美国跟踪和数据中继卫星系统的成就

美国航空航天局的第一颗跟踪和数据中继卫星(TDRS-1)于1983年4月4日用航天飞机发射,经过对卫星本身及设在白沙的地面站进行全面测试后,于1984年底开始正式供用户部门使用。TDRS-2因挑战者号航天飞机失事而未能入轨,接着在1988年9月和1989年3月分别成功地将TDRS-3和TDRS-4发射入轨。于是,在1989年10月25日宣布由两颗工作星和一颗在轨备份星组成的基本TDRSS系统投入运转。1985年到1989年间,TDRSS已经为用户提供了150万分钟的通信,为航天飞机和陆地卫星等用户提供了高速率数据传输,为太阳散逸层探测器(SME)和地球辐射平衡观测卫星(ERBS)等用户提供了低速率数据传输。1985年以来,单单航天飞机和太空实验室的飞行已经采集了17万分钟的数据。 TDRSS系统的成功使NASA局能够按计划关闭许多全球布设的地面测控站,并从老的地面测控网逐步过渡到天基测控网,以保障近地轨道航天器的任务。已用TDRSS系统保障的航天任务演练了所有的基本测控业务,证实了系统方案的正确性,NASA局评价了TDRSS系统5年测控工作,并确定了两个参数以衡量系统传送用户遥控指令和遥测数据的能力。这两个参数是可用性和成功率。可用性是系统在每周7天,每天24小时内能满足任一个或所有用户航天器测控要求的准备程度。成功率是系统实际完成测控业务的能力,是实际提供的保障与预期安排的保障之比。     

卫星地面站费用／性能评估

在轨或计划中的近地轨道科学卫星、地球资源卫星和全球通信卫星数据的迅速增长，要求一种大大降低地面测控费用的方法。从经济上考虑，为每个近地轨道卫星建立单一、专用的卫星测量站已不再可行。为了拓展商业空间市场，需要一种新的方法来降低近地轨道卫星数据业务的费用。本文论述了近地轨道测控所需的性能，提出一种独特的、创新的办法提供测控服务和有效载荷服务。     

COMRING：一个适用于地球观测任务和空间站的小卫星数据中继系统

ＣＯＭＲＩＮＧ（通信环）是一种适用于低轨卫星的数据中继系统新设想，该系统可在低轨迹这航天器与地面间连续传递数据（典型的可传便时间为８０～１００％）该系统可提供连续的全球覆盖而无需大规模的地面站网和不可靠的星上数据记录仪，ＣＯＭＲＩＮＧ采用７～９颗小卫星（每颗重１６０ｋｇ）以等间隔配置在用户星同一轨道上，数据的中继经由星际链路完成，用户星可以是一颗遥感卫星或一颗军用侦察卫星，用于空间站的ＣＯＭＲＩＮ     

中继卫星系统在我国航天测控中的应用

中继卫星系统高覆盖、数据传输能力强,是航天测控网的重要组成部分。随着我国中继卫星系统的建设和不断完善,其对优化我国航天测控网结构、提升中低轨道航天器测控能力的作用日益明显。本文结合中继卫星系统的特点,分析了我国航天测控任务对中继卫星系统的应用需求,提出了在运载火箭测控、航天器入轨段测控、载人航天测控、卫星在轨长期管理等方面开展中继卫星系统应用的思路,梳理了运载火箭测控、航天器入轨及早期轨道段测控、飞船返回段测控、多址链路测控等方面需要解决的关键技术。     

哥达德航天中心天基、地基测控网的Ka频段过渡计划

1　工作于Ka频段的驱动因素NASA天基测控网 (SN)目前通过TDRSS卫星和白沙设施 (WSC)的地面设备以S和Ku频段为各种近地轨道科学卫星提供通信服务。同样 ,NASA地基测控网 (GN)利用分布于全球的地面站通过直接对地的S和X频段为科学卫星提供通信服务。按NASA预测许多科学卫星提出的测控需求 ,需要 1Gbit/s或更高的数传速率 ,这些快速上升的数据吞吐速率不可能以现用的Ku和X频段来满足。此外 ,NASA分配给TDRSSKu频段前、返向链路频率在国际电信联盟 (ITU)只是二级用户 ,固定卫星业务 (主用户 )地球站地球 -空间方向的发射会给…     

月球探测器与地球轨道卫星测控通信干扰分析

对月球探测器的测控通信,通信距离遥远,信号空间损耗大,地面站接收机灵敏度高,因此更易受到外来信号干扰的影响。本文根据卫星网络间同频干扰计算方法,分析月球探测器测控通信下行链路受地球轨道卫星发射信号的干扰问题,主要包括月球探测器受地球静止轨道卫星（GEO）和地球非静止轨道卫星（NGSO）的干扰分析。在此基础上实现了仿真,计算其受干扰的可能性。     

卫星测控应用中心远程容灾系统方案设计

随着航天技术的发展,各种卫星如综合侦察卫星、气象与海洋监视卫星、数据与中继卫星等,其数据的信息速率存储、处理的数据量越来越大,对卫星测控应用中心大容量、高速率数据的安全性、可靠性要求也越来越高。在自然灾害,如地震、洪水;人为破坏,如恐怖活动、战争等条件下,确保卫星测控应用中心的安全与快速恢复能力,将非常重要。本文从原理上设计了一套远程数据容灾系统方案,以保证卫星测控应用中心在自然灾害或人为破坏后能够快速恢复其基本功能。分析表明,该方案具有很好的可靠性、安全性。     

对我国商业航天测控管理有关问题的初步探讨

国际商业航天的蓬勃发展带动了国内商业航天的兴起。以实现商业卫星高效便捷管理为目的,调研了国内外商业航天与商业航天测控的发展现状,分析了国外商业航天以及商业航天测控发展对我国商业航天测控管理的有关启示,得出了测控管理多元化大势所趋、适度鼓励商业航天测控发展势在必行等结论。同时,对我国商业航天测控管理中加强航天立法、探索商业航天测控管理新模式、加强商业卫星管理服务等问题进行了初步探讨,建议从国家层面、行业规范层面制定航天法规,卫星任务中心应支持对外联网,并加强商业航天测控地面站的国际合作,从而提高商业卫星频率、轨位、空间目标编目、发射与回收等管理服务能力。     

低轨卫星多普勒频移特性的快速计算

地面站利用低轨卫星进行通信时,地面接收站接收信号存在明显的多普勒频移现象。为描述多普勒频移特性,首先分析卫星轨道偏心率对多普勒特性曲线的影响,分析表明：轨道偏心率越大,地面站接收信号多普勒变化率越大。其次,推导了卫星多普勒频移的计算表达式,并讨论了低轨卫星多普勒频移特性曲线的快速计算。仿真计算结果表明,该算法可以很好地描述任意低轨道卫星多普勒频移特性,并明显缩短了精确算法的计算时间,对于10 000km轨道高度卫星,算法置信度可达99%以上。     

卫星早期轨道任务中测控站跟踪异常的应急处理

早期轨道任务中快速捕获目标是卫星测控站的重要任务之一，本文以北京国际海事卫星测控站10多年来执行卫星发射测控任务的实践经验为基础，深入分析了卫星早期轨道任务中几类异常跟踪情况产生的原因，并给出了应急处理对策和方法。     

天/地基多平台空间目标光电观测时效性分析

针对如何部署光学探测设备才能更好实现对空间目标的高精度高频度监视问题,考虑光照条件、相对关系及探测性能,构建了天/地基空间目标探测与成像仿真模型;按照轨道特征选取了94颗LEO（Low Earth Orbit,低地球轨道）卫星、63颗GEO（Geosynchronous Earth Orbit,地球同步轨道）卫星和18颗大椭圆轨道卫星,选用春夏秋冬典型季节的特定时间长度,仿真分析了国内地基、南北极科考站、LEO卫星、准GEO卫星等多平台光电手段的位置探测和成像观测能力;比对分析地基平台纬度和季节、天基平台轨道高度和倾角对探测能力的影响得出：南北极科考站相比于国内站点可提高重点季节的探测时效性,98°倾角LEO平台对低轨目标成像时效性方面更具优势,等.在此基础上,提出了我国空间目标光电观测设备天地一体的布局构想.     

中低纬地区混合LEO星座增强GNSS UPPP收敛性能评估

针对全球卫星导航系统（GNSS）精密单点定位（PPP）收敛时间过长的问题，提出了利用低轨卫星（LEO）几何结构变化快的优势，增强GNSS非差非组合PPP（UPPP）的收敛性能。选取中低纬度地区28个能接收GPS、GALILEO和BDS3信号的测站观测数据，比较了极轨和混合LEO星座的增强效果。结果表明：混合LEO星座增强GPS、GALILEO和BDS组合系统时，各测站收敛时间减少60%~80%，70%的测站收敛速度优于极轨星座。当混合LEO星座增强单BDS时，CL和GCL组合系统的收敛时间相当，ENU方向定位误差变化基本一致。收敛时间从10~20 min 下降至3 min以内，原因是混合LEO增强BDS定位时，大大改善了卫星的空间结构。     

LEO navigation augmentation constellation design with the multi-objective optimization approaches

Low Earth Orbit (LEO) satellite for navigation augmentation applications can significantly reduce the precise positioning convergence time and attract increasing attention recently. A few LEO Navigation Augmentation (LEO-NA) constellations have been proposed, while corresponding constellation design methodologies have not been systematically studied. The LEO-NA constellation generally consists of a huge number of LEO satellites and it strives for multiple optimization purposes. It is essentially different from the communication constellation or earth observing constellation design problem. In this study, we modeled the LEO-NA constellation design problem as a multi-objective optimization problem and solve this problem with the Multi-Objective Particle Swarm Optimization (MOPSO) algorithm. Three objectives are used to strive for the best tradeoff between the augmentation performance and deployment efficiency, namely the Position Dilution of Precision (PDOP), visible LEO satellites and the orbit altitude. A fuzzy set approach is used to select the final constellation from a set of Pareto optimal solutions given by the MOPSO algorithm. To evaluate the performance of the optimized constellation, we tested two constellations with 144 and 288 satellites and each constellation has three optimization schemes: the polar constellation, the single-layer constellation and the two-layer constellation. The results indicate that the optimized two-layer constellation achieves the best global coverage and is followed by the single-layer constellation. The MOPSO algorithm can help to improve the constellation design and is suitable for solving the LEO-NA constellation design problem.     

Near Optimal Ground Support in Multi-Spacecraft Missions: A GA Model and its Results

This study addresses the optimal allotment of ground station support time to low Earth orbit (LEO) spacecraft with clashing radio visibilities. LEOs now form a critical global infrastructure for natural resource management, rescue, crop yield estimation, flood control, communication, and space research and travel support. In the multi-spacecraft scenario, ground support becomes complex because of spacecraft-specific constraints, station configuration, spacecraft priorities and priorities of payload and special operations. A generalization of the classical product mix problem, spacecraft support is NP-complete and more complex than the former because of arbitrarily defined profitability profile. Genetic algorithms (GA) are used to near optimally resolve visibility clashes. It concludes with the illustration of real life spacecraft support optimization problems routinely faced by mission managers. A spin-off of this work is that it can enable the decision maker to also determine optimal ground station locations and support capability deployment in diverse planning scenarios.     

双星定位系统及其备份星在近地卫星联合定轨建模中的应用

建立了基于双星定位系统距离和观测数据的近地卫星联合定轨模型,设计了相应的数值融合联合定轨算法;为进一步提高近地卫星定轨精度,考虑融合双星及备份星距离和观测数据,建立了基于双星和备份星的近地卫星联合定轨模型及实现算法,并针对不同仿真条件进行了联合定轨仿真实验。仿真计算结果表明,联合定轨方式较传统近地卫星精密定轨方式可以更好地抑制双星星历误差对近地卫星定轨精度的影响,近地卫星和双星的定轨精度均得到了一定程度的提高;同时,融合备份星观测数据的近地卫星联合定轨精度得到进一步改善,达到5.17m。     

Predicting the visibility of LEO satellites

We present a simple algorithm to determine the visibility-time function of a circular low Earth orbit (LEO) satellite at a terminal on the Earth's surface. The simplicity of the algorithm is based on approximating the ground trace of the satellite (which is not a great circle due to Earth's rotation) during a time interval of the order of in-view period, by a great-circle are. This enables us to use spherical geometry to compute the location and time epoch of the observation of the closest approach of the satellite's ground trace to the terminal. This is also the epoch of the observation of the maximum elevation angle from the terminal to the satellite. Applying a result derived relating the maximum elevation angle to the in-view period, we obtain the visibility-time function of the satellite at the terminal. Numerical results illustrate the accuracy of the algorithm for a wide range of LEO orbit altitudes     

低地球轨道环境对材料的影响

综述了原子氧、空间辐射、热循环、高真空、微流星和空间碎片等低地球轨道环境因素对材料性能的影响；从地面模拟实验、材料研制与防护涂层的开发等方面提出了急需解决的问题，为空间站、人造卫星等低轨道航天器用材料的选择与研制提供了依据。     

美国三代跟踪与数据中继卫星系统的发展

1983年4月,NASA将首颗跟踪与数据中继卫星（TDRS）送入地球同步轨道。经过20多年的发展,NASA已经部署了两代TDRS,当前正在发展第三代TDRS。本文介绍了跟踪与数据中继卫星系统（TDRSS）的演变过程,讨论了每一代TDRS和地面终端站的采购策略与技术要求,比较了第一代和第二代TDRS的特性和能力,并给出了各地面终端站的当前配置情况。     

天象一号低轨导航增强系统研究与在轨试验验证

如何实现GNSS全球瞬时高精度服务一直是GNSS领域的迫切需求和研究热点.采用低轨导航增强技术体制,利用低轨卫星运动几何变化快的特点,解决GNSS精密单点定位快速收敛问题和性能提升问题,是GNSS高精度定位服务未来发展的重要方向.从全球瞬时高精度服务内涵出发,阐述了天象一号低轨导航增强试验系统的技术体制,包括系统工作模...     

基于非合作LEO卫星辅助GNSS联合定位技术CSCD

针对全球导航卫星系统(GNSS)在受挑战的环境中,出现导航卫星信号被干扰或遮挡,导致可见卫星数目无法满足定位最低要求的情况。利用低轨(LEO)卫星具有信号到达地面功率高、抗干扰能力强,以及在未来将进行大量部署的特点,可为GNSS的导航服务提供备份与补充。提出了基于非合作LEO卫星辅助GNSS联合定位算法,不同于现有的LEO/GNSS联合定位算法将低轨卫星简单地视为轨道降低的导航卫星,该算法以LEO为通信卫星,从非合作、非导航特性的实际情况出发,将LEO的多普勒与GNSS的伪距、多普勒相结合求解用户位置信息,并以ORBCOMM低轨通信卫星联合GPS为例进行了仿真实验,实验结果验证了算法的可行性与性能。