基于多目标进化算法的MEO区域通信星座优化设计

在分析星座轨道要素的基础上，研究了用改进非劣分层遗传算法（NSGA—Ⅱ）对中轨道（MEO）卫星的区域通信卫星近地点幅角、升交点赤经和平近点角等星座参数进行优化的方法，并对有5颗椭圆中轨卫星的星座进行了优化仿真。结果表明，优化后的星座不仅能在我国领土范围内提供实时通信服务，而且具有一定的全球覆盖能力。     

低轨卫星星座精密定轨及运行控制发展综述

对低轨卫星星座精密定轨及运行控制进行了综述。首先将低轨卫星精密定轨的关键技术分为星载GNSS高精度定轨、星间链路高精度定轨和联合中继卫星高精度定轨3个方面,梳理了研究进展,分析了未来低轨卫星精密定轨的发展趋势。然后分析了低轨卫星星座的摄动力,介绍了运行控制的概念,将关键技术分为纬度幅角控制技术和升交点赤经控制技术,分别梳理了研究进展,给出了未来低轨卫星星座运行控制的发展趋势。     

一种提高导航卫星星座自主定轨精度的方法研究

针对近地导航卫星仅利用星间测距进行自主定轨时,因无法消除星座整体旋转误差而导致长期自主定轨精度不高的问题,提出了利用拉格朗日导航卫星星座与近地导航卫星星座联合仅利用星间测距进行自主定轨的方法。建立了拉格朗日轨道导航卫星星座和近地导航卫星星座联合仅利用星间测距进行自主定轨的动力学模型和观测模型。利用扩展Kalman滤波（EKF）算法和星间测距信息实现了拉格朗日轨道导航星座与近地导航星座的长期自主定轨。以4颗拉格朗日卫星组成的导航星座与12颗GPS卫星组成的近地导航星座作为仿真对象进行了仿真分析,仿真结果表明本文仅利用星间测距的联合自主定轨方法可以有效提高导航卫星星座的长期自主定轨精度。
     

分布式InSAR卫星绕飞角设计与控制方法研究

针对分布式卫星绕飞轨道构型设计与控制问题,提出了基于Hill方程的绕飞构型设计算法,给出了绕飞角与升交点赤经偏差和轨道倾角偏差的关系,并分析了绕飞角的稳定性;根据分布式InSAR卫星绕飞构型特点提出了基于开普勒轨道实现特定绕飞角和绕飞半长轴的双层迭代轨道控制算法。仿真结果表明,上述方法设计的绕飞构型稳定,捕获控制策略简单可行、控制精度高,具有一定的工程参考价值。     

中低轨道卫星控制方法

针对中低轨道卫星，对平面内卫星半长轴α、偏心率e和近地点幅角w联合调整，以及平面外轨道倾角调整等进行了理论推导.用α，e，w联合修正法对初始轨道捕获、轨道保持和轨道倾角调整进行的仿真实验结果表明，用α，e，w同时修正可实现高精度的平面内轨道调整。另外，平面外倾角调整应尽可能在近地点和远地点完成，以使对升交点赤经的影响最小。     

一种低轨星座高精度相位保持方法

针对大型低轨星座在轨运行的高精度构型保持问题,提出了一种基于极限环的高精度相位保持方法。首先,推导了实际轨道与参考轨道的平相位角偏差与半长轴偏差的关系；然后,建立了基于极限环的相位保持周期以及半长轴改变量计算方法；最后,基于推导的半长轴偏差与相位偏差的关系,提出了一种相位保持实施方法。考虑地球非球形和大气阻力的数值仿真表明：本文提出的相位保持方法能够在卫星定轨数据精度不高、数据采样间隔较大的情况下,实现低轨星座系统的高精度相位保持。     

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。     

中高轨道卫星离轨参数研究

介绍了国际上对卫星离轨的处置政策以及美国NASA对GPS卫星离轨参数的研究结论。从确保卫星离轨期间以及离轨后与相邻轨道卫星不发生碰撞的角度出发,针对我国中高轨道运行的卫星,按照不同初始轨道参数对卫星离轨后长达200年的时间内各轨道参数的演化情况进行研究,研究结果表明:卫星离轨的近地点幅角初值的选取与升交点赤经密切相关。最后提出了对我国中高轨道卫星离轨高度、偏心率和近地点辐角等参数的选取建议,希望能为到达寿命末期的中高轨道卫星离轨工作提供参考。     

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。     

考虑J2项摄动的星座相对运动控制

利用轨道某些要素(偏心率，升交点赤经和倾角)的差别可以构成由一颗中心星和几个环绕星组成的近距离星座。在理想中心引力场下，环绕星运行轨迹在水平面投影可以呈现封闭圆形。在地球引力摄动时，这种空间形状将逐渐发散。为此，本文考虑J2项摄动的影响，设计了对其具有鲁棒性的环绕星相对轨道；进而导出了带有J2项摄动的环绕星相对运动方程，并给出了基于惯性笛卡尔坐标系运动学变量的相对轨道控制方法。分析和仿真结果表明，这种控制方法能够实现星座相对运动的高精度控制。     

微纳InSAR卫星总体技术研究

微纳合成孔径雷达干涉(Synthetic Aperture Radar Interferometry, InSAR)卫星是对地定量化遥感的重要手段。开展了微纳InSAR卫星系统总体技术研究,给出了使得干涉测量覆盖范围最大的双星编队构型设计方法,建立了低燃料消耗双星轨道参数设计准则,提出高功能密度比InSAR卫星系统的设计方法,包括载荷平台一体化、卫星高集成模块化等总体设计方法,并给出了相应的设计实例。     

Research on constellation refueling based on formation flying

A new scheme for refueling satellite constellation is proposed in this paper. Compared with the traditional research, where the satellite refueling is implemented through spacecraft rendezvous and docking, the new pattern studied here is based on formation flying, and it is more feasible, safer and more reliable. On the grounds of the proposed pattern, two refueling strategies are studied. The first is called single supplier refueling (SSR) based on formation flying. In this scenario, one fuel-sufficient satellite called a supplier, departs from its parking orbit, and after a series of orbit maneuvers, arrives at the target constellation that consists of multiple fuel-deficient satellites called workers. It then transfers equal fuel to each worker within the prescribed mission time. The second strategy is called double suppliers refueling (DSR) based on formation flying. This time two suppliers take charge of refueling half of the workers respectively in the same way as SSR. Using a genetic algorithm, the orbit of a supplier with a minimum consumption of fuel can be obtained once the mission time is fixed. Simulation results indicate that DSR is superior to SSR and that this dominance will be more distinct as the number of workers increases and the mission time decreases.     

Fuel consumption and collision avoidance strategy in multi-static orbit formations

This paper analyses the fuel consumption of interferometric radar missions employing small satellite formations like, e.g., Cross-track Pendulum, Cartwheel, CarPe, or Trinodal Pendulum. Individual analytic expressions are provided for each of the following contributions: separation from a simultaneously injected master satellite, formation set-up, orbit maintenance, formation maintenance, and distance maintenance. For this, a general system of equations is derived describing the relative motion of the small satellites in a co-rotating reference frame. The transformation into Keplerian elements is carried out. To evaluate fuel consumption, three master satellites are assumed in different orbital heights, which are typical for Earth observation missions. The size of the exemplarily analysed formations is defined by remote sensing aspects and their respective fuel requirements are estimated. Furthermore, a collision avoidance concept is introduced, which includes a formation separation and formation set-up after a desired time period.     

Low cost orbit transfer of inoperative satellites by a service vehicle

Tumble Orbit Transfer, which is an effective method of re-orbiting inoperative satellites is described. This is done by an independent service vehicle equipped with a long arm and a grapple mechanism on top of it. After grappling the target satellite, the service vehicle orients its axis perpendicular to the orbit velocity vector. Then a thruster is activated to give an impulse on the service vehicle, which simultaneously causes velocity change and tumbling of the combined system. Since the angular momentums of two masses are exchanged periodically, separation at a selected instance will bring each mass into different orbits, one with a higher energy and the other with a lower. Separation soon after the impulse application puts the target satellite into an elliptical orbit, and separation after a half orbital period puts it into a higher circular orbit, assuming the original orbit is circular. The amount of total impulse is exactly half of that required in a conventional method. In case the service vehicle returns to the original orbit after injecting the target into the new orbit. The required total impulse is further reduced to one-third maximum. Another important feature of this method is the ease of capturing. Because the dominant force during and after the impulse application is tension through the arm, bending rigidity in the capture mechanism is not required. Therefore, a simple grapple will be enough for this maneuver. Small fuel requirements and simple capturing make this method attractive for transferring orbiting objects, and only this will provide a method of re-orbiting inoperative satellites of arbitrary shape.     

北斗三号卫星与上面级供电相关接口分析及验证

卫星采用运载火箭上面级发射入轨期间,经历了由大椭圆轨道至圆轨道的过程,飞行姿态经历了变轨、慢旋、分离后巡航等多个阶段。在太阳翼展开前,卫星要经历比自身变轨更为恶劣的高低温环境及能源紧张等供电风险。在分离时刻的太阳翼碰撞或干涉安全性也需要重点关注和分析。针对北斗三号一箭双星采用上面级直接入轨方式的特点,分析了卫星与上面级间的供电和热设计接口,并从双星分离安全性角度考虑,分析影响卫星与上面级接口安全性的主要要素,并对应用和验证情况进行总结。     

同步卫星E/W轨道控制盒划分策略

对于当代同步轨道通信卫星来说,星载设备寿命一般都高于星载燃料使用寿命,因此卫星设计寿命都是以星载燃料消耗殆尽为依据的。卫星轨道保持不仅是卫星测控任务的重要工作之一,同时也是星载燃料消耗的主要途径。文中从卫星平经度漂移量、测站定轨精度、星载推进器推力误差、卫星南北机动对东西方向耦合等多方面探讨同步轨道通信卫星E/W轨道保持策略,介绍一种细化轨道控制区间、估算偏心率控制圆半径范围的方法。     

考虑燃料均衡的卫星编队队形重构技术

在卫星编队队形重构过程中,如何在实现编队整体燃料消耗较少的同时使得各子卫星燃料消耗均衡,能够有效地提高卫星编队整体的寿命。提出了一种基于虚拟中心位置可变的卫星编队队形重构新方法。该方法以虚拟中心位置为寻优变量,以首末脉冲时刻可优化的双脉冲规划作为单星轨道机动策略,将编队队形重构问题转化为混合0-1数学规划问题。仿真结果表明,该优化算法在实现整体燃料次优的同时,兼顾了各星当前的燃料剩余水平,实现了各子卫星的燃料均衡。     

近地星座异面遍历交会轨道全局优化

根据J 2摄动对轨道面的长期影响规律,提出了一种在近地低轨道星座卫星之间进行异面轨道交会的解析近似方法,并用于建立多星多约束遍历交会的混合整数规划模型,能够快速获得多星交会次序、交会时刻的最优解。仿真算例表明提出的方法适用于在轨服务、构型重建等类型任务的快速优化,计算速度和燃料消耗优于以往类似算法。     

高低轨双星时频差无源定位精度

高低轨卫星联合定位是提高地面辐射源无源定位精度的有效方法。从时差基线、速度差增加方面分析了高低轨双星定位精度相对同轨卫星定位精度高的原因,推导出高低轨双星时频差定位误差分布表达式,分析了高低轨联合定位适用的时频差测量方法及其测量精度。仿真分析结果表明:在低轨卫星星下点附近较大范围内,定位精度达到百米量级。验证了双星相对位置变化、时频差测量误差、高低轨卫星自身位置速度测量误差等因素对高低轨双星定位精度的影响。