更广泛的参数研究。
• 为任务设计师提供一个参考数据库，涵盖不同轨道高度、倾角、传感器指向角和目标纬度下的最大重访时间（MRT）。
• 支持系统性探索最优轨道与传感器配置，以最小化重访时间，尤其针对非严格太阳同步轨道（非-SSO）。

提出的方法

• 将卫星传感器地影投影为椭圆，利用轨道与传感器几何关系，确定在目标纬度可见的经度范围。
• 计算卫星星下迹在目标纬度处的经度交点，确定连续过境之间的时间间隔。
• 考虑J2等效谐波扰动（地球扁率）以提高轨道传播与星下迹预测的精度。
• 在目标纬度周围使用离散化的经度网格，识别每次过境期间落在传感器地影范围内的经度。
• 通过计算连续可见过境之间最大时间差，确定给定配置下的最大重访时间（MRT）。
• 与STK仿真和已发表文献结果对比验证，最大误差小于一分钟。

实验结果

研究问题

• RQ1 在早期任务设计阶段，如何高效且准确地计算具有间歇性覆盖的卫星星座的重访时间？
• RQ2 在不同高度和目标纬度下，传感器指向角和轨道倾角对非太阳同步轨道（非-SSO）重访时间的影响程度如何？
• RQ3 半解析方法是否能实现与STK相当的精度，同时保持与解析方法相当的计算效率？
• RQ4 哪些高度、倾角与传感器视场角（FoR）的组合能最小化地球观测任务的最大重访时间？
• RQ5 轨道扰动（J2）如何影响重访时间预测？在解析模型中忽略它们会产生何种影响？

主要发现

• 与STK数值仿真相比，该半解析方法的最大误差小于一分钟，证明了其高精度。
• 对于单颗卫星、15°指向角和40°目标纬度，MRT随倾角和高度显著变化，最优配置出现在特定的高度-倾角组合上。
• 在低于200 km高度及约350–500 km高度区间，对于窄视场角传感器，任何倾角均无法保证低MRT，表明存在问题的高度窗口。
• 该方法可快速生成多参数下的MRT等高线图，为任务规划者提供可操作的设计参考。
• 计算效率显著高于商业数值工具（如STK、ASTROLIB/Revisit-C），接近解析方法的速度，同时保持高精度。
• 该方法通过支持快速参数扫描，助力早期阶段任务设计与优化，覆盖轨道、传感器与星座配置等多种参数。