区域导航星座分析设计研究

导航星座设计涉及诸多参数的优化组合,星座设计目标就是寻找一组参数组合,使其构成的星座在指定覆盖区域既能获得最优星座性能,又节省系统建设成本和星座长期维持费用.在详细论述导航星座性能指标及其可用性算法,以及导航星座参数设计因素的基础上,进一步提出了半分析式区域导航星座设计方法,并综合分析得到4种区域导航星座设计方案.最后,通过对比研究星座性能指标及定位精度仿真结果,初步说明区域导航星座设计方法和设计方案的可行性和合理性.      

GEO/IGSO混合区域导航星座的设计与优化算法

区域导航星座能够以较低成本和较短时间获得目标区域导航能力，且地球同步轨道是构建非极区区域导航星座的重要轨道类型。提出一种基于GEO（地球静止轨道）和IGSO（倾斜地球同步轨道）的区域导航星座设计方法。基于星下点轨迹特性构造对称星座设计参数和优化参数集，并考虑地球扁率长期摄动影响，计算星座轨道参数。以导航服务区的统计GDOP（几何精度因子）为目标函数，利用差分进化算法构建星座优化模型。以印度IRNSS的7星星座为例，仿真检验了设计和优化算法的正确性，讨论了IRNSS星座优化构型和轨道类型选取。本方法采用的对称星座设计参数少，能够提升GEO/IGSO混合区域导航星座的全局优化效率，为后续非对称星座快速提供最佳星数和构型设计。     

基于中轨与静止轨道卫星定位系统星座优化设计

文中分析了中国区域性覆盖卫星导航系统“北斗”系统的特点，提出了采用“北斗”系统静止轨道卫星结合若干倾斜圆轨中轨MEO卫星，构成中国区域性覆盖星座的设计思想。文章给出了卫星导航定位系统星座优化设计方法，比较了多种设计思想和多种轨道形式的设计方案。通过仿真计算分析，在多种设计结果中，得到了优选的2颗GEO卫星结合若干MEO卫星星座设计方案设计结论。并且针对所选星座的覆盖性能，仿真给出了区域性覆盖优选星座的PDOP特性。     

Walker星座的区域导航特性分析

基于反映定位精度的几何精度衰减因子 (GDOP)值 ,提出了一种评估导航性能的品质指标。研究了Walker星座的轨道构型参数 ,特别是卫星数目、轨道平面数、相对相位与轨道倾角对区域导航性能的影响。在轨道运动中考虑了地球扁率对卫星轨道的摄动。分析结果显示了星座轨道相对相位、轨道倾角等参数对星座区域导航品质指标的显著影响 ,导航品质指标比GDOP值能更直接地反映星座导航性能的好坏。     

卫星导航系统失效性能分析与重构方法研究

摘要： 以建成后的北斗卫星导航系统为对象,研究导航星座中有卫星失效下的星座性能和重构方法.分析不同失效模式下导航星座的服务性能,在此基础上建立导航星座重构构型的优化模型和基于遗传算法的导航星座重构构型优化设计方法;研究星座构型重构过程中卫星的机动策略和机动模型;针对某一具体的失效情况通过仿真计算验证重构模型的有效性和准确性并给出该失效情况下构型重构的机动方案.     

GNSS遥感探测卫星星座设计

随着全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）掩星大气探测技术的兴起，GNSS遥感探测数据在气象数据资源中逐步占据重要地位，但是目前的掩星探测数量远不能满足数值天气预报等应用的需求，未来更需要充分利用GNSS信号资源，开展更大规模的GNSS掩星卫星星座探测.本文以世界气象组织发布的大气海洋数据需求为参考，提出新一代GNSS遥感探测星座任务需求与设计约束.在理想大气模型假设下，利用几何解析方法研究了探测卫星星座构型参数对探测性能的影响，并建立了新一代GNSS遥感探测卫星星座设计基本准则.以风云卫星为子星座，给出了星座规模同为40颗的三种GNSS遥感探测微纳卫星星座设计方案.研究结果表明，具备该规模的探测星座可满足数值天气预报等气象应用的最低数据需求，三种构型方案中，由高、中、低倾角三组Walker子星座与风云卫星子星座组建的GNSS遥感探测星座探测性能最优.      

星座区域导航性能和关键星分析

区域导航性能是评价星座导航能力的重要参数,从几何精度衰减因子(GDOP)出发提出了评价区域导航性能的指标:区域几何精度衰减因子标准差和区域几何精度衰减因子变化度。它们和区域平均几何精度衰减因子一起从不同的角度反映了星座的区域导航性能。针对不同的应用,可根据对应的指标确定区域导航的关键星。文中以Walker星座为例论述了依据这些指标选取星座导航关键星的方法。三个指标之间的相关性保证了大多数情况下关键星选取的一致性。     

基于X射线脉冲星的导航卫星自主导航

基于星间链路的导航星座自主导航,存在星座整体旋转误差随时间累积问题,致使星座难于长时间自主运行。X射线脉冲星导航为星座整体旋转问题提供了一种新的解决途径:在导航卫星上安装X射线探测器,探测脉冲星辐射的X射线光子,整合脉冲轮廓和提取影像信息,星载时钟记录脉冲到达时间,经过星载计算机处理得到卫星位置、速度、时间和姿态等导航参数;脉冲星辐射的X射线信号为导航卫星提供了绝对时空基准,不存在星座整体旋转问题。在简要论述基于X射线脉冲星的导航卫星自主导航的基本概念、系统组成和几何原理的基础上,重点研究了导航卫星轨道确定与时间同步的自适应卡尔曼滤波算法,并通过数值分析试验,初步论证利用X射线脉冲星解决自主导航星座整体旋转问题的可行性和合理性。     

基于快速响应的导航星座重构构型设计

针对有卫星失效下的导航星座,提出发射快速响应卫星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.对快速响应任务中快速响应卫星的发射方式和入轨方式进行分析,建立快速响应卫星响应时间的数学模型;建立基于快速响应的重构构型优化模型,对优化问题中的优化变量、约束条件、目标函数进行分析;以北斗中MEO卫星失效为例,利用NSGA Ⅱ算法对优化模型进行求解,并采用双层编码的方式对优化参数进行编码得到以星座性能和响应时间为目标函数下的Pareto前沿.从结果可以看出该重构方法能有效提升受损星座的性能,同时Pareto前沿中对应的所有重构策略中,响应时间均小于一天.     

北斗导航星座星间通信速率控制方法

北斗导航星座可以通过星间测距和传输链路实现自主定轨和性能增强。导航卫星间进行数据传输时，卫星相对位置时变，传输信道特性也随之不断发生变化。针对导航卫星间传输链路时变特性，提出了一种基于星历的星间通信速率控制方法。在满足传输服务质量的需求下，根据导航卫星自有的高精度星历资源定量计算星间最优通信速率，通过速率的动态调整提高星座的传输效能。仿真结果表明，采用所提方法，北斗导航星座星间传输效能可以提高1.92倍，验证了方法的有效性。      

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。     

Low Earth orbit constellation design using a multi-objective genetic algorithm for GNSS reflectometry missions

Spaceborne global navigation satellite system reflectometry (GNSS-R) is an innovative bistatic radar remote sensing technique utilizing low Earth orbit (LEO) based GNSS-R instruments to acquire GNSS L-band opportunistic signals for measuring geophysical parameters. A GNSS-R LEO constellation with an optimization design for its specialized missions is very significant and necessary. However, the constellation design involves multi-parameter and multi-objective optimization, and the classical analytic solution is not capable of such a complicated issue. This study proposes a multi-objective LEO constellation design method with a genetic algorithm (GA) and presents a framework for designing two GNSS-R LEO constellations, termed “lower-latitude constellation” for typhoons and hurricanes observation in the tropics and “global constellation” for global geophysical parameter measurements. Then, the observation capability of both designed constellations is evaluated in terms of the number of reflection points, spatial coverage density, and revisit time to verify the GA efficiency in LEO constellation design. Results show that the two designed LEO constellations with high fitness function values possess optimal orbit parameter set configuration and outperform the existing CyGNSS constellations in observation performance. Compared with CyGNSS, the number of reflection points observed by the lower-latitude constellation and the global constellation increases by 38% and 45%, as well as the spatial coverage density increases by 28% and 36%. The revisit time for the lower-latitude constellation is reduced by 0.29 h, whereas the revisit time for the global constellation increases by one hour.     

基于GEO／HEO混合星座的区域卫星定位系统性能分析

星座方案选择对卫星定位系统的性能具有很大影响。本文结合GNSS－2星座方案中的阿基米德计划，设计了针对我国区域的HEO／GEO混合星座，首先从可见性角度对GEO卫星定点参数和HEO卫星轨道参数进行了优选，之后，以GDOP和PDOP因子为衡量标准，在选定覆盖区域内，对混合星座的定位性能进行了分析，仿真结果表明，在覆盖区域内，该星座能够达到与GPS相当的定位精度。     

The influence of orbital maneuver on autonomous orbit determination of an extended satellite navigation constellation

The right ascension of the ascending node is unobservable if only the inter-satellite ranging is used for autonomous orbit determination (AOD) of an Earth navigation constellation. However, if an Earth-Moon libration point satellite is added to the Earth navigation constellation to construct an extended navigation constellation, all the orbital elements can be determined with only the inter-satellite ranging. Furthermore, the extended navigation constellation can provide navigation information for interplanetary probes. For such an extended navigation constellation, orbital control needs to be considered due to the instability of the libration-point satellite orbit. This study concerns the influence of satellite orbital maneuver on the AOD of the extended navigation constellation. An AOD method under orbital maneuver is proposed. A low thrust controller is designed to achieve libration point satellite autonomous orbit maintenance by using AOD results. A navigation constellation consisting of three GPS satellites and one libration point satellite are designed for simulation. The simulation results show that libration point satellites can achieve autonomous navigation and autonomous orbit maintenance by only using inter-satellite ranging information. The rotation drift error of the Earth navigation constellation is also suppressed.