基于汇聚点观测的天基光学监视星座设计

针对地球静止轨道目标监视问题,提出了一种基于汇聚点观测的天基光学监视星座设计方法.研究分析了地球静止轨道目标分布特性,针对静止轨道目标在特定位置分布密度较大的特点,设计了监视星座对汇聚点区域进行重点观测的策略.分析了监视星座的轨道类型和传感器观测策略,提出采用太阳同步轨道设计监视星座和相应的汇聚点区域观测的方法.在满足对汇聚点观测要求及同步带重访周期为1d的条件下,对星座进行了设计.仿真结果表明：设计的4颗卫星组成的观测星座,对同步带目标的重访周期小于1d,24 h内的平均观测时间约为900 s,且能观测到更多的同步带目标.该方法可供工程应用参考.     

基于多目标粒子群算法的导航星座优化设计

导航星座的设计涉及诸多优化变量的选取,优化设计的目的是选取合适的优化变量使导航星座最大程度地满足人们需求。提出了将导航性能和卫星生产成本作为目标对导航星座进行多目标优化设计的研究方案,导航星座基本构型为中轨道(MEO)与地球静止轨道(GEO)卫星组成的混合星座,MEO卫星用于全球导航,GEO卫星用于增强星座对中国及周边地区的导航性能。探讨了MEO和GEO的轨道设计思路。阐述了星座导航性能与卫星生产成本的计算方法,并选取定位精度因子(PDOP)作为导航性能指标。介绍了基本粒子群算法和多目标优化的概念,提出了改进的多目标粒子群算法(MOPSO),给出了该算法的计算步骤和测试结果。讨论了导航星座多目标优化设计的数学模型,列举了优化设计变量的定义域,采用MOPSO算法对导航星座进行了多目标优化设计,通过分析优化设计结果,说明了导航星座多目标优化设计方案的可行性。     

区域导航卫星系统的星座设计与比较

区域卫星导航系统因其能以较低的建设成本为特定地区提供连续、全天候高精度导航定位服务而受到越来越多的国家和地区的关注。区域导航定位星座设计通常最关注的问题是以最少数量的卫星获得最佳的星座值(即CV值)。本文从降低工程建设的技术复杂度和系统成本的角度出发,设计了多种区域导航系统的星座,比较了各星座的几何特性、链路电平变化、天线波束、轨道星蚀时间、轨道保持等因素,提出了区域卫星导航系统的最优星座设计方案。     

基于搜索空间变换和序优化的预警星座设计

高轨预警星座由若干颗地球静止轨道卫星和大椭圆轨道卫星组成,星座优化的目标是满足重点监视区域的覆盖和提高覆盖区域的定位精度。对于覆盖性优化,根据多个监视区域的威胁等级,星座系统需要提供不同的覆盖重数;对于定位精度优化,系统在立体观测和单星观测情况下存在很大差异。因此高轨预警星座优化是一个复杂多区域多目标优化问题。针对以上难点,提出了多层次多目标优化模型,可以较完整合理地描述预警星座优化问题;在优化模型求解方面,将优化计算分为覆盖性优化和定位精度优化两个环节;在覆盖性优化环节,提出了基于搜索空间变换的覆盖性快速优化方法,提高了Pareto最优解的计算速度和准确性。在定位精度优化环节,采用序优化方法进一步缩短优化时间。仿真试验表明,该方法可设计出满足预警任务需求的星座,且优化耗时在1 min以内,能有效地缩短预警星座优化时间。     

严格回归轨道自动生成算法及实现

近地太阳同步轨道卫星由平时轨道快速、精确机动至严格回归轨道是实现特定区域周期性重访的必要前提。为提高区域重访的快速响应能力,提出了一种严格回归轨道自动生成算法。首先根据重访区域的交点周期及重访周期要求,利用解析法快速生成初始严格回归轨道;然后基于太阳同步轨道特性并利用数值法进行多次寻优生成严格回归轨道,针对轨控时间、燃料消耗、偏心率等约束条件,给出了多脉冲轨控策略的具体实现;最后构建了轨道衰减的解析表达式,推导出严格回归轨道的控制窗口。结果表明:在国内可见弧度实施5天共5次轨道控制,卫星由太阳同步轨道机动至1天15圈的日回归轨道,区域重访周期约23h 59m 50s,燃料消耗59.9kg;在轨迹漂移量为5km的要求下,在标称轨道半长轴的基础上增加110.778m,轨迹网保持周期由15天延长至一个月以上,满足严格回归轨道重访要求。     

基于遗传算法的太阳同步轨道组网访问序列优化

针对考虑回归周期、重访周期及地面站接收数据冲突等多约束条件下太阳同步回归轨道多星组网问题,开展了基于遗传算法的组网优化研究。通过分析太阳同步回归轨道运动特性与星下点的关系,构造了回归周期内轨道的访问序列,建立了卫星半长轴、相位差与太阳同步回归轨道的关系;结合组网卫星有效载荷指标参数,分析了回归周期、重访周期与访问序列的关系及极值;将组网卫星的访问序列作为优化参数,采用二进制编码方式建立综合适应度函数;设计了遗传算子并通过种群繁殖得到优化结果。仿真结果表明,该方法能够快速设计出满足约束条件的组网优化策略。     

基于遗传算法的寻优解卫星星座优化设计策略

卫星星座优化设计与直接部署卫星或普通迭代计算后部署卫星等方法不同,目的 是在有限的资源中达到更好的星座观测效果.通过使用遗传算法(Genetic Algorithm),在卫星星座构型模型的基础上,得到星座种群内对目标观测实效性较强、重访周期较短的卫星个体,并使用较优的卫星个体生成Walker星座组网,实现了生成的星座对目标区域的高精度观测与覆盖.这种方法避免了复杂的计算与主观上的加权计算,在经济成本和观测效果相互制约的前提下,得到了更加高效的卫星星座构型设计策略.将此优化设计策略用于选定的卫星星座构型中,通过仿真实验表明,基于遗传算法优化后的"深圳一号"卫星星座相较于其优化前的部署,其对目标区域及全球区域的整体观测性能提升了90％以上.     

北斗卫星导航( 区域) 系统星座对中国载人航天器的服务能力仿真分析

载人航天器可以利用北斗卫星导航系统实现自主导航定位和相对测量以支持轨道确定和交会对接任务。为了评估当前星座条件下北斗卫星导航(区域)系统对中国载人航天器的服务能力,建立了当前北斗卫星导航(区域)系统的星座仿真场景。利用载人航天器轨道参数,对其轨道处北斗区域星座的覆盖特性和服务能力进行了仿真,分析了可以用于载人航天器绝对定位和相对定位的时间长度、可见卫星情况、位置精度因子等特性。分析结果表明,在载人航天轨道的一些持续时间段内,航天器可以利用北斗(区域)系统完成绝对和相对定位功能。     

低地轨道小卫星星座优化问题研究

以低地轨道小卫星星座为研究对象，着重从星座覆盖性能考虑出发，详细阐述了局部覆盖小卫星星座优化设计的一般方法与思路。针对某一类型任务对两轨道面和三轨道面星座进行了优化设计，阐述了在一定约束条件下星座优化设计的关键因素以及不同轨道面数目下星座优化的特点，并进行了仿真分析。结果表明提供的优化模型对小卫星星座设计具有理论意义和实用价值。     

基于“北斗二代”的卫星星座设计

针对"北斗二代"卫星导航系统,首先,设计适合我国区域导航定位需求的GEO+MEO的星座;在此基础上增加一个倾斜地球同步轨道卫星星座扩充成一个GEO+MEO+IGSO的全球卫星导航系统;进行GDOP值和可见星数仿真,根据仿真结果对星座参数进行优化。     

GNSS无线电掩星大气探测混合星座设计

针对目前GNSS无线电掩星大气探测卫星星座参数依赖大量仿真计算进行统计选取的研究现状,通过将探测卫星星下点与大气测点间地心角距作为观测半径提出了一种虚拟“星—地”遥感假设,给出了一种崭新的掩星测点预估方法,具有计算速度快的特点.基于该方法推导了探测星座参数与大气探测覆盖性之间的极值相关特性,建立了GNSS无线电掩星大气探测卫星星座设计准则,并以GPS和BD为兼容性观测信源完成了GNSS掩星大气探测混合卫星星座设计.通过仿真试验,验证了设计方法的快速性和可行性,GPS+BD掩星大气探测混合星座每日可实现掩星探测量为COSMIC星座的3倍以上,12h内掩星测点全球分布均匀度提升12％.     

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.     

椭圆轨道星座构型自稳定设计研究

椭圆轨道星座构型稳定性要求同时实现升交点赤经、近地点幅角和平近点角的稳定。通过初始偏差对椭圆轨道卫星的长期影响分析可知,轨道半长轴、倾角和偏心率的初始偏差对升交点赤经、近地点幅角和平近点角的长期摄动变化是线性的,因此通过主动偏置轨道半长轴、偏心率和倾角能够实现椭圆轨道星座构型的自稳定设计,从而提高其构型稳定性。对实例星座的设计结果表明,自稳定设计方法对提高椭圆轨道星座的构型稳定性是有效的。     

Investigating suitable orbits for the Swarm constellation mission – The frozen orbit

This paper proposes a suitable orbit design for the lower pair of ESA's Swarm constellation mission, flying side-by-side in near-polar and circular orbits with a separation of only 1.4° at ascending node. Both orbits are suggested to be frozen orbits to minimize the evolution, and an along-track separation strategy is applied to avoid collision risk. The characteristics of the proposed orbit type are examined through numerical techniques including high-fidelity perturbation models. The prime change from the initial configuration is an along-track separation. The perturbations causing the along-track drift are analyzed by switching on/off certain perturbations. The results indicate that the tesseral harmonics and the atmospheric drag yield dominant effects. The atmospheric drag effect shows a dependence on the local time of the ascending node. From two months of orbit propagation for the altitude 300 km the maximum along-track drift we obtain is about 80 km, which is still within the measurement requirement range. Several maneuver strategies for maintaining the proposed orbit design are suggested. The results analyzed for the proposed orbit design show that collision risk can be avoided by along-track separation within the frozen orbit design. Consequently, this combination is considered as a suitable approach for Swarm's lower pair.     

小卫星星座的最优脉冲变轨研究

针对小卫星星座,进行星座发射中的最优脉冲式变轨研究,给出了形成星座的脉冲式变轨的基本原理;基于卫星相对运动状态转移方程,推导出了星座参脉冲式变轨的理论解,即所要施加的脉冲控制量的解析式,利用遗传算法,对双脉冲式变轨的脉冲控制量进行了优化计算,求得了使总变轨脉冲最小的最优变轨时间,最后,探讨了星座脉冲式变轨的工程实现现途径,为工程应用和研究提供参考。     

Feasibility study of autonomous orbit determination using only the crosslink range measurement for a combined navigation constellation

In order to expand the coverage area of satellite navigation systems, a combined navigation constellation which is formed by a global navigation constellation and a Lagrangian navigation constellation was studied. Only the crosslink range measurement was used to achieve long-term precise autonomous orbit determination for the combined navigation constellation, and the measurement model was derived. Simulations of 180 days based on the international global navigation satellite system(GNSS) service(IGS) ephemeris showed that the mentioned autonomous orbit determination method worked well in the Earth–Moon system. Statistical results were used to analyze the accuracy of autonomous orbit determination under the influences of different Lagrangian satellite constellations.