基于中轨与静止轨道卫星定位系统星座优化设计

文中分析了中国区域性覆盖卫星导航系统“北斗”系统的特点，提出了采用“北斗”系统静止轨道卫星结合若干倾斜圆轨中轨MEO卫星，构成中国区域性覆盖星座的设计思想。文章给出了卫星导航定位系统星座优化设计方法，比较了多种设计思想和多种轨道形式的设计方案。通过仿真计算分析，在多种设计结果中，得到了优选的2颗GEO卫星结合若干MEO卫星星座设计方案设计结论。并且针对所选星座的覆盖性能，仿真给出了区域性覆盖优选星座的PDOP特性。     

单个航天器对Walker星座中多卫星的近距离接近

通过设计航天器轨道,可使航天器发射入轨后无需机动即实现对Walker星座中非共轨的多颗卫星的快速、近距离接近.给出了该轨道的搜索方法以及基于星座特性的代换法,并给出了仿真示例.      

太阳同步冻结轨道星座保持与捕获

太阳同步冻结轨道卫星在经过同一星下点时光照特性和轨道高度相同，便于载荷观测及定标.由多颗太阳同步冻结轨道卫星组成的星座，需要实现星座成员轨道倾角、轨道高度、偏心率矢量和相对轨道幅角的同时保持.提出了基于切向单脉冲的最低燃耗轨道面内保持策略，证明了该策略的稳定性和燃料最优性， 给出了太阳同步轨道地方时保持简单算法.仿真证明，基于本策略的星座成员能跟踪并捕获目标轨道.面内保持策略还可用于低轨卫星编队低燃耗控制.     

近圆低轨卫星星座相位保持方法

主要研究无轨道高度保持要求的近圆低轨卫星星座相位保持方法.首先根据轨道摄动理论，推导了考虑J2摄动和大气阻尼摄动的卫星相位漂移模型，分别给出基于固定基准星和基于虚拟基准星的相位偏差两种表达方法.在此基础上，按照星座各星轨道衰减一致和不一致两种情况，分别提出两种表示方法理论的和考虑实际控制误差的相位保持策略.通过一个walker星座仿真算例验证了两种方法的有效性.仿真结果显示，两种方法在各星轨道衰减一致和不一致两种情况均可有效完成相位维持任务，当各星轨道衰减一致时两种方法在控制次数和控制总量上无明显差异；在各星轨道衰减不一致情况下，基于固定基准星的相位保持策略更优.     

区域覆盖特殊椭圆轨道星座优化设计

分析了椭圆轨道的优良特性,它可集中覆盖地面上某一指定纬度带或区域.阐述了临界倾角太阳同步回归轨道这种特殊椭圆轨道的设计方法,总结了其轨道要素的计算步骤.探讨了临界倾角太阳同步回归轨道星座的设计思路,指出了影响星座对目标覆盖性能的关键参数是各个卫星通过目标上空的时刻.介绍了用遗传算法进行星座优化设计的数学模型,利用遗传算法进行了优化设计.讨论了优化结果的统计规律,符合该规律的星座就是本文所研究的特殊椭圆轨道星座,星座性能分析结果表明这种星座适用于区域覆盖.      

卫星星座的系统仿真研究

研究了对人造卫星星座进行系统仿真的方法.从轨道动力学的观点出发,提出了卫星星座系统仿真的概念和要求;建立了星座系统仿真的数学模型;讨论了星座系统仿真的软件实现方法;最后介绍了开发的一个星座系统仿真软件.      

圆轨道星座位置保持控制的仿真与研究

星座构形可由卫星相对地球的位置和卫星相对卫星的位置联合描述。由于星座中卫星所受摄动,星座构形会在运行中发生改变,需要加以控制。针对同一圆轨道内的两颗卫星,推导了描述星座位置运动的数学模型,通过仿真验证了模型的精度;进而利用二次型最优控制理论给出了基于相对位置的控制规律,提出了星座相对位置保持、绝对位置可移动的星座控制方法;论证了相对位置保持控制所需燃料要比绝对位置保持控制所需燃料少,仿真结果验证了方法的有效性。     

遗传算法在通信卫星轨道优化设计中的应用

大椭圆通信卫星的发展，既是对传统通信卫星的有力补充，又可以为验证大椭圆轨道通信卫星技术提供平台，具有十分重要的意义。为解决重点区域24小时实时通信覆盖问题，提出了一种改进的遗传算法以寻求卫星组网的最优轨道参数设计。分析了星座的轨道面及相位布置，设计了个体编码方式并提出了改进算法性能的保优算子。仿真结果表明：提出的算法能够寻求到最优星座方案，该方案可为目标区域提供24小时实时通信，且算法的收敛速度快、稳定性好。     

连续小推力条件下星座轨道机动方法研究

基于连续小推力条件下星座轨道机动的动力学特性分析，研究了其入轨的布局置入和离轨机动方法。地球轨道上的大型星座数量巨大，传统的轨迹优化方法较难应用。针对多星入轨的星座布局置入任务，求解了分时序抬轨的相位调整问题，并在轨道抬升过程中，利用轨道倾角偏置补偿升交点赤经漂移。针对星座中卫星的离轨任务，设计了半长轴和偏心率的联合调整方法。在保证卫星快速离轨的同时，能够有效减少燃料的消耗。考虑到连续小推力机动的弧段效应，控制策略需要围绕控制效应的曲线积分进行优化。     

逆行地球同步轨道特性探索

为了探索逆行地球同步轨道在主要环境力作用下的轨道特性,给出了适合进行数值仿真的轨道动力学模型,并以先进的RKDP方法进行求解.对所得仿真数据利用求和取平均的方法去除摄动力产生的短周期效应,通过分析去短周期项后的数据揭示出了逆行地球同步轨道的演变特点.     

GEO/IGSO混合区域导航星座的设计与优化算法

区域导航星座能够以较低成本和较短时间获得目标区域导航能力，且地球同步轨道是构建非极区区域导航星座的重要轨道类型。提出一种基于GEO（地球静止轨道）和IGSO（倾斜地球同步轨道）的区域导航星座设计方法。基于星下点轨迹特性构造对称星座设计参数和优化参数集，并考虑地球扁率长期摄动影响，计算星座轨道参数。以导航服务区的统计GDOP（几何精度因子）为目标函数，利用差分进化算法构建星座优化模型。以印度IRNSS的7星星座为例，仿真检验了设计和优化算法的正确性，讨论了IRNSS星座优化构型和轨道类型选取。本方法采用的对称星座设计参数少，能够提升GEO/IGSO混合区域导航星座的全局优化效率，为后续非对称星座快速提供最佳星数和构型设计。     

遗传算法在星座多星接近轨道优化中的应用

以三颗非共轨的Walker星座卫星为研究对象, 对航天器无需变轨与其接近的可能性进行研究. 将Lambert方法得到的航天器轨道作为初始轨道, 利用遗传算法对初始轨道进行优化. 对初始轨道在参考时刻位置和速度的改变量进行编码,形成对应的种群. 以航天器与星座卫星之间的最近距离为适应度函数, 通过种群的繁殖得到优化结果. 结合仿真算例, 分析了最小二乘算法和遗传算法在轨道优化中的优劣以及接近过程中轨道摄动的影响. 结果表明, 遗传算法适用于所提出的轨道改进问题. 研究结果可为单航天器无需变轨对星座多星接近问题提供理论依据.      

The influence of orbital maneuver on autonomous orbit determination of an extended satellite navigation constellation

The right ascension of the ascending node is unobservable if only the inter-satellite ranging is used for autonomous orbit determination (AOD) of an Earth navigation constellation. However, if an Earth-Moon libration point satellite is added to the Earth navigation constellation to construct an extended navigation constellation, all the orbital elements can be determined with only the inter-satellite ranging. Furthermore, the extended navigation constellation can provide navigation information for interplanetary probes. For such an extended navigation constellation, orbital control needs to be considered due to the instability of the libration-point satellite orbit. This study concerns the influence of satellite orbital maneuver on the AOD of the extended navigation constellation. An AOD method under orbital maneuver is proposed. A low thrust controller is designed to achieve libration point satellite autonomous orbit maintenance by using AOD results. A navigation constellation consisting of three GPS satellites and one libration point satellite are designed for simulation. The simulation results show that libration point satellites can achieve autonomous navigation and autonomous orbit maintenance by only using inter-satellite ranging information. The rotation drift error of the Earth navigation constellation is also suppressed.     

基于参考轨道的Walker星座相对相位保持策略

针对高轨道Walker全球星座相对相位保持问题,在分析星座几何结构演化规律基础上,提出了一种基于动态调整参考轨道的星座相对相位保持策略.该参考轨道的半长轴取星座所有卫星的平均轨道半长轴的平均值,通过计算各卫星相对参考轨道的相对相位偏差以及变化率,而后根据有关维持的约束条件来选择合适的卫星进行站点保持,使得所有卫星的相对参考轨道的相位偏差不超过允许值.当一旦有卫星进行了站点保持,则参考轨道就重新统计确定.文章通过一个12颗MEO卫星构成的Walker-δ星座的分析算例,表明这种相对保持策略可以减少星座的站点维持次数.本文提出的方法可以为我国今后卫星导航星座的维持提供参考.     

太阳帆飞行器轨道动力学分析

通过分析对轨道要素影响最大的加速度分量,使太阳帆总是位于光压力沿这个加速度方向的分量最大的方位。通过分析轨道要素调整时的相互影响关系,提出了同时修正多种轨道偏差的控制方案。对处于地球静止轨道上太阳帆飞行器的轨道调整进行了数值仿真。结果证明利用太阳光压力进行轨道调整是可行的,而且有利的太阳方位是进行快速有效的轨道调整的必要条件。     

Walker星座的区域导航特性分析

基于反映定位精度的几何精度衰减因子 (GDOP)值 ,提出了一种评估导航性能的品质指标。研究了Walker星座的轨道构型参数 ,特别是卫星数目、轨道平面数、相对相位与轨道倾角对区域导航性能的影响。在轨道运动中考虑了地球扁率对卫星轨道的摄动。分析结果显示了星座轨道相对相位、轨道倾角等参数对星座区域导航品质指标的显著影响 ,导航品质指标比GDOP值能更直接地反映星座导航性能的好坏。     

一种改进的卫星星座服务可用性评价方法

针对存在缺失卫星的轨道面,将星座中的卫星分为两组,从概率角度并采用组合方法提出了星座覆盖可用性和导航精度可用性指标的统计评价模型和仿真流程,进而通过对两项可用性指标进行加权建立了形式统一的服务可用性加权评价模型。利用该模型对单个或多个轨道面有确定数量卫星缺失的状态下,星座构型和轨道参数变化对其服务可用性的影响进行了研究。结果表明,星座轨道平面数和轨道高度均对服务可用性有较大影响。提出的服务可用性评价模型物理意义明确,可有效减少指标评价时间,研究结论有助于在概念设计阶段对星座构型和轨道参数进行优选。     

miniSAR卫星精密参考轨道设计

为满足轻小型合成孔径雷达(miniSAR)卫星干涉测量任务对空间基线的要求,通过分析卫星参考轨道特性,建立了一套精密参考轨道设计算法。所建算法以miniSAR卫星成功入轨后的一组定轨数据及根据参考轨道特性解析得到的参考轨道预估值为输入,基于仅考虑中心天体非球形高阶引力摄动的轨道外推模型、Eckstein-Hechler平根模型及嵌套式迭代修正方法,设计输出其任务周期内使用的参考轨道。数值实验表明:所建算法设计的参考轨道生成的参考轨迹在三维空间的回归精度优于0.01 m,满足实际工程应用需求。