卫星星座应用设计

本文以低地轨道小卫星星座为研究对象，讨论了星座覆盖性能分析方法，对各种覆盖性能指标进行了分析评价；在此基础上探讨了星座设计的一般准则及优化方法，并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，阐述了星座优化设计的关键以及不同轨道面数目下星座优化的潜力和特点。     

一种基于球面剖分的星座性能分析方法

在卫星星座优化设计与性能分析过程中,根据球面Delaunay三角网和Voronoi图的特性,首先研究了任意状态下星座空间几何构形划分方法,定义了卫星所属覆盖区域。然后,通过分析卫星星座和地面目标区域之间的几何关系,提出了星座对任意类型地面目标的最小观测仰角和平均观测仰角的确定性计算方法。在此基础上,分析了基于星座空间几何构形划分的卫星系统网络的时变特性,提出了星间通信链路快速建立方法。最后,以铱星系统为例,分析了该系统的对地覆盖能力和星间链路通信能力。实验结果表明该方法不仅可以准确、快速的评估卫星系统应用效能,同时能够为星座优化设计人员提供必要的决策支持。     

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。     

区域覆盖低轨卫星移动通信系统星座优化设计

针对区域覆盖低轨卫星移动通信系统星座,提出了一种改进遗传算法(GA)的优化设计。根据改进的区域覆盖星座模型,采用可变维数优化的整数与实数混合的染色体编码。给出了算法步骤。某区域覆盖低轨卫星移动通信系统星座优化设计算例结果显示了该算法的有效性。     

一种对地四重覆盖星座构型设计方法

针对传统星座设计中覆盖模型求解困难,覆盖性能统计不便等问题,提出一种基于二维图的对地四重连续覆盖星座构型设计新方法。首先对传统的二维空间坐标系进行了改进,利用球面几何学分析了覆盖圆与卫星轨道的相对位置关系,建立二维图和星座网格的解析数学模型。通过对数学模型的进一步分析,归纳与总结了二维图的几何性质。将星座对纬度带的覆盖转化为对纬度带上任意点的二维图的覆盖,提出星座网格对二维图的单重和四重连续覆盖条件。在此基础上,研究四重覆盖星座构型的设计与筛选方法,从而避开了覆盖性能统计的复杂过程。最后对二维图基本理论和星座设计方法进行了实例仿真,校验了该方法的可行性。     

具有星间链路的星座相位设计

通过分析星座空间构形的变化规律，综合考虑星座空间构形对地面覆盖特性、星间链路、空间测量精度以及工作性能的影响，利用改进的层次分析法对星座相位进行优化设计。通过对全球覆盖星座进行仿真，验证了方法的可行性。     

GNSS地面覆盖性仿真分析研究

GNSS对地面用户的应用价值取决于GNSS信号对地面的覆盖性能,这不仅取决于星载传感器的信号辐射角范围,还取决于用户自身的最小观测角。本文对GNSS地面覆盖性原理进行了分析,给出了判别依据,然后对北斗区域服务系统、北斗全球导航系统及其与其它GNSS组合共5种仿真方案的地面覆盖性进行了仿真。在实际应用中,可以根据仿真结果针对不同的应用任务选取不同的卫星星座或选取多星座互操作,以保证最大同时可见卫星数,从而更好地提升GNSS卫星星座的应用价值。     

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。     

侦察卫星星座覆盖性能仿真分析软件设计

为了快速、便捷分析天基侦察系统的对地覆盖性能,开展综合对比分析,设计开发天基侦察卫星星座对地覆盖性能仿真分析系统。仿真系统基于VS2010平台开发,通过软件交互接口调用STK引擎完成计算,使用Matlab编译的库函数完成仿真数据处理及可视化输出。仿真系统采用Redis数据库实现输入参数和仿真结果的存储,并提供与外部程序静态和动态交互功能。仿真系统提供独立仿真和协同仿真两种工作方式,可独立运行分析星座覆盖性能,也可作为其它仿真系统的一部分,在外部命令控制下运行。经应用测试,该系统可以快速、有效完成卫星星座对地面目标的覆盖性能对比分析,为天基侦察系统星座构型设计论证提供支撑。     

区域观察小卫星星座重构方法研究

在对地观测任务中，经过优化设计的卫星星座通常具有较强的适应能力。但是，当星座中某颗卫星失效或地面需求发生变化时，就需要进行星座重构，以恢复或增强对部分地区的观察能力。提出了小卫星区域观察组网的方法，重点探讨了在应急情况下区域观察小卫星星座的重构问题，研究了节省能量的卫星轨道机动方法，特别提出了保持轨道属性和星座基本构形的预置量机动方法，分析了应急机动星座重构的几种情况，给出了每种情况的星座重构策略。     

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。     

面向飞行器自主导航的铱星/星链星座覆盖性及可见性分析

针对低轨星座机会信号导航中单星座构型和可见星数无法同时满足高精度、高可用性的难题,基于铱星、星链轨道参数,建立了单星座和混合星座模型,探究了各个星座覆盖重数、覆盖率及飞行器对上述星座的可见性。研究结果表明：飞行器可见星数随飞行高度增加而减少,随飞行器最小观测仰角增大而减少,星链和铱星的融合可显著增加纬度60°以上区域可见星数。铱星对全球不同纬度、不同时间具有100%全覆盖;星链目前覆盖区域向两极拓展,对全球覆盖重数最大为56,最小为0,未实现全球不同纬度、全时段100%的覆盖率,但中国区域星链覆盖率均优于美国区域。星链和铱星的混合星座使全球覆盖重数优于10,不同纬度、不同时间覆盖率达到100%,显著优于单星座。     

一种多任务导航星座设计方法

在分析多任务导航星座中心任务和附加任务的基础上,用n 1重覆盖率评价星座对地面的覆盖性能,基于运筹图论对多任务星座设计及选星方案进行了研究。仿真结果表明,由该法确定的选星方案可满足多任务星座的使命要求。     

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.     

对地观测卫星区域综合组网及性能分析方法研究

明确了卫星综合组网和区域组网的概念 ,研究在对地观测卫星区域组网中卫星网的综合设计原则 ,提出确定区域组网中卫星轨道平面与卫星数量的一般方法 ,初步建立卫星网性能分析的指标体系和评估模型。     

A vector method for synthesis of orbits and the structure of satellite constellations for multiswath periodic coverage of the Earth

Single satellites and multisatellite constellations for the periodic coverage of the Earth are considered. The main feature is the use of several cameras with different swath widths. A vector method is proposed which makes it possible to find orbits minimizing the periodicities of coverage of a given area of Earth uniformly for all swaths. Their number is not limited, but the relative dimensions should satisfy the Fibonacci series or some new numerical sequences. The results apply to constellations of any number of satellites. Formulas were derived for calculating their structure, i.e., relative position in the constellation. Examples of orbits and the structure of constellations for the Earth’s multiswath coverage are presented.     

卫星星座的相对几何和区域覆盖重复周期

研究了在设计δ星座或者由几个δ星座的某些卫星构成的星座时经常需要考虑的三个问题：任意两颗卫星是否在同一条星下点轨迹上，同一条星下点轨迹上的卫星通过某一区域的相对顺序和星座对某特定区域或地点覆盖重复周期的计算。首先对δ星座中卫星之间的相对几何关系做了详细的分析，给出了第一个问题的判断准则，并进一步导出了位于同一条星下点轨迹上的卫星通过某一指定地区的相对顺序以及相应的时间间隔的计算方法。在解决前两个问题的基础上，针对由一个或几个δ星座(或子星座)构成的设计星座，给出了计算其区域覆盖重复周期的方法。     

采用改进非支配近邻免疫算法的低轨混合星座设计优化

针对低轨同构星座覆盖资源在纬度上分布不均匀的不足,提出采用低轨混合星座提升覆盖均匀性的设计方案,并推导了满足全球任意点平均每天覆盖一定次数的最小卫星规模估算公式。针对非支配近邻免疫算法（NNIA）约束处理方面的不足,提出基于约束支配的改进非支配近邻免疫算法（Modified NNIA）,并以此设计了一种低轨混合星座优化平台来优化带约束的星座设计问题。仿真结果表明,改进的NNIA算法在收敛速度和多样性上均优于非支配分层遗传算法（NSGA II）和多目标粒子群算法（MOPSO）,可大大提高星座设计的效率。同时优化结果也表明低轨混合星座可提高覆盖的均匀性和大部分区域的覆盖次数,进而减少特定覆盖要求所需的卫星数目。