大型低轨星座构型演化分析及维持控制策略研究

针对大型低轨星座构型维持控制问题,搭建了一套星座构型演化及维持控制分析流程,适用于千颗量级的大型低轨Walker卫星星座构型演化分析及维持控制;采用去平均漂移偏差的相对构型保持方法分析星座构型演化情况,有效减小了控制频次、均衡了控制卫星分布;采用自由段维持策略有序规划各卫星位置维持控制时序和控制弧段,实现了整个星座在时间和空间维度有序、分散的控制,降低了对星座服务性能的影响。     

面向导航增强的低轨星座设计与应用

随着传统产业升级和新兴技术的发展,社会生产和生活对分米级、厘米级的实时精准定位需求日益凸显。低轨卫星轨道高度低、信号强度大、短时间内几何构型变化快,因此应用低轨卫星开展导航增强服务成为研究热点。低轨卫星的增强服务性能依赖于星座的快速组网和设计,低轨卫星星座构型、轨道高度、轨道倾角等是影响其覆盖性能和增强性能的关键因素。全面分析了低轨星座设计的关键要素,包括轨道高度、轨道倾角和单星覆盖性、地面人口密度、空间环境等,在此基础上设计了单构型和复合构型低轨导航增强星座,并进一步分析低轨星座的覆盖性能。结果显示:复合低轨导航增强星座可以实现对全球的连续覆盖,同时满足极地高密度覆盖和低纬度的连续覆盖需求,对北斗导航系统的增强效果明显。     

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。     

Walker星座碰撞检测及碰撞概率分析

针对Walker星座的碰撞问题,在狭义碰撞的基础上,设计一种Walker星座碰撞检测模型。该模型考虑星座实际在轨构型发散与维持偏差,给出了Walker星座构型维持条件下的广义碰撞检测与碰撞概率计算方法,并提出了表征Walker星座构型防碰撞性能的安全度系数。利用该检测模型,在进行Walker星座设计时不仅可以避免狭义碰撞,还可以实现星座在构型维持阈值内的广义碰撞安全性分析,实现星座构型择优。通过案例仿真分析,证明了该系统模型的可行性及可靠性。     

低轨Walker观测星座构型设计方法研究

微小卫星星座在遥感、通讯、导航和深空探测领域具有巨大潜力,对于地区的经济发展、环保监督和应急预警都有重要意义。本文依托低轨Walker星座展开研究,通过分析轨道摄动影响下的传统星座构型,得到单颗卫星的地面覆盖面积。利用覆盖带理论建立星座构型设计模型,分析卫星星座的区域覆盖能力,实现星座构型参数的优化。以京津冀地区观测星座构型全时段设计为例,通过理论分析与STK软件仿真分析结果对比,验证了提出的星座构型设计方法的可行性和有效性,得到了京津冀地区观测卫星星座构型的最优参数。     

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。     

大型低轨航天器与星座卫星的碰撞风险研究

针对商业小卫星星座迅猛发展对航天器飞行安全造成潜在威胁的问题,以600 km高度星座和大型低轨航天器为研究对象,通过区域方法(BOX)和碰撞概率风险评估方法,分析了星座与大型低轨航天器的碰撞风险。根据星座轨道演化分析表明,整个星座卫星与大型低轨航天器可能发生碰撞的时间相对集中,持续时间约 1~ 2年。BOX方法计算结果表明,每颗卫星与大型低轨航天器交会,并进入红色预警门限的交会次数约10次左右。碰撞概率计算结果表明,约有5%的卫星进入红色预警门限,星座如果在寿命末期采取无控再入将对大型低轨航天器在1~2年内产生较大的威胁。     

基于改进粒子群算法的混合卫星星座优化设计

对用低轨子星座和椭圆轨道子星座组成的混合卫星星座实现不均匀覆盖进行了研究。给出了低圆轨道和椭圆轨道的设计方法和计算模型。基于对传统粒子群算法的改进,提出了一种自适应变异与非线性单纯形法综合的高效粒子群优化算法对星座进行优化设计,并给出了设计的某混合卫星星座的整体构型。分析结果表明:该法明显优于遗传算法和传统粒子群算法。     

低轨大规模Walker通信星座构型控制仿真系统研究

设计和开发了低轨(Low earth orbit,LEO)大规模Walker通信星座构型控制仿真系统,该系统分为轨道仿真分系统、构型维持分系统、在轨重构分系统和电推进离轨分系统4个部分,分别利用两次偏置法、考虑燃耗均衡性等指标的在轨重构方法和结合增广拉格朗 日粒子群算法(Augmented lagrangian par...     

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.     

全球星摄动运动及摄动补偿运控策略研究

绕地卫星摄动运动是导致星座设计构型发散的主要因素,摄动补偿轨道控制是维持全     

分布式卫星轨道构形的大气摄动分析及修正方法

在低轨道运行的分布式卫星受大气摄动的影响,其轨道构形很快遭到破坏,环绕卫星的相对运动轨迹中心不断发生漂移。本研究的目的在于建立一种降低大气摄动对分布式卫星轨道构形影响的补偿方法,以使分布式卫星的轨道构形能够更好地自然维持。研究基于考虑高度变化和太阳周日变化的大气密度模型,得出分布式卫星不同初始相位环绕卫星的长半轴摄动方程。并提出一种补偿大气摄动影响的长半轴修正方法。仿真结果显示,采用此大气摄动补偿方法能够在给定时间内大大降低大气摄动的影响,从而显著提高分布式卫星轨道构形的自然维持能力。     

微纳卫星星座的Kuhn-Munkres匹配部署优化方法

针对将半长轴、升交点赤经、纬度辐角均不同的低轨微纳卫星群部署到同一轨道面不同目标相位的星座部署问题,提出一种基于Kuhn-Munkres(KM)匹配的星座部署优化方法。通过KM算法实现卫星和目标纬度辐角的优化匹配,充分利用J₂摄动,使升交点赤经借助半长轴和纬度辐角的部署而得到同步修正,从而节约燃料。仿真结果表明,相比于传统部署方法,在相同约束下,优化后的部署方法使各星平均燃耗减少,各星燃耗量均衡性提高。弥补了传统同轨星座部署中将各星初始位置简化为空间一点且忽略部署过程中的升交点赤经漂移的不足。采用有限常值推力实现轨道机动,适用于携带微推力推进系统的微纳卫星。     

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。     

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。     

卫星厘米级定轨的实施建议

对我国实现卫星厘米级定轨的技术途径 ,提出了下列建议 :利用我国在国外的卫星观测站和在国内的 IGS跟踪站 ,建立 GPS国际基准观测网 ,进行星载 GPS双频动态载波相位测量定轨 ;注重大气阻力摄动对低轨卫星定轨的精度损失 ,不仅要安装性能优良的星载 GPS双频接收机 ,而且要装备卫星加速度计 ;采用星载 GPS信号接收机 /激光后向反射镜阵列协同定轨法 ,确保卫星定轨测量的径向误差达到厘米级     

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.     

长期在轨运行卫星的轨道维持技术

本文研究近地轨道卫星长期在轨运行的轨道维持问题。轨道维持的任务是将卫星的星下点轨迹保持在设计的参考轨迹附近。近地轨道卫星所受的摄动力包括地球引力摄动、日月摄动、大气阻力摄动和光压摄动等,而影响卫星轨道星下点漂移的主要因素是大气阻力摄动。本文给出了一种新的卫星轨道维持策略,数学仿真表明了其有效性。     

用于对地观测定位的编队飞行卫星群轨道构形设计

编队飞行卫星群是一组小卫星,它们具有短的相对距离、相等的轨道半长轴和微小差别的其它轨道要素,它们形成相互伴随运动,并且具有一定的构形。提出将编队飞行卫星群的轨道设计技术应用于对地观测定位卫星系统中。根据设想的要求,针对由四颗伴随卫星围绕基准卫星(或一个虚拟的中心)飞行的轨道设计案例,初步分析了编队飞行卫星群的构形保持,地球引力和大气阻力的摄动影响等问题。