基于混合蚁群算法的掩星星座优化设计

针对低地球轨道（LEO）卫星对全球卫星定位系统（GPS）卫星的掩星观测任务,在考虑LEO和GPS卫星几何关系及掩星观测天线视场的条件下,建立轨道模拟系统,对全球和区域内的掩星事件进行了模拟。对单颗卫星,用分离变量法讨论了卫星轨道参数对掩星事件数量和时空分辨率的影响,比较了大气层与电离层掩星事件的差别,并根据分析结果用混...     

美台制订气象卫星计划

美国国家海洋与大气局和台湾已制订了一项气象卫星合作计划的初步要求．年内将形成采购策略．希望从2014年开始卫星发射。该计划下的卫星将采用一种较新的方法来获取大气数据。自2006年发射一个验证性星座后．称为“GPS无线电掩星”的这项技术已被用于天气预报业务。2006年发射的系统称为“气象、电离层与气候星座观测系统”（COSMIC）,也是美台合作计划（台湾方面称之为“福尔摩沙卫星”3）。在新的合作计划下,双方将建设COSMIC-2后续星座。GPS无线电掩星技术用于从太空中获取大气密度、压强和温湿度数据。     

基于3星子集的GPS快速选星算法

针对高精度GPS导航系统中,空间星座数量变化时由星座选择带来的运算量较大的问题,利用 Sherman Morrison 矩阵求逆引理,推导得到GDOP（Geometric Dilution of Precision）值的增量递推计算公式。 在此基础上提出一种基于由3颗GPS卫星组成“3星子集”的快速选星算法,并利用LLRB树（Left Leaning Red Black Tree）的存储搜索策略辅助快速产生最佳4星组合。相对于传统GDOP选星法,在可视星卫星数增加时,浮点数运算量（FLOPs）可减少将近一半;当可视卫星数减少时,FLOPs可降低到接近为0。实际试验结果表明,3星子集选星方法可以有效降低星座突变时由星座选择带来的时间消耗,提高星座更新的实时性。     

一种基于反向探测的低轨星座路由算法

针对低轨卫星星座通信系统动态拓扑结构的特点,提出了一种基于反向探测的路由算法（Reverse Detection Based Routing,RDBR）,采用分布式实现且具有极低的运算复杂度,适合于星上实时计算,对于提高星座网络的自主运行能力具有重要意义。与快照序列（Sequent Snap Shots,SSS）算法的对比分析和仿真表明,RDBR算法以有限的信令开销取得的路由性能优于60s快照序列算法。
     

基于GNSS掩星资料的风云卫星微波载荷产品质量验证与分析

聚焦新一代国产极轨气象卫星微波载荷和全球导航卫星系统(GNSS)掩星临边观测的探测机理,及其各自仪器的性能指标和在轨运行的特点,利用2019年1月1日到12月31日的全球数据,开展基于GNSS掩星资料的风云气象卫星微波观测亮温对比和反演廓线产品质量检验研究。在匹配数据时间分辨率为30 min和经纬度分辨率为0.5°的情况下,亮温偏差小于5 K,大气温湿度探测精度分别为1.92 K和22.8%,同时分析了2019年青藏高原地区大气温湿度的时空分布规律。结果表明:风云气象卫星微波辐射计具有全球全天候探测大气温湿度的功能,在近地面具有丰富的反演数据,而对于GNSS掩星探测资料,3 km以上探测精度优于微波湿度计,近地面数据较少,两者联合,既可以互相补充和验证,又能以青藏高原为例,分析长时间序列气象和气候数据,为后续的气候研究提供基础数据集。     

电离层小尺度因素对无线电大气掩星弯曲角的影响

历经25年的发展,基于GNSS的无线电掩星技术已经成为一种有效的临近空间探测手段,但是在无线电大气掩星观测及数据处理过程中不可避免地会受到各种误差的影响,其中,电离层是重要误差源之一。由于电离层小尺度因素的存在,GNSS信号在穿越电离层过程中会受到影响,表现为振幅和相位上的振荡,并最终影响反演所得的大气弯曲角产品。文章基于COSMIC大气弯曲角数据,研究电离层小尺度因素中扩展E层（Es层）及F层不均匀体在中低纬地区对无线电大气掩星的影响,通过计算不同高度区间内的弯曲角偏差标准差统计研究电离层Es层及F层不均匀体发生率与大气弯曲角振荡的关系。结果表明,Es层及F层不均匀体能够引起大气弯曲角振荡,表现出弯曲角随纬度、磁地方时及季节变化的特性,且这些电离层小尺度因素能够影响到的高度区间为35～80 km。该研究有助于进一步认识电离层小尺度因素对GNSS无线电大气掩星探测技术的影响,以及后续提高大气掩星产品的数据质量。     

基于遗传算法的多星座选星方法

提出了一种基于遗传算法的选星方法,该方法能够准确、快速地实现多个全球导航卫星系统(GNSS)下选星颗数大于4的选星。经过大量试验确定了遗传算法选星的选择、交叉、变异等关键参数,并通过在交叉和变异中穿插染色体优选过程克服了遗传算法的选星结果容易陷入局部最优的缺点。以不同GNSS星座个数和不同选星颗数下的选星仿真校验了所设定遗传参数的有效性和可靠性。仿真结果表明,利用遗传算法可以高效、准确地实现选星,该方法特别适用于多星座多选星颗数的情况。     

基于GNSS的通信星座系统的时间同步研究

为近地通信卫星星座系统提出一个将星座各星上时钟同步到地面系统时钟的新技术方案,以GNSS导航系统时钟作为高精度、高稳定的时间基准,利用地面站和星座星上的GNSS接收机基于定位原理测得各自时钟相对于GNSS系统时钟的时差量（秒脉冲相位差）,进一步得出各星时钟相对于地面系统时钟的时差观测量。每个星上时间管理单元利用一个Kalman滤波器估计星地时差模型参数,周期性更新星上时差预报,并据此估计秒脉冲调相时机,以及按照最小调相残差原则估算的调相幅值,并令PPS发生器完成相关调相操作。还设计了上述时统方案在一个典型Walker（24/3/1）星座中的应用研究,并开展了数学仿真和半物理仿真。文章还设计了一个半实物仿真方案,通过数学仿真和半物理仿真,表明该时统方法可将星地秒脉冲相位差自动控制在指定误差范围内,证实其在近地通信卫星星座系统全网时间同步任务中应用的可能性和有效性。     

卫星轨道参数对LEO-LEO掩星事件切点水平漂移影响的仿真研究

对24小时内LEO-LEO掩星事件进行仿真,分析掩星切点水平漂移的特性。研究结果表明,当卫星轨道参数满足倾角互补、升交点赤经之差为180°、卫星轨道高度接近这三个条件时,掩星切点水平漂移较小;一旦偏离这些条件,掩星切点水平漂移将会增大。文中还综合讨论了卫星轨道参数对掩星数量、分布、切点水平漂移、持续时间、相对角速度等的影响,这些分析结果对于提高LEO-LEO掩星数据反演的可靠性和卫星轨道设计具有较高的参考价值。     

卫星星座整网轨道确定分析与仿真

编队飞行的卫星或卫星星座对轨道确定自主性和精度提出了较高要求。针对这个问题,通过建立星座的轨道动力学模型和星间观测的测量模型,将星座中的星间观测数据和地面观测数据融合起来,将待估的卫星轨道参数和部分动力学参数进行适当的分类,研究卫星星座整网轨道确定的新方法,并在理论上分析了整网定轨方法能提高定轨精度的原因;最后采用自主开发的卫星星座整网轨道确定软件进行了仿真计算。计算表明,该方法能有效地减少对地面站的依赖,并较大幅度提高定轨时卫星绝对位置和相对位置精度。
     

机载GNSS掩星观测反演大气折射率廓线研究

作为星载掩星技术的推广,基于飞机平台的无线电掩星技术备受关注。为了将机栽掩星技术更好地应用到工程实践中,文章通过介绍机载掩星探测的基本原理和主要特点、模拟仿真,对机载掩星的反演算法进行了探讨,并给出模拟结果：包括利用STK仿真软件生成仿真场景;采用3维射线追踪技术模拟机载无线电掩星,预报掩星事件出现的时间、仰角,模拟信号传播特征;详细研究大气层内折射率反演技术并给出反演结果。研究结果表明,模拟仿真对机载掩星工程化实现是有益的。最后展望了机载掩星探测的发展趋势,提出了弱掩星信号的捕获跟踪、飞机平台的精度定位测速以及反射信号的抗干扰三项技术及工程化中需解决的技术难点。     

低轨Walker星座构型演化及维持策略分析

针对低轨(LEO)Walker星座构型维持问题,分析在地球非球形引力和大气阻力摄动下卫星的运动规律及星座构型演化特性。结果表明,低轨Walker星座构型发散主要体现在由初始轨道参数不一致引起的轨道高度衰减和相位漂移,国内首例低轨Walker星座实测轨道数据验证了理论分析的正确性。结合星座任务特性与构型发散特点,提出了基于基准卫星的相对相位维持策略,选取一颗卫星作为基准卫星,使星座中其它所有卫星相对于基准卫星的相位漂移量累加值最小,通过对目标卫星实施一次相对基准卫星的轨道高度抬升/降低,维持星间的相对位置关系。实际工程应用表明了此策略的有效性,不仅降低星座构型维持的复杂度及频次,节约燃料,且轨控时间短,为我国今后卫星星座的构型维持提供参考。     

Evaluation of a satellite constellation for active debris removal

This paper analyzes an example of a three-dimensional constellation of debris removal satellites and proposes an effective constellation using a delta-V analysis that discusses the advisability of rendezvousing satellites with space debris. Lambert?s Equation was used to establish a means of analysis to construct a constellation of debris removal satellites, which has a limit of delta-V injection by evaluating the amount of space debris that can be rendezvoused by a certain number of removal satellite. Consequently, we determine a constellation of up to 38 removal satellites for debris removal, where the number of space debris rendezvoused by a single removal satellite is not more than 25, removing up to 584 pieces of debris total. Even if we prepare 38 removal satellites in their respective orbits, it is impossible to remove all of the space debris. Although many removal satellites, over 100 for example, can remove most of the space debris, this method is economically disproportionate. However, we can also see the removal satellites are distributed nearly evenly. Accordingly, we propose a practical two-stage strategy. The first stage is to implement emergent debris removal with the 38 removal satellites. When we find a very high probability of collision between a working satellite and space debris, one of the removal satellites in the constellation previously constructed in orbit initiates a maneuver of emergent debris removal. The second stage is a long-term space debris removal strategy to suppress the increase of space debris derived from collisions among the pieces of space debris. The constellation analyzed in this paper, which consists of the first 38 removal satellites, can remove half of the over 1000 dangerous space debris among others, and then the constellation increases the number of the following removal satellites in steps. At any rate, an adequate orbital configuration and constellation form is very important for both space debris removal and economic efficiency. Though the size of constellation of debris removal satellites would be small originally, such a constellation of satellites should be one of the initial constellations of removal satellites to ensure the safety of the future orbital environment.     

对地观测卫星区域综合组网及性能分析方法研究

明确了卫星综合组网和区域组网的概念 ,研究在对地观测卫星区域组网中卫星网的综合设计原则 ,提出确定区域组网中卫星轨道平面与卫星数量的一般方法 ,初步建立卫星网性能分析的指标体系和评估模型。     

基于自适应软切换的多星座组合导航系统研究

多卫星组合导航系统星座结构复杂、卫星数量多,在某些特定场合、特殊时间内需要快速完成星座和卫星的选取和重组.采用一种快速选星算法和自组织网络相结合的策略,并应用于多卫星导航系统建模和多星座软切换领域,既避开了系统对象建模这一难点,同时又充分利用卫星星座间的相互关联性,极大的发掘多卫星系统本身的潜力.仿真结果表明,快速选星算法和自组织组网技术可以增强整个导航系统的抗干扰性和自愈能力,以牺牲较少的定位精度来有效减少导航运算量,提高导航定位的实时性.     

POES companion: Objectives, methodology, and benefits

POES Companion is a small satellite that would carry an atmospheric sounding instrument identical to one on a nearby operational polar orbiting spacecraft. The spacing between the two satellites would be controlled and variable. The mission is designed to establish the upper bound on the distance between the two satellites within which data from the instruments are statistically equivalent, and further would demonstrate that two neighboring spacecraft can be managed safely and efficiently. POES Companion will validate new Companion options outlined in this paper that could substantially reduce costs attributable to satellite-based atmospheric sounders for both operational and research programs.     

Radar sounding of Mars from the orbit of the Mars-Express automatic interplanetary station

On the base of the laser altimetry results obtained using the orbital altimeter MOLA (the MGS mission) and the data of radio occultation experiments of transionospheric sounding of the Mars ionosphere, a method for interpretation of the planet radar sounding data is developed. The proposed method includes a program package for numerical simulation of the process of radiowave propagation through the media under study.     

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。