内容发布更新时间 : 2024/11/14 12:39:10星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

一、遥感卫星对地覆盖分析与仿真国内外研究的历史与现状

通常意义上的覆盖，即目标在卫星有效载荷的观测视场之内，这是遥感卫星系统完成其任务的必要条件。地面覆盖特性作为遥感卫星系统最为重要的性能/效能，国内外的学者在这一方面做了大量的研究工作。

1、国外研究历史与现状

国外现有对卫星覆盖的研究主要是基于卫星轨道设计、卫星星座设计的目的，集中在连续全球覆盖分析(Continuous global coverage)连续区域性覆盖分析(continuous zonal coverage)，间歇性区域覆盖分析(Intermittent local coverage)三大类上。

在连续全球覆盖分析方面，J.C.Walker于1970给出了一种由圆轨道卫星组成的星座，提供连续的全球覆盖，在这个领域做出了奠基性和开创性的工作，这就是现在著名的Walker-delta星座。1978年，D.C.Beste给出了另外一种全球连续覆盖的卫星星座构型，1980年，A.H.Ballard提出了玫瑰星座(Rosette Constellation)提供连续的全球覆盖。二者在连续全球覆盖分析领域也做出了杰出的贡献。1985年， John E. Draim提出一种由三颗或四颗星组成的椭圆轨道星座，提供全球连续覆盖，这是首次提出采用椭圆轨道卫星星座的概念。1986年，John E. Draim又给出了一种具有相同周期的四星椭圆轨道卫星星座，提供全球连续覆盖。

1974年， R..David Luders和 Lawrence J. Ginsberg对连续区域覆盖卫星的轨道特性做了一般性的研究工作。

1966年，R. D. Rider提出了卫星星下点轨迹参数Q(The Satellite Trace Parameter Q)的概念，Q的含义就是星下点地面轨迹每天回归的次数，通过对参数Q的选择，可以使卫星对地面目标的覆盖特性达到较优的水平。S.S. Bayliss和A.Y.Haygen于 1983年发表文章，给出了一种算法使间歇性覆盖卫星的最大回访时间最小。在同年， T.J. Lange和J.M. Hansen给出了一种算法，通过搜索轨道倾角使星座对某地地面回访时间最小。1998年， Elizabeth .W. Haves给出了一种算法，通过计算权重系数 (weighting factor)的方法，计算单个卫星对地面 一点或区域的平均访问时间。同年， Elizabeth .W. Haves又给出了一种选择星座对地面最小回访时间的方法。

在覆盖分析方法上1989年，J. Middour采用多边形视场技术 (Polygon Field of View Technique)给出了一种不同于传统网格点技术 (Grid Technique)的高效卫星对地覆盖计算方法。2000年，Yuri Ulybyshev采用覆盖函数(Covering Functions)的概念给出了低轨卫星通信系统覆盖特性的近似解。

目前，卫星仿真系统的典型产品是美国 Analytical Graphics公司(AGI)开发的卫星工具包 Satellite Tool Kit(STK)，由于功能强大、可视化程度高，问世不久便迅速占领航天与国防领域市场，目前己经拥有全球25000个用户，几乎成为国际航天领域统一的标准工具包。其COVERAGE模块是覆盖分析仿真模块，可以对任意轨道的卫星和复杂传感器的地面覆盖情况进行仿真和分析，并提供多项修改功能如卫星参数、传感器参数、报表输出方式等。但是软件价格十分昂贵，因此需要开发我国拥有自主知识产权的卫星仿真系统。

2、国内研究历史与现状

国内学者在卫星对地覆盖问题上也进行了大量的研究和探索。在覆盖边界算法研究方面李大耀提出了卫星对地面覆盖区域的通用求解方法和卫星沿轨道运动对地面覆盖带外沿轨迹求解方法。都晓宁等从卫星轨道设计入手，对卫星覆盖边界算法进行了讨论。王永刚、刘玉文结合军事卫星的特点，研究了卫星及卫星网对地面覆盖边界的算法。

关于卫星覆盖问题已有成熟的理论研究，更多的研究都是结合具体的轨道设计、星座

优化和任务分析展开的。

1999年刘会杰、张乃通研究了GPS星座的空间覆盖特性，结合空间应用的具体分析，给出了覆盖性的一种定义，并推导了相应判据。2000年徐敏，陈士槽，程凤舟等通过所建立的视函数法，得到了星座中每一颗卫星对地面的覆盖区和间隙区出现的时刻，各覆盖区和间隙区的长度、最大间隙出现的时刻等覆盖的详细信息，讨论了星座的覆盖性能指标，并建立了各项覆盖性能指标的计算方法。同年，徐敏、陈士槽、程凤舟等根据视函数法和地心法、建立了星座覆盖性能评定的数值仿真方法。2001年，林西强，张育林等利用点覆盖数值仿真法进行了区域覆盖最优 Walker星座设计研究。2001年，王海丽、陈磊、任首等从仿真的角度对卫星星座的覆盖进行了分析和研究:讨论了仿真分析需注意的问题，并给出了采样时刻的全球覆盖判定算法和地面点覆盖判定算法，针对仿真计算的初步结果，提出了一系列有效指标，并利用模糊评判的方法对这些指标进行了综合分析，获得星座覆盖性能参数。2001年，张玉馄、戴金海等介绍了一种基于仿真选取较多特征点评估星座覆盖性能的分析方法，然后检验各项性能指标是否满足任务需求。200 3年，陈力、申敬松、胡松杰等研究了在delta星座设计时，给出了计算其区域覆盖重复周期的方法。2003年，贺勇军、戴金海、王海丽等提出了能够衡量对地观测系统信息获取实际效能的综合度量—有效覆盖特性，分析了影响瞬时有效覆盖的复杂因素，阐述了基于数值点仿真求解的一般性方法。2004年，贺勇军、戴金海、李连军等以对地成像观测和电子侦察卫星系统为重点研究对象，采用面向对象的方法和基于组件的技术，设计实现了“多卫星系统综合效能仿真分析软件”(MSSE)。

现有对卫星覆盖的研究主要是基于卫星轨道设计、卫星星座设计和优化的目的，大都集中在卫星通讯、卫星导航、卫星星座等方面。国外同类软件(如STK)价格昂贵，一般用户难以承受。且开放性不够，不支持适合于国内的各种空间环境模式，各项功能不能进行修改。因此，针对遥感卫星的特点，开展卫星覆盖仿真和分析是非常必要、及时的。

二、遥感卫星的应用分析与仿真国内外研究现状及发展动态

遥感卫星应用分析技术的基础理论己经发展比较成熟，国内外一些学者和研究机构结合具体的研究背景，针对遥感卫星的应用分析技术做了大量并富有成效的工作，并且部分研究成果和工作已经转换成软件成果。

在商业软件方面，STK(Satellite Tool Kit)，即卫星工具包，是美国 Analytical Graphics公司推出的应用于航天领域的先进的、商品化的卫星系统分析软件，用于分析复杂的陆地、海洋、航空及航天任务，确定最佳解决方案，并提供图表及报告形式的分析结果。

STK是航天工业领先的商品化分析软件。其中STK/Comm、STK/Chains和STK/Coverage模块都属于卫星应用分析模块。STK/Comm模块提供定义与分析通信系统的能力。对飞行器和地面站之间，飞行器和飞行器之间，提供通信链路品质的详细分析。STK/Chains模块扩展了STK在两个对象间进行可见性分析的能力，允许用户分析多个对象同时可见的时机。STK/Coverage用于对卫星、地面站、车辆、导弹、飞机、船舶进行全面的覆盖性能分析。STK作为一种通用的卫星设计工具包具有非常强大的验证和演示功能，但是在面向不同用户要求的卫星轨道设计、覆盖分析以及遥感卫星数据传输链路的设计，STK则显现出了自己的不足。为了实现卫星设计和功能分析的快速化和全数字化，同时也为了保证卫星总体设计方案的可靠性，必须进行卫星应用分析软件开发，从而实现卫星应用分析与研究的快速化、可视化、全数字化以及多功能性，扩大卫星应用分析软件的应用范围。

在国内，卫星应用分析仿真方面的研究主要集中在几所院校。

航天科技集团、装备指挥技术学院等对卫星通信链路的仿真进行了卓有成效的研究。 王明远在遥感卫星下行链路的分析及其在遥感卫星有效载荷的设计中的重要性进行了研究。中国空间技术研究院在卫星数据传输技术与仿真、卫星星载存储器、编码器的研制等

方面取得了了一系列技术成果，并且已经在资源系列卫星、风云系列卫星以及海洋一号卫星等卫星上取得了实际应用。

北京航空航天大学长期以来从事轨道动力学的教学与科研工作，并为航天领域的单位开发了多套关于轨道计算的程序。早期的星座系统仿真软件Constellation已经可以进行星座全过程仿真、星座内各卫星轨道运动仿真、地面覆盖性能仿真等，并提供动态的二维和三维视图。

李宗春、郑炜、曾凡河等在地面站对观测卫星的预报方面分别从理论和实际应用上作了相应的研究。

解放军信息工程大学测绘学院近年来在国家863计划的支持下也开展了卫星近地空间环境和卫星应用分析方面的应用研究，取得了积极的进展。

整体而言，我国在卫星应用分析技术上与国外(特别是美国)存在明显的差距。遥感卫星的应用分析与仿真的研究在国内仍然处于起步阶段。开展具有自主知识产权的卫星应用分析系统的研究，具有重要意义，原因在于:

(l)国外同类软件(如STK)价格昂贵，一般用户难以承受。

(2)国外同类软件开放性不够，不支持适合于国内的各种空间环境模式，各项功能不能进行修改。

(3)个别模块对国内用户进行封锁，国内用户很难购买到这些特殊应用模块。 (4)国内没有系统的卫星应用分析研究软件。

因此，我们开展遥感卫星的应用分析与仿真技术的研究是非常必要、及时的。该项研究关键技术的突破不但能实现遥感卫星的应用分析与仿真评估，也可广泛应用于航天任务，包括概念、需求、设计、发射、运行和应用等诸多方面，最终建立起一套具有自主版权的卫星应用分析仿真软件系统。