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。     

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Walker星座构型演化及维持策略分析

针对低轨(LEO)Walker星座构型维持问题,分析在地球非球形引力和大气阻力摄动下卫星的运动规律及星座构型演化特性。结果表明,低轨Walker星座构型发散主要体现在由初始轨道参数不一致引起的轨道高度衰减和相位漂移,国内首例低轨Walker星座实测轨道数据验证了理论分析的正确性。结合星座任务特性与构型发散特点,提出了基于基准卫星的相对相位维持策略,选取一颗卫星作为基准卫星,使星座中其它所有卫星相对于基准卫星的相位漂移量累加值最小,通过对目标卫星实施一次相对基准卫星的轨道高度抬升/降低,维持星间的相对位置关系。实际工程应用表明了此策略的有效性,不仅降低星座构型维持的复杂度及频次,节约燃料,且轨控时间短,为我国今后卫星星座的构型维持提供参考。     

玫瑰星座的优化设计方法

玫瑰星座是一种均匀分布的星座，常用于全球连续覆盖。本文对玫瑰星座的基本理论进行了论述，提出了玫瑰星座用于实现全球一重连续覆盖时的优化方法。用本文提出的方法对卫星总数多达３００的玫瑰星座进行了优化计算并给出了计算结果。     

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。     

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。     

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。     

多重覆盖的定倾角最佳星座的设计

采用覆盖带技术,在全球多重连续覆盖、定倾角的条件下进行了星座设计。星座形式采用180°升交点分布,并考虑相邻轨道问卫星的相对相位。文章给出了必要的约束条件和解算方法,并在设计结果上有了较大的改进。     

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。     

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。     

一种低轨卫星星座覆盖性能通用评价准则

针对不同构形卫星星座的统一评价问题,提出了一种低轨星座覆盖性能的通用评价准则,可对不同构形和不同高度的星座对地覆盖性能进行统一评价。该准则将星座的对地仰角特性转化为具有相同覆盖能力的标准卫星数,以之同星座中实际卫星数的比值作为星座覆盖性能指数对星座实施评价。利用该评价准则,计算了Iridium、Globalstar、Celestri和NeLS四种星座构形覆盖性能的评价指数并提出了改进方法。     

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。     

低轨卫星编队飞行的地面覆盖及轨道调整

通过施加冲量的方法消除J2项摄动和大气阻力摄动对编队飞行的影响,在编队的相对构型和整体绝对位置得到控制后,研究了低轨卫星编队飞行的地面覆盖问题,最后通过算例给出了卫星编队在南北纬86°之间全球覆盖所需的时间、周期、圈数和覆盖角。计算结果表明,对于偏心率较小的低轨编队飞行,根据本文所推导公式计算出的结果是比较可靠的。     

单航天器无需机动对星座多星交会轨道全解

文献[1,2]已研究了单航天器无需变轨对Walker星座多星交会的轨道设计,在此基础上,依据交会点必是轨道交点的轨道特性,提出了轨道全解的解析法,可给出该轨道所能够交会卫星的最大数目,研究结果可为单航天器无需大机动变轨对星座多星接近的轨道应用提供理论参考。     

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。     

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。