考虑燃料消耗均衡性的低轨通信星座在轨星座构型重构方法研究

针对低轨（low earth orbit,LEO）通信星座在轨重构问题，分析了低轨通信星座的特点，提出了4个重构指标，即全球平均覆盖率、燃料消耗均衡性、重构总时间和重构总速度增量，并分析了提高轨道高度的重构方式。采用基于分解的多目标进化算法（multiobjective evolutionary algorithm based on decomposition，MOEA/D）对重构进行建模分析。结果表明，模型优化结果可以得出多组最优解，构成帕累托前沿，并得出燃料消耗均衡性最优的解，针对两种失效模式得出的重构总时间均为3.6×105s，速度增量方差分别为261.4m2/s2和293.4m2/s2，这些解均可恢复星座原有的覆盖性能，并使燃料消耗最为均衡。     

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。     

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。     

小卫星侦察星座性能评估研究

针对小卫星侦察星座性能评估问题，从覆盖、成本和弹性三方面对小卫星侦察星座的性能指标进行研究，分别构建了考虑存储容量约束的覆盖能力评估模型、成本估计模型以及弹性能力评估模型。在覆盖能力评估模型中，将卫星存储容量作为约束条件，结合卫星覆盖几何模型分析了卫星对地侦察的工作条件，提出考虑存储容量的覆盖指标计算方法；通过小卫星成本模型(small satellite cost model,SSCM)对星座各分系统的成本进行估计；在弹性评估模型中，提出了星座性能损失率指标，并根据星座失效状态概率函数确定了不同失效状态下星座性能损失率的权重。将上述模型应用于SkySat和吉林一号星座的性能评估过程中，结果表明SkySat比吉林一号覆盖能力强、成本低，弹性差。提出的三个模型可用于评价星座优劣，为小卫星侦察星座的建设和性能评估工作提供参考。     

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。     

低轨Walker星座构型偏置维持控制方法分析

针对低轨（low earth orbit,LEO）Walker星座构型稳定性维持问题，分析了低轨卫星的轨道摄动和星座构型稳定性的影响因素。通过分析低轨Walker星座的轨道摄动和相对漂移特点，提出了两次偏置策略。首先，依据未偏置时星座相对漂移量拟合得出第一次偏置时的偏置量。然后利用第一次偏置后的相对漂移量拟合得出第二次偏置量，消除残余项影响。两次偏置量叠加，使相对漂移大大降低。结果表明，低轨Walker星座中各卫星的初始参数偏差造成了升交点赤经和沿迹角相对漂移的发散，两次偏置策略可将两种星座的相对漂移量降至0.1°以下，证明了策略的有效性，提高了星座构型稳定性。     

前向数据接入方式对导航星座网络通信性能的影响分析

对采用时分多址轮询建链体制的导航星座星间链路网络，为了指导星间链路网络地面前向数据接入的应用，分析了不同地面前向数据接入方式的星-星-地联合数据交互机制及其对网络通信性能的影响，并结合应用代价给出了综合评价和使用建议。以前向数据最快路径接入方式和固定节点接入方式为代表，分析了星间链路网络与地面间星 星 地联合数据交互机制的特点，明确了两种方式下星间链路网络拓扑路由规划策略的制定原则。通过构建Walker 24/3/1导航星座星间链路网络数据处理模型及典型星地运行场景，对两种地面前向数据接入方式仿真分析了星间链路通信容量和传输时延等网络通信性能，比较分析了通信容量及数据拥塞规律，得出前向数据最快路径接入方式相比于固定节点接入方式在通信性能上有较明显优势的结论。最后，综合给出了两种星 星 地联合数据交互机制的应用性评价,同时给出了在通信容量较低且通信时延要求不高、但可靠性要求较高的应用条件下，可适度采用固定节点接入方式的建议。     

全球卫星导航星座网络协议体系与运行模式

针对全球卫星导航星座网络建设初期或论证阶段所涉及的网络体系结构、协议体系及相关组网等技术问题,开展了基于导航星座星间链路构建空间信息网络的技术研究,分别提出了由子网、接入网、骨干网等节点及其相互之间星间、星地无线链路构成的分层网络系统结构,设计了兼容遥控、遥测、测量与网络交互支持等业务的基于IP over CCSDS(基于空间数据系统咨询委员会标准的空间链路承载互联网协议业务)的协议体系,给出了全系统基本通信业务运行模式等。与传统高轨卫星通信系统相比,该星座网络具有高覆盖、低时延、随遇接入等优点,可实现星座导航性能与中低轨及地面用户通信性能的全方位提升,相关结果对我国全球卫星导航星座网络技术研究具有一定的参考意义。     

锚固站数量及布局对导航星座自主定轨影响分析

针对导航星座自主定轨中的星座整体旋转问题,采用增设少量地面锚固站的方法可有效解决该问题。通过推导星地距离对卫星轨道升交点赤经的偏导数,证明了星地距离对卫星轨道升交点赤经可观。仅考虑在我国大陆范围内布设锚固站的条件下,仿真分析了锚固站数量以及布局对导航星座自主定轨精度的影响。仿真实验结果表明:采用3个以上的锚固站,即可有效控制星座整体旋转,在14d的仿真时段内卫星自主定轨精度保持4m以内;锚固站数量越多,自主定轨精度越高,但随着锚固站数量的增加,自主定轨精度改善程度越来越小;在保持4个锚固站的情形下,采用不同的锚固站布局方案,自主定轨精度并无明显差别。     

基于快速性能计算算法和序优化的卫星星座构型设计研究(英文)

卫星星座设计是一个复杂耗时的仿真优化设计问题。本文首先介绍了一种利用Hermite插值算法计算卫星星座性能指标的快速算法,用来减少计算复杂度和时间,并且基于快速算法建立了星座构型优化模型。其次引进了序优化理论,用来缩减搜索空间。针对星座优化问题,详细阐述了序优化所涉及到的精确和粗糙模型、有序性能曲线、选择规则和选择集合。通过对卫星导航星座和天基目标监视星座系统的仿真表明序优化理论对处理卫星星座优化设计问题是有效的。