Minimum of PDOP and its applications in inter-satellite links (ISL) establishment of Walker-δ constellation

Within the next decade, there will be a number of GNSS (Global Navigation Satellite System) available, i.e. modernized GPS, Galileo, restored GLONASS, BeiDou and many other regional GNSS augmentation systems. Thus, measurement redundancies and geometry of the satellites can be improved. GDOP (Geometric Dilution of Precision) and PDOP (Position Dilution of Precision) are associated with the constellation geometry of satellites, and they are the geometrically determined factors that describe the effect of geometry on the relationship between measurement error and position error. GDOP and PDOP are often used as standards for selecting good satellites to meet the desired positioning precision. In this paper, the related conclusions of minimum of GDOP which was discussed are given, and it is used to study the minimum of PDOP for two cases that the receiver is on the earth’s surface and the receiver is on satellite. The corresponding theorem and constructive solutions of minimum of PDOP are given. Then, the rationality of the ISL (inter-satellite link) establishment criteria in Walker-δ constellation is discussed by using the theory of minimum of PDOP. Finally, the minimum of PDOP is calculated when the number of satellites is 4–10, and these results are verified by using Monte Carlo method.     

低轨星座多波束相控阵天线研究进展与发展趋势

多波束相控阵天线是一种利用波束形成网络,同时实现多个独立的高增益波束的多波束天线,具有高灵活性和宽角度扫描等优点,是低轨通信卫星系统的核心载荷之一。旨在针对应用于低轨星座的星载多波束相控阵天线进行归纳和分析。对低轨星座多波束相控阵天线的发展历程、波束形成技术、关键技术进行了介绍,并对低轨星座多波束相控阵天线的未来发展趋势进行了分析,为我国未来低轨卫星星座建设提供技术参考。     

协同小卫星系统和服务

文章提出一个新概念:协同小卫星系统和服务(应用),简称5S(Synergic Small Satellites Systems and Services)。其目的是积极研究和开发多颗小卫星联合协同工作,开创在各领域新的应用。文中首先论述5S的概念与内涵;其次研究小卫星星座和编队飞行性能特点与系统设计;最后介绍近几年来协同小卫星系统的4个创新应用示例。     

星座备份策略研究进展

针对星座卫星在轨运行时因操作或故障导致星座服务性能下降的现象，综述了星座备份策略研究的进展。首先，概述了导航星座、通信星座的基本情况和备份现状，归纳出不同星座的备份策略。其次，重点阐述了3种不同的星座备份策略模式，即在轨备份、停泊轨道备份及地面备份，给出了3种备份策略模式的特点。在此基础上，分别从卫星故障模式、卫星可靠性、卫星可用性、星座状态概率和星座系统可用性5个方面梳理了国内外星座备份策略关键因素的研究进展。再次，综述了目前星座备份策略分析的主要模型和方法，包括Petri网、马尔可夫链以及存储论。最后，对未来星座备份策略研究的发展方向进行了展望。     

基于多目标进化算法的MEO区域通信星座优化设计

在分析星座轨道要素的基础上，研究了用改进非劣分层遗传算法（NSGA—Ⅱ）对中轨道（MEO）卫星的区域通信卫星近地点幅角、升交点赤经和平近点角等星座参数进行优化的方法，并对有5颗椭圆中轨卫星的星座进行了优化仿真。结果表明，优化后的星座不仅能在我国领土范围内提供实时通信服务，而且具有一定的全球覆盖能力。     

GPS信号的新近发展及其应用思考

GPS信号的新发展将为GPS信号接收机的功能改善提供运作基础,也将为构建物联网提供新思路。针对由30颗BlockⅡA/ⅡR、ⅡR-M和ⅡF卫星构成的现行GPS星座所发送的GPS信号进行综合分析,进而提出如何使用GPS信号新分量的两点建议:①巧用L2-C码和L1-C/A码实现高精度、高置信度的单点定位;②善用三个导航信号(L1、L2、L5)开创GPS动态载波相位测量应用新天地。     

导航星座星间星地一体化数据交互技术研究

导航星座时分轮询建链体制星间链路与非时分固定建链体制传统星地链路，数据交互机制区别显著，不利于导航星座与地面联合数据交互的高效实现。提出利用与星间链路信号体制一致的星地链路，将星间链路范围扩展至地面，以少量的地面站资源和统一的网络规划，实现星间、星地链路数据传输处理机制统一化以及网络资源调度管理一体化的方法，可支持全球导航系统星-星-地数据的高效精准交互。制定了地面节点设计部署方案和星-星-地一体化资源调度方案；指出一体化网络拓扑规划的核心是境内卫星的建链目标分配，并给出境内卫星建链目标的优化排序方法和排序优先级策略；以最短路径路由方式为代表，定义了按照时间前向搜索传输路径的路由规划方法。通信性能仿真结果表明，相比于使用传统固定建链体制的星地链路，该方式下进行导航星座与地面数据交互的前向接入数据容量和传输时延等性能有明显提升。     

4D Lattice Flower Constellations

4D Lattice Flower Constellations is a new constellation design framework, based on the previous 2D and 3D Lattice theories of Flower Constellations, that focus on the generation of constellations whose satellites can have different semi-major axis and still present a constellation structure that is maintained during the dynamic of the system. This situation can arise when dealing with satellites with very different instruments, or when it is of interest to coordinate two different constellations. In that sense, 4D Lattice Flower Constellations constitutes the most general representation of the Flower Constellation formulation. In addition, the effects of the $J_2$ perturbation are taken into account in order to generate distributions that maintain their initial design configuration under this perturbation for longer periods of time with a low fuel budget. Finally, examples of application are presented, showing the possibilities in satellite constellation design of this new approach.     

大型低轨航天器与星座卫星的碰撞风险研究

针对商业小卫星星座迅猛发展对航天器飞行安全造成潜在威胁的问题，以600 km高度星座和大型低轨航天器为研究对象，通过区域方法(BOX)和碰撞概率风险评估方法，分析了星座与大型低轨航天器的碰撞风险。根据星座轨道演化分析表明，整个星座卫星与大型低轨航天器可能发生碰撞的时间相对集中，持续时间约 1~ 2年。BOX方法计算结果表明，每颗卫星与大型低轨航天器交会，并进入红色预警门限的交会次数约10次左右。碰撞概率计算结果表明，约有5%的卫星进入红色预警门限，星座如果在寿命末期采取无控再入将对大型低轨航天器在1~2年内产生较大的威胁。     

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.