卫星星座应用设计

本文以低地轨道小卫星星座为研究对象，讨论了星座覆盖性能分析方法，对各种覆盖性能指标进行了分析评价；在此基础上探讨了星座设计的一般准则及优化方法，并针对某一类型任务对两轨道面和三轨道面星座进行了优化设计，阐述了星座优化设计的关键以及不同轨道面数目下星座优化的潜力和特点。     

一种多任务导航星座设计方法

在分析多任务导航星座中心任务和附加任务的基础上,用n 1重覆盖率评价星座对地面的覆盖性能,基于运筹图论对多任务星座设计及选星方案进行了研究。仿真结果表明,由该法确定的选星方案可满足多任务星座的使命要求。     

星座覆盖性能数值仿真

星座对地覆盖性能要求是进行星座设计的主要依据。根据视函数法和地心法，建立了星座覆盖性能评定的数值仿真方法。以GPS为例，对其覆盖性能指标进行了仿真。给出了GPS星座的视函数图，累积出覆盖统计特性，并且评价了覆盖质量。另外对GPS星座的相位以及降级情况（一颗或几颗卫星损坏)下的覆盖质量进行了分析。最后对两种方法的仿真结果进行了分析比较。本文所建立的数值仿真方法对星座设计具有一定的参考价值。     

一种对地四重覆盖星座构型设计方法

针对传统星座设计中覆盖模型求解困难,覆盖性能统计不便等问题,提出一种基于二维图的对地四重连续覆盖星座构型设计新方法。首先对传统的二维空间坐标系进行了改进,利用球面几何学分析了覆盖圆与卫星轨道的相对位置关系,建立二维图和星座网格的解析数学模型。通过对数学模型的进一步分析,归纳与总结了二维图的几何性质。将星座对纬度带的覆盖转化为对纬度带上任意点的二维图的覆盖,提出星座网格对二维图的单重和四重连续覆盖条件。在此基础上,研究四重覆盖星座构型的设计与筛选方法,从而避开了覆盖性能统计的复杂过程。最后对二维图基本理论和星座设计方法进行了实例仿真,校验了该方法的可行性。     

基于粒子群的非规则区域连续覆盖星座设计

针对非规则区域连续覆盖问题,采用回归轨道的共星下点轨迹星座方案,提出基于粒子群算法(PSO)求解单颗卫星轨道参数、解析法求解星座轨道参数的方法。首先,建立了回归轨道区域覆盖模型;其次,以非规则区域覆盖范围最大为性能指标,基于粒子群算法求解单颗卫星轨道参数;最后,根据共星下点轨迹星座约束关系,解析求解星座轨道参数。仿真表明,该方法可实现非规则区域100%的连续覆盖,星座轨道参数求解在5s以内,具有较好的工程应用价值。     

偶数重连续覆盖的Walker星座设计方法

针对期望覆盖重数为偶数重时连续覆盖Walker星座的构型设计问题,提出一种基于覆盖带理论的构型设计方法。首先分析同轨道卫星组成覆盖带时的构型设计特例,随后将结论推广,改进了传统Walker星座的构型表征形式并提出覆盖带构型参数。基于轨道参数的相平面映射,给出了异轨卫星组成覆盖带时特征宽度的计算方法。通过分析相平面上覆盖带的拼接情况,给出了轨道倾角的优化策略和偶数重覆盖任意纬度的Walker星座设计步骤。所提出方法能显著提高构型枚举效率,且能满足不同纬度范围的覆盖需求。仿真表明,该方法能减少约10%覆盖所需的卫星数量,并能通过调整构型参数进一步优化轨道面数量。     

区域覆盖混合星座设计

针对我国邻海海上运动目标探测的需求,提出一种由多种类型卫星构成的区域覆盖混合星座系统方案。选择了合适的轨道类型,利用轨道动力学特性保持不同高度卫星构成的星座的构形;提出了星座配置方案,确定了不同类型卫星的协同工作方式和顺序等;在此基础上给出了轨道设计方法。最后设计了一个由海洋监视卫星簇、光学成像卫星和SAR卫星组成的星座。仿真表明,该星座能够实现预定的设计目标,保持一定的空间和时间关系对给定地区进行一定时间间隔的重访。     

基于低轨全覆盖卫星星座的反向缝建链策略

低轨卫星星座的拓扑设计是天地一体化网络部署中较为重要的一环。在低轨卫星网络中，如何设计星座拓扑来提升卫星网络的稳定性与传输性能，是亟待解决的问题。提出一种基于轨道覆盖带方法的低轨持续全覆盖卫星星座设计方法，通过该方法构建低轨卫星星座，满足覆盖性能，可有效减少卫星切换的次数。基于构建的星座拓扑，制定邻轨k最近邻星的反向缝建链策略，优化设计链路长度和链路持续时长，获取网络传输性能与稳定性的平衡。仿真结果表明:通过上述方法设计出的星座，在满足对地持续全覆盖性能的情况下，相较于轨道覆盖带方法切换次数减少10%;邻轨k最近邻星策略相较于最短建链策略，拓扑稳定性能提升79.62%，使网络拓扑稳定性与传输性能达到更优的平衡。     

跟踪传感器空域覆盖性能分析

针对天基光学跟踪传感器覆盖问题,将点覆盖数值仿真模型扩展到空域,提出了一种基于视函数的跟踪传感器覆盖计算方法.在典型圆轨道星座下,对所提方法进行数值仿真,并分析了覆盖性能的影响因素,为天基光学低轨星座设计和跟踪传感器管理调度提供重要的参考和支持.     

32颗GPS卫星星座空间覆盖特性建模与仿真

GPS卫星要准确完成定位功能可见卫星数应不少于4颗.通过建立针对低轨、中高轨和大椭圆轨道目标卫星的GPS信号空间几何覆盖模型,利用Matlab计算针对低轨、中高轨和大椭圆轨道的可见卫星数,对目前美国32颗GPS卫星星座的空间覆盖特性进行仿真.仿真结果显示,32颗GPS卫星星座不仅可以对低轨目标实现全轨道覆盖,而且对中高轨和大椭圆轨道也有所覆盖,大大扩展了24颗GPS卫星星座的空间应用.     

采用改进非支配近邻免疫算法的低轨混合星座设计优化

针对低轨同构星座覆盖资源在纬度上分布不均匀的不足,提出采用低轨混合星座提升覆盖均匀性的设计方案,并推导了满足全球任意点平均每天覆盖一定次数的最小卫星规模估算公式。针对非支配近邻免疫算法（NNIA）约束处理方面的不足,提出基于约束支配的改进非支配近邻免疫算法（Modified NNIA）,并以此设计了一种低轨混合星座优化平台来优化带约束的星座设计问题。仿真结果表明,改进的NNIA算法在收敛速度和多样性上均优于非支配分层遗传算法（NSGA II）和多目标粒子群算法（MOPSO）,可大大提高星座设计的效率。同时优化结果也表明低轨混合星座可提高覆盖的均匀性和大部分区域的覆盖次数,进而减少特定覆盖要求所需的卫星数目。     

一种基于球面剖分的星座性能分析方法

在卫星星座优化设计与性能分析过程中,根据球面Delaunay三角网和Voronoi图的特性,首先研究了任意状态下星座空间几何构形划分方法,定义了卫星所属覆盖区域。然后,通过分析卫星星座和地面目标区域之间的几何关系,提出了星座对任意类型地面目标的最小观测仰角和平均观测仰角的确定性计算方法。在此基础上,分析了基于星座空间几何构形划分的卫星系统网络的时变特性,提出了星间通信链路快速建立方法。最后,以铱星系统为例,分析了该系统的对地覆盖能力和星间链路通信能力。实验结果表明该方法不仅可以准确、快速的评估卫星系统应用效能,同时能够为星座优化设计人员提供必要的决策支持。     

一种改进的区域覆盖星座优化设计方法

为缩短区域覆盖星座优化设计的计算时间，对网格点仿真法进行了改进。在统计时间内，以解析法计算卫星覆盖时刻集，并采用遗传算法优化星座参数。仿真计算结果表明，本文改进方法的计算时间仅为优化前的百分之一。     

面向飞行器自主导航的铱星/星链星座覆盖性及可见性分析

针对低轨星座机会信号导航中单星座构型和可见星数无法同时满足高精度、高可用性的难题,基于铱星、星链轨道参数,建立了单星座和混合星座模型,探究了各个星座覆盖重数、覆盖率及飞行器对上述星座的可见性。研究结果表明：飞行器可见星数随飞行高度增加而减少,随飞行器最小观测仰角增大而减少,星链和铱星的融合可显著增加纬度60°以上区域可见星数。铱星对全球不同纬度、不同时间具有100%全覆盖;星链目前覆盖区域向两极拓展,对全球覆盖重数最大为56,最小为0,未实现全球不同纬度、全时段100%的覆盖率,但中国区域星链覆盖率均优于美国区域。星链和铱星的混合星座使全球覆盖重数优于10,不同纬度、不同时间覆盖率达到100%,显著优于单星座。     

一种低轨卫星星座覆盖性能通用评价准则

针对不同构形卫星星座的统一评价问题,提出了一种低轨星座覆盖性能的通用评价准则,可对不同构形和不同高度的星座对地覆盖性能进行统一评价。该准则将星座的对地仰角特性转化为具有相同覆盖能力的标准卫星数,以之同星座中实际卫星数的比值作为星座覆盖性能指数对星座实施评价。利用该评价准则,计算了Iridium、Globalstar、Celestri和NeLS四种星座构形覆盖性能的评价指数并提出了改进方法。     

用于监控和数据采集的微小卫星星座系统设想

利用微小卫星星座代替陆基方式,完成监控和数据采集(SCADA)系统进行数据采集传输任务的方案由数据采集与传输分系统、远程用户分系统和综合管理中心分系统组成,可以对各类SCADA终端设备状态数据进行实时采集与传输,从而满足覆盖区域广阔、地理环境复杂的大型工程需要。分析表明,该方案具有全球覆盖、部署便捷等优势,仅须利用36颗微小卫星,就可以实现对南北纬60°区域的全时覆盖,适合在我国和国外应用。