联合地基GNSS及空基GNSS掩星探测水汽三维分布

研究了联合地基GNSS和空基GNSS掩星观测的大气水汽探测方法。首先,利用COSMIC(气象、电离层、气候星座观测系统)和GRACE(重力恢复与气候实验)无线电掩星产品对对流层层析成像的几个关键技术进行了优化,标定了对流层干延迟模型,建立了新的大气加权平均温度模型,提出了一种新方法用于确定水汽层层顶(即对流层层析模型的顶部边界)。选择香港地区12个连续GNSS气象监测站2017年6月份的数据反演计算了水汽的三维分布,以探空测站的水汽密度为真值,统计层析反演结果与真值之间的偏差为:偏差平均值优于1.36g/m~3,RMS值优于1.70g/m~3。     

无线电掩星技术在大气探测的应用

通过介绍GPS在大气探测中的应用,引入了一种新的研究大气模型的方法——无线电掩星技术。阐明了无线电掩星技术的发展历程、反演原理及应用前景,并结合我国航天实际,提出了一种利用北斗导航系统进行大气参数反演,修正航天器轨道测量数据,从而提高定轨精度的新思路。     

基于遗传算法的寻优解卫星星座优化设计策略

卫星星座优化设计与直接部署卫星或普通迭代计算后部署卫星等方法不同,目的 是在有限的资源中达到更好的星座观测效果.通过使用遗传算法(Genetic Algorithm),在卫星星座构型模型的基础上,得到星座种群内对目标观测实效性较强、重访周期较短的卫星个体,并使用较优的卫星个体生成Walker星座组网,实现了生成的星座对目标区域的高精度观测与覆盖.这种方法避免了复杂的计算与主观上的加权计算,在经济成本和观测效果相互制约的前提下,得到了更加高效的卫星星座构型设计策略.将此优化设计策略用于选定的卫星星座构型中,通过仿真实验表明,基于遗传算法优化后的"深圳一号"卫星星座相较于其优化前的部署,其对目标区域及全球区域的整体观测性能提升了90％以上.     

钟滑动辅助GNSS定位算法研究

针对GNSS卫星星座几何形状不好或者观测卫星数量不足,无法为导航解算和自主完好性监测提供足够观测量的问题,提出采用GNSS接收机时钟观测值进行辅助定位,提高定位精度,实现自主完好性监测。通过对接收机时钟建模,引入本地钟的钟差方程、辅助接收机观测方程,从而建立了一套完整的钟滑动辅助定位算法。通过对采集的真实数据作计算机仿真,证明了该算法的可行性和有效性。结果表明,在卫星星座几何形状较差或者某颗卫星出现故障时,利用钟差辅助算法能够有效地排除故障星,得到较好的定位结果。     

利用GNSS实现高轨卫星自主导航的新方案

针对GNSS应用于GEO卫星导航存在的导航信号弱、可见卫星少、定位几何差等突出问题,探讨了一种在GPS导航星冲天面安装导航天线并辐射导航信号的新方案,设计了冲天面天线和GEO接收天线的波束宽度和增益以及讨论了冲天天线所需发射功率,分析了新方案中GEO卫星对GPS卫星可见性、GDOP和定位精度。分析表明,新方案仅需从现有导航星引出一部天线,即可实现以小于10W的功率代价使得GEO卫星80%以上的时间里可以利用GPS系统定位,且定位精度约77m。通过仿真验证了本方案的可行性。     

一种基于一致性理论的卫星协同自主探测方法

为了提高天基空间碎片探测系统对空间碎片探测能力,研究了一种基于一致性理论的卫星协同自主探测方法,对系统中的卫星进行协同控制,从而实现对空间碎片进行最长时间的持续跟踪探测。探测星座利用招投标机制选取探测效果最好的卫星,空间碎片周围的卫星载荷再利用一致性理论,协同自主地指向空间碎片,以实现探测星座对空间碎片连续跟踪。仿真结果说明了该方法的有效性,1d内探测星座对典型空间碎片的最大连续观测时间由协同前的 6 min提高到了协同后的 39 min,提高了约 5倍,总观测时间由协同前的 1.5 h提高到 13 h,提高了约 8倍。该方法提高了观测效能,可为天基空间碎片探测系统提供一种对空间碎片协同探测的技术途径。     

基于扩维QLEKF的脉冲星/星间定向组合导航

面向星座卫星高精度自主导航技术需求,设计了一种融合X射线脉冲星和星间定向观测信息的组合导航方法。通过X射线探测器获得脉冲到达时间观测量,照相观测星相机和星间链路设备获得星间相对位置矢量观测量,设计导航滤波器对观测量进行处理,估计参与导航的星座卫星的运动状态。针对地球星历误差影响组合导航性能的问题,将地球相对于太阳系质心的位置扩充为状态向量,设计了扩维扩展卡尔曼滤波器,利用敏感器观测量对导航所需的地球位置矢量进行实时估计,从而削弱地球星历误差的影响。进而,针对滤波器参数选取影响状态估计精度的问题,设计了一种Q学习扩展卡尔曼滤波器（QLEKF）,主要思路是利用Q学习方法的决策能力,自适应地选择适当的滤波器参数以改善估计性能。数学仿真结果表明,所提方法能够有效减小地球星历误差对星座自主导航的影响,取得优于传统滤波算法的定位精度。     

高轨目标掩星成像相位恢复技术研究

高轨目标掩星成像通过观测高轨卫星对恒星的遮掩过程,实现对高轨目标的成像.该方法采用望远镜线性阵列观测高轨目标遮掩恒星过程中恒星亮度变换,获得高轨目标在地面的投影,通过相位恢复方法可计算得到卫星轮廓图样,具有成像分辨力高,设备制造难度小等优点,在高轨目标成像领域具有较好应用前景.本文分析利用掩星成像方法对高轨目标成像的可行性,重点对掩星成像过程的相位恢复方法进行改进,根据掩星成像特点对输入输出算法进行优化,仿真结果表明：改进后的相位恢复方法可显著提高图像恢复质量和掩星成像方法的空间分辨力.     

基于星载分布式InSAR测高精度的导航卫星优选

从干涉合成孔径雷达（InSAR）测高精度需求出发,分析整个流程中的综合观测几何,联合InSAR对地观测参数、全球卫星导航系统（GNSS）对编队卫星观测参数和坐标系转换参数,建立了导航卫星的优选准则,理论推导了InSAR高程的误差传播系数。该准则直接针对InSAR高程精度进行优化选星,表征了综合几何关系下基线各分量对测高误差的贡献。仿真结果与理论推导相吻合,并给出了不同卫星导航系统、不同选星个数以及不同InSAR参数配置等多种场景下的结果比对。新准则相比以往基于最小相对精度衰减因子的选星准则,能够更好地反映实际几何关系,从而在相同观测条件下通过卫星优选得到更高的测高精度。     

空间飞行器综合定轨与参数分析软件COMPASS的研发——动力学统计定轨程序compass的编写及调试

介绍了空间飞行器综合定轨与参数分析软件COMPASS的开发过程。软件的初级阶段目标是可以利用SLR观测对多颗激光卫星进行同时定轨、可以利用非差GPS观测对GPS星座进行同时定轨，并估计有意叉的地学参数。COMPASS的开发采取了由简到繁、循序渐进的技术策略，软件开发经历了这样几个主要过程：多星多技术定轨框架的建立。利用SLR观测确定GPS卫星的轨道，利用IGS的SP3轨道确定GPS星座的轨道，利用非差GPS伪距观测确定GPS星座的轨道，利用非差GPS伪距和相位观测确定GPS星座的轨道。激光卫星的定轨精度已经达到国际水平，可以用于提供国际服务（如IERSEOP；ILRS快速分析）；GPS定轨内符精度达到国际先进水平，平均外符精度好于30cm。     

Feasibility study of autonomous orbit determination using only the crosslink range measurement for a combined navigation constellation

In order to expand the coverage area of satellite navigation systems, a combined navigation constellation which is formed by a global navigation constellation and a Lagrangian navigation constellation was studied. Only the crosslink range measurement was used to achieve long-term precise autonomous orbit determination for the combined navigation constellation, and the measurement model was derived. Simulations of 180 days based on the international global navigation satellite system(GNSS) service(IGS) ephemeris showed that the mentioned autonomous orbit determination method worked well in the Earth–Moon system. Statistical results were used to analyze the accuracy of autonomous orbit determination under the influences of different Lagrangian satellite constellations.     

低地轨道小卫星星座优化问题研究

以低地轨道小卫星星座为研究对象，着重从星座覆盖性能考虑出发，详细阐述了局部覆盖小卫星星座优化设计的一般方法与思路。针对某一类型任务对两轨道面和三轨道面星座进行了优化设计，阐述了在一定约束条件下星座优化设计的关键因素以及不同轨道面数目下星座优化的特点，并进行了仿真分析。结果表明提供的优化模型对小卫星星座设计具有理论意义和实用价值。     

一种多目标区域多轨道星座设计方法

在有限资源条件下,针对多目标区域的对地观测问题是航天器轨道设计、在轨任务规划中的重要问题。卫星效能的充分发挥基于科学的卫星星座设计。围绕多区域多轨道星座设计问题:首先,结合运载器实际能力,确定轨道类型和设计变量;然后,根据轨道外推、星下点轨迹、探测区域等算法,提出重访时间的计算方法,以最大重访时间作为星座性能指标,采用多层嵌套变量搜索方法实现星座设计;最后,对 1个具体任务进行实例设计。结果表明,采用该方法能够设计出满足指标要求的星座,具有可行性。     

中低纬地区混合LEO星座增强GNSS UPPP收敛性能评估

针对全球卫星导航系统（GNSS）精密单点定位（PPP）收敛时间过长的问题，提出了利用低轨卫星（LEO）几何结构变化快的优势，增强GNSS非差非组合PPP（UPPP）的收敛性能。选取中低纬度地区28个能接收GPS、GALILEO和BDS3信号的测站观测数据，比较了极轨和混合LEO星座的增强效果。结果表明：混合LEO星座增强GPS、GALILEO和BDS组合系统时，各测站收敛时间减少60%~80%，70%的测站收敛速度优于极轨星座。当混合LEO星座增强单BDS时，CL和GCL组合系统的收敛时间相当，ENU方向定位误差变化基本一致。收敛时间从10~20 min 下降至3 min以内，原因是混合LEO增强BDS定位时，大大改善了卫星的空间结构。     

基于汇聚点观测的天基光学监视星座设计

针对地球静止轨道目标监视问题,提出了一种基于汇聚点观测的天基光学监视星座设计方法.研究分析了地球静止轨道目标分布特性,针对静止轨道目标在特定位置分布密度较大的特点,设计了监视星座对汇聚点区域进行重点观测的策略.分析了监视星座的轨道类型和传感器观测策略,提出采用太阳同步轨道设计监视星座和相应的汇聚点区域观测的方法.在满足对汇聚点观测要求及同步带重访周期为1d的条件下,对星座进行了设计.仿真结果表明：设计的4颗卫星组成的观测星座,对同步带目标的重访周期小于1d,24 h内的平均观测时间约为900 s,且能观测到更多的同步带目标.该方法可供工程应用参考.     

基于搜索空间变换和序优化的预警星座设计

高轨预警星座由若干颗地球静止轨道卫星和大椭圆轨道卫星组成,星座优化的目标是满足重点监视区域的覆盖和提高覆盖区域的定位精度。对于覆盖性优化,根据多个监视区域的威胁等级,星座系统需要提供不同的覆盖重数;对于定位精度优化,系统在立体观测和单星观测情况下存在很大差异。因此高轨预警星座优化是一个复杂多区域多目标优化问题。针对以上难点,提出了多层次多目标优化模型,可以较完整合理地描述预警星座优化问题;在优化模型求解方面,将优化计算分为覆盖性优化和定位精度优化两个环节;在覆盖性优化环节,提出了基于搜索空间变换的覆盖性快速优化方法,提高了Pareto最优解的计算速度和准确性。在定位精度优化环节,采用序优化方法进一步缩短优化时间。仿真试验表明,该方法可设计出满足预警任务需求的星座,且优化耗时在1 min以内,能有效地缩短预警星座优化时间。     

全球卫星导航星座网络协议体系与运行模式

针对全球卫星导航星座网络建设初期或论证阶段所涉及的网络体系结构、协议体系及相关组网等技术问题,开展了基于导航星座星间链路构建空间信息网络的技术研究,分别提出了由子网、接入网、骨干网等节点及其相互之间星间、星地无线链路构成的分层网络系统结构,设计了兼容遥控、遥测、测量与网络交互支持等业务的基于IP over CCSDS(基于空间数据系统咨询委员会标准的空间链路承载互联网协议业务)的协议体系,给出了全系统基本通信业务运行模式等。与传统高轨卫星通信系统相比,该星座网络具有高覆盖、低时延、随遇接入等优点,可实现星座导航性能与中低轨及地面用户通信性能的全方位提升,相关结果对我国全球卫星导航星座网络技术研究具有一定的参考意义。     

Global communication using a constellation of low Earth meridianorbits

The concept of meridian orbits is briefly reviewed. It is shown that, if a satellite in the meridian orbit makes an odd number (>1) of revolutions per day, then the satellite passes over the same set of meridians twice a day. Satellites in such orbits pass over the same portion of the sky twice a day and every day. This enables a user to adopt a programmed mode of tracking, thereby avoiding a computational facility for orbit prediction, look angle generation, and auto tracking. A constellation of 38 or more satellites placed in a 1200-km altitude circular orbit is favorable for global communications due to various factors. It is shown that appropriate phasing in right ascension of the ascending node and mean anomaly results in a constellation wherein each satellite appears over the user's horizon one satellite after another. Visibility and coverage plots are provided to verify the continuous coverage     

基于多目标粒子群算法的导航星座优化设计

导航星座的设计涉及诸多优化变量的选取,优化设计的目的是选取合适的优化变量使导航星座最大程度地满足人们需求。提出了将导航性能和卫星生产成本作为目标对导航星座进行多目标优化设计的研究方案,导航星座基本构型为中轨道(MEO)与地球静止轨道(GEO)卫星组成的混合星座,MEO卫星用于全球导航,GEO卫星用于增强星座对中国及周边地区的导航性能。探讨了MEO和GEO的轨道设计思路。阐述了星座导航性能与卫星生产成本的计算方法,并选取定位精度因子(PDOP)作为导航性能指标。介绍了基本粒子群算法和多目标优化的概念,提出了改进的多目标粒子群算法(MOPSO),给出了该算法的计算步骤和测试结果。讨论了导航星座多目标优化设计的数学模型,列举了优化设计变量的定义域,采用MOPSO算法对导航星座进行了多目标优化设计,通过分析优化设计结果,说明了导航星座多目标优化设计方案的可行性。     

视函数法分析卫星覆盖研究

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。最后,对ＧＰＳ星座的覆盖性能进行了数值仿真,给出了ＧＰＳ星座的视函数图,并得到了ＧＰＳ星座在不同纬度的覆盖性能。