【航天甲子年50讲】 05 空间任务几何



文:晟宇(视频讲解)

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1.什么是空间任务几何?


我们将卫星这些航天器发射进入空间一般都是为了完成某些特定任务,这些任务很多都和空间这个特性紧紧相关。




国际空间站的地面轨迹


例如遥感卫星要解决给地球拍照的问题,那么就涉及到卫星可以拍到哪些地方的问题,要解这些问题就需要把卫星放置到特定的轨道上来完成这样的任务。遥感卫星飞过哪些地方,能拍哪些地方实际上是卫星的空间位置与地面的地理位置之间的关系。那么将这个关系定量化分析就需要使用空间任务几何。


2.天看地的问题。


很多情况下我们考虑的空间几何问题是“天看地”的问题。所以我们就知道我们选择的参考点是航天器。


我们的老话说“站得高看得远”,本质上就是空间任务几何的问题。我们以天看地中对地观测任务为例,可探测范围的覆盖特性是与轨道高度正相关的,也就是轨道高度越高,我们的可见性就越好,可覆盖的探测区域也就越大。


孔夫子说的登东山而小鲁,登泰山而小天下,其实就是依据地球半径和轨道高度进行简单的几何计算而得出的,这是空间任务几何中的覆盖问题。





然而登上了泰山我们又想看清楚远方,那么我们就要使用望远镜。用过望远镜的朋友知道从目镜里看去,我们实际能看到的范围是很小的,看得清楚但是看到的不多。





那么对于遥感卫星来说它也带着一个望远镜,因此它从中看到的地面上的实际范围就是幅宽。幅宽决定了我们实际拍到的图像大小,我们要在可见的范围找到感兴趣的地点,使其包含在这个幅宽范围内,从而实现观测。




这里我们可以看看Planet利用150颗卫星实现地球“扫描仪”,实现每天全球覆盖的设计。基于Dove卫星给定的幅宽,通过将150颗卫星在一个轨道面上进行均布,设计出了在地球自转速度与卫星运动速度下该幅宽所成图像的完整拼接。这是一个非常典型的空间任务几何设计,具体实现方法可以参考我之前的文章:为你详解搭载印度火箭一次发射了88颗星最近炙手可热的行星(Planet)公司是如何用5公斤的小小卫星打造一台地球扫描仪的~




那么工作在同步轨道上风云气象卫星,从三万六千公里的轨道高度上就能覆盖到大概三分之一个地球的范围。通过扫描拼接获得卫星云图,实现对气象变化的检测。由于观测热带风暴,全国范围的云层信息是一个大尺度的问题,因此需要选择利用同步轨道这样较高的轨道来进行观测。





还有一种覆盖是通信的覆盖。以铱星计划为例,其目标是实现全球无缝覆盖的移动通信,意味着卫星星座组成的“移动基站”要保证在任何时刻都能将其通信波束覆盖全部的地球。那么作为空间任务几何的设计目标就是将波束覆盖之间的间隙(gap)为0来进行设计。关于铱星的具体内容可以阅读让我们来聊聊空间网络[第二弹]从铱星说起





那么卫星的可见性覆盖与波束的特性就要结合在一起来考虑,从单一波束到多波束到可调的波束都提供了空间几何分析的不同输入。


3.地看天及其他






与通信卫星类似,导航卫星一方面要在设计的时候考虑到对全球的覆盖,同时也提出了地看天的一些约束。与通信卫星不同的是,通信卫星一般用户只要连接到一颗卫星就可以使用,而要实现定位,从地面上来看要同时接收到足够数量的导航卫星信号,同时对于这些导航卫星位置的分布也提出了要求。






除此之外,一些空间因素虽然没有与任务主体直接相关却影响到任务的工作环境,这些空间因素很多也与空间几何相关。例如阴影的时间,影响到某些类型卫星的工作时间段。例如Beta角决定了到达轨道面的光照情况,同时这个角度又会随着季节的变化与轨道的进动而变化,这关系到卫星的能源获取,也是对任务的限制因素之一。


下期我们聊一聊航天器所处的空间环境。



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[航天甲子年五十讲] 往期回顾


【航天甲子年50讲】 01 飞天

【航天甲子年50讲】 02 轨道力学

【航天甲子年50讲】 03 轨道摄动

【航天甲子年50讲】 04 奔月:从地球到月球