基于TLE的Starlink星座第一阶段部署情况分析

近年来,随着卫星技术的快速发展和低轨（low earth orbit,LEO）卫星宽带互联网建设需求的不断增加,低轨大规模星座发展日新月异。针对Starlink星座初始化部署问题,首先论述了“星链”（Starlink）星座现状,分析在轨卫星高度变化。然后利用公开的两行轨道根数（two-line element,TLE）,从卫星发射入轨、轨道面分布两个方面,简要分析了Starlink星座的部署情况,给出升交点的变化规律;同时仿真分析了Starlink星座对地面的覆盖性能。最后,给出星座轨道面和相位分布、故障卫星处置以及可见卫星数量。所分析的结果以期为中国未来部署大规模LEO星座的建设提供借鉴。     

低轨导航增强卫星星座设计

针对目前全球低轨卫星快速发展的现状,对低轨导航增强卫星星座设计方法进行了详细的研究。首先推导了轨道高度与可视球冠的关系,结合太空垃圾分布,从覆盖范围、经济性及碰撞风险几方面联合确定了轨道高度。然后推导了用户仰角与轨道倾角的关系,分析了实现南北极点覆盖的轨道倾角。接着结合铱星星座,推导出单一星座构型无法实现全球范围内均匀的可见星和精度衰减因子（Dilution of Precision,DOP）值分布。最后提出了一种组合低轨卫星星座设计方法。结果表明,该方法设计的组合星座在实现全球覆盖的同时,能够实现可见星数量与DOP值在全球范围内的均匀分布。     

TLE预报精度改进及碰撞预警中的应用

双行根数（Two Line Elements,TLE）是目前唯一公开发布且编目最完备的地球轨道空间目标编目数据,由于其根数的特殊性,必须配合SGP4/SDP4 使用导致其预报精度有限. 通过对TLE+SGP4/SDP4预报误差源的分析,利用历史TLE数据生成准观测数据重新进行轨道拟合,针对不同轨道高度和面积质量比情况,确定相应拟合周期,得出了基于弹道系数先验信息有效确定面积质量比的经验方法,对多个独立时段拟合后轨道根数结合数值方法的预报误差进行统计,结果表明,拟合后的TLE根数预报精度与稳定性有很大程度提升. 利用实例对拟合TLE在碰撞预警中的应用进行分析,认为该方法对航天工程中碰撞预警置信度的提高具有重要意义.      

Geosynchronous satellites expanding a future GNSS satellite constellation: A precise orbit determination study

The integration of geosynchronous orbit (GSO) satellites in Global Navigation Satellite Systems (GNSS) is mostly discussed to enable a regional enhancement for tracking. But how do GSO satellites affect the orbit determination of the rest of the constellation? How accurately can these orbits be determined in a future GNSS tracking scenario with optical links? In this simulation study we analyze the benefit of GSO satellites as an expansion of a MEO (Medium Earth Orbit) satellite constellation – we selected the Galileo satellite constellation – for MEO Precise Orbit Determination (POD). We address not only the impact on POD of MEO satellites but also the possibility to precisely determine the GSO satellites – geostationary orbits (GEO) and inclined geosynchronous orbits (IGSO) – in such an expanded MEO constellation. In addition to GNSS microwave observations, we analyze the influence of different optical links between the participating entities: Optical two-way Inter-Satellite Links (OISL) and ground-space oriented Optical Two-Way Links (OTWL). These optical measurements together with the GNSS microwave observations give a remarkable benefit for the POD capability. In the case of GNSS and OTWL, we simulate the measurements with regard to a network of 16 ground stations. We pay great attention to the simulation of systematic effects of all measurement techniques. We discuss the influence on the systematic errors as well as the formal orbit uncertainties. A MEO constellation expanded with GSO satellites as well as the use of optical links together with GNSS observations not only improves the MEO satellite orbits but also the GSOs to a great extent.     

导航卫星的地面站定轨算法

导航星座轨道的长期保持是星座导航系统运营管理的重要组成部分,而现有的导航卫星地面定轨算法又存在精度不高或计算量大不适合工程应用的问题。为此,研究了单向、被动测量模式的导航卫星地面定轨算法。基于单向伪距观测,将导航卫星钟差参数作为状态量,推导了滤波算法的状态方程、测量方程,并最终建立了滤波器模型。以不同轨道面的4颗GPS导航卫星为例进行了2天的仿真试验,考虑卫星的可见性仿真中加入了测量中断,并设计在测量恢复后重启滤波算法。仿真结果表明,4颗卫星的轨道位置估计精度可以达到米级,钟差随机偏差的估计精度可以达到纳秒级,并且在滤波中断后重启滤波器,仍然可以达到此估计精度,表明此定轨算法具有收敛性和稳定性。     

星间链路联合磁测约束的低轨星座自主导航

为解决星座仅依靠星间链路测量进行自主导航时的整体旋转和漂移问题,提出一种星间链路联合磁测约束的低轨星座自主导航方法.通过星间观测相机和磁强计,获得同轨道相邻卫星视线矢量与地磁场方向之间的角距和地磁场模值,为低轨星座引入空间基准信息.在非秩亏性分析的基础上,分别建立状态方程和量测方程,利用扩展卡尔曼滤波方法进行整星座的最优状态估计.仿真结果表明,星座卫星自主导航位置精度优于20m,速度精度优于0.05m·s-1,自主导航运行时间维持180天,能够满足低轨卫星星座自主导航的应用需求.      

利用TLE数据分析LEO卫星轨道异常的新方法——————综合判据法

及时准确地发现在轨卫星的轨道异常意义重大. 通过有效的异常算法, 能够找出发生轨道异常的碎片或航天器, 为空间碎片碰撞预警系统分析和验证碰撞事件提供数据支持. 通过对利用TLE (Two Line Elements)数据分析LEO在轨卫星轨道异常的方法研究, 提出了一个利用单个卫星相邻根数时间差控制加综合判据的判别方法. 分析表明, 相对于取单一因素阈值的判别方法, 综合判据法能够最大限度地减少漏判, 并且保持相对较高的判断准确率.      

遗传算法在星座多星接近轨道优化中的应用

以三颗非共轨的Walker星座卫星为研究对象, 对航天器无需变轨与其接近的可能性进行研究. 将Lambert方法得到的航天器轨道作为初始轨道, 利用遗传算法对初始轨道进行优化. 对初始轨道在参考时刻位置和速度的改变量进行编码,形成对应的种群. 以航天器与星座卫星之间的最近距离为适应度函数, 通过种群的繁殖得到优化结果. 结合仿真算例, 分析了最小二乘算法和遗传算法在轨道优化中的优劣以及接近过程中轨道摄动的影响. 结果表明, 遗传算法适用于所提出的轨道改进问题. 研究结果可为单航天器无需变轨对星座多星接近问题提供理论依据.      

低轨飞行器利用GPS定轨的算法研究

详细讨论了低轨飞行器利用ＧＰＳ系统定轨的原理和方法。分析了低轨飞行器选星时应考虑的问题,并根据导航星及用户模型进行了选星试验;探讨了利用最小二乘法进行解算定轨;详细分析了卡尔曼滤波算法,针对低轨飞行器提出了一个九状态卡尔曼滤波模型,并在此基础上进行了仿真模拟计算。另外,根据用户对电源能量和可靠性的特殊要求,提出了一种比较实用的定轨方法。仿真结果表明,提出的方法在精度上满足用户的要求,适合于工程实际应用。     

基于参考轨道的Walker星座相对相位保持策略

针对高轨道Walker全球星座相对相位保持问题,在分析星座几何结构演化规律基础上,提出了一种基于动态调整参考轨道的星座相对相位保持策略.该参考轨道的半长轴取星座所有卫星的平均轨道半长轴的平均值,通过计算各卫星相对参考轨道的相对相位偏差以及变化率,而后根据有关维持的约束条件来选择合适的卫星进行站点保持,使得所有卫星的相对参考轨道的相位偏差不超过允许值.当一旦有卫星进行了站点保持,则参考轨道就重新统计确定.文章通过一个12颗MEO卫星构成的Walker-δ星座的分析算例,表明这种相对保持策略可以减少星座的站点维持次数.本文提出的方法可以为我国今后卫星导航星座的维持提供参考.     

中轨道Walker导航星座在轨备份方案优化设计

针对中轨道Walker导航星座在轨备份方案的优化问题，首先提出了在轨备份星轨位优化设计方法，考虑星座运行期间在轨备份星与工作卫星存在共同提供服务的情况，选取PDOP值和可见卫星数作为轨位优化指标，建立了轨位优化模型，并基于NSGA-Ⅱ算法对不同轨位下在轨备份星对导航星座服务性能的提升效果进行仿真分析；然后，基于在轨备份星轨位的优化结果，建立在轨备份星替换的轨道机动模型，并综合考虑速度增量和替换时间，确定了以替换时间最少为优化目标的在轨备份星替换方案。结果表明，提出的在轨备份方案能有效满足备份星的设计需求，增强导航星座的服务性能，实现故障卫星的快速替换，可为导航星座备份星的建设提供借鉴。     

Improved orbit predictions using two-line elements

The density of orbital space debris constitutes an increasing environmental challenge. There are two ways to alleviate the problem: debris mitigation and debris removal. This paper addresses collision avoidance, a key aspect of debris mitigation. We describe a method that contributes to achieving a requisite increase in orbit prediction accuracy for objects in the publicly available two-line element (TLE) catalog. Batch least-squares differential correction is applied to the TLEs. Using a high-precision numerical propagator, we fit an orbit to state vectors derived from successive TLEs. We then propagate the fitted orbit further forward in time. These predictions are validated against precision ephemeris data derived from the international laser ranging service (ILRS) for several satellites, including objects in the congested sun-synchronous orbital region. The method leads to a predicted range error that increases at a typical rate of 100 m per day, approximately a 10-fold improvement over individual TLE’s propagated with their associated analytic propagator (SGP4). Corresponding improvements for debris trajectories could potentially provide conjunction analysis sufficiently accurate for an operationally viable collision avoidance system based on TLEs only.     

连续小推力条件下星座轨道机动方法研究

基于连续小推力条件下星座轨道机动的动力学特性分析，研究了其入轨的布局置入和离轨机动方法。地球轨道上的大型星座数量巨大，传统的轨迹优化方法较难应用。针对多星入轨的星座布局置入任务，求解了分时序抬轨的相位调整问题，并在轨道抬升过程中，利用轨道倾角偏置补偿升交点赤经漂移。针对星座中卫星的离轨任务，设计了半长轴和偏心率的联合调整方法。在保证卫星快速离轨的同时，能够有效减少燃料的消耗。考虑到连续小推力机动的弧段效应，控制策略需要围绕控制效应的曲线积分进行优化。     

非静止轨道卫星网络同频干扰的分析与仿真

由于非静止轨道卫星系统的增加,引起卫星网络间下行数传的同频干扰问题,针对非静止轨道卫星网络具有时变性的特点,给出了计算非静止轨道卫星网络同频干扰的思路和方法,对同频干扰进行了仿真,并分析了仿真结果,在此基础上实现了干扰过程的可视化,动态地描述出了仿真时段内不同时刻干扰链路的变化情况。     

基于差分进化算法的导航星座在轨重构构型设计

针对有卫星失效下的导航星座,提出了对在轨卫星进行相位机动的方法来对星座的空间构型进行重构,以实现修复和改善星座性能的目的。首先,利用共面高轨和共面低轨变相的方式来对在轨卫星的相位进行调整,建立共面轨道相位机动的数学模型;其次,提出了除重构时间和重构能量外的其他重构指标,包括重构能量均衡度和重构构型恢复性,并建立了各重构指标的数学模型;然后,建立了重构构型的优化模型,并对优化问题中个体的评价手段与编码方式进行设计;最后,以北斗中MEO卫星失效为例,利用差分进化算法对优化模型进行求解,得到以不同重构指标为目标函数下的Pareto前沿。从结果中可以看出该重构方法对星座性能的提升最大可以达到41.2%,同时Pareto前沿中对应的所有重构策略中,重构能量、重构构型的均衡度、重构构型的健壮性的数量级均维持在-1、-3和0的水平。     

多变量全局寻优与智能优化在星座组网中的应用

顶层任务规划通常与星座组网紧密结合，小卫星分散灵活的特性尤其适用于星群规模化在轨运行。针对热点区域覆盖和全球覆盖的不同任务需求，提出了对构型多变量进行全局寻优和利用智能优化技术进行星座构型优化的方法，两种优化方法可分别获得小规模星群最优效能与超大型星群的较优效能。优化方法不受轨道类型和任务目标分布的约束，具有良好的鲁棒性。     

Estimation of ballistic coefficients of low altitude debris objects from historical two line elements

This paper presents a new method for estimating ballistic coefficients (BCs) of low perigee debris objects from their historical two line elements (TLEs). The method uses the drag perturbation equation of the semi-major axis of the orbit. For an object with perigee altitude below 700 km, the variation in the mean semi-major axis derived from the TLE is mainly caused by the atmospheric drag effect, and therefore is used as the source in the estimation of the ballistic coefficient. The method is tested using the GRACE satellites, and a number of debris objects with external ballistic coefficient values, and agreements of about 10% are achieved.     

同步轨道通信卫星占频保轨现象分析与实测

为了应对国际电信联盟对卫星频轨资源的相关规定，卫星运营商可能会选择将卫星送至另一个不同的轨位并连续保持 90 天来启用该位置的频率指配.这种变轨行为称作“占频保轨”，是一些同步通信卫星的常规操作.本文以国际通信组织的 INTELSAT 系列卫星为研究对象，基于双行根数 (TLE) 和SGP4/SDP4模型计算了67个INTELSAT (国际通信卫星) 的自发射以来的轨道数据，提出了基于密度和k 最近邻的离群点检测来筛选数据野值的方法，提高了数据准确性；对这些卫星的占频保轨行为进行统计和分析，提出我国卫星运营商应充分利用国际规则，维护自身太空权益的建议.     

Towards the automated operations of large distributed satellite systems. Part 2: Classifications and tools

Recent developments have seen a trend towards larger constellations of spacecraft, with some proposals featuring constellations of more than 10.000 satellites. While similar concepts for large constellations already existed in the past, traditional satellite deployments hardly ever feature groups of more than 100 satellites. This trend towards considerably larger satellite numbers originates from non-traditional design and operations of spacecraft by non-traditional space companies. The evolution in the space sector, precipitated by new players, is often referred to as “Space 4.0” or “New Space”. It necessitates a rethinking of the way satellites and satellite constellations are planned, designed, and operated. New operational paradigms are needed to enable automatic, optimal task definition, and scheduling in a holistic approach.This is the second of two companion papers that investigate the operations of distributed satellite systems. This second article investigates the classification of distributed satellite systems and evaluates commercial tools for automated spacecraft operations, whereas the first article performed a survey of conventional and “new space”operations of spacecraft constellations.Classification metrics for constellations are derived and evaluated with respect to their informative value concerning the operation, the automation, and the scalability of the constellation. The proposed classification system is applied to the Dove and RapidEye constellation and allows for a comparison between the presented automation approaches. Commercial tools for automated spacecraft operations are evaluated for several mission task elements, such as orbit control, orbit maintenance, and collision avoidance. Subsequently, the trends, benefits, and standardization needs for operational automation are identified.     

星座的发射规划研究

卫星的组网发射规划就是确定从地面把多颗卫星发射到所需求的轨道平面的适当时间问题.在保证组网卫星之间相位要求和发射单颗卫星限制条件的情况下,给出了一个轨道高度为800km、轨道倾角为45°的12颗星Wallker星座的发射窗口.其研究思路可为确定卫星群发射窗口提供参考.