星座设计中避免卫星碰撞问题的研究

随着小卫星技术的发展 ,越来越多的航天任务采用小卫星星座来完成 ,在星座的设计过程中需要考虑的因素众多。本文从星座运行的安全性角度 ,分析了星座中卫星发生碰撞的机会和碰撞概率 ,对星座中存在的卫星之间可能发生的碰撞问题进行了研究 ,并提出了解决方法     

卫星星座的相对几何和区域覆盖重复周期

研究了在设计δ星座或者由几个δ星座的某些卫星构成的星座时经常需要考虑的三个问题：任意两颗卫星是否在同一条星下点轨迹上，同一条星下点轨迹上的卫星通过某一区域的相对顺序和星座对某特定区域或地点覆盖重复周期的计算。首先对δ星座中卫星之间的相对几何关系做了详细的分析，给出了第一个问题的判断准则，并进一步导出了位于同一条星下点轨迹上的卫星通过某一指定地区的相对顺序以及相应的时间间隔的计算方法。在解决前两个问题的基础上，针对由一个或几个δ星座(或子星座)构成的设计星座，给出了计算其区域覆盖重复周期的方法。     

Walker星座碰撞检测及碰撞概率分析

针对Walker星座的碰撞问题,在狭义碰撞的基础上,设计一种Walker星座碰撞检测模型。该模型考虑星座实际在轨构型发散与维持偏差,给出了Walker星座构型维持条件下的广义碰撞检测与碰撞概率计算方法,并提出了表征Walker星座构型防碰撞性能的安全度系数。利用该检测模型,在进行Walker星座设计时不仅可以避免狭义碰撞,还可以实现星座在构型维持阈值内的广义碰撞安全性分析,实现星座构型择优。通过案例仿真分析,证明了该系统模型的可行性及可靠性。     

Flower卫星星座设计方法研究

介绍了一种具有共地面轨迹和良好相位特性的新颖的Flower卫星星座设计方法。与常见的星座设计方法不同,在地球中心固定坐标系中可以更好的体现Flower星座的特点。通过Flower星座模型参数与星座中卫星轨道参数之间的关系式,实现了Flower星座的研究设计软件SatSim。结合Satellite Tool Kit仿真软件,给出了利用Flower星座设计一个能为GEO卫星进行导航的卫星导航系统实例,探讨了将Flower星座广泛应用于更多卫星星座系统设计的可能。     

基于星间测量的异构星座自主导航方法研究

随着星座逐渐向多功能、大型化方向发展,异构星座成为研究的热点.为了解决卫星数目较多,地面设备进行定位和测控难度较大的问题,研究了基于星间测量的异构星座的自主导航方法,该方法充分利用星座中卫星的相对运动规律构成的约束条件,利用有条件的参数加权平差方法,解决星间测距网的基准秩亏问题,并针对异构星座中卫星的位置分布和初始精度的不同,进行分组观测,采用分组平差方法进行定位解算.仿真结果表明该方法能够有效的降低定位解算的时间,并通过合理的约束,提高定位的精度.     

基于星间测量的异构星座自主导航方法研究

随着星座逐渐向多功能、大型化方向发展，异构星座成为研究的热点。为了解决卫星数目较多，地面设备进行定位和测控难度较大的问题，研究了基于星间测量的异构星座的自主导航方法，该方法充分利用星座中卫星的相对运动规律构成的约束条件，利用有条件的参数加权平差方法，解决星间测距网的基准秩亏问题，并针对异构星座中卫星的位置分布和初始精度的不同，进行分组观测，采用分组平差方法进行定位解算。仿真结果表明：该方法能够有效的降低定位解算的时间，并通过合理的约束，提高定位的精度。     

国外主要低轨互联网卫星星座进展及启示

正低轨道卫星系统是由多个卫星构成的可以进行实时信息处理的大型卫星系统,其中卫星分布称为卫星星座。最早提出并被人熟知的通信卫星系统是20世纪90年代的"铱"星座。近年来航天技术发展迅速,小卫星技术及运载火箭重复使用技术日趋成熟,使得卫星部署成本大幅降低。2012年创立的一网(OneWeb)公司,通过建立低轨互联网卫星星座来解决广大亚、非、拉地区没有互联网接入而造成的"数字鸿沟"问题。     

利用空气阻力进行卫星星座的站位保持研究

对于航天器来说,空气阻力通常是一种不利的摄动因素,但是也可以利用它来实现卫星星座的相对站位保持,基本思路是通过控制卫星的弹道系数来达到站位保持的目的。本文首先用最优控制理论探讨了对相同圆轨道上两星相位差的控制方法,并进而推广到星座中卫星的站位保持;其次,提出了利用空气阻力进行Walker-δ星座相对相位保持的充分条件,并提出了一个简单的控制规律,进行了仿真分析,结果表明利用空气阻力进行相对相位保持可以实现稳定性很好的星座相位控制。     

基于伴飞模式的补给星轨道设计与优化

针对采用伴飞模式的星座燃料补给问题,本文对其补给星的轨道进行了设计与优化。在给出补给星的轨道设计之后,利用遗传算法对补给星轨道机动所消耗的燃料质量以及每次转移给工作星的燃料质量进行了优化求解,使得补给星燃料利用率达到最高。仿真结果同时给出了燃料利用率与工作星轨道高度以及星座中卫星数目之间的关系,该结论对采用伴飞模式的星座燃料补给研究提供了较好的理论参考。     

一种提高导航卫星星座自主定轨精度的方法研究

针对近地导航卫星仅利用星间测距进行自主定轨时,因无法消除星座整体旋转误差而导致长期自主定轨精度不高的问题,提出了利用拉格朗日导航卫星星座与近地导航卫星星座联合仅利用星间测距进行自主定轨的方法。建立了拉格朗日轨道导航卫星星座和近地导航卫星星座联合仅利用星间测距进行自主定轨的动力学模型和观测模型。利用扩展Kalman滤波（EKF）算法和星间测距信息实现了拉格朗日轨道导航星座与近地导航星座的长期自主定轨。以4颗拉格朗日卫星组成的导航星座与12颗GPS卫星组成的近地导航星座作为仿真对象进行了仿真分析,仿真结果表明本文仅利用星间测距的联合自主定轨方法可以有效提高导航卫星星座的长期自主定轨精度。
     

大型低轨航天器与星座卫星的碰撞风险研究

针对商业小卫星星座迅猛发展对航天器飞行安全造成潜在威胁的问题，以600 km高度星座和大型低轨航天器为研究对象，通过区域方法(BOX)和碰撞概率风险评估方法，分析了星座与大型低轨航天器的碰撞风险。根据星座轨道演化分析表明，整个星座卫星与大型低轨航天器可能发生碰撞的时间相对集中，持续时间约 1~ 2年。BOX方法计算结果表明，每颗卫星与大型低轨航天器交会，并进入红色预警门限的交会次数约10次左右。碰撞概率计算结果表明，约有5%的卫星进入红色预警门限，星座如果在寿命末期采取无控再入将对大型低轨航天器在1~2年内产生较大的威胁。     

Evaluation of a satellite constellation for active debris removal

This paper analyzes an example of a three-dimensional constellation of debris removal satellites and proposes an effective constellation using a delta-V analysis that discusses the advisability of rendezvousing satellites with space debris. Lambert?s Equation was used to establish a means of analysis to construct a constellation of debris removal satellites, which has a limit of delta-V injection by evaluating the amount of space debris that can be rendezvoused by a certain number of removal satellite. Consequently, we determine a constellation of up to 38 removal satellites for debris removal, where the number of space debris rendezvoused by a single removal satellite is not more than 25, removing up to 584 pieces of debris total. Even if we prepare 38 removal satellites in their respective orbits, it is impossible to remove all of the space debris. Although many removal satellites, over 100 for example, can remove most of the space debris, this method is economically disproportionate. However, we can also see the removal satellites are distributed nearly evenly. Accordingly, we propose a practical two-stage strategy. The first stage is to implement emergent debris removal with the 38 removal satellites. When we find a very high probability of collision between a working satellite and space debris, one of the removal satellites in the constellation previously constructed in orbit initiates a maneuver of emergent debris removal. The second stage is a long-term space debris removal strategy to suppress the increase of space debris derived from collisions among the pieces of space debris. The constellation analyzed in this paper, which consists of the first 38 removal satellites, can remove half of the over 1000 dangerous space debris among others, and then the constellation increases the number of the following removal satellites in steps. At any rate, an adequate orbital configuration and constellation form is very important for both space debris removal and economic efficiency. Though the size of constellation of debris removal satellites would be small originally, such a constellation of satellites should be one of the initial constellations of removal satellites to ensure the safety of the future orbital environment.     

编队卫星碰撞规避方法研究

对编队卫星碰撞规避方法进行了研究。通过递推编队卫星的初始状态协方差阵,将碰撞概率密度函数在危险区域积分获得编队卫星的碰撞概率。当碰撞概率大于安全阈值时,向卫星施加最小脉冲速度修正量Δv,在垂直于终止时刻相对速度的平面机动一定距离以降低碰撞概率。仿真结果表明:用计算的碰撞概率能较好地预测编队卫星的潜在碰撞危险,所选机动策略有效。     

亚太区域导航八星星座分析

提出了一个由八颗同地迹有一定倾角的地球同步圆形轨道(IGSO)卫星组成的区域导航星座方案。分别从星座的几何特性、卫星、用户终端三个角度对该星座进行了分析。对比大椭圆轨道方案、近圆地迹轨道方案,认为IGSO方案是我国区域导航比较有利的方案。     

基于遗传算法的全球导航星座重构研究

全球卫星导航系统在部分卫星失效的情况下会引起地面导航性能下降甚至造成导航服务中断,但卫星数量众多的全球导航星座本身具有一定冗余性,在少数卫星失效时可以通过调整剩余工作卫星的轨道来降低失效影响。这种星座重构的维护方式具有快速响应故障和故障针对性强的特点。在星座重构中涉及到选取调整卫星及其轨道参数的问题。分析了用遗传算法实现星座重构方案优化的编码、适应度选取和进化过程,利用C 结合STK和GALIB完成了对24MEO 4GEO构成的全球导航星座在3颗以下MEO卫星失效时的星座重构方案优化,并对多种星座重构的轨道机动方案进行了对比。     

卫星编队多Agent软件结构仿真研究

随着小卫星技术的发展,今后由多颗微小卫星近距离编队飞行将成为在轨航天器部署的主要形式。本文把多Agent思想引入卫星编队,提出了基于多Agent卫星编队软件结构,根据编队中不同卫星Agent的智能水平和相互关系给出了4种分布形式,在把智能水平最高的主星Agent模块化结构做重点介绍的同时,以避免两星碰撞为例阐述了模糊控制逻辑在主星决策Agent中的应用。     

Post-disposal orbital evolution of satellites and upper stages used by the GPS and GLONASS navigation constellations: The long-term impact on the Medium Earth Orbit environment

The long-term evolution and environmental impact in MEO of all the abandoned spacecraft and upper stages associated with the GPS and GLONASS navigation constellations were analyzed. The orbits of the disposed objects, as of 1 May 2011, were propagated for 200 years and snapshots of their evolving distribution were obtained, together with an estimation of the changing collision probability with the spacecraft of the operational navigation systems existing or planned in MEO, i.e., GLONASS, GPS, Beidou and Galileo. The probability that the abandoned objects considered will collide with the operational spacecraft of the navigation constellations is very low, even taking into account the intrinsic eccentricity instability of the disposal orbits. Assuming the present or envisaged configuration of the constellations in MEO, the probability of collision, integrated over 200 years, would be <1/300 with a GLONASS spacecraft, <1/15,000 with a GPS or Beidou spacecraft, and <1/250,000 with a Galileo spacecraft. The worst disposal strategy consists in abandoning satellites and upper stages close to the altitude of the operational constellation (GLONASS), while a re-orbiting a few hundred km away (GPS) is able to guarantee an effective long-term dilution of the collision risk, irrespective of the eccentricity instability due to geopotential and luni-solar perturbations. The disposal strategies applied so far to the GPS satellites should be able to guarantee for at least a few centuries a sustainable MEO environment free of collisions among intact objects. Consequently, there would be no need to adopt disposal schemes targeting also the optimal value of the eccentricity vector. However, it should be pointed out that the GPS disposal strategy was devised well in advance of the Beidou constellation announcement, so most of the abandoned satellites were re-orbited fairly close to the altitude of the new Chinese system. A new re-orbiting approach will be therefore needed in the future.     

区域覆盖混合星座设计

针对我国邻海海上运动目标探测的需求,提出一种由多种类型卫星构成的区域覆盖混合星座系统方案。选择了合适的轨道类型,利用轨道动力学特性保持不同高度卫星构成的星座的构形;提出了星座配置方案,确定了不同类型卫星的协同工作方式和顺序等;在此基础上给出了轨道设计方法。最后设计了一个由海洋监视卫星簇、光学成像卫星和SAR卫星组成的星座。仿真表明,该星座能够实现预定的设计目标,保持一定的空间和时间关系对给定地区进行一定时间间隔的重访。