基于卫星数字并行系统的星座成像调度方法

遥感卫星星座成像调度是指通过调度和分配可用的卫星观测资源,对多个地面目标点进行成像.为了使成像调度方案满足任务需求并具有最优任务效能,通常将星座成像调度问题描述为含有多种约束的优化问题.本文提出一种卫星数字并行系统,模拟在轨卫星星座运行及控制过程.在系统中建立模拟GNC分系统、数管分系统、测控分系统功能的数字孪生卫星,接收并执行真实卫星控制指令,并以遥测数据的形式反映卫星姿态和轨道控制过程.考虑卫星多目标成像中的能量、时间窗口、光照及气象条件约束,以目标点重访时间为优化指标,将星座成像调度问题建模为一类带有约束的优化问题.通过卫星数字并行系统的加速仿真得到多目标成像序列的可行解集,并通过求解优化问题,得到多目标点重访频率最高的星座成像调度方案.仿真结果表明,本文提出的方法解决了星座成像调度中的目标分配问题,采用的数字孪生卫星模型能够真实模拟卫星姿轨控过程,从而保证该方法在星座成像任务中更具可行性和时效性.     

GNSS遥感探测卫星星座设计

随着全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System,GNSS）掩星大气探测技术的兴起,GNSS遥感探测数据在气象数据资源中逐步占据重要地位,但是目前的掩星探测数量远不能满足数值天气预报等应用的需求,未来更需要充分利用GNSS信号资源,开展更大规模的GNSS掩星卫星星座探测.本文以世界气象组织发布的大气海洋数据需求为参考,提出新一代GNSS遥感探测星座任务需求与设计约束.在理想大气模型假设下,利用几何解析方法研究了探测卫星星座构型参数对探测性能的影响,并建立了新一代GNSS遥感探测卫星星座设计基本准则.以风云卫星为子星座,给出了星座规模同为40颗的三种GNSS遥感探测微纳卫星星座设计方案.研究结果表明,具备该规模的探测星座可满足数值天气预报等气象应用的最低数据需求,三种构型方案中,由高、中、低倾角三组Walker子星座与风云卫星子星座组建的GNSS遥感探测星座探测性能最优.      

中轨道Walker导航星座在轨备份方案优化设计

针对中轨道Walker导航星座在轨备份方案的优化问题,首先提出了在轨备份星轨位优化设计方法,考虑星座运行期间在轨备份星与工作卫星存在共同提供服务的情况,选取PDOP值和可见卫星数作为轨位优化指标,建立了轨位优化模型,并基于NSGA-Ⅱ算法对不同轨位下在轨备份星对导航星座服务性能的提升效果进行仿真分析;然后,基于在轨备份星轨位的优化结果,建立在轨备份星替换的轨道机动模型,并综合考虑速度增量和替换时间,确定了以替换时间最少为优化目标的在轨备份星替换方案。结果表明,提出的在轨备份方案能有效满足备份星的设计需求,增强导航星座的服务性能,实现故障卫星的快速替换,可为导航星座备份星的建设提供借鉴。     

环境减灾A、B星星座轨道维持技术与实践

为维持环境减灾A、B星星座的轨道构型,保证CCD相机48h对中国覆盖和对全球重访的特性,满足中国灾害与环境监测以及全球陆地观测的需求,制定了同时考虑地面轨迹和星座相位的轨道维持策略。在减灾和环保业务应用过程中,主要关注星座的重访和覆盖特性,严格的地面轨迹维持意义不大,因而形成了主要考虑星座相位的轨道维持方法。该方法能够减少轨道维持次数,降低操作风险,节省星上燃料,有利于延长卫星寿命。A、B星星座运行3年多,仅通过2次轨道调整就完成了星座轨道维持控制任务。     

不规则区域成像覆盖星座构型优化设计

近年来卫星对地观测需要呈现逐年上升趋势.从单个目标点的对地观测卫星星座构型设计方法入手,推广为设计满足不规则大范围成像区域重访时间需求的卫星星座.以卫星数目最少及满足重访时间要求为优化目标,采用改进的模拟退火算法,结合改进的等面积网格点覆盖法,提出了一种针对不规则区域成像全覆盖的卫星星座构型优化设计方法.分析了光照因素对重访时间、所需卫星数目以及星座构型的影响,并通过仿真分析验证了算法的可行性.      

基于改进的NSGA-Ⅱ算法的区域覆盖卫星星座优化

对基于Pareto最优概念的非劣性分层遗传算法(NSGA-Ⅱ)进行了改进，与区域覆盖卫星星座的多目标优化设计相结合，提出基于改进的NSGA-Ⅱ算法的区域覆盖卫星星座优化设计方法，并利用多属性决策中的字典序法，根据目标的重要程度，在得到的Pareto解中进行选择．最后，利用STK和Matlab工具对遥感卫星星座进行了仿真，仿真结果表明该算法可以找到多个Pareto解，避免了传统的多目标优化求解方法的权值选择问题，并且比简单遗传算法具有更好的灵活性，从而解决了多目标优化的星座设计问题。     

基于TLE的Starlink星座第一阶段部署情况分析

近年来,随着卫星技术的快速发展和低轨（low earth orbit,LEO）卫星宽带互联网建设需求的不断增加,低轨大规模星座发展日新月异。针对Starlink星座初始化部署问题,首先论述了“星链”（Starlink）星座现状,分析在轨卫星高度变化。然后利用公开的两行轨道根数（two-line element,TLE）,从卫星发射入轨、轨道面分布两个方面,简要分析了Starlink星座的部署情况,给出升交点的变化规律;同时仿真分析了Starlink星座对地面的覆盖性能。最后,给出星座轨道面和相位分布、故障卫星处置以及可见卫星数量。所分析的结果以期为中国未来部署大规模LEO星座的建设提供借鉴。     

基于快速响应的导航星座重构构型设计

针对有卫星失效下的导航星座,提出发射快速响应卫星的方法来对星座的空间构型进行重构,以实现修复和改善星座性能的目的.对快速响应任务中快速响应卫星的发射方式和入轨方式进行分析,建立快速响应卫星响应时间的数学模型;建立基于快速响应的重构构型优化模型,对优化问题中的优化变量、约束条件、目标函数进行分析;以北斗中MEO卫星失效为例,利用NSGA Ⅱ算法对优化模型进行求解,并采用双层编码的方式对优化参数进行编码得到以星座性能和响应时间为目标函数下的Pareto前沿.从结果可以看出该重构方法能有效提升受损星座的性能,同时Pareto前沿中对应的所有重构策略中,响应时间均小于一天.     

基于改进MOPSO算法的区域侦察弹性星座重构方法

针对区域侦察弹性星座重构问题,提出了基于改进多目标粒子群优化算法(multi objective particle swarm optimization,MOPSO)的区域侦察弹性星座重构方法。该方法采用一箭多星发射和在轨卫星相位机动相结合的方式对受损星座重构。首先选取了星座覆盖、重构成本、重构时间和星座弹性四方面的指标;其次对一箭多星发射过程和卫星相位机动过程进行了分析,对失效轨道面内剩余正常卫星采取均匀相位的策略。以恢复原有星座性能为目的,考虑最大重访时间、重构成本、重构时间及弹性,建立了重构时间和重构成本最优的重构优化模型。最后对MOPSO算法进行了改进,提出了基于学习机制的种群更新策略,通过变量转化将离散变量转化为连续变量,解决了重构优化模型中混合变量优化问题。针对某一受损星座进行仿真,重构时间最优的重构方案为发射6颗新卫星结合在轨卫星均匀相位;重构成本最优的重构方案为发射4颗新卫星结合在轨卫星均匀相位。案例表明提出的重构方法有效,可为侦察星座的建设提供参考。     

虚拟星座构建方法与关键问题研究

正随着各国遥感卫星能力的日益提升,逐步由中低分辨率向高分辨率、单颗卫星向星座组网发展,由单一规划的星座向更加复杂的、多元参与的虚拟星座组网发展,这对传统星座的构建方法和资源保障提出新的挑战。随着全球对地观测需求以及商业航天产业兴起,国际组织及航天企业提出了很多卫星组网计划。起初,国际对地观测卫星委员会(CEOS)提出了多个虚拟星座项目,并在空间与重大灾害国际宪章(CHARTER)机制下     

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。     

低轨卫星的北斗反射信号海洋覆盖分析

北斗系统作为我国自行研制的导航系统，具有独特的混合星座特性，其反射事件在海洋上的空间分布和覆盖性能的研究成果较少。针对上述问题，模拟了北斗三号（Beidou System 3，BDS3）以及全球定位系统（Global Positioning System，GPS）空间星座，模拟不同性能参数的低轨接收卫星，在此仿真系统的基础上，计算反射事件在各仿真场景下的海洋覆盖率以及同时发生反射事件的卫星数量。结果表明：BDS3与GPS相比具有更大的反射事件海洋覆盖率，覆盖性能更优；仿真周期7天与1天相比,前者卫星产生的反射事件海洋覆盖率约为后者5倍；低轨道卫星（Low Earth Orbit,LEO）轨道高度越高，天线波束角度越大，反射事件海洋覆盖率越大；3颗LEO卫星下同时发生反射事件卫星数的平均值约为单颗LEO卫星的3倍。可通过设计多星组网来提高反射事件海洋覆盖率。研究结果对星载反射技术海洋遥感应用方面有一定的参考价值。     

低轨导航增强卫星星座设计

针对目前全球低轨卫星快速发展的现状,对低轨导航增强卫星星座设计方法进行了详细的研究。首先推导了轨道高度与可视球冠的关系,结合太空垃圾分布,从覆盖范围、经济性及碰撞风险几方面联合确定了轨道高度。然后推导了用户仰角与轨道倾角的关系,分析了实现南北极点覆盖的轨道倾角。接着结合铱星星座,推导出单一星座构型无法实现全球范围内均匀的可见星和精度衰减因子（Dilution of Precision,DOP）值分布。最后提出了一种组合低轨卫星星座设计方法。结果表明,该方法设计的组合星座在实现全球覆盖的同时,能够实现可见星数量与DOP值在全球范围内的均匀分布。     

基于覆盖性能的Walker-δ星座构型保持

考虑到Walker-δ星座中各星相互协作关系,提出一种基于覆盖性能的星座构型保持策略.作为策略判别指标的覆盖性能由一种改进的网格点仿真法获取.这种改进方法依照卫星星下点与网格点的几何关系,可以快速判断处于覆盖区的网格点,然后统计出星座的全球覆盖信息.卫星的标称位置是考虑J2项摄动长期影响得到的动态位置.星座运行过程中,一旦发现不满足覆盖要求的点,结合各卫星的标称位置,可以找出影响覆盖性能的卫星.最后将该卫星调整到标称位置即可完成构型保持.最后给出构型保持策略的仿真算例,仿真结果表明了策略的有效性.     

区域覆盖特殊椭圆轨道星座优化设计

分析了椭圆轨道的优良特性,它可集中覆盖地面上某一指定纬度带或区域.阐述了临界倾角太阳同步回归轨道这种特殊椭圆轨道的设计方法,总结了其轨道要素的计算步骤.探讨了临界倾角太阳同步回归轨道星座的设计思路,指出了影响星座对目标覆盖性能的关键参数是各个卫星通过目标上空的时刻.介绍了用遗传算法进行星座优化设计的数学模型,利用遗传算法进行了优化设计.讨论了优化结果的统计规律,符合该规律的星座就是本文所研究的特殊椭圆轨道星座,星座性能分析结果表明这种星座适用于区域覆盖.      

一种双基站低轨道区域覆盖δ星座设计

在双基站理论研究基础上 ,进行了定倾角区域性覆盖双基站δ星座设计 ,采用倾角为 41°的回归轨道 ,用点覆盖数值仿真的方法设计了对地面站与空间站的一重覆盖与二重覆盖下的星座构型。且星座中各星之间 ,各星与空间站之间均可建立星际链路 ,保证数据在空间站、地面站及星座之间连续传递