Walker星座的区域导航特性分析

基于反映定位精度的几何精度衰减因子 (GDOP)值 ,提出了一种评估导航性能的品质指标。研究了Walker星座的轨道构型参数 ,特别是卫星数目、轨道平面数、相对相位与轨道倾角对区域导航性能的影响。在轨道运动中考虑了地球扁率对卫星轨道的摄动。分析结果显示了星座轨道相对相位、轨道倾角等参数对星座区域导航品质指标的显著影响 ,导航品质指标比GDOP值能更直接地反映星座导航性能的好坏。     

区域导航星座分析设计研究

导航星座设计涉及诸多参数的优化组合,星座设计目标就是寻找一组参数组合,使其构成的星座在指定覆盖区域既能获得最优星座性能,又节省系统建设成本和星座长期维持费用.在详细论述导航星座性能指标及其可用性算法,以及导航星座参数设计因素的基础上,进一步提出了半分析式区域导航星座设计方法,并综合分析得到4种区域导航星座设计方案.最后,通过对比研究星座性能指标及定位精度仿真结果,初步说明区域导航星座设计方法和设计方案的可行性和合理性.      

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.      

一种基于相对钟差估计的星座自主时间同步方法

针对区域星座自主导航的任务需求,提出了一种基于相对钟差估计的星座自主时间同步方法.介绍了该方法的实现原理,建立了系统状态模型和系统测量方程,并设计了适用于星座时间同步的Kalman滤波算法.仿真结果表明,该方法能够实现星座卫星的时间同步.     

基于半分析式方法的全球导航星座设计

导航星座设计涉及诸多参数的优化组合,设计目标就是寻找一组参数组合,使其构成的星座在指定覆盖区域既能获得最优的星座性能,又节省系统建设成本和星座长期维持费用。首先,提出评价导航星座性能的技术指标、可用性算法以及半分析式星座设计方法;然后,详细论证设计参数对导航星座性能的影响,进而综合分析得到3种全球导航星座设计方案;最后,通过对比研究3种星座方案的性能指标和导航定位仿真结果,说明导航星座设计方法和设计方案的可行性。     

北斗三号全球系统核心星座部署完成

正新闻:2019年12月16日15时22分,长征三号乙运载火箭在西昌卫星发射中心以"一箭双星"方式成功发射第五十二、五十三颗北斗导航卫星。至此,所有中圆地球轨道卫星全部发射完毕,北斗三号全球系统核心星座部署完成。解读:北斗三号卫星星座是我国具有独立知识产权的全球卫星导航系统,星座系统由24颗中圆地球轨道(MEO)卫星、3颗地球静止轨道(GEO)卫星和3颗倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星组成。     

星座区域导航性能和关键星分析

区域导航性能是评价星座导航能力的重要参数,从几何精度衰减因子(GDOP)出发提出了评价区域导航性能的指标:区域几何精度衰减因子标准差和区域几何精度衰减因子变化度。它们和区域平均几何精度衰减因子一起从不同的角度反映了星座的区域导航性能。针对不同的应用,可根据对应的指标确定区域导航的关键星。文中以Walker星座为例论述了依据这些指标选取星座导航关键星的方法。三个指标之间的相关性保证了大多数情况下关键星选取的一致性。     

基于X射线脉冲星的导航卫星自主导航

基于星间链路的导航星座自主导航,存在星座整体旋转误差随时间累积问题,致使星座难于长时间自主运行。X射线脉冲星导航为星座整体旋转问题提供了一种新的解决途径:在导航卫星上安装X射线探测器,探测脉冲星辐射的X射线光子,整合脉冲轮廓和提取影像信息,星载时钟记录脉冲到达时间,经过星载计算机处理得到卫星位置、速度、时间和姿态等导航参数;脉冲星辐射的X射线信号为导航卫星提供了绝对时空基准,不存在星座整体旋转问题。在简要论述基于X射线脉冲星的导航卫星自主导航的基本概念、系统组成和几何原理的基础上,重点研究了导航卫星轨道确定与时间同步的自适应卡尔曼滤波算法,并通过数值分析试验,初步论证利用X射线脉冲星解决自主导航星座整体旋转问题的可行性和合理性。     

基于SBV传感器的地球同步带目标监视系统星座设计

以天基可见光(Space-BasedVisible,SBV)传感器实现对整个地球同步带的监视为研究背景,对监视系统星座构型进行分析与设计.在分析三种观测模式优劣的基础上,给出了最优观测模式;导出了监视卫星轨道高度与搜索栅栏参数之间的关系,并以此确定了监视系统轨道高度的可选范围;通过分析影响天基可见光传感器观测时段和操作策略的因素,给出了SBV传感器的最优观测时段及成像时间的分配原则;在分析单星和双星监视系统方案覆盖率与重访次数的基础上,给出了监视系统卫星数目和搜索栅栏大小的选取原则以及满足回归性的双星监视系统轨道高度选取范围.研究结果表明,监视卫星经过天极附近时采用pinchpoints观测模式可有效提高对较大倾角地球同步轨道目标的覆盖能力,其轨道采用降交点在06:00LT或18:00LT时的太阳同步圆轨道,高度约在615～850km,且在此范围内有6条轨道满足星座回归性要求.      

“北斗”卫星导航系统空间信号接口控制文件解读

"北斗"卫星导航系统采取"三步走"的发展步骤:第一步,"北斗"卫星导航试验系统;第二步,"北斗"卫星导航系统区域服务;第三步,2020年左右全面建成"北斗"卫星导航系统,形成全球服务能力。目前,"北斗"区域卫星导航系统星座拥有14颗卫星在轨运行,包括5颗地球静止轨道(GEO)卫星、5颗倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星和4颗中圆地球轨     

卫星导航系统失效性能分析与重构方法研究

摘要： 以建成后的北斗卫星导航系统为对象,研究导航星座中有卫星失效下的星座性能和重构方法.分析不同失效模式下导航星座的服务性能,在此基础上建立导航星座重构构型的优化模型和基于遗传算法的导航星座重构构型优化设计方法;研究星座构型重构过程中卫星的机动策略和机动模型;针对某一具体的失效情况通过仿真计算验证重构模型的有效性和准确性并给出该失效情况下构型重构的机动方案.     

Low Earth orbit constellation design using a multi-objective genetic algorithm for GNSS reflectometry missions

Spaceborne global navigation satellite system reflectometry (GNSS-R) is an innovative bistatic radar remote sensing technique utilizing low Earth orbit (LEO) based GNSS-R instruments to acquire GNSS L-band opportunistic signals for measuring geophysical parameters. A GNSS-R LEO constellation with an optimization design for its specialized missions is very significant and necessary. However, the constellation design involves multi-parameter and multi-objective optimization, and the classical analytic solution is not capable of such a complicated issue. This study proposes a multi-objective LEO constellation design method with a genetic algorithm (GA) and presents a framework for designing two GNSS-R LEO constellations, termed “lower-latitude constellation” for typhoons and hurricanes observation in the tropics and “global constellation” for global geophysical parameter measurements. Then, the observation capability of both designed constellations is evaluated in terms of the number of reflection points, spatial coverage density, and revisit time to verify the GA efficiency in LEO constellation design. Results show that the two designed LEO constellations with high fitness function values possess optimal orbit parameter set configuration and outperform the existing CyGNSS constellations in observation performance. Compared with CyGNSS, the number of reflection points observed by the lower-latitude constellation and the global constellation increases by 38% and 45%, as well as the spatial coverage density increases by 28% and 36%. The revisit time for the lower-latitude constellation is reduced by 0.29 h, whereas the revisit time for the global constellation increases by one hour.     

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。     

路由算法在LEO通信星座构型优化中的应用

低轨(LEO,Low Earth Orbit)通信星座的特殊功能决定了其构型优化需要综合考虑成本、覆盖和路由性能等因素.以往的研究往往忽略了路由性能,导致优化得到的构型不能很好的满足要求.首先给出了两个意义明确的星座路由性能的评价指标,然后通过将它们作为目标函数进行仿真,验证了其优化必要性和评价有效性.最后利用多目标遗传算法实现了星座的构型优化.仿真结果显示,将路由算法加入到星座的构型优化中,在仅对星座构型参数进行微调的前提下,不仅满足了成本、覆盖等基本要求,而且星座的路由性能大大提高.     

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。     

基于差分进化算法的导航星座在轨重构构型设计

针对有卫星失效下的导航星座,提出了对在轨卫星进行相位机动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。首先,利用共面高轨和共面低轨变相的方式来对在轨卫星的相位进行调整,建立共面轨道相位机动的数学模型;其次,提出了除重构时间和重构能量外的其他重构指标,包括重构能量均衡度和重构构型恢复性,并建立了各重构指标的数学模型;然后,建立了重构构型的优化模型,并对优化问题中个体的评价手段与编码方式进行设计;最后,以北斗中MEO卫星失效为例,利用差分进化算法对优化模型进行求解,得到以不同重构指标为目标函数下的Pareto前沿。从结果中可以看出该重构方法对星座性能的提升最大可以达到41.2%,同时Pareto前沿中对应的所有重构策略中,重构能量、重构构型的均衡度、重构构型的健壮性的数量级均维持在-1、-3和0的水平。     

Walker星座摄动分析与保持控制策略

针对运行在中高轨道上的全球Walker星座的构形长期保持控制问题,通过分析星座卫星的轨道摄动及构形相对漂移,研究了星座构形长期保持的控制方法及控制策略.对于星座构形的保持,研究了星座构形摄动补偿法,提出了星座构形数值微分修正法.最后给出了全球星座构形长期保持控制策略并进行了仿真验证,仿真分析表明,星座构形数值微分修正法比构形摄动补偿法具有更高的控制计算精度.     

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。     

Geosynchronous satellites expanding a future GNSS satellite constellation: A precise orbit determination study

The integration of geosynchronous orbit (GSO) satellites in Global Navigation Satellite Systems (GNSS) is mostly discussed to enable a regional enhancement for tracking. But how do GSO satellites affect the orbit determination of the rest of the constellation? How accurately can these orbits be determined in a future GNSS tracking scenario with optical links? In this simulation study we analyze the benefit of GSO satellites as an expansion of a MEO (Medium Earth Orbit) satellite constellation – we selected the Galileo satellite constellation – for MEO Precise Orbit Determination (POD). We address not only the impact on POD of MEO satellites but also the possibility to precisely determine the GSO satellites – geostationary orbits (GEO) and inclined geosynchronous orbits (IGSO) – in such an expanded MEO constellation. In addition to GNSS microwave observations, we analyze the influence of different optical links between the participating entities: Optical two-way Inter-Satellite Links (OISL) and ground-space oriented Optical Two-Way Links (OTWL). These optical measurements together with the GNSS microwave observations give a remarkable benefit for the POD capability. In the case of GNSS and OTWL, we simulate the measurements with regard to a network of 16 ground stations. We pay great attention to the simulation of systematic effects of all measurement techniques. We discuss the influence on the systematic errors as well as the formal orbit uncertainties. A MEO constellation expanded with GSO satellites as well as the use of optical links together with GNSS observations not only improves the MEO satellite orbits but also the GSOs to a great extent.