面向导航增强的低轨星座设计与应用

随着传统产业升级和新兴技术的发展,社会生产和生活对分米级、厘米级的实时精准定位需求日益凸显。低轨卫星轨道高度低、信号强度大、短时间内几何构型变化快,因此应用低轨卫星开展导航增强服务成为研究热点。低轨卫星的增强服务性能依赖于星座的快速组网和设计,低轨卫星星座构型、轨道高度、轨道倾角等是影响其覆盖性能和增强性能的关键因素。全面分析了低轨星座设计的关键要素,包括轨道高度、轨道倾角和单星覆盖性、地面人口密度、空间环境等,在此基础上设计了单构型和复合构型低轨导航增强星座,并进一步分析低轨星座的覆盖性能。结果显示:复合低轨导航增强星座可以实现对全球的连续覆盖,同时满足极地高密度覆盖和低纬度的连续覆盖需求,对北斗导航系统的增强效果明显。     

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。
     

红外低轨星座凝视传感器的空间覆盖性能分析

针对探测冷背景条件下的空间目标的红外低轨系统,分析了红外低轨星座中凝视传感器对空间目标的探测特点,建立了红外凝视传感器的几何观测模型,考虑其探测距离和范围的约束,提出了一种红外凝视传感器对空间区域的覆盖判定方法,并给了一组表征星座凝视传感器对空间区域覆盖性能的指标。基于点覆盖数值仿真方法,得到了典型红外低轨星座凝视传感器的多重覆盖空间高度分层分布、纬度带多重几何覆盖分布以及立体空间区域多重覆盖高度分布等方面的性能特征,可以体现星座对空间立体区域覆盖的差异性。仿真结果表明了覆盖判别方法和空间覆盖性能指标的有效性,结论可为红外低轨星座设计及其空间应用设计提供一定的参考依据。     

基于多目标进化算法的MEO区域通信星座优化设计

在分析星座轨道要素的基础上，研究了用改进非劣分层遗传算法（NSGA—Ⅱ）对中轨道（MEO）卫星的区域通信卫星近地点幅角、升交点赤经和平近点角等星座参数进行优化的方法，并对有5颗椭圆中轨卫星的星座进行了优化仿真。结果表明，优化后的星座不仅能在我国领土范围内提供实时通信服务，而且具有一定的全球覆盖能力。     

基于改进粒子群算法的混合卫星星座优化设计

对用低轨子星座和椭圆轨道子星座组成的混合卫星星座实现不均匀覆盖进行了研究。给出了低圆轨道和椭圆轨道的设计方法和计算模型。基于对传统粒子群算法的改进,提出了一种自适应变异与非线性单纯形法综合的高效粒子群优化算法对星座进行优化设计,并给出了设计的某混合卫星星座的整体构型。分析结果表明:该法明显优于遗传算法和传统粒子群算法。     

GNSS服务空域空间信号可用性比较与分析

通过基本参数对全球卫星导航系统（GPS、GLONASS、Galileo和北斗）空间信号可用性影响实验,得出四系统的A knee 值分别为3800km、1100km、3800km和1000km,对应的平均可见卫星数为25、16、22和14/22（亚太地区、MEO星座/混合星座）。分析了三种典型轨道用户的卫星可见性,北斗和GLONASS对MEO和HEO用户的空间信号可用性能较GPS和Galileo稍差,而在LEO用户的应用中,北斗空间信号可用性能却表现最优,平均可见卫星数约为20颗,可用性时间分布比较均匀。最后对GNSS空间有效持续时间段进行统计,随着用户高度的增加,有效持续时间段数增多、总有效持续时间减少;四系统提供全弧段有效服务空间分别为地面至6100km、1600km、6100km和1700km。     

满足网络测控的Walker小卫星星座参数分析

针对中国地域分布实际情况.给出了几种对我国区域有较好二重覆盖的30星星座方案,并通过STK仿真分析和比较,得到一种较优的方案,满足不依赖于中高轨道卫星,只依赖小卫星自身星座的网络测控需要.     

火灾监视卫星有效载荷参数与星座设计

根据火灾监视对卫星载荷和卫星轨道的约束,基于低轨太阳同步回归轨道讨论了火灾监视卫星星座的设计,由卫星对地覆盖几何关系求解了典型卫星星座的星载传感器参数.计算结果表明:设计的火灾监视卫星有较高的地面分辨率,火灾监视卫星星座的最大轨道响应时间6h,平均响应时间3h.     

基于低轨全覆盖卫星星座的反向缝建链策略

低轨卫星星座的拓扑设计是天地一体化网络部署中较为重要的一环。在低轨卫星网络中，如何设计星座拓扑来提升卫星网络的稳定性与传输性能，是亟待解决的问题。提出一种基于轨道覆盖带方法的低轨持续全覆盖卫星星座设计方法，通过该方法构建低轨卫星星座，满足覆盖性能，可有效减少卫星切换的次数。基于构建的星座拓扑，制定邻轨k最近邻星的反向缝建链策略，优化设计链路长度和链路持续时长，获取网络传输性能与稳定性的平衡。仿真结果表明:通过上述方法设计出的星座，在满足对地持续全覆盖性能的情况下，相较于轨道覆盖带方法切换次数减少10%;邻轨k最近邻星策略相较于最短建链策略，拓扑稳定性能提升79.62%，使网络拓扑稳定性与传输性能达到更优的平衡。     

欧洲的伽利略卫星导航系统介绍

1999年欧洲委员会的报告对伽利略系统提出了两种星座选择方案:一是21+6方案,采用21颗中高轨道卫星加6颗地球同步轨道卫星。这种方案能基本满足欧洲的需求,但还要与美国的GPS系统和本地的差分增强系统相结合。二是36+9方案,采用36颗中高轨道卫星和9颗地球同步轨道卫星或只采用36颗中高轨道卫星。这一方案可在不依赖GPS系统的条件下满足欧洲的全部需求。该系统的地面部分将由正在实施的欧洲监控系统、轨道测控系统、时间同步系统和系统管理中心组成。为了降低全系统的投资,上述两个方案都没有被采用,其最终方案是:系统由轨道高度为23616km…     

Galileo系统在空间飞行器定位中的应用

欧洲的Galileo系统将在2008年建成，届时它将与美国的GPS系统相互补充。在对Galileo系统导航星座轨道和信号结构分析的基础上，结合各种不同轨道高度的空间飞行器用户的动态特点，推导了用户卫星接收天线的可见可用性模型，建立了基于Galileo坐标系统(ITRF-96)的高动态定位算法模型，针对实际航天工程任务的LEO和GEO卫星进行了定位仿真，为Galileo系统在空间领域的实际应用打下了基础。     

Exposure estimates for repair satellites at geosynchronous orbit

Communications and weather satellites in geosynchronous (GEO, altitude: 35,793 km.) and geostationary orbits (GSO) are revolutionizing our ability to almost instantly communicate with each other, capture high resolution global imagery for weather forecasting and obtain a multitude of other geophysical data for environmental protection purposes. The rapid increase in the number of satellites at GEO is partly due to the exponential expansion of the internet, its commercial potential and the need to deliver a large amount of digital information in near real time. With the large number of satellites operating at GEO and particularly at GSO, there is a need to think of viable approaches to retrieve, rejuvenate and perhaps repair these satellites. The first step in this process is a detailed understanding of the ionizing radiation environment at GEO. Currently, the most widely used trapped particle radiation environment definition near Earth is based on the NASA’s static AP8/AE8 models which define the trapped proton and electron intensities. These models are based on a large number of satellite measurements carried out in the 1960s and 1970s. In this paper, the AP8/AE8 models as well as a heavy ion galactic cosmic ray (GCR) model are used to define the radiation environments for protons, electrons and heavy ions at low Earth orbit (LEO), medium Earth orbit (MEO) and GEO. LEO and MEO dosimetric calculations are included in the analysis since any launch platform capable of delivering a payload to GEO will accumulate exposure during its transit through LEO and MEO. The computational approach (particle transport) taken in this paper is to use the static LEO, MEO, GEO and geomagnetically attenuated GCR environments as input to the NASA Langley Research Center (LaRC) developed deterministic particle transport codes high charge and energy transport (HZETRN) and coupled electron photon transport (CEPTRN). This is done through exposure prediction within a spherical shell, a legacy Apollo era command service module (CSM) configuration, and a large modular structure represented by a specific configuration of the international Space Station (ISS-11A, circa 2005). Based on the results of the simulations, conclusions are drawn on the exposure levels accumulated by these geometries throughout a mission to GEO.     

我国数据中继卫星系统发展建议

天链一号数据中继卫星在轨成功运行,标志着我国在天基信息传输领域的重大突破,今后发展方向是建设中继卫星组网系统,以满足数据中继不断增长的需求.分析表明:经度间距约为180°的地球静止轨道(GEO)双星组网系统,只需在我国本土设立控管站,利用地面高速光纤干线,双星就能对离地高度大于95km的航天器实现100%轨道覆盖的中继...     

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。     

增强型轨道列表星历及其在北斗混合星座中的应用

为了改进北斗卫星数小时内的力模型精度,分析日月引力摄动和光压摄动的短期变化特性,提出基于二次多项式逼近日月引力摄动的15参数增强型轨道列表星历模型。利用该星历模型对北斗的5 GEO + 5 IGSO + 4 MEO混合星座进行了为期11天的星历拟合实验。结果表明,三类卫星在非地影期的2小时星历拟合精度优于1 cm。增强型轨道列表星历模型没有轨道根数的潜在奇点问题,能够为我国北斗星座和星基增强系统提供更多可行的星历模型选择。     

卫星厘米级定轨的实施建议

对我国实现卫星厘米级定轨的技术途径 ,提出了下列建议 :利用我国在国外的卫星观测站和在国内的 IGS跟踪站 ,建立 GPS国际基准观测网 ,进行星载 GPS双频动态载波相位测量定轨 ;注重大气阻力摄动对低轨卫星定轨的精度损失 ,不仅要安装性能优良的星载 GPS双频接收机 ,而且要装备卫星加速度计 ;采用星载 GPS信号接收机 /激光后向反射镜阵列协同定轨法 ,确保卫星定轨测量的径向误差达到厘米级     

天基照相跟踪空间碎片批处理轨道确定研究

随着国内外天基观测空间碎片研究的展开,文章提出了利用跟踪卫星的CCD(Charge
Coupled Device)相机对空间碎片进行轨道探测的方法,首先建立了CCD照相观测模型和基于 照相观测 的空间碎片批处理轨道确定模型。通过对CCD相机底片归算方法的分析可知,利用
CCD相机所获得的观测数据与跟踪卫星的姿态无关,且其精度只与测量和坐标转换计算的精 度有关,在测量和计算中可获得较高的精度。分别对分布密度较高的低轨道和地球同步 轨道区域的空间碎片进行了定轨分析。仿真结果表明,定轨时采用两个跟踪弧段的照相数据 定轨精度大大高于一个弧段照相数据的定轨精度;跟踪卫星距离空间碎片越近,定轨精度越 高;低轨道空间碎片的定轨精度高于地球同步轨道上的空间碎片定轨精度。
     

一种低轨卫星星座覆盖性能通用评价准则

针对不同构形卫星星座的统一评价问题,提出了一种低轨星座覆盖性能的通用评价准则,可对不同构形和不同高度的星座对地覆盖性能进行统一评价。该准则将星座的对地仰角特性转化为具有相同覆盖能力的标准卫星数,以之同星座中实际卫星数的比值作为星座覆盖性能指数对星座实施评价。利用该评价准则,计算了Iridium、Globalstar、Celestri和NeLS四种星座构形覆盖性能的评价指数并提出了改进方法。     

地球同步轨道区域电磁频谱监视效能分析

地球同步轨道区域电磁频谱的监视效能进行了分析和仿真。首先针对目标卫星主瓣,进行了频谱监视的目标覆盖率与监视概率分析,结果表明通过主瓣方式实现频谱监视的可行性较差;进而提出基于目标卫星副瓣进行频谱监视的方法。理论分析得到了实现同步轨道目标卫星全覆盖的轨道高度差、监视角及监视距离之间的关系;最后以实际在轨的同步轨道卫星作为目标样本库,进行目标覆盖率仿真分析,结果验证了基于目标卫星副瓣进行地球同步轨道区域电磁频谱监视是可行的。