不规则区域成像覆盖星座构型优化设计

近年来卫星对地观测需要呈现逐年上升趋势.从单个目标点的对地观测卫星星座构型设计方法入手,推广为设计满足不规则大范围成像区域重访时间需求的卫星星座.以卫星数目最少及满足重访时间要求为优化目标,采用改进的模拟退火算法,结合改进的等面积网格点覆盖法,提出了一种针对不规则区域成像全覆盖的卫星星座构型优化设计方法.分析了光照因素对重访时间、所需卫星数目以及星座构型的影响,并通过仿真分析验证了算法的可行性.      

环境减灾A、B星星座轨道维持技术与实践

为维持环境减灾A、B星星座的轨道构型,保证CCD相机48h对中国覆盖和对全球重访的特性,满足中国灾害与环境监测以及全球陆地观测的需求,制定了同时考虑地面轨迹和星座相位的轨道维持策略。在减灾和环保业务应用过程中,主要关注星座的重访和覆盖特性,严格的地面轨迹维持意义不大,因而形成了主要考虑星座相位的轨道维持方法。该方法能够减少轨道维持次数,降低操作风险,节省星上燃料,有利于延长卫星寿命。A、B星星座运行3年多,仅通过2次轨道调整就完成了星座轨道维持控制任务。     

基于SBV传感器的地球同步带目标监视系统星座设计

以天基可见光(Space-BasedVisible,SBV)传感器实现对整个地球同步带的监视为研究背景,对监视系统星座构型进行分析与设计.在分析三种观测模式优劣的基础上,给出了最优观测模式;导出了监视卫星轨道高度与搜索栅栏参数之间的关系,并以此确定了监视系统轨道高度的可选范围;通过分析影响天基可见光传感器观测时段和操作策略的因素,给出了SBV传感器的最优观测时段及成像时间的分配原则;在分析单星和双星监视系统方案覆盖率与重访次数的基础上,给出了监视系统卫星数目和搜索栅栏大小的选取原则以及满足回归性的双星监视系统轨道高度选取范围.研究结果表明,监视卫星经过天极附近时采用pinchpoints观测模式可有效提高对较大倾角地球同步轨道目标的覆盖能力,其轨道采用降交点在06:00LT或18:00LT时的太阳同步圆轨道,高度约在615～850km,且在此范围内有6条轨道满足星座回归性要求.      

欧洲“新一代昴宿星”发展与特点分析

正欧洲新一代商业高分辨率光学成像卫星——"新一代昴宿星"(PleiadesNeo)于2021年4月29日成功发射,首星命名为新一代昴宿星-3。"新一代昴宿星"具有分辨率高、侦测一体、图像采集能力强、卫星高度敏捷和星座高频重访等特点。1发展历程在法国太阳神-2(Helios-2)军用光学成像卫星和军民两用"昴宿星"(Pleiades)部署完毕后,法国国家空间研究中心(CNES)寻求下一代光学成像卫星的研制方案,旨在实现小时级重访和更高的分辨率,并提升卫星持续观测时间以及高响应能力。为了响应CNES的需求,阿斯特留姆公司(Astrium),     

首批第三代“灾害监测星座”—北京-2星座于7月成功发射

北京时间2015年7月11日,前3颗灾害监测星座-3(DMC-3)—北京-2星座由印度极轨卫星运载火箭-C28(PSLV-C28)发射入轨。这3颗卫星由英国萨瑞卫星技术公司(SSTL)研制,采用萨瑞卫星技术公司-300 S1平台,它们形成了一个新的星座—北京-2星座,其创新卫星设计具有巨大的成像潜力,每颗卫星携带有1m分辨率全色相机和4m分辨率三谱段成像仪,可以执行多种不同类型影像的拍摄任务,还能实现对地球给定区域的每日重访,这对用于变化监测、灾难监测和响应规划至关重要。     

基于覆盖圆的太阳同步回归轨道卫星目标轨迹调整方法

遥感卫星星座在环境监测、地理测绘等领域运用中,需要考虑目标轨迹分布的优化问题.轨迹分布与星座的重访能力和进出站间隔保持等应用需求密切相关.目前对星下点轨迹分布的优化和调整还缺乏准确实用的方法,存在卫星数目增多带来的计算量增加问题和对多种需求综合考虑不够的问题.为了克服现有技术的不足,解决太阳同步回归轨道遥感卫星星座的目...     

基于星间测量的卫星星座 自主导航算法

自主导航能力是新一代导航星座的重要特性,利用卫星星间相对测量实现星座自主导航,是实现导航星座自主运行的基础.基于相对测量的导航卫星自主导航问题,将导致测量方程和状态方程的高度非线性,对导航算法提出了新的要求.在总结前人工作的基础上,提出了一种星载导航算法方案:利用三颗卫星之间的相对矢量在惯性空间的投影作为测量量,利用高精度星载轨道预报器作为系统的状态方程,使用SRUKF(Square Root Unscented Kalman Filter)滤波算法同时对三颗卫星的位置进行估计.仿真结果表明,该方案具有可行性,并且当轨道预报器的精度较高时有可能在100d内实现5m的导航精度.      

多等级区域侦察弹性星座设计方法

针对传统侦察星座目标单一、弹性低的问题，提出了多等级区域侦察弹性星座的设计方法。该方法将星座设计过程按区域等级信息分为多个子星座逐步设计，直到整体星座对所有的区域性能满足设计要求。以区域被划分为3个等级为例，首先对星座设计需求、设计指标及设计步骤进行了分析。其次推导了地面最低分辨率和轨道高度的关系并确定了不同子星座的轨道高度。最后考虑轨道倾角、一箭多星发射、光照和升交点漂移同步约束，构建基础星座、子星座1和子星座2的优化模型。最终设计星座为3层混合星座，共8个轨道面和70颗卫星，星座对各等级区域的最大重访时间分别为10937s，12241s和17437s，弹性指数为2213%，2420%和6361%。结果表明该方法设计的星座可实现对区域覆盖和弹性分级的设计要求，证明了方法的有效性。对比Walker星座设计方法，在同等设计要求下，Walker星座所需卫星数为156颗，多等级区域侦察弹性星座所需卫星数远低于Walker星座，结果进一步证明了该星座设计方法的优越性。     

近圆低轨卫星星座相位保持方法

主要研究无轨道高度保持要求的近圆低轨卫星星座相位保持方法.首先根据轨道摄动理论，推导了考虑J2摄动和大气阻尼摄动的卫星相位漂移模型，分别给出基于固定基准星和基于虚拟基准星的相位偏差两种表达方法.在此基础上，按照星座各星轨道衰减一致和不一致两种情况，分别提出两种表示方法理论的和考虑实际控制误差的相位保持策略.通过一个walker星座仿真算例验证了两种方法的有效性.仿真结果显示，两种方法在各星轨道衰减一致和不一致两种情况均可有效完成相位维持任务，当各星轨道衰减一致时两种方法在控制次数和控制总量上无明显差异；在各星轨道衰减不一致情况下，基于固定基准星的相位保持策略更优.     

上行离子源区卫星探测的轨道需求分析

极区从电离层到磁层的上行粒子流探测研究是空间天气建模中的重要问题,其起源和加速机制是磁层-电离层-热层耦合小卫星星座计划的主要科学目标. 磁层-电离层-热层耦合小卫星星座计划拟定由两颗磁层星和两颗电离层/热层星组成星座对极区进行联合观测. 其中,上行粒子源区附近的就位探测是电离层-热层耦合机制研究的重点,也是电离层/热层星轨道设计的关键. 根据相关空间探测计划和卫星观测结果,通过比较圆轨道和椭圆轨道两种方案,确定电离层/热层星采用椭圆轨道.      

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.     

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.     

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。     

地月L2点周期轨道的月球背面覆盖分析

地月L2点附近轨道具备独特的动力学和运动学特性,是月球背面探测任务的中继卫星首选布设位置。面向未来月球背面探测任务的中继通信需求,分析并研究了地月L2点周期轨道(halo轨道)对月球背面的覆盖。在圆型限制性三体问题模型下,研究并给出了halo轨道族延拓计算方法,基于延拓法设计了地月系大范围南北halo轨道族;给出了中继卫星的月球背面覆盖计算模型,定义了相应的时间覆盖因子;数值仿真了地月系南北halo轨道族的月球背面覆盖情况。研究结果表明:地月L2点周期轨道幅值和类型决定其对月面的覆盖性,幅值较小的轨道的月面整体覆盖性较好,幅值较大的轨道对月球南北极覆盖较好,南北族轨道分别有利于月球南北半球的覆盖。文章研究可为我国"嫦娥4号"月球背面探测任务的中继星轨道设计提供有益参考和借鉴。     

Comparative analysis of global optical observability of satellites in LEO

With a growing number of resident space objects (RSOs), the facilities for near-Earth space surveillance have to cope with increasing workload. It also applies to low-cost small optical surveillance facilities which may present regional, national and global networks. Improved methods of planning and scheduling optical telescopes are required to use these instruments efficiently. Today, optical observations are only feasible if the following quite stringent requirements are met: the object should be illuminated by sunlight, and it should be above while the Sun is below the observer’s horizon. For different orbits, these preconditions result in varying degrees of the space object observability at various ground-based sites. Certainly, satellites in low Earth orbit (LEO) are particularly difficult to observe. This study aims at developing a new technique for assessing observability of a satellite in different types of orbits – namely, low, medium and high Earth orbits, imaging of the opportunity for its visibility in respective diagrams and their analysing for the existing near-Earth population of RSOs. Unlike other researches, wherein one or several observational stations have been chosen as target sites for in-depth analyses of visibility of all the satellites or just the selected ones, the present study focuses on examining the probability of optical surveillance of satellites in a certain orbit from any locations worldwide. It offers considerable scope for automation of surveillance planning and scheduling optical surveillance networks.     

Operation and Application of A, B Satellites for Environment and Disaster Monitoring and Forecasting

Environment and disaster monitoring and forecasting small satellite constellation A and B satellites (HJ-1-A, B) are called "environment and disaster reduction satellites A and B' for short. The constellation adopts a 10:30 LT sun-synchronous circular orbit, with orbit altitude of 649 km. HJ-1-A and HJ-1-B are distributed with a phase difference of 180o in the same orbital plane, so as to enhance the time resolution of earth observation. The satellites have orbit maintenance capability, the lifetime is 3 years. Both satellites adopt CAST968 platforms. Two wide-coverage multispectral CCD cameras with resolution 30 m and width 700 km, a super-spectral imager with resolution 100 m and width 50 km as well as a data transmission subsystem of 120 Mbit/s are deployed on HJ-1-A, which also carries Ka communication testing equipment of Thailand. HJ-1-B has two wide-coverage multispectral CCD cameras (the same as satellite A), one infrared camera with resolution 150 m and width 720 km and a data transmission subsystem of 60 Mbit/s. The coverage period of the wide-coverage multispectral CCD camera is 48 hours. The revisit period of super-spectral imager is 96 hours and the coverage period of infrared camera is 96 hours.      

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。     

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。     

低轨目标短弧关联的稳健方法

未来大量低轨星座部署一旦完成，将会对传统的空间目标监视提出更高的要求.广角光学望远镜系统具有广域监视效果，可以同时观测大量目标.但是广角望远镜的观测数据大部分属于“短弧”观测数据，单次观测无法进行空间目标的初始轨道确定.目前有效的解决方案是对光学观测弧段进行准确关联，融合多组观测数据进行初定轨.本文以容许域方法为基础，通过优化拟合两段观测短弧的轨道，结合卡方检验，确定不同观测弧段之间的关联性.其次详细描述了对于低轨目标，用仅测角观测数据进行关联的时候，存在的病态性问题.最后，针对低轨目标短弧关联错误率高的问题，提出了用角度误差特性规律进行误关联识别的方法.误关联的准确识别有效地提高了对于低轨空间目标仅光学观测序列的关联成功率，为后续的空间目标编目提供了有效的数据支撑.