4D Lattice Flower Constellations

4D Lattice Flower Constellations is a new constellation design framework, based on the previous 2D and 3D Lattice theories of Flower Constellations, that focus on the generation of constellations whose satellites can have different semi-major axis and still present a constellation structure that is maintained during the dynamic of the system. This situation can arise when dealing with satellites with very different instruments, or when it is of interest to coordinate two different constellations. In that sense, 4D Lattice Flower Constellations constitutes the most general representation of the Flower Constellation formulation. In addition, the effects of the $J_2$ perturbation are taken into account in order to generate distributions that maintain their initial design configuration under this perturbation for longer periods of time with a low fuel budget. Finally, examples of application are presented, showing the possibilities in satellite constellation design of this new approach.     

多变量全局寻优与智能优化在星座组网中的应用

顶层任务规划通常与星座组网紧密结合，小卫星分散灵活的特性尤其适用于星群规模化在轨运行。针对热点区域覆盖和全球覆盖的不同任务需求，提出了对构型多变量进行全局寻优和利用智能优化技术进行星座构型优化的方法，两种优化方法可分别获得小规模星群最优效能与超大型星群的较优效能。优化方法不受轨道类型和任务目标分布的约束，具有良好的鲁棒性。     

基于低密度网格覆盖分析的重访星座优化设计

快速重访星座在对地遥感、网络通信、气象观测、近地空间环境探测等领域具有重要应用价值.网格分析法是星座设计过程中对覆盖性能分析最常用的方法，其计算量较大.针对重访星座，结合正多面体球面剖分模型和采样点分组方案，提出一种低密度网格覆盖分析的星座优化设计方法，在保证设计结果精度的前提下，整体计算量减少了80%以上.实验表明，利用该方法优化设计的多组星座构型方案均具有很好的重访特性，且极大地减少了多次优化设计总时间.      

Low Earth orbit constellation design using a multi-objective genetic algorithm for GNSS reflectometry missions

Spaceborne global navigation satellite system reflectometry (GNSS-R) is an innovative bistatic radar remote sensing technique utilizing low Earth orbit (LEO) based GNSS-R instruments to acquire GNSS L-band opportunistic signals for measuring geophysical parameters. A GNSS-R LEO constellation with an optimization design for its specialized missions is very significant and necessary. However, the constellation design involves multi-parameter and multi-objective optimization, and the classical analytic solution is not capable of such a complicated issue. This study proposes a multi-objective LEO constellation design method with a genetic algorithm (GA) and presents a framework for designing two GNSS-R LEO constellations, termed “lower-latitude constellation” for typhoons and hurricanes observation in the tropics and “global constellation” for global geophysical parameter measurements. Then, the observation capability of both designed constellations is evaluated in terms of the number of reflection points, spatial coverage density, and revisit time to verify the GA efficiency in LEO constellation design. Results show that the two designed LEO constellations with high fitness function values possess optimal orbit parameter set configuration and outperform the existing CyGNSS constellations in observation performance. Compared with CyGNSS, the number of reflection points observed by the lower-latitude constellation and the global constellation increases by 38% and 45%, as well as the spatial coverage density increases by 28% and 36%. The revisit time for the lower-latitude constellation is reduced by 0.29 h, whereas the revisit time for the global constellation increases by one hour.     

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。     

GNSS遥感探测卫星星座设计

随着全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System,GNSS）掩星大气探测技术的兴起,GNSS遥感探测数据在气象数据资源中逐步占据重要地位,但是目前的掩星探测数量远不能满足数值天气预报等应用的需求,未来更需要充分利用GNSS信号资源,开展更大规模的GNSS掩星卫星星座探测.本文以世界气象组织发布的大气海洋数据需求为参考,提出新一代GNSS遥感探测星座任务需求与设计约束.在理想大气模型假设下,利用几何解析方法研究了探测卫星星座构型参数对探测性能的影响,并建立了新一代GNSS遥感探测卫星星座设计基本准则.以风云卫星为子星座,给出了星座规模同为40颗的三种GNSS遥感探测微纳卫星星座设计方案.研究结果表明,具备该规模的探测星座可满足数值天气预报等气象应用的最低数据需求,三种构型方案中,由高、中、低倾角三组Walker子星座与风云卫星子星座组建的GNSS遥感探测星座探测性能最优.      

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。     

多等级区域侦察弹性星座设计方法

针对传统侦察星座目标单一、弹性低的问题，提出了多等级区域侦察弹性星座的设计方法。该方法将星座设计过程按区域等级信息分为多个子星座逐步设计，直到整体星座对所有的区域性能满足设计要求。以区域被划分为3个等级为例，首先对星座设计需求、设计指标及设计步骤进行了分析。其次推导了地面最低分辨率和轨道高度的关系并确定了不同子星座的轨道高度。最后考虑轨道倾角、一箭多星发射、光照和升交点漂移同步约束，构建基础星座、子星座1和子星座2的优化模型。最终设计星座为3层混合星座，共8个轨道面和70颗卫星，星座对各等级区域的最大重访时间分别为10937s，12241s和17437s，弹性指数为2213%，2420%和6361%。结果表明该方法设计的星座可实现对区域覆盖和弹性分级的设计要求，证明了方法的有效性。对比Walker星座设计方法，在同等设计要求下，Walker星座所需卫星数为156颗，多等级区域侦察弹性星座所需卫星数远低于Walker星座，结果进一步证明了该星座设计方法的优越性。     

区域导航星座分析设计研究

导航星座设计涉及诸多参数的优化组合,星座设计目标就是寻找一组参数组合,使其构成的星座在指定覆盖区域既能获得最优星座性能,又节省系统建设成本和星座长期维持费用.在详细论述导航星座性能指标及其可用性算法,以及导航星座参数设计因素的基础上,进一步提出了半分析式区域导航星座设计方法,并综合分析得到4种区域导航星座设计方案.最后,通过对比研究星座性能指标及定位精度仿真结果,初步说明区域导航星座设计方法和设计方案的可行性和合理性.      

基于半分析式方法的全球导航星座设计

导航星座设计涉及诸多参数的优化组合,设计目标就是寻找一组参数组合,使其构成的星座在指定覆盖区域既能获得最优的星座性能,又节省系统建设成本和星座长期维持费用。首先,提出评价导航星座性能的技术指标、可用性算法以及半分析式星座设计方法;然后,详细论证设计参数对导航星座性能的影响,进而综合分析得到3种全球导航星座设计方案;最后,通过对比研究3种星座方案的性能指标和导航定位仿真结果,说明导航星座设计方法和设计方案的可行性。     

Spacecraft Design-for-Demise implementation strategy & decision-making methodology for low earth orbit missions

Space missions designed to completely ablate upon an uncontrolled Earth atmosphere reentry are likely to be simpler and cheaper than those designed to execute controlled reentry. This is because mission risk (unavailability) stemming from controlled reentry subsystem failure(s) is essentially eliminated. NASA has not customarily implemented Design-for-Demise meticulously. NASA has rather approached Design-for-Demise in an ad hoc manner that fails to entrench Design-for-Demise as a mission design driver. Thus, enormous demisability challenges at later formulation stages of missions aspired to be demisable are evident due to these perpetuated oversights in entrenching Design-for-Demise practices. The investigators hence propose a strategy for a consistent integration of Design-for-Demise practices in all phases of a space mission lifecycle. Secondly, an all-inclusive risk-informed, decision-making methodology referred to as Analytic Deliberative Process is proposed. This criterion facilitates in making a choice between an uncontrolled reentry demisable or controlled reentry. The authors finally conceive and synthesize Objectives Hierarchy, Attributes, and Quantitative Performance Measures of the Analytical Deliberative Process for a Design-for-Demise risk-informed decision-making process.     

基于蚁群算法的多任务导航星座载荷配置

给出了多任务导航星座载荷配置的一套新算法.首先建立了多任务导航星座载荷配置的优化模型;基于任务要求定义并提出了n＋1重覆盖率来评价星座对地面的覆盖性能;蚁群算法(ACA)是一种新型的模拟蚂蚁觅食行为的仿生启发式算法,将蚁群算法运用到载荷配置的优化当中,修正了启发函数及Ant-Cycle模型使它们能够与星座载荷配置的优化相结合;给出了基于该算法的多任务载荷配置优化框图.仿真结果表明蚁群算法快速有效,优化结果满足任务要求.      

卫星星座设计概述

调研了国内外星座设计的现状和进展，概要介绍了理想星座、实际应用星座的组网方法，星座的稳定性及保持方法。     

红外低轨星座突发任务多重策略调度方法

面向红外低轨星座的突发任务规划与资源调度问题，结合红外低轨星座的空间与时间分布特性，提出一种基于多重策略的红外低轨星座任务应急调度方法。所提方法结合红外低轨星座的设计特点，从星座全球分布的均匀性、结构的对称性及星座内卫星运动的周期性分析作为输入，提出一种以地理分区为长期值守分组策略与事件触发下基于相对运动分析的动态快速分组策略相结合的多重策略。在所提策略指导下完成任务分组，开展工作窗口调度。经仿真分析可得:所提策略可有效应对不同区域的目标触发，并实时完成分组及工作窗口规划调度，较好解决了任务突发情况下的系统响应，由于采用优先分组的策略，降低了全局优化的复杂度，具有创新性，且具备较好的应用价值。      

基于连续覆盖特性分析的星座设计

研究了需要对地面目标进行连续覆盖的星座的设计问题．首先推导了对覆盖性能有重要影响的星间覆盖间隔时间和轨道面覆盖间隔时间的计算公式，通过算例针对不同配置的星座进行了计算，使用工程仿真软件STK验证了分析结果．通过理论分析、算例计算以及工程仿真为该类型星座设计提供了理论指导。     

低轨导航增强卫星星座设计

针对目前全球低轨卫星快速发展的现状,对低轨导航增强卫星星座设计方法进行了详细的研究。首先推导了轨道高度与可视球冠的关系,结合太空垃圾分布,从覆盖范围、经济性及碰撞风险几方面联合确定了轨道高度。然后推导了用户仰角与轨道倾角的关系,分析了实现南北极点覆盖的轨道倾角。接着结合铱星星座,推导出单一星座构型无法实现全球范围内均匀的可见星和精度衰减因子（Dilution of Precision,DOP）值分布。最后提出了一种组合低轨卫星星座设计方法。结果表明,该方法设计的组合星座在实现全球覆盖的同时,能够实现可见星数量与DOP值在全球范围内的均匀分布。     

卫星导航系统失效性能分析与重构方法研究

摘要： 以建成后的北斗卫星导航系统为对象,研究导航星座中有卫星失效下的星座性能和重构方法.分析不同失效模式下导航星座的服务性能,在此基础上建立导航星座重构构型的优化模型和基于遗传算法的导航星座重构构型优化设计方法;研究星座构型重构过程中卫星的机动策略和机动模型;针对某一具体的失效情况通过仿真计算验证重构模型的有效性和准确性并给出该失效情况下构型重构的机动方案.     

A multi-objective optimization framework of constellation design for emergency observation

To meet the urgent needs of emergency observation missions, a well-designed constellation is key to ensuring system performance. This paper presents a multi-objective optimization framework which is well suited for constellation designers to identify key trade-offs and make decisions. Firstly, this work investigates the metrics of responsiveness and coverage simultaneously to approximate to the actual conditions of emergencies, and a multi-objective mathematical model is constructed to explore solutions to enhance the overall system performance. Then, according to the characteristics of emergency missions, a hierarchical chromosome encoding method is proposed in the framework to encode a solution that explores different sized constellations without constraining its specific geometry. Finally, we propose the use of radial axes plots to help constellation designers to gain pragmatic insights for informed decision making. The simulation of disaster management verifies that the proposed chromosome encoding method effectively promotes the convergence of the algorithm, and the multi-objective optimization framework helps to generate a rapid and adequate observation satellite constellation to provide maximum coverage performance while ensuring timeliness.