星座设计中的安全性问题研究

如何避免星座中卫星之间发生碰撞是星座安全性设计需要考虑的重要问题,给出了预测星座中卫星发生碰撞的一种方法,提出保证星座安全性需要考虑的三个问题并研究了如何避免星座中工作卫星、备份卫星和寿命终止卫星与工作卫星发生碰撞的措施。     

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。     

小卫星从母星释放过程的GPS卫星可见性分析

针对小卫星的一种安装、在轨二次发射方式,通过分析小卫星从母星释放过程中的GPS星座可用性,研究了小卫星的弹出旋转式在轨二次发射的可行性问题。首先,分析了小卫星对单颗GPS卫星可见的数学条件,然后导出了小卫星在二次发射从母星释放过程的三个不同阶段中对单颗GPS卫星可见的数学描述,最后研究了整个过程的GPS星座可用性,提出了一种保证释放过程中GPS星座可用的弹出时刻选取方法,并完成了数值计算验证。本文提出的选取方法,能够保证释放过程中GPS星座可用,避免释放过程中小卫星与母星发生意外碰撞的可能,从而证明了这种弹出旋转式在轨二次发射方式具有可行性。这一结论对我国小卫星在轨二次发射应用有参考价值。     

StarLink星座对空间安全态势的影响

针对StarLink星座部署后带来的空间安全问题，对StarLink星座构型仿真，利用碰撞概率的算法，从碰撞风险的角度分析了StarLink星座部署后对其他卫星在轨安全的影响。结果表明:StarLink星座部署对低轨航天器将带来较大的碰撞风险，碰撞风险比部署前提升一个量级，对535~555 km空间区域的航天器影响尤为突出，一旦产生碰撞碎片将带来更大的碰撞风险。通过分析提出了警示，并针对大型卫星星座带来的碰撞危险提供了应对建议。     

小卫星和通信卫星星座技术特征分析

介绍了小卫星的发展情况和特点 ,给出了小卫星星座的概念和星座的主要设计参数 ,指出了编队飞行和组网技术在应用方面面临的挑战。然后分析了最新发展的通信卫星星座技术和星座卫星通信系统的设计原则 ,对中、低轨道星座系统进行了综合分析 ,并在此基础上进一步提出若干低轨道星座组网方案。最后指出了小卫星组网的若干关键技术及发展趋势。     

小卫星星座及其自主运行技术

介绍了小卫星星座的概念，研究和发展水平，指出小卫星星座具有单个小卫星无法替代的独特功能，在很多领域有着广泛的用途，同时着重强调了它在军事上的重要意义，针对小卫星星座的自主运行，重点研究了星座自主导航和自主维持技术，最后针对我国小卫星星座的发展提出了看法。     

下一代铱星轨道不变

铱卫星公司首席执行官马特2月26日说,该公司认为在其一颗卫星与俄罗斯一颗退役卫星发生碰撞后,“铱”卫星轨道上的碰撞风险只是略有增加,所以该公司的第二代低轨卫星星座预计还将采用与现役卫星相同的轨道。“铱”33卫星同“宇宙”2251卫星在790公里高的轨道上相撞造成了几百块碎片,使那条轨道上的危险性有所增大。     

区域观察小卫星星座重构方法研究

在对地观测任务中，经过优化设计的卫星星座通常具有较强的适应能力。但是，当星座中某颗卫星失效或地面需求发生变化时，就需要进行星座重构，以恢复或增强对部分地区的观察能力。提出了小卫星区域观察组网的方法，重点探讨了在应急情况下区域观察小卫星星座的重构问题，研究了节省能量的卫星轨道机动方法，特别提出了保持轨道属性和星座基本构形的预置量机动方法，分析了应急机动星座重构的几种情况，给出了每种情况的星座重构策略。     

巨型小卫星星座对空间碎片环境的影响研究

随着航天技术的快速发展,高功能密度的小卫星技术也日趋成熟,并在国民经济和军事国防中发挥着越来越重要的作用,建设巨型小卫星星座已经成为当前航天发展的一个重要领域.然而大量小卫星入轨不仅造成轨道空间异常拥挤,而且对空间环境造成了巨大的威胁,严重影响了人类航天活动的正常开展,引起了业界和国际社会的广泛关注.分析当前巨型小卫星星座及空间碎片环境的现状和发展趋势,研究巨型小卫星星座对空间碎片环境演化的影响,对其进行参数化的评估,给出减缓或者治理小卫星带来的空间碎片问题的合理建议,不仅能够为空间碎片环境的治理提供一定的理论基础,而且有利于促进和规范巨型小卫星星座合理有序发展,保障太空安全和空间资源的可持续利用.     

巨型小卫星星座对空间碎片环境的影响研究

随着航天技术的快速发展,高功能密度的小卫星技术也日趋成熟,并在国民经济和军事国防中发挥着越来越重要的作用,建设巨型小卫星星座已经成为当前航天发展的一个重要领域.然而大量小卫星入轨不仅造成轨道空间异常拥挤,而且对空间环境造成了巨大的威胁,严重影响了人类航天活动的正常开展,引起了业界和国际社会的广泛关注.分析当前巨型小卫星星座及空间碎片环境的现状和发展趋势,研究巨型小卫星星座对空间碎片环境演化的影响,对其进行参数化的评估,给出减缓或者治理小卫星带来的空间碎片问题的合理建议,不仅能够为空间碎片环境的治理提供一定的理论基础,而且有利于促进和规范巨型小卫星星座合理有序发展,保障太空安全和空间资源的可持续利用.     

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.     

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。     

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.     

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。     

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。     

高轨目标监视系统星座设计和探测效能分析

针对高轨目标编目与成像的应用需求，提出一种运行于亚同步轨道、兼具对同步带目标远距离探测编目和近距离成像侦察的高轨天基星座。根据同步带目标探测编目要求，推导和分析了星座的轨道部署和光学相机扫描方式对目标探测效能的影响，确定了顺行轨道的双星星座可行解更多，综合探测效能更高。设计了一种符合顺光观测约束的姿态导引律，结合可行解中选取一组解进行仿真，结果表明：在夏至和秋分两种工况下，采用顺行轨道的双星星座，可对轨道倾角不大于相机半视场的所有同步带目标进行无缝遍历，且每天的探测次数不小于4次，观测弧长不小于1分钟，与理论推导一致。     

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。     

一种多任务导航星座设计方法

在分析多任务导航星座中心任务和附加任务的基础上,用n 1重覆盖率评价星座对地面的覆盖性能,基于运筹图论对多任务星座设计及选星方案进行了研究。仿真结果表明,由该法确定的选星方案可满足多任务星座的使命要求。