北斗导航星座星间通信速率控制方法

北斗导航星座可以通过星间测距和传输链路实现自主定轨和性能增强。导航卫星间进行数据传输时，卫星相对位置时变，传输信道特性也随之不断发生变化。针对导航卫星间传输链路时变特性，提出了一种基于星历的星间通信速率控制方法。在满足传输服务质量的需求下，根据导航卫星自有的高精度星历资源定量计算星间最优通信速率，通过速率的动态调整提高星座的传输效能。仿真结果表明，采用所提方法，北斗导航星座星间传输效能可以提高1.92倍，验证了方法的有效性。      

Walker-δ星座星间链路的预算分析与仿真

为确定星间链路其他传输耗损以及合理发射功率,首先,在方位角、俯仰角的变化范围较小,平均距离较小和距离变化范围较小的情况下,给出Walker-δ星座星间链路的建立准则。然后,详细讨论星座星间链路的预算分析和自由空间传输耗损及其他传输耗损,并给出这些传输耗损的参考值或求解公式;特别是提出以数据传输速率的数学期望等于额定数据传输速率为条件来确定合理发射功率的方法,并推导数据传输速率方差的计算公式。最后,在仿真算例中,分析Walker 27/3/1星座中星间链路的方位角、俯仰角和距离的变化范围,讨论不同载波频率和不同数据传输速率对星间链路发射功率的影响,并给出了合理的发射功率。     

LEO/MEO双层卫星网络中层间ISL空间参数研究

低地球轨道 /中地球轨道 (LEO/MEO)双层卫星网络是未来卫星移动通信系统重要组成部分 ,而层间卫星星际链路 (ISL)是影响整体双层卫星网络系统性能的重要因素。文章重点分析层间ISL的空间参数几何特性 (包括星间链路长度 ,星间链路指向方位角和仰角 ) ,为星载天线跟踪系统设计和LEO/MEO双层卫星网络最优化路由搜索算法提供依据     

编队星座相对位置精确测定与自主定轨方法

针对编队飞行星座,提出了一种全自主的高精度定轨与相对位置精确测定方法,对其主要关键技术之一的空间绝对定向的基本方案及其可行性和指标进行了研究,并进行了仿真验证.结果表明,通过编队星座星间高精度的距离测量和绝对定向观测,可以实现无需地面测控站和卫星导航系统支持下的编队星座全自主导航方案;在一定测距和测向误差条件下,绝对定轨精度可以优于20m,相对位置确定精度可优于10cm.相对误差与采样间隔有较明显关系,未来可考虑采样间隔控制在10s以内即可;绝对位置误差大小与采样间隔无明显关系,其中的主要误差是星座的整体平移误差.仿真结果验证了所提方案的正确性.      

地月空间信息网络链路分配算法研究

在设计拓扑时,如何分配每颗卫星上有限的通信终端建立通信链路,构建一个性能良好的网络拓扑,成为了一个重要的研究问题。以平均月球中继卫星到地面站路径距离最小为优化目标,以卫星携带的通信终端数目、月球中继卫星与地面站的连通性为约束条件,提出了基于竞争决策思想的链路分配算法(Link Assignment Algorithm based on Competitive Decision, LAA-CD)和基于模拟退火法的链路分配算法(Link Assignment Algorithm based on Simulated Annealing,LAA-SA),并与贪婪算法进行对比。仿真结果表明,LAA-CD和LAA-SA算法下所得拓扑的平均月球中继卫星到地面站距离均小于贪婪算法,且LAA-CD算法能够有效降低算法的时间复杂度。进一步对比了两种星座,发现相比拉格朗日轨道卫星星座,在月球极轨道卫星星座下所得拓扑具有更小的平均距离,为空间信息网络分配提供技术支撑。     

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。     

移动载体上天线工作角域分析

静止轨道卫星与地球上移动载体间的数据通信时,要求移动载体在运动中始终保持通信链路信号不中断。从移动载体看卫星的仰角和方位角随移动载体在地球上的位置及其自身的姿态(方位,俯仰,滚动)而变,因此要求载体上天线既具有极宽的辐射方向图特性和良好的圆极化特性。按静止轨道卫星定点位置、载体工作地域、载体运动中姿态角(方位角、俯仰角、滚动角)变化范围,导出移动载体上天线实际需要的工作角域,为载体上天线辐射特性的设计给出了依据。     

基于QoS保障的低轨卫星星座设计

低轨卫星星座设计是部署低轨卫星网络的前提和关键。然而，不均匀的地面用户分布和不合理的卫星资源配置对卫星网络的服务质量提出了重大挑战。针对以上问题，通过构建服务质量(QoS)指标体系，提出了一种基于QoS保障的低轨卫星星座设计方法。首先，建立了低轨卫星网络模型和星座覆盖模型，通过星间链路的建链准则来定义星座抗毁性指标。其次，通过建立用户链路以及定义用户匹配度来分析星座对目标区域用户的资源匹配情况。接着，建立了以QoS指标为约束最大化效费比的低轨卫星星座设计优化问题，定义的QoS指标包括信噪比、误码率、抗毁性以及星座覆盖率和用户匹配度。此外，通过遗传禁忌智能算法求得了所设计的低轨卫星星座的轨道参数。仿真结果表明，提出的低轨卫星星座设计方案在满足指定QoS约束的同时具有最大星座效费比。     

星间链路联合磁测约束的低轨星座自主导航

为解决星座仅依靠星间链路测量进行自主导航时的整体旋转和漂移问题,提出一种星间链路联合磁测约束的低轨星座自主导航方法.通过星间观测相机和磁强计,获得同轨道相邻卫星视线矢量与地磁场方向之间的角距和地磁场模值,为低轨星座引入空间基准信息.在非秩亏性分析的基础上,分别建立状态方程和量测方程,利用扩展卡尔曼滤波方法进行整星座的最优状态估计.仿真结果表明,星座卫星自主导航位置精度优于20m,速度精度优于0.05m·s-1,自主导航运行时间维持180天,能够满足低轨卫星星座自主导航的应用需求.      

基于最小PDOP准则的星间链路拓扑方案

星间链路是卫星导航系统实现自主运行的一项关键技术.研究了一种 Walker(24/3/2) 星座,通过对卫星间可见性以及星间链路相关约束条件的分析,计算并确定了同轨卫星的A,B类排列方案,探索了建立位置精度因子(PDOP,Position Dilution Of Precision)值最小,即测距精度最高的星间链路拓扑结构的方法,并在此基础上利用Dijkstra算法计算出卫星之间以及卫星与地面站之间的最优路径.通过对星间数据传输时间延迟和星座网络卫星节点数据流量的统计,表明这种链路生成方案切实可行,能够满足预先设定的技术指标要求.同时对最短路径、最小跳数和网络流量均衡3种不同的计算策略进行了仿真,验证了这3种策略所造成的结果差异.      

Establishment criteria,routing algorithms and probability of use of inter-satellite links in mixed navigation constellations

In this paper, the establishment criteria, routing algorithm and the probability of use of ISLs (inter-satellite links) in the mixed navigation constellation of GEO satellites, IGSO satellites and MEO satellites are analyzed. Firstly, the general criteria of ISL establishment in mixed navigation constellation are proposed from the perspective of geometry, and the influences of these criteria on routing algorithms and the probability of use of ISLs are discussed. Then, from the perspective of autonomous orbit determination, the routing algorithm in mixed navigation constellation is designed. Thirdly, a stochastic study of ISLs load in mixed navigation constellation is proposed, and the formulae of probability of use of ISLs are given. Finally, in the simulation, the establishment criteria, routing algorithm and the probability of use of ISLs in a specific mixed navigation constellation of 3GEO + 3IGSO + 24MEO are discussed in detail. The findings of this paper provide a basis for the ISL establishment and routing algorithm, and offer the quantitative indicators for the use of ISL in the mixed navigation constellation.     

星载InSAR空间基线指向优化与设计

分布式卫星SAR系统是近年来受到广泛重视的一种新的雷达成像手段,其中分布式InSAR充分利用编队星座卫星间构成的空间基线进行干涉测高,从而实现立体成像.在InSAR系统设计中,解决好编队星座的设计问题是实现高性能成像的前提和保证,合理的星座构形设计有助于提高测高精度,从而获得高品质的雷达成像效果.从InSAR测高精度分析结果入手,由飞行力学角度阐述星间相对运动对测高精度产生的影响,并基于分析结果给出了一种有别于现有星座的特色编队构形,并对其性能进行了初步分析.      

一种新的GPS星座选择算法

在分析星座高度角和方位角对GPS定位误差影响的基础上,提出了一种新的最佳选星算法。理论分析和仿真结果表明：采用该方法选星作导航定位计算的误差和速度均优于以搜索4颗卫星组合的最小几何误差因子为计算准则的常规选星方法,且具有简单实用、工程易实现等优点,具有较强的适应性。     

低轨Walker星座构型偏置维持控制方法分析

针对低轨（low earth orbit,LEO）Walker星座构型稳定性维持问题,分析了低轨卫星的轨道摄动和星座构型稳定性的影响因素。通过分析低轨Walker星座的轨道摄动和相对漂移特点,提出了两次偏置策略。首先,依据未偏置时星座相对漂移量拟合得出第一次偏置时的偏置量。然后利用第一次偏置后的相对漂移量拟合得出第二次偏置量,消除残余项影响。两次偏置量叠加,使相对漂移大大降低。结果表明,低轨Walker星座中各卫星的初始参数偏差造成了升交点赤经和沿迹角相对漂移的发散,两次偏置策略可将两种星座的相对漂移量降至0.1°以下,证明了策略的有效性,提高了星座构型稳定性。     

基于GEO／HEO混合星座的区域卫星定位系统性能分析

星座方案选择对卫星定位系统的性能具有很大影响。本文结合GNSS－2星座方案中的阿基米德计划，设计了针对我国区域的HEO／GEO混合星座，首先从可见性角度对GEO卫星定点参数和HEO卫星轨道参数进行了优选，之后，以GDOP和PDOP因子为衡量标准，在选定覆盖区域内，对混合星座的定位性能进行了分析，仿真结果表明，在覆盖区域内，该星座能够达到与GPS相当的定位精度。     

中轨道Walker导航星座在轨备份方案优化设计

针对中轨道Walker导航星座在轨备份方案的优化问题,首先提出了在轨备份星轨位优化设计方法,考虑星座运行期间在轨备份星与工作卫星存在共同提供服务的情况,选取PDOP值和可见卫星数作为轨位优化指标,建立了轨位优化模型,并基于NSGA-Ⅱ算法对不同轨位下在轨备份星对导航星座服务性能的提升效果进行仿真分析;然后,基于在轨备份星轨位的优化结果,建立在轨备份星替换的轨道机动模型,并综合考虑速度增量和替换时间,确定了以替换时间最少为优化目标的在轨备份星替换方案。结果表明,提出的在轨备份方案能有效满足备份星的设计需求,增强导航星座的服务性能,实现故障卫星的快速替换,可为导航星座备份星的建设提供借鉴。     

关于星座设计中碰撞检测问题的探讨

对于卫星数量较多的星座, 在星座设计过程中就应当考虑避免星座运行过程中卫星之间的碰撞现象。文章首先针对发生在赤道上空的严格碰撞现象进行了研究, 提出了避免赤道碰撞的星座参数配置方法; 进一步从广义碰撞检测要求出发, 对星座中卫星间的相对距离变化规律进行了研究, 并给出了设计阶段解决碰撞问题的方案。文中的内容对星座设计工作有一定的帮助。     

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.     

System Design for the Event Horizon Imaging Experiment Using the PECMEO Concept

The concept for space interferometry from Polar or Equatorial Circular Medium Earth Orbits (the PECMEO concept) is a promising way to acquire the image of the “shadow” of the event horizon of Sagittarius A* with an angular resolution of circa 5 microarcseconds. The concept is intended to decrease the size of the main reflector of the instrument to about 3 m using a precise orbit reconstruction based on Global Navigation Satellite System (GNSS) navigation, inter-satellite range and range-rate measurements, and data from the Attitude and Orbit Determination System (AODS). The paper provides the current progress on the definition of the subsystems required for the concept on the basis of simulations, radio regulations, and available technology. The paper proposes the requirement for the localization of the phase centre of the main reflector. The paper provides information about the visibility of GNSS satellites and the needed accuracies of the AODS. The paper proposes the frequency plan for the instrument and its Inter-Satellite Links (ISLs). The concepts for measurement of range and range rate using ISLs (as well as for the data exchange at these ISLs) are presented. The block diagram of the interferometer is described and its sensitivity is estimated. The link budget for both ISLs is given as well as their critical components. The calculated measurement quality factors are given. The paper shows the expected performance of the sub-systems of the interferometer. The requirements for the localization of the main reflectors and the information about the availability of the GNSS satellites are based on the simulations results. The frequency plan is obtained according to the PECMEO concept and taking into account the radio regulations. The existing technology defines the accuracies of the AODS as well as the link budgets and the measurement accuracies for both ISLs and the sensitivity of the instrument. The paper provides input information for the development of the orbit reconstruction filter and the whole PECMEO system.      

GPS用于编队星座的姿态与相对位置确定

利用载波相位差分GPS技术确定编队星座的姿态和相对位置时，由于卫星状态间的相互耦合和差分观测值的相关性，应该联合星内和星间的差分观测进行状态的整体解算，文中给出了利用星间差分观测值形成的空间网形束、联合星内和星间差分确定编队星座姿 态和相对位置方法，数学仿真结果表明该方法的有效性。