低轨卫星测控技术分析之十五:Dove卫星现状、轨道设计分析及运行情况(一)

zhangzijun

1、基本情况
1.1  卫星平台  Dove卫星发展了二代卫星，2013年推出第一代卫星，外形为10×10×30cm的立方体结构，重量4.7k，中间是一个用镀金隔热条带包裹的圆柱形望远镜，二个可伸展的太阳电池阵由3块板、每块板由三角形的电池单元组成，如下左图所示。姿态控制采用4面体结构的4个作用飞轮和3个无铁心的磁力矩器，用于消化初始旋转、粗姿态控制、安全模式姿态控制和正常姿态下的动量卸载，姿态测量精度0.01°、姿态控制精度1°。卫星平台的命令和数据处理系统使用单板计算机，平台和载荷控制使用X86计算机芯片、Ubuntu操作系统，利用看门狗重启技术克服空间辐射效应，图像的分辨率为3～5m，取决于轨道高度。

从2019年Flock-4P开始，Planet推出了新一代超级Dove卫星，其载荷由第一代的4谱段增加到8谱段，如上右图所示，在蓝波段和绿波段之间、绿波段和红波段之间分别设置了绿Ⅰ波段和黄波段，能够在一定程度上提高地物识别和分辨能力，星下点幅宽达到了32.5x19.6km，星上存贮器2TB，下行速率1.8Gbps。

     1.2 卫星状态

从2013年第一个Dove卫星入轨开始，到2022年1月最后一次发射，Planet共发射了29批次Dove卫星、其中3次发射失败、损失了35颗卫星；26次发射成功，将513个Dove卫星送入轨道，这些卫星的设计寿命为3年。截止到2023年1月，有168颗卫星在轨运行和提供业务服务（刚入轨的36颗未统计在内），194颗已经陨落，115个虽然在轨，但已经不工作，下表是Planet卫星历年发射和到2023年1月仍然活动卫星数量统计。



  由上表我们可以看出，2016年6月22日第12批Flock-2P之前的所有倾斜轨道卫星已经离轨，2批太阳同步轨道的卫星也已经停止工作，所以后面我们的讨论就集中在Flock-2P～Flock-4X这14批的168个活动卫星。

     1.3 卫星可用性

  （1） 一代Dove

  2016年6月之前的Dove卫星都已经不工作了，而2016年6月22日入轨的flock-2P到2019年04月1日的flock-4A，共入轨9批206颗Dove卫星，还有42颗在轨工作，都已超寿命，最长的超寿命3年，最短也超寿命0.5年，当前卫星的可用性为20.1%。

  （2） 二代超级Dove

  从2019年11月的Flock-4P开始，到2023年1月，共有175个超级Dove卫星入轨，它们都在3年的寿命期内，目前有126个卫星正常工作（新入轨的36颗状态不明，不计入），13个工作异常，卫星的可用性为90.1%。

     1.4 当前轨道

  目前正常工作的168个Dove卫星都工作在太阳同步轨道，特点如下： （1）下图是168个Dove卫星轨道高度的分布情况，可以看出，大约62%卫星的轨道高度为500～506km。

（2）下图是168个卫星在空间分布和同一时刻这些卫星的升交点赤经值统计，由下左图的太阳光照条件可以看出，这些卫星的降交点地方时应该在当地地方时的8～10点左右，下右图的升交点赤经值集中在50°附近，表明这些卫星的轨道面高度集中。


（3） 如果单看一个轨道面，面内的所有卫星分布不一定均匀，如下左图的Flock-3P群和下右图Flock-4V群，但如果把这168个卫星看成在一个轨道面上

  


如下左图就可以看出，这些卫星在该轨道面上均匀分布，为此，我们还统计了这168个卫星的纬度角值，如下右图所示，可以看出，这168个卫星的纬度角值均匀分布在0～360°，说明这些均匀分布是经过精度设计和控制实施的，以确保Dove群卫星对地均匀覆盖。                 



2、轨道设计分析

2.1 轨道类型

  （1） 倾斜轨道

倾斜轨道卫星主要是在早期由国际空间站携带入轨，因此轨道高度只有420km，轨道倾角52度，如早期的Flock-1b、Flock-1d、Flock-1d’、Flock-1e、Flock-1f、Flock-2b和Flock-2e，共计152颗卫星运行在倾角轨道，图 6是Dove卫星由国际空间站搭载入轨和分离场景。



（2） 太阳同步轨道

从2016年Flock-2P开始，所有Dove卫星都采用太阳同步轨道，共计353颗卫星运行在太阳同步轨道，图 7是我们进行的Flock-2P～Flock-4X卫星入轨高度和降交点地方时的分布统计，可以看出它的轨道高度主要是500～530km之间，降交点地方时主要选择在9:30。



2.2 轨道面选择

  轨道面的不同会导致卫星星下点的光照条件不同，而轨道面是由降交点地方时决定的。Planet选择的轨道面主要集中在降交点地方时9:00～10:30，另外还选择了一个下午13:00（FLOCK_3M）和晚上23:30（Flock-2K）的轨道面。

下图画出了降交点地方时10:30、13:00和 23:30对星下点光照条件的影响，左下图表明在降轨时10:30轨道面和13:00轨道面处于光照条件，而23:30轨道面处于阴影中；右下图表明在升轨时10:30轨道面和13:00轨道面处于阴影条件，而23:30轨道面处于光照中。因此降交点地方时选择在上午，卫星在降轨取图；降交点地方时选择晚上，卫星在升轨取图。

  Flock-2K之所以选在23:30，是因为Planet认为23:30的降交点与9:30相比可以更好的观测公海，并在全球某些地区实现次日成像，但Planet后续再也没选降交点地方在晚上。

     2.3 一轨全覆盖

  2017年发射的Flock-3P系列88颗星在一个轨道面内均匀分布，非常有特点，当这88颗星均匀分布时，可以在一天的时间内，获取地球上任意点目标的图像，下面多图是我们基于Flock-3P卫星参数，仿真分析88颗均匀分布的卫星同时工作时不同时间段，整个星座对地面的覆盖情况，它们经过的星下点范围全部被覆盖，形成一个围绕地球的完整环带，随着时间的增加，这个环带不断扩大，一天就能获取整个地球的全部图像，具体如下：

  （1） Flock-3P卫星运行30分钟

  下图画出了Flock-3P卫星运行30分钟，星座的星下点对全球覆盖情况，从图左的三维空间和图右的二维空间可以看出它覆盖了一个条带。



  （2） Flock-3P卫星运行180分钟

  下图画出了Flock-3P卫星运行180分钟，星座的星下点对全球覆盖情况，从图左的三维空间和图右的二维空间可以可以看出它比30分钟的覆盖扩展了6倍。



  （3） Flock-3P卫星运行22.5小时

  下图画出了Flock-3P卫星运行22.5小时星座的星下点对全球覆盖情况，从图左的三维空间和图右的二维空间可以可以看出它还差1.5小时就能够将整个地球覆盖。



（4） Flock-3P卫星运行24小时

  下图画出了Flock-3P卫星运行24小时，整个星座的星下点对全球覆盖情况，从图左的三维空间和图右的二维空间可以可以看出它正好完的覆盖地球。

  （5） 一轨全覆盖的优越性

  均匀分布的Flock-3P的88颗星为对地观测带来了“在线扫描图像捕获方法”，即控制编队内所有卫星协调一致地连续获取地面光照的图像，它不再像传统卫星需要复杂的任务规划（左下图所示），只要控制相机的开关，88颗Flock-3P卫星一天就能获取整个地球的全部图像，如右下图所示。采用线扫描图像捕获方法除了可以获取连续图像外，还带来突出优点：大大简化了地面运控系统的任务规划的要求，不用再进行复杂任务申请处理、资源冲突化解、卫星侧摆角计算、卫星能源平衡和最令人头痛的优先级分配等等，只需根据地面接收站的数量，简单的规划数据下传计划，理论上地面运控系统的工作可以简化到统一相机开机时间，顺序接收数据即可。

后续Planet通过均匀分布在轨的Dove卫星，继续采用“在线扫描图像捕获方法”对地观测。

待续