双层规划求解兼顾测量与通信的星间链路设计

通过研究当前GPS下时分多址（TDMA）体制星间链路方案,并在分析星间链路测量和通信新需求的基础上,提出改进的分时体制星间链路方案,保证了测距和通信的同时隙执行。针对兼顾星间测量和通信的星间链路设计这一多目标优化问题,考虑测量与通信之间的依赖关系,构建双层规划模型求解,上层对星间测量进行优化,下层对星间通信进行优化,并分别设计上层启发式星间测量链路贪婪搜索分配算法（RL-HGSA）和下层基于全局“邻域”搜索的星间路由优化算法(ROA-SGN)。仿真算例表明,根据本文模型和算法构建的星间链路,星间测量链路利用率达到100%,星间通信采用最短时间最少跳数(MTMJ)的路由策略更优。     

基于星间链路的多星系统分散定轨算法

介绍了一种基于星间链路信息的多星系统自主导航方法。首先以星间相对位置矢量为观测量建立两星系统的观测方程,采用强跟踪滤波(STF)算法进行集中定轨,获得卫星的参考轨道信息。在此基础上,建立单星的观测方程,然后使用加权最小二乘估计器和卡尔曼滤波器进行单星轨道确定,从而实现了一种不需要长期轨道预报信息的分散定轨算法。数学仿真表明,该算法是可行的,且具有较好的定轨精度。     

一种绕飞编队卫星星间链路系统的总体设计方法

为了建立高精度相对定位编队卫星的星间链路,提出了一种基于GPS的绕飞编队卫星星间链路系统设计方法。针对我国首次以InSAR为背景的任务,以某绕飞编队星座星间链路系统总体方案为例,利用STK/MATLAB分析软件,对天线覆盖区与组阵进行了仿真分析,并根据分析结果做了系统优化,包括星间轨道构型、天线设计组阵图、天线安装位置、链路预算、星间通信措施设计分析以及电磁兼容性分析等。结果表明:基于GPS的编队卫星能够从系统角度优化设计建立星间链路,从而完成编队跟飞、绕飞期间的星间通信与测量任务,为卫星建立星座构型、相对定位测量提供了可靠、稳定的传输通道。该设计方法可为同类卫星或其他类型卫星星间链路系统设计提供参考。     

利用GNSS星间链路的航天器定轨方法研究

针对利用全球卫星导航系统(GNSS)星间链路实现用户航天器定轨时存在的链路资源有限问题,构建基于GNSS星间链路的用户航天器定轨模型,设计了应用流程,重点研究了星间链路测量频度、可建立链路数量等链路规划模式对用户航天器定轨结果的影响,并分别针对高轨用户航天器和中低轨用户航天器进行仿真分析和试验验证。结果表明:用户航天器与GNSS卫星建立星间链路的频度越高、数目越多,动力学法轨道改进的效果越好;对高轨用户航天器采用广播星历,即使每6h只有1条观测链路,也可以获得40m以内的定轨精度;对低轨用户航天器采用精密星历,当每次观测链路增加到5条时,基本可以获得1m以内的定轨精度。     

低轨星座卫星通信系统的路由算法研究

低地球轨道(Low Earth Orbit,LEO)卫星星座系统能保证全球范围内任何两个用户之间的实时通信,成为卫星通信研究的热点。由于LEO卫星相对地面高速运行,星座的拓扑结构快速动态变化,路由问题一直是LEO卫星网络重点解决的难题之一。文章基于准全球星星座系统,分析了LEO卫星网络的拓扑结构特点,重点研究了路由算法。文章采用首选最短路径和次选最短路径的路由算法,对准全球星星座和Courier系统的星间链路性能通过分析和仿真加以比较。     

全球导航星座星间链路技术发展建议

美国全球定位系统（GPS）的Block IIR和Block IIF系列导航卫星安装了UHF频段的星间链路收发设备,未来的GPS Ⅲ系列导航卫星将用Ka频段星间链路替代UHF频段星间链路,提高星间数据通信容量,增强抗干扰能力;俄罗斯全球导航卫星系统（GLONASS）的新一代GLONASS-K系列导航卫星开始安装S频段星间链路收发设备;欧洲的伽利略（Galileo）卫星导航系统也在规划全球导航星座的星间链路体系;我国北斗（Compass）卫星导航系统正处在由区域覆盖向全球覆盖的过渡阶段,全球星座的星间链路正处在多种系统体制的抉择中。文章在对国外各种星间链路研究的基础上,从导航星座星间链路需求和特点出发,提出建议：1）建设高频段星间链路;2）加强星间天线与卫星总体的联合设计;3）星间网络协议要具有灵活性;4）尽可能保持每颗卫星的星间链路设备状态一致。文章考虑了现有国内技术储备和国外未来技术发展方向,提出的观点可以作为我国全球卫星导航系统对星间链路选择的参考,对我国Compass系统建设技术先进的星间链路有一定的指导意义。     

基于自适应动态平差的导航星座自主时间同步方法

基于近代平差理论系统地讨论导航星座的自主时间同步问题,建立了自主时间同步的空间自由网平差模型,提出基于星间双向测距链路和原子钟模型的自适应动态平差算法。该算法对污染测量值采用抗差M估计,而对各卫星钟差模型采用不同的自适应因子调节。给出了简要的理论分析和关键的仿真技术。结果表明,该算法能有效地控制观测误差和模型误差的影响,实现星间高精度自主时间同步。     

星间网络拓扑的二分图及其关联矩阵表示法

星间网络拓扑是建立星间链路首要考虑的问题,以往文献中描述星间网络拓扑一般都用直观图形的表示方法,即以卫星作为节点、链路作为边画出的图形。但是这种直观图形表示法,当卫星数量增加时,图形庞大而杂乱难以辨认,同时无法满足分析问题的需要。为此,文章提出了一种利用图论中的二分图及其对应的关联矩阵描述星间网络拓扑的方法,此方法具有图形描述简单明了、关联矩阵描述便于仿真分析的特点。     

基于星间链路状态的低轨卫星网络路由算法

低轨卫星通信网络可以提供全球覆盖的低延迟服务,但是低轨卫星网络拓扑的频繁变化给路由设计带来了挑战。针对低轨卫星通信网络拓扑快速变化的问题,提出一种基于星间链路状态的路由算法,在卫星的实际坐标和相对位置关系的基础上,建立了逻辑拓扑结构,并计算路由跳数、传输方向和优先级,进而确定路由路径。针对链路故障问题,实时检测链路状态,并利用链路状态信息进行路由修正。在NS3仿真软件中进行仿真验证,结果表明:与传统星间路由算法相比,该算法实施简单,并能有效降低链路故障的影响,使丢包率降低20%,传输时延约为200 ms。     

多层卫星网络的星间链路分析与路由协议

根据多层卫星星座网络的链路长度与可见性模型,建立了多层卫星网络的数学模型,并据此提出了一种适于多层卫星网络应用的层次路由协议。新协议主要包括拓扑测算、路由计算和路由转发。仿真计算结果表明,该协议的计算速度快、拓扑更新的通信开销小、链路利用率高,其性能优于Bellman和多层卫星网络路由(ML-SR)算法。     

一种导航星座星间链路拓扑设计方法

利用星间测距和通信实现卫星自主导航是下一代导航星座的发展方向之一.为了确定星间测距和通信链路的网络拓扑结构,对walker24/3/2星座的卫星之间几何可见性、卫星天线之间的可见性进行了研究,给出了可见性判断条件,并针对三条轨道相互垂直的情况,推导了星间几何距离随时间变化的公式.对天线扫描区域为±60°对地圆锥的情况进...     

一种同轨区域集中的北斗卫星自主导航算法

基于北斗三号卫星配置规划,提出了一种同轨区域集中的北斗卫星自主导航算法.利用Ka星间链路指向切换灵活特性与激光链路高速通信特性,并克服激光终端异轨面通信困难,指向切换不便等缺陷,算法设计将轨道面内各卫星采集的Ka双向测距信息利用激光星间链路传入轨道面主卫星中,从而将测距信息集中处理并完成轨道面内各卫星的轨道信息更新.并...     

分布式卫星编队飞行队形保持协同控制

针对分布式卫星编队飞行队形保持控制问题提出一种分布式协同控制算法,并给出该协同控制算法与编队卫星星间信息传递拓扑结构之间的关系。该协同控制算法以模型预测控制为基础,利用分布式编队卫星的自然特性以及编队卫星之间的信息传递拓扑结构,采用分布式的算法结构,设计分布式的模型预测协同控制算法。该控制算法是一种在线滚动优化控制算法,同时能够较好地解决存在状态约束、控制输入约束等情形下的各种控制问题。最后通过数值仿真验证了结果的有效性。仿真结果表明,当编队卫星星间信息传递拓扑结构中存在生成树时,提出的分布式协同控制算法能够有效地应用到编队卫星队形保持控制问题上来。     

面向低成本微纳卫星的快速试验体系研究

文章结合微纳卫星典型特点,分析了由此带来的试验新需求;对比传统卫星试验标准和即将发布的国外微纳卫星试验标准草案,提出在充分继承传统卫星试验技术成果基础上,针对国内微纳卫星发展现状,兼顾灵活性和COTS(commercial off-the-shelf)产品可靠性保证需求,构建国内微纳卫星快速试验体系的总体思路。     

基于星务管理系统的小卫星自主健康管理系统

为了适应小卫星电子信息系统的快速发展,使卫星能够自行规划工作流程,实现在轨自主管理,需要构建合理有效的小卫星自主健康管理系统。文章以星务管理系统为基础,针对目前健康管理中存在的问题,构建了一套小卫星自主健康管理系统。它包括整星级、系统级和部件级3个层面。设计了自主健康管理执行模块构成整星级层面,其中包括自主健康管理规则库和自主健康管理任务执行模块。文章提出的小卫星自主健康管理系统,可以提高小卫星自主诊断、自主运行能力,最终实现小卫星长寿命、安全可靠运行。     

The development of a Russian communication satellite of small class, operating in the geostationary and high-elliptical orbits

In 1994–1995 Lavochkin Association (Russia) together with the other enterprises in accordance with technical requirements of the Russian Space agency, developed a new Russian communication satellite of a small class that will operate in both the geostationary (GSO) and high-elliptical (HEO) orbits. This satellite may be injected into operational orbits using a SOYUZ-2 launch vehicle (LV) and a FREGAT upper stage (US) from Plesetsk and Baykonur space launch sites (SLS).The main reason for creating such a satellite was to decrease the cost of the support and development of the Russian communication geostationary satellites group.Russian satellites Horizont, Express, Ekran and Gals, which operate in GSO, are the basis of the space segment for communications, radio and TV broadcasting. All of these satellites are injected into GSO by the PROTON LV. PROTON is a launch vehicle of a heavy class. The use of a middle class LV instead of a heavy class will allow to reduce considerably the launch cost. The change of a heavy class LV to a LV of middle class determined one economic reason for this project. Besides, the opportunity to launch S/C into GSO from Russian Plesetsk SLS increases the independence of Russia in the domain of space communications, despite the presence of the contract with Kazachstan about the rent of Baykonur SLS. Finally, use of small satellites with a rather small number of transponders is more effective than the use of big satellites. It will allow also to increase a satellite group (by the launch of additional satellites) precisely in accordance to the development of the ground segment.     

Stability of a ring of connected satellites

The motion of a large number of artificial satellites connected in a ring one after another by tethers of variable length is considered. Every satellite is supposed to have a control system programmed according to some tether tension law as a function of the distance between tethered satellites. The effect of the tension control law on the stability of stationary rotation of this ring is investigated. The final stability condition includes two requirements: 1) the nominal tether tension should be less than a definite limit equal, up to numerical coefficient, to one satellite weight divided by the number of satellites; 2) tether tension should decrease (or remain constant) with the increase of the distance between tethered satellites. In dynamics the artificial rings of this kind are much like their natural prototype—meteor rings. On the other hand, the investigation of the artificial rings contributes to developing an unexpected view upon meteor rings, suggesting a model of an imaginary equivalent string.     

The development of a Russian communication satellite of small class, operating in the geostationary and high-elliptical orbits

In 1994-1995 Lavochkin Association (Russia) together with the other enterprises in accordance with technical requirements of the Russian Space agency, developed a new Russian communication satellite of a small class that will operate in both the geostationary (GSO) and high-elliptical (HEO) orbits. This satellite may be injected into operational orbits using a SOYUZ-2 launch vehicle (LV) and a FREGAT upper stage (US) from Plesetsk and Baykonur space launch sites (SLS).The main reason for creating such a satellite was to decrease the cost of the support and development of the Russian communication geostationary satellites group.Russian satellites Horizont, Express, Ekran and Gals, which operate in GSO, are the basis of the space segment for communications, radio and TV broadcasting. All of these satellites are injected into GSO by the PROTON LV. PROTON is a launch vehicle of a heavy class. The use of a middle class LV instead of a heavy class will allow to reduce considerably the launch cost. The change of a heavy class LV to a LV of middle class determined one economic reason for this project. Besides, the opportunity to launch S/C into GSO from Russian Plesetsk SLS increases the independence of Russia in the domain of space communications, despite the presence of the contract with Kazachstan about the rent of Baykonur SLS. Finally, use of small satellites with a rather small number of transponders is more effective than the use of big satellites. It will allow also to increase a satellite group (by the launch of additional satellites) precisely in accordance to the development of the ground segment.     

簇状卫星姿态控制方程的通用建模方法

当前卫星通常都由一个中心刚体和其他挠性附件构成，每个挠性附件都与中心刚体直接相连，组成了一个簇状的刚柔耦合的多体系统。随着挠性附件的数目的不同，卫星系统的拓扑构型也将有所不同。即使对于同一颗卫星而言，在展开过程的不同阶段，卫星系统具有不同的拓扑构型。本文利用柔性多体系统动力学的单向递推组集方法，提出了一套通用的解决方案，以推导具有不同拓扑构型的簇状卫星的姿态控制方程，得出了姿态控制方程的系数矩阵。