高能电子对地球同步轨道卫星的影响分析

为了厘清在轨GEO(Geosynchronous Earth Orbit,地球同步轨道)卫星不时出现异常的原因,提高卫星执行任务的可靠性,首先从机理上介绍了空间环境中的地球辐射带及高能电子的情况,引出GEO卫星所处恶劣空间环境的现实;其次基于我国SEPC(Space Environment Prediction Center,国家空间环境预报中心)以及NSMC(National Satellite Meteorological Center,国家卫星气象中心)的空间环境月报资料,结合某GEO环境业务卫星故障的实际数据,经统计归纳,分析得出了地球辐射带中的高能电子是导致GEO卫星发生故障的主要原因;最后按照事例技术分析、常规按需预报和特殊情况下的实时预报等3个层次对高能电子预报方法进行了初步探讨。通过分析可以看出,为提高卫星完成任务的可靠性、降低长期管理风险,需要加强GEO卫星所处空间环境高能电子的预报工作。     

基于单星测轨进行LEO和GEO目标编目

针对既有天基探测的不足,本着降低卫星制造难度、使用复杂度,拓展监视对象的原则,针对编目测轨所需,论证设计了一个采用零倾角、9 000km高度轨道,装有7个可见光探测器,以空域监视方式支持空间目标编目测轨的构想。该构想只需1颗卫星,即可形成空间目标编目所需的测轨,独立支持LEO（低地球轨道）和GEO（地球同步轨道）目标的编目管理,具有战略、战术双重价值。     

BDS接收机星间载波相位偏差

BDS(BeiDou satellite navigation System,北斗卫星导航系统)的MEO/IGSO (Medium Earth Orbit/Inclined Geosynchronous Satellite Orbit,中圆地球轨道/倾斜地球同步轨道)卫星在D1导航电文上调制了NH(Neumann-Hoffman,奈曼-霍夫曼)二次编码,而在GEO(Geostationary Earth Orbit,地球静止轨道)卫星上未使用.利用北斗MEO/IGSO和GEO卫星进行差分定位时,采用不同NH码符号映射规则的接收机之间会出现半周载波相位偏差的问题,严重影响RTK (Real-Time Kinematic,实时动态差分)应用.通过分析半周载波相位偏差的形成机理,从单差、双差、三差应用角度分别研究了半周载波相位偏差的影响.分析结果表明,接收机NH码符号映射规则与卫星不一致时,接收机直接用乘法器对NH码解调将存在反相,也即引入了半周载波相位偏差;在满足特定条件下,单差和双差应用时会存在半周载波相位偏差的问题;三差应用时不存在半周载波相位偏差的问题.最后,提出了需在北斗接口控制文件中明确卫星NH码调制或映射规则的修订建议.     

观测数据关联的泰勒展开径向速率方法

针对近地空间目标编目探测中,双屏电子篱笆的观测数据关联判断的问题,提出一种基于泰勒展开的径向速率数据关联方法。该方法对关联判断中径向速率这一判别量的计算采用泰勒展开的方式;与传统方法相比,该方法不需要进行地心地固坐标系与地心惯性系坐标转换,也不需要迭代计算初轨根数,具有简单、快速、符合精度需求的特点。在双屏电子篱笆探测LEO(Low Earth Orbit,低地球轨道)cm级空间目标的应用仿真中,该方法与使用初轨确定结果的径向速率方法相比,判断正确率基本相同,但所需计算时间比后者低一个数量级。因此,所述方法的判断效率较高,可为编目探测系统的数据处理流程提供参考。     

北斗GEO卫星南北控制对半长轴影响分析

在北斗GEO（Geostationary Earth Orbit,地球静止轨道）卫星南北控制期间,陀螺漂移、姿态控制、轨道平面变化等因素都会对卫星轨道半长轴产生影响,进而影响卫星星下点经度漂移,而在实际工程中难以提前准确预估南北控制对半长轴的影响。根据GEO卫星南北控制特点,分析了各因素对半长轴影响的原因,通过影响因素剥离的方法建立了各因素对半长轴影响的模型,利用在轨GEO卫星历次南北控制的实际数据,验证了模型的准确性并给出了各个因素的影响量级。结果表明,该模型可使得南北控制对半长轴影响的预测精度达到1 km以内,可用于北斗GEO卫星南北控制时半长轴补偿控制。     

北斗GEO卫星实时求速算法研究

以北斗系统空间信号接口控制文件中规定的卫星位置计算标准算法为基础,研究了采用北斗广播星历实时计算北斗GEO(Geostationary Earth Orbit,地球静止轨道)卫星速度的算法。首先,通过将开普勒参数和摄动改正项对时间求导,给出了计算北斗GEO卫星瞬时速度的直接求速算法并进行了验证测试。接着,探讨了微分步长对北斗GEO卫星位置微分求速精度的影响。进一步,采集真实北斗GEO卫星广播星历数据,选择代表卫星,采取不同微分步长,分别按照位置微分与直接求速计算卫星速度,并进行了比对测试。验证测试结果证明了北斗GEO卫星直接求速算法的理论正确性,该算法可作为计算GEO卫星瞬时速度的标准算法;比对测试结果则表明适用于北斗GEO卫星位置微分求速的合理微分步长应为1s。     

GEO卫星地敏自主干扰保护失效实时处置方法

地球同步轨道卫星在每年春分、秋分前后25d左右一般会出现地敏探头太阳干扰,可以采用星上自主方式进行地敏干扰保护,以防御此种干扰的影响。星上自主干扰保护失效时,需要通过地面发送卫星遥控指令处置。由于当前GEO(Geostationary Earth Orbit,地球同步轨道)卫星地球敏感器自主干扰保护失效的实时处置占用遥控平台时间过长,会严重影响卫星有效载荷应用。所以,针对此问题,在地敏确定卫星姿态原理的基础上,分析了地敏自主干扰保护失效的机理,提出了基于软件进程的地敏太阳干扰保护流程和操作计划,设计了基于遥控指令序列的卫星实时判断脚本。经验证,此方法可将遥控平台占用时间从4h缩短至30min以内,为卫星有效载荷应用留出了时间窗口。     

GEO卫星寿命末期异常情况下离轨控制策略

为及时有效处置卫星寿命末期在轨突发情况,有针对性地做好卫星离轨的各项准备,控制与减小突发异常危害和不良影响,根据离轨控制要求,对异常情况下实施离轨的控制策略进行分析,提出了在燃料受限情况下"小步逼近"的多批次双脉冲离轨控制策略,以及在离轨控制时间受限情况下"大步远离"的短时间大控制量离轨控制策略,并通过仿真对控制策略进行了验证。结果表明,"小步逼近"控制策略能在燃料受限时尽可能地逼近坟墓轨道,"大步远离"控制策略能在较短的时间内将卫星送入坟墓轨道,该策略适用于GEO(Geostationary Earth Orbit,地球静止轨道)卫星寿命末期异常情况下的离轨控制。     

基于天基光学短弧观测的GEO卫星分选

提出一种基于天基光学短弧观测数据集分选同步带目标的方法,引入测量属性和约束域概念。为利用短弧观测数据中的有效信息,以目标和平台的相对距离和距离变化率为坐标轴,建立约束域平面。利用GEO（地球同步轨道）目标运动特点,通过能量约束和假设轨道反演2种方法,从多个目标轨迹中分选出GEO目标。仿真结果表明,该算法可在数据库不完备的条件下通过短弧观测分选出同步轨道卫星。     

空间激光通信进展及在天基网中应用构想

在分析国内外空间激光通信技术研究进展和试验验证的基础上,按照"全球覆盖、重点支持、便于组网、便于管理"的原则,重点对未来激光链路卫星星座构型进行研究,提出了基于已有轨位的4节点GEO(Geostationary Earth Orbit,地球静止轨道)星座、基于已有轨位的6节点GEO星座以及激光/微波卫星共存下空间激光宽带网络发展构想;采用高效资源分配算法和智能化运行管理系统,支持我国数百个航天器、非航天器的在线管理和高速数据传输服务,可以满足我国天基平台和全球骨干节点的高速数据传输需求。通过分析论证,提出构建我国的空间激光宽带网络,需要在超长距离激光通信技术、激光链路自主建立技术、星地激光大气效应研究、空间激光宽带网络协议、卫星星座智能管理技术等关键技术和重点研究方向上集智攻关,取得突破性进展,并对未来发展进行了展望。     

低轨卫星多普勒频移特性的快速计算

地面站利用低轨卫星进行通信时,地面接收站接收信号存在明显的多普勒频移现象。为描述多普勒频移特性,首先分析卫星轨道偏心率对多普勒特性曲线的影响,分析表明：轨道偏心率越大,地面站接收信号多普勒变化率越大。其次,推导了卫星多普勒频移的计算表达式,并讨论了低轨卫星多普勒频移特性曲线的快速计算。仿真计算结果表明,该算法可以很好地描述任意低轨道卫星多普勒频移特性,并明显缩短了精确算法的计算时间,对于10 000km轨道高度卫星,算法置信度可达99%以上。     

21世纪AMSS／GNSS空间段发展方向兼论卫星资源国际共享问题

航空移动卫星系统（ＡＭＳＳ）空间段采用单一的ＧＥＯ轨道卫星，未来将有ＭＥＯ和ＬＥＯ轨道卫星加入运行，仍然不排斥ＧＥＯ轨道卫星的使用。全球导航卫星系统（ＧＮＳＳ）空间段采用ＭＥＯ轨道卫星，未来将仍然以ＭＥＯ为主，可能有ＨＥＯ轨道卫星加入运行。２１世纪的空间段将为不同轨道卫星的多星座组合，采用一星多用、星座共用，形成多功能卫星和多功能星座。和平时期卫星资源的国际民间共建共营共享将更为普遍，要有全球观点，国内各行各业要有全局观点，对监测和增强系统统一筹建共用系统，防止分散投资、重复建设     

基于汇聚点观测的天基光学监视星座设计

针对地球静止轨道目标监视问题,提出了一种基于汇聚点观测的天基光学监视星座设计方法.研究分析了地球静止轨道目标分布特性,针对静止轨道目标在特定位置分布密度较大的特点,设计了监视星座对汇聚点区域进行重点观测的策略.分析了监视星座的轨道类型和传感器观测策略,提出采用太阳同步轨道设计监视星座和相应的汇聚点区域观测的方法.在满足对汇聚点观测要求及同步带重访周期为1d的条件下,对星座进行了设计.仿真结果表明：设计的4颗卫星组成的观测星座,对同步带目标的重访周期小于1d,24 h内的平均观测时间约为900 s,且能观测到更多的同步带目标.该方法可供工程应用参考.     

低轨卫星可控式冗余分包遥测技术

随着卫星功能日趋复杂,遥测参数越来越多,处理要求越来越快,遥测设计面临越来越大的压力,必须拓展新的设计思路.本文讨论了一种低轨卫星可控式冗余分包遥测技术,更好地缓解遥测信道“瓶颈”,满足用户多样化的遥测需求,提高卫星遥测能力.该设计采用PCM（Pulse Code Modulation,脉冲编码调制）遥测和分包遥测相结合的方案,在信道资源有限,遥测参数庞大、用户需求多样的约束条件下,通过星载软件模式控制的方法实现了动态可编程遥测处理和遥测数传通道的冗余处理,提高了遥测信道的资源利用率、遥测设计的灵活性和系统的可靠性,该技术已成功应用于某在轨卫星,并被多颗在研卫星所采用.     

无先验信息的低轨空间目标航迹起始方法

针对光学观测中缺乏预报信息的低轨道空间目标自动识别捕获问题,提出一种基于修正Hough变换的空间目标航迹起始方法,从而实现空间目标的自动识别。首先利用背景恒星运动规律对观测数据进行预处理,剔除大部分背景恒星。再利用观测数据的时序信息、定向参数进行Hough变换。本方法并没有采用传统的Hough变换对所有参数空间中的数据点进行投票,而是仅对参数空间中部分点投票,可以大幅减少运算量和存储量。试验表明:该方法能够有效地抑制背景恒星产生的虚假航迹,并快速准确地完成无先验信息的低轨道空间目标的航迹起始;可以在光学观测中实现空间目标的自动识别捕获,以及实时发现新目标,这为低轨道空间目标光学观测的无人值守和联网观测奠定了技术基础。     

一种低轨卫星应对月影干扰方法

针对2012年5月21日某低轨卫星受到月影干扰导致控制系统工作异常的问题,分析了月影现象产生原理,结合月影期间影响卫星安全的异常原因,系统分析了卫星平台能源预警机制与驱动控制系统中的太阳帆板控制方案,提出了某型号低轨卫星应对月影现象安全运行的处置方法和后续同类型卫星能源管理修改建议.该方法分别在2012年11月9日、2013年5月10日得到应用,在月影期,该卫星太阳阵输出电流从4.5A下降到2A,太阳帆板对日转动正常,能源管理系统未出现报警.应用结果说明,该方法能够有效地解决同类型卫星月影干扰的问题.     

空间目标地基光电探测与识别技术的发展

空间目标地基光电探测与识别技术是空间态势感知的主要技术手段之一。首先归纳了空间目标的典型光学特征,分析了用于轨道与光学特征探测与识别的两类光电望远镜特点,梳理了国外空间目标光电探测与识别技术的发展历程,简要总结了空间目标地基光电探测与识别技术和应用需求间的主要问题,展望了空间目标光电探测与识别技术的未来发展方向。     

LEO navigation augmentation constellation design with the multi-objective optimization approaches

Low Earth Orbit (LEO) satellite for navigation augmentation applications can significantly reduce the precise positioning convergence time and attract increasing attention recently. A few LEO Navigation Augmentation (LEO-NA) constellations have been proposed, while corresponding constellation design methodologies have not been systematically studied. The LEO-NA constellation generally consists of a huge number of LEO satellites and it strives for multiple optimization purposes. It is essentially different from the communication constellation or earth observing constellation design problem. In this study, we modeled the LEO-NA constellation design problem as a multi-objective optimization problem and solve this problem with the Multi-Objective Particle Swarm Optimization (MOPSO) algorithm. Three objectives are used to strive for the best tradeoff between the augmentation performance and deployment efficiency, namely the Position Dilution of Precision (PDOP), visible LEO satellites and the orbit altitude. A fuzzy set approach is used to select the final constellation from a set of Pareto optimal solutions given by the MOPSO algorithm. To evaluate the performance of the optimized constellation, we tested two constellations with 144 and 288 satellites and each constellation has three optimization schemes: the polar constellation, the single-layer constellation and the two-layer constellation. The results indicate that the optimized two-layer constellation achieves the best global coverage and is followed by the single-layer constellation. The MOPSO algorithm can help to improve the constellation design and is suitable for solving the LEO-NA constellation design problem.     

HOI延迟对LEO卫星简化动力学POD的影响

通常使用无电离层(IF)线性组合(LC)消除低地球轨道(LEO)卫星简化动力学精密定轨(POD)一阶电离层延迟误差,忽略了高阶电离层(HOI)延迟误差。随着LEO卫星POD技术的发展,计算不同轨道高度的HOI延迟并探索其变化已成为进一步提高POD精度的重要手段。首先,使用国际参考电离层-2016(IRI-2016)和国际地磁参考场第13代(IGRF-13)模型,计算电离层穿刺点(IPP)位置和地磁场强度。其次,使用平滑星载GNSS数据计算电离层斜路径总电子含量(STEC)。然后,分别计算GOCE、GRACE-A和SWARM-A/B卫星的二阶和三阶电离层延迟。最后,评估了HOI延迟对LEO卫星重叠轨道分析、卫星激光测距(SLR)检核和精密科学轨道(PSO)比较结果的影响。实验结果表明：HOI延迟对LEO卫星简化动力学POD的影响大约在毫米至厘米的数量级上;HOI延迟对LEO卫星简化动力学POD外符合精度的影响分别达到0.92,0.22,0.21和0.18 mm;随着LEO卫星轨道高度的增加,HOI延迟对LEO卫星简化动力学POD的影响减小。     

中低纬地区混合LEO星座增强GNSS UPPP收敛性能评估

针对全球卫星导航系统(GNSS)精密单点定位(PPP)收敛时间过长的问题,提出了利用低轨卫星(LEO)几何结构变化快的优势,增强GNSS非差非组合PPP(UPPP)的收敛性能。选取中低纬度地区28个能接收GPS、GALILEO和BDS3信号的测站观测数据,比较了极轨和混合LEO星座的增强效果。结果表明：混合LEO星座增强GPS、GALILEO和BDS组合系统时,各测站收敛时间减少60%～80%,70%的测站收敛速度优于极轨星座。当混合LEO星座增强单BDS时,CL和GCL组合系统的收敛时间相当,ENU方向定位误差变化基本一致。收敛时间从10～20 min下降至3 min以内,原因是混合LEO增强BDS定位时,大大改善了卫星的空间结构。