随着经济与科技的发展,卫星在人类生活中起着越来越重要的作用,已经被广泛应用于天气预测、地震监测、军事侦察、遥感成像、全球通信、全球导航等诸多领域。随着对地观测应用需求的不断增加,单颗对地观测卫星已经逐渐难以满足复杂的观测任务要求,卫星之间组网协同进行观测已成为必然趋势。关于遥感卫星单星轨道的设计方法已经较为成熟,但是传统的方法只考虑了单星轨道,而未考虑卫星所携带的载荷信息。当考虑卫星载荷时,计算卫星对地重访时间的方法较少,模型较为不准确。关于遥感卫星星座的设计方法研究的也较少,主要是通过启发式算法来生成星座。其主要方法分为两种,第一种方法常常使用特定星座构型,即3+4N星座模型,将覆盖率和覆盖时长百分比作为评价星座的主要指标。第二种方法主要采用6N星座模型,这种模型通用性较高,但是该模型中不包含任何星座构形的信息。同时星座设计主要集中在通信卫星和导航卫星设计方面。由于通信卫星和导航卫星常常采用中地球轨道,而遥感卫星由于对地分辨率的限制,常常采用低地球轨道,所以这种研究不具有普适性。同时针对单星和星座覆盖率的计算(瞬时覆盖率、累积覆盖率),常用的方法为网格点法,这种方法模型较为简单,但是随着划分精度的提高,计算效率急剧降低,当计算遥感卫星对地长时间累积覆盖时,网格点法花费时间呈指数增长。本文针对复杂观测任务(高时间分辨率、高空间分辨率、高光谱分辨率),提出了多颗卫星组网协同对地观测的方法。本文的主线如下:首先结合单星轨道和载荷,分析了单星的性能。针对单星对地重访时间计算,提出一种能够快速计算卫星对某点目标期望重访时间与所需最小侧摆角的方法;针对单星对地覆盖率计算,提出一种精确高效计算方法。其次将遥感任务量化,对单星的性能进行评估,若单星不能满足任务要求,则根据单星生成满足任务要求的卫星星座。通过分析单颗卫星的轨迹,提出了由单颗卫星生成共轨迹卫星星座的方法,该星座可以提高时间分辨率。最后针对具体任务,设计了满足任务要求的遥感卫星星座。本文的主要工作如下:1、遥感卫星回归轨道和太阳同步回归轨道设计方法总结。本文针对回归轨道设计方法参考文献较少,方法模型等不匹配等问题,总结归纳了在考虑J2摄动的情况下,回归轨道和太阳同步回归轨道的设计方法。最后给出了在特定轨道高度范围内回归轨道的集合,方便轨道设计人员进行对比选择。2、提出一种准确高效的星地覆盖计算方法。在本文中提出了一种利用滑动地面轨迹进行覆盖计算的方法,纬度条带法。该方法在一个卫星轨道运行周期内,根据球面几何关系计算出卫星对每个条带的覆盖能力。在计算下一个轨道周期卫星对条带的覆盖区间时,通过对上一个周期的覆盖区间进行滑动得到,最后统计得出整个仿真周期的覆盖率。仿真结果表明,相对于传统的网格点法,纬度条带法计算结果精确,计算效率更高。3、提出一种计算回归轨道重访时间与载荷侧摆角关系的方法。传统的对某点目标的重访时间计算,都是基于数值统计的方法。这种方法基于数值统计,效率较低,并且不能统计较多的点。本文通过分析遥感卫星在一个回归周期内经过赤道的情况,将赤道划分成若干间距,通过分析间距与卫星幅宽的大小以及侧摆角度的大小,得到卫星对赤道上某点的重访时间。通过该方法,在卫星载荷参数确定的情况下,可以得到卫星对某点的重访时间与卫星所需最小侧摆角的对应关系,从而找到满足重访时间要求的单星载荷约束。仿真结果表明,该方法计算效率较高,可以帮助轨道设计人员设计出较优的轨道。4、提出一种由单星生成共地面轨迹星座的方法。在本文中系统地给出了基于单星生成共地面轨迹星座的设计方法。首先分析了同轨道面不同卫星地面轨迹之间的几何关系,通过设置卫星相位,使多星运行相同或不同的地面轨迹,从而减小了卫星重访时间或地面子间距。通过建立回归因子与太阳同步回归轨道之间的关系,给出了由单星生成同轨道和不同轨道面星座的设计方法。通过本文提出的方法,可以根据任务要求,以单星为参考星快速生成符合任务约束的卫星星座。本文针对复杂观测任务,给出了由单星生成多星的遥感星座系统设计方法。实验结果表明,该方法高效可靠,已经被应用到高分重大专项等工程项目中。