基于视场角的遥感卫星成像多边形区域目标动态分解方法

考虑遥感卫星成像任务规划时对多边形区域目标的分解问题,提出了一种基于卫星视场角的区域目标动态分解方法。首先根据卫星的轨道特性,计算卫星对区域目标的可见时间窗口;在可见时间窗口内,计算卫星对区域目标的最大、最小有效观测角度;再以卫星的视场角为角度偏移量,同时考虑幅宽的动态变化,将区域目标分解成相互平行且幅宽不等的条带。仿真结果表明:文章提出的区域目标动态分解方法,能够将区域目标有效分解,与传统的区域目标分解方法相比,可明显提高遥感卫星对区域目标的观测效率。研究结果可为遥感卫星自主任务规划技术研究提供参考。     

基于全球网格的卫星成像区域目标规划算法

针对多颗成像对某一特定区域协同观察的问题,提出了一种基于全球网格的区域目标规划算法。考虑到卫星幅宽、网格数据更新速度、条带计算精度等因素,采用军用分幅标准对全球进行网格划分,选定1∶50 000作为基准比例尺,并采用网格金字塔实现条带计算精度和网格可见性数据更新速度的平衡;通过并行多节点的点目标访问,计算特定时间段内全球网格的观测可能性,并记录所有网格的可见时刻及对应的卫星姿态信息;按照覆盖面积最大、单次成像最优、加权最优等规则通过贪婪算法依时间顺序选定不同条带,生成对应的协同方案。文章针对不同大小的区域设计了3个试验进行仿真,结果表明:该算法能适应不同大小区域的多星协同观测,反应速度能够达到10秒量级,可为多卫星区域协同观测设计提供参考。     

考虑任务聚类的多星观测分阶段调度方法研究

单个轨道圈次内星上能量和侧摆次数有限,在卫星观测调度时考虑任务聚类可以提高观测效率。分析了满足用户分辨率需求下多任务聚类的约束条件,并对聚类任务的时间窗口和侧摆角度进行了合理优化。提出了先聚类后调度再修复的分阶段求解策略:首先用团划分聚类算法和启发式插入聚类算法把多星多轨道圈次观测调度问题转化为单星单轨道圈次观测调度问题,然后采用基于时间序无圈有向图的多准则优化卫星调度方法求解单星单轨道圈次调度问题,最后提出一种修复策略进一步优化调度结果。案例仿真表明,提出的方法可行,能够提高卫星的观测效率。     

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。     

敏捷卫星同轨多条带拼幅成像模式研究

针对长宽均明显大于相机幅宽的区域目标的成像观测,文章建立了敏捷卫星同轨多条带拼幅成像工作模式。对区域目标的划分,用相机视场角随卫星姿态机动扫描将区域分割成多个条带,使得划分的条带能够完全覆盖目标区域,并保证相邻条带之间足够的重叠宽度。对区域划分后得到的条带,分析了可行的观测序列,建立了成像起始时刻优化模型,采用序列二次规划方法对该模型进行求解。     

多星联合任务规划中不同迭代修复策略比较研究

对地观测卫星任务规划需要对参与规划的任务安排卫星成像窗口,问题优化目标是在不违反约束的情况下,最大化安排任务的重要性评价值,是一类典型的过载规划问题.引入迭代修复算法思想对多类型卫星任务规划问题进行求解,设计了迭代修复算法流程,给出基于成像概率、基于时间序和基于随机选择的三种不同的启发式策略,并结合不同的贪婪初始解生成策略进行比较研究.实验结果表明,基于随机选择的启发式策略在改进问题解上表现最优,而结合领域知识的初始解能有效提高算法收敛速度.     

一种多目标变邻域模拟退火算法及成像星座任务规划方法

为提高成像星座观测任务的完成度和成像质量，提出一种多目标变邻域模拟退火算法(MOVNSA)。首先，分析了敏捷成像卫星观测任务约束和星上资源约束，构造了评价任务完成度和成像质量的目标函数，建立成像任务约束满足模型。然后通过设计多目标模拟退火算法中解的编码解码规则、变邻域搜索方法以及选拔淘汰机制，实现了观测任务成像时刻的滑动优化，兼顾提升了观测任务的完成度和成像质量。最后通过工程实例对多种算法进行测试和分析，结果表明该方法收敛速度快，优化效果好，可以在满足用户需求的前提下最大化任务的完成度。     

基于约束满足的多星对区域目标观测活动协同

多星对区域目标观测活动的协同问题是卫星任务规划与调度领域的新问题。讨论了采用多星协同模式观测区域目标的必要性，描述了协同问题的研究内容。基于约束满足理论，建立了多星协同问题的约束优化问题模型，提出了一种禁忌算法与约束传播相结合的求解机制。最后，以仿真算例验证了模型与算法的正确性和优化性能。     

卫星星座系统多学科设计优化研究

分析了卫星星座系统设计包含的星座设计、卫星设计、发射选择等学科之间的耦合关系，特别是卫星各分系统之间的耦合关系，建立了包括发射费用分析、成本分析在内的卫星星座系统多学科分析模型。在此基础上，采用分布式协同进化MDO算法，将星座设计优化和卫星的设计优化在自治基础上充分协同，对一个同时包含离散／连续设计变量、需进行星座结构和参数同时优化的虚拟的海洋监视卫星星座系统进行了多学科设计优化。算法对离散设计变量采用二进制编码，连续设计变量采用实数编码，并分别采用相应的进化算子。采用最大长度编码，根据一定的规则确定基因的显性和隐性，来处理结构和参数同时优化引起的设计变量维数可变的问题。设计结果显示了多学科设计优化的优势和分布式协同进化MDO算法对卫星星座系统这样的复杂多学科设计优化问题的有效性.     

卫星星座区域覆盖问题的快速仿真算法

针对卫星星座对地面区域的覆盖性问题,提出一种快速求解方法—经度条带法.首先将全球划分为若干个经度条带,并得到一个地面区域所在的纬度区间,然后根据球面几何关系和卫星覆盖与几何形状计算卫星对每个条带的覆盖情况,最后再综合统计得到覆盖率.基于此方法,推导了星座瞬时性覆盖和时段总覆盖的计算公式.数值仿真实验表明,该算法计算结果精确,具有较好的稳定性,计算效率较高.     

Research on constellation refueling based on formation flying

A new scheme for refueling satellite constellation is proposed in this paper. Compared with the traditional research, where the satellite refueling is implemented through spacecraft rendezvous and docking, the new pattern studied here is based on formation flying, and it is more feasible, safer and more reliable. On the grounds of the proposed pattern, two refueling strategies are studied. The first is called single supplier refueling (SSR) based on formation flying. In this scenario, one fuel-sufficient satellite called a supplier, departs from its parking orbit, and after a series of orbit maneuvers, arrives at the target constellation that consists of multiple fuel-deficient satellites called workers. It then transfers equal fuel to each worker within the prescribed mission time. The second strategy is called double suppliers refueling (DSR) based on formation flying. This time two suppliers take charge of refueling half of the workers respectively in the same way as SSR. Using a genetic algorithm, the orbit of a supplier with a minimum consumption of fuel can be obtained once the mission time is fixed. Simulation results indicate that DSR is superior to SSR and that this dominance will be more distinct as the number of workers increases and the mission time decreases.     

卫星点波束天线的多目标指向优化研究

卫星天线波束常常需要同时覆盖特定区域内多个目标,为保证目标接收卫星信号的增益要求,需对其指向进行优化。以我国某卫星点波束天线为研究对象,将天线功率辐射模型引入卫星指向计算模型中,完成了指向目标的增益计算。运用最优化原理分析了多目标指向增益优化模型,在无约束条件下,指向增益最优点在标称三目标构成的三角形重心位置;有约束条件下,最优点在满足相应约束下偏离无约束最优点。多目标指向优化理论研究对点波束天线的高精度指向及确保目标的通信特性提供了适用的工程模型,具有极强的工程应用价值。     

星座系统的信息网络设计

多星组网、编队飞行是小卫星应用领域的发展趋势。与之相适应，卫星信息系统正从单星向多星网络化发展，形成一个具有优化拓扑结构、完善通信协议和管理调度机制的统一天基信息网络系统，以实现对协同工作的多星系统的飞行任务管理。文章针对星座系统信息网络的技术特点、拓扑结构设计、网络模型设计、协议设计和一体化设计方法进行了论述，并从工程角度出发，分析了设计过程中应着重解决的关键技术问题。     

一种基于球面剖分的星座性能分析方法

在卫星星座优化设计与性能分析过程中,根据球面Delaunay三角网和Voronoi图的特性,首先研究了任意状态下星座空间几何构形划分方法,定义了卫星所属覆盖区域。然后,通过分析卫星星座和地面目标区域之间的几何关系,提出了星座对任意类型地面目标的最小观测仰角和平均观测仰角的确定性计算方法。在此基础上,分析了基于星座空间几何构形划分的卫星系统网络的时变特性,提出了星间通信链路快速建立方法。最后,以铱星系统为例,分析了该系统的对地覆盖能力和星间链路通信能力。实验结果表明该方法不仅可以准确、快速的评估卫星系统应用效能,同时能够为星座优化设计人员提供必要的决策支持。     

低轨卫星倾斜轨道设计及优化

根据有效载荷性能和任务需求对低轨卫星的倾斜回归圆轨道设计进行了研究,以升交点赤经为参数,对1个回归周期内特定目标的覆盖性能指标进行了优化。算例表明:卫星对地面目标点的覆盖率可达0.977 5。如需对多个目标点或目标区域进行观测,可在此基础上增加目标点再作优化设计,以获得最佳覆盖性能。     

飞行器低空突防中的威胁航线优化技术研究

低空突防中的威胁回避技术是TF／TA^2系统的核心，直接关系到低空突防飞行器的任务生存能力。针对威胁回避的特殊要求，本文提出了一种基于地形可视性分析的威胁危险指标快速计算方法，解决了威胁的量化问题。针对在大范围任务区域内进行威胁航线优化存在计算复杂性和收敛性等问题，本文尝试采用遗传算法对威胁进行优化处理。该方法得到的威胁航线，严格经过出发点和目标点，且尽量远离威胁，有效提高了飞行器低空突防的任务生存率。     

利用分步Kalman滤波器的自主定轨信息融合算法

将星敏感器/红外地平仪的天文定轨信息与星间观测进行信息融合是消除基于星间链路自主定轨中星座整体旋转问题的有效途径。针对两种定轨方法精度相差较大导致融合效果较差的问题,提出了一种分步 Kalman 滤波算法。该算法利用星敏感器观测信息能够有效修正旋转参数的特点,将星敏感器观测信息和星间观测信息进行分步处理和最优信息融合以消除自主定轨算法中存在的星座整体旋转误差,提高定轨精度。通过对Walker星座的仿真表明,利用提出的分步Kalman滤波信息融合算法,星座自主定轨60天后星座URE误差能够稳定在 1.5米 以内,且能有效消除星座整体旋转误差。     

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。     

The GANDER constellation for maritime dissaster mitigation

The development of sea state monitoring from polar-orbiting satellites has recently moved away from the concept of single, multi-sensor platform such as ERS-2, Topex/Poseidon or ENVISAT towards the design of a system that would allow frequent updates from a constellation of small satellites equipped with special-purpose radar altimeters. This new system, called GANDER for Global Altimeter Network Designed to Evaluate Risk, has attracted significant support from a number of important customer segments including the military.

This paper details the design of an altimeter for a Surrey small satellite, and illustrates the major system trade-offs that need to be made. Critical to the viability of the mission will be the development of a radar altimeter capable of operating successfully on a small satellite bus, within a limited volume and power budget. The mission design presents a number of key technological challenges, in order to permit a physically small antenna to be employed, and to minimise the pulse power. This can be achieved by advanced techniques, such as the delay Doppler altimeter concept, which emphasises the needs for high-speed on-board signal processing, phase linearity and pulse-to-pulse phase coherency.

The system design for the GANDER constellation is also described, illustrating how it not only offers a means for maritime disaster mitigation, but also can reduce shipping cost and time.