故障星分布对星座PDOP可用性影响的建模及评价

 导航星座定位精度衰减因子（PDOP）可用性是卫星导航系统顶层设计的重要指标。研究了不同故障星分布状况对全球导航星座PDOP可用性的影响。首先,从概率角度并采用组合方法建立了全球导航星座PDOP可用性指标的统计评价模型。进而对给定数量的故障星分布在单个或多个轨道面内的不同状况下,典型的Walker δ构型导航星座的PDOP可用性如何变化进行了仿真计算和比较分析。仿真结果表明,故障星分布状况和轨道平面数对星座PDOP可用性有较显著影响,适当地减少轨道平面数对于改善星座的PDOP可用性是有利的。提出的评价模型物理意义明确,避免了主观性和局限性,且可以保证较高的指标评价效率。     

月球导航星座轨道的地球GNSS可见性评估

随着月球探索进入一个新的时代,为确保未来月球任务的实时高精度定位,大幅提高登月航天器的自主性,且减少对地球基站的依赖,选取合适的轨道构建月球导航星座,并且实现月球导航星座与地球GNSS的通信链路同步尤为重要。为评估月球导航星座轨道中卫星接收GNSS信号的性能,首先对椭圆形月球冻结轨道(ELFO)、近直线晕轨道(NRHO)、顺行圆形轨道(PCO)和低月球轨道(LLO)4种轨道进行仿真。然后基于天线方向图等指标仿真了GNSS卫星信号,并依据主旁瓣波束宽度和载噪比等仿真结果评估了4种不同轨道卫星对GNSS的可见性。结果表明,NRHO和ELFO对GNSS星座有较好的可视效果,最高可见时间占比达99.57%,保障了绝大部分时间内能够稳定接收GNSS信号,有助于实现月球导航星座轨道卫星的轨道和时钟校正,并保证轨道的定位性能。     

低地轨道小卫星星座优化问题研究

以低地轨道小卫星星座为研究对象，着重从星座覆盖性能考虑出发，详细阐述了局部覆盖小卫星星座优化设计的一般方法与思路。针对某一类型任务对两轨道面和三轨道面星座进行了优化设计，阐述了在一定约束条件下星座优化设计的关键因素以及不同轨道面数目下星座优化的特点，并进行了仿真分析。结果表明提供的优化模型对小卫星星座设计具有理论意义和实用价值。     

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.     

地月空间通信网络协议研究

针对地月空间长距离通信较长延时及月背遮挡导致的间断性链路连接问题,同时为解决有限资源下地月空间网络通信综合利用问题,基于地月空间通信链路形成了通信方案,应用DTN协议和IP over AOS协议构建了网络拓扑结构,并对六星双圆、四星双圆、三星单圆、双星单圆4种极圆轨道进行了网络仿真指标设计与网络仿真。仿真结果表明:在节点缓存能力等约束下,相同仿真参数中4种中继星座架构的数据包递交率与星座中卫星数量呈正相关,对延迟敏感的实时性数据包在不同星座架构下平均时延最大相差仅约0.04 s。以DTN协议作为地月空间信息系统组网通信的主要协议架构,可以满足各类应用业务数据传输要求。     

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。     

AFDX网络连通可靠性仿真算法研究与实现

航空电子全双工交换式以太网(AFDX)已成为现代先进民用飞机通信网络的主干网络,AFDX网络的可靠性对于航电系统至关重要,研究其可靠性评价方法有着重要的意义。阐述了AFDX网络连通可靠性的评价度量参数与模型,研究了蒙特卡洛仿真模型、参数和算法。最后给出双余度级联AFDX网络连通可靠性的仿真计算结果。     

带通信约束的多无人机协同搜索中的目标分配

为了研究通信约束对多无人机(UAV)协同搜索中目标分配任务的影响,提出了一种带通信约束的多无人机协同搜索中的目标分配方法,研究在通信约束条件下多无人机在协同搜索中如何进行目标分配。首先,基于无人机数学模型和搜索模型,建立了目标分配模型。其次,分析了通信约束条件,如通信距离限制、通信角度限制和通信时间延迟等对目标分配的影响,限定多无人机在通信距离和角度范围内才能通信,使用蒙特卡罗法来验证通信距离和角度对目标分配的影响,同时采用基于状态估计的无人机状态信息补偿方法来消除通信延迟的影响。仿真验证了带通信约束的多无人机协同搜索中的目标分配方法的合理性。     

北斗卫星导航( 区域) 系统星座对中国载人航天器的服务能力仿真分析

载人航天器可以利用北斗卫星导航系统实现自主导航定位和相对测量以支持轨道确定和交会对接任务。为了评估当前星座条件下北斗卫星导航(区域)系统对中国载人航天器的服务能力,建立了当前北斗卫星导航(区域)系统的星座仿真场景。利用载人航天器轨道参数,对其轨道处北斗区域星座的覆盖特性和服务能力进行了仿真,分析了可以用于载人航天器绝对定位和相对定位的时间长度、可见卫星情况、位置精度因子等特性。分析结果表明,在载人航天轨道的一些持续时间段内,航天器可以利用北斗(区域)系统完成绝对和相对定位功能。     

基于Markov过程的卫星星座备份策略研究

如何在满足星座可用性指标的同时降低卫星星座备份成本,是当前研究的热点问题。为了选出一种兼顾星座性能与经济效益的备份策略,研究不同备份策略对某低轨卫星星座性能的影响,建立考虑降级运行的星座可用度模型,利用 Markov 状态转移过程对星座可用度模型进行求解,并基于真实低轨卫星星座在轨运行数据对采用不同备份策略的星座在不同...     

MEO/LEO双层卫星网络中层间链路的连接度分析

作为未来卫星移动通信系统的一个重要的研究方向,提出了一种由MEO卫星和LEO卫星共同组成的双层卫星网络(Double-Layer Satellite Network,DLSN),以更好为用户提供多媒体服务.作为多层卫星网络的一个重要的研究内容,连接不同高度上卫星的层间链路(Inter-Orbit-Links,IOLs)的特性对于整个DLSN网络的性能会有很大的影响.根据所设计的多层卫星网络的星座参数,通过对层间链路几何特性的研究,分析了多层卫星网络中MEO卫星与LEO卫星的连接度性能.采用计算机仿真的方法,给出了层间链路连接度的特性.结果表明,为了提高网络性能,在多层卫星网络中应按照一定参数有选择的建立层间链路,而不是简单的采用视距可见原则建立层间链路.     

多状态空间信息网络拓扑生成优化算法

依据空间信息网络（SIN）高动态性的特点,并考虑卫星工作的多状态特性,兼顾星间通信时延和拓扑抗毁性的要求,研究了多状态下空间信息网络拓扑生成及动态优化的问题。根据卫星星座的周期性,建立了一种卫星网络的拓扑周期表。综合卫星的可视性和连接度等约束条件,以网络平均和最大时延作为通信性能的优化目标,建立拓扑的多目标优化模型。提出一种改进的多目标模拟退火（IMOSA）算法,求解全局时延最优的卫星拓扑,并在考虑多状态情况下对链路进行优化,以满足网络高动态性。最后基于具有66颗低轨（LEO）的铱星星座进行仿真,研究表明：针对多状态条件下的铱星星座,该算法最大化减小了通信时延,得到抗毁性良好的拓扑结构,通信性能较之原有静态拓扑明显得到改善。     

全球卫星导航星座网络协议体系与运行模式

针对全球卫星导航星座网络建设初期或论证阶段所涉及的网络体系结构、协议体系及相关组网等技术问题,开展了基于导航星座星间链路构建空间信息网络的技术研究,分别提出了由子网、接入网、骨干网等节点及其相互之间星间、星地无线链路构成的分层网络系统结构,设计了兼容遥控、遥测、测量与网络交互支持等业务的基于IP over CCSDS(基于空间数据系统咨询委员会标准的空间链路承载互联网协议业务)的协议体系,给出了全系统基本通信业务运行模式等。与传统高轨卫星通信系统相比,该星座网络具有高覆盖、低时延、随遇接入等优点,可实现星座导航性能与中低轨及地面用户通信性能的全方位提升,相关结果对我国全球卫星导航星座网络技术研究具有一定的参考意义。     

GPS III system operations concepts

Over the past three years, the Lockheed Martin GPS III team has analyzed potential operational concepts for the Air Force. The completed tasks support the government's objective of a "realizable and operationally feasible" US Strategic Command (USSTRATCOM) and Air Force Space Command (AFSPC) concept of operations. This paper provides an overview of the operational improvements for the command and control of satellites, the provision of safe, precise navigation and timing services to end-users. The GPS III system changes existing operational paradigms. Improved operator capabilities are enabled by a new high-speed uplink/downlink and crosslink communication architecture. Continuous connectivity allows operators a "contact one satellite - contact all satellites" concept enabling near-real-time navigation updates and telemetry monitoring. This paper describes potential improvements for the following operations: constellation monitoring, command and control, navigation upload monitoring, global service monitoring, global service prediction, civilian navigation (CNAV) messaging, and anomaly detection and resolution. This paper also describes future operational improvements as GPS applications continue to proliferate and the need for an improved infrastructure to effectively manage all the systems that affect GPS service grows     

Analytical long-term evolution and perturbation compensation models for BeiDou MEO satellites

The current paper establishes the analytical models of the long-term evolution and perturbation compensation strategy for Medium Earth Orbits(MEO)shallow-resonant navigation constellation,with application to the Chinese Bei Dou Navigation Satellite System(BDS).The long-term perturbation model for the relative motion is developed based on the Hamiltonian model,and the long-term evolution law is analyzed.The relationship between the control boundary of the constellation and the offset of the orbital elements is analyzed,and a general analytical method for calculating the offset of the orbit elements is proposed.The analytical model is further improved when the luni-solar perturbations are included.The long-term evolutions of the BDS MEO constellation within 10 years are illustrated,and the effectiveness of the proposed analytical perturbation compensation calculation approach is compared with the traditional numerical results.We found the fundamental reason for the nonlinear variations of the relative longitude of ascending node and the mean argument of latitude is the long-periodic variations of the orbital inclination due to the luni-solar perturbations.The proposed analytical approach can avoid the numerical iterations,and reveal the essential relationship between the orbital element offsets and the secular drifts of the constellation configuration.Moreover,there is no need for maintaining the BDS MEO constellation within 10 years while using the perturbation compensation method.     

Walker星座星间链路构建准则及优化设计研究

首先通过分析Walker星座空间结构,得到星座星间链路基本几何关系;其次研究了卫星之间的相对运动规律和星座几何构型,确定了能够反映空间几何特性的Walker星座星间链路设计的基本准则,得到了星座全连通性数学解析判据,并根据星座一体化设计中的层次约束准则思想,给出了星间链路分析设计流程;最后,针对几个考虑星间链路的Walker星座的一体化优化设计问题,给出了分析设计实例。     

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.