卫星导航系统星座可用性分析

星座可用性指标是在用户层面上反映星座工作状态的重要指标.随着卫星在轨运行时间的增加,卫星的可靠性会不断降低,星座可用性也会随之下降.在考虑卫星故障概率的条件下,本文提出综合运用贝叶斯网和马尔科夫链进行星座可用性分析的方法,剖析了导航星座中卫星故障与导航应用服务中断之间的相互关系,简化了星座可用性的建模过程.结合中断分析数据,量化评估了星座可用性,并利用灵敏度分析找出星座薄弱环节.该方法可为导航星座设计方案优化权衡提供量化依据.     

基于遗传算法的全球导航星座重构研究

全球卫星导航系统在部分卫星失效的情况下会引起地面导航性能下降甚至造成导航服务中断,但卫星数量众多的全球导航星座本身具有一定冗余性,在少数卫星失效时可以通过调整剩余工作卫星的轨道来降低失效影响。这种星座重构的维护方式具有快速响应故障和故障针对性强的特点。在星座重构中涉及到选取调整卫星及其轨道参数的问题。分析了用遗传算法实现星座重构方案优化的编码、适应度选取和进化过程,利用C 结合STK和GALIB完成了对24MEO 4GEO构成的全球导航星座在3颗以下MEO卫星失效时的星座重构方案优化,并对多种星座重构的轨道机动方案进行了对比。     

小卫星从母星释放过程的GPS卫星可见性分析

针对小卫星的一种安装、在轨二次发射方式,通过分析小卫星从母星释放过程中的GPS星座可用性,研究了小卫星的弹出旋转式在轨二次发射的可行性问题。首先,分析了小卫星对单颗GPS卫星可见的数学条件,然后导出了小卫星在二次发射从母星释放过程的三个不同阶段中对单颗GPS卫星可见的数学描述,最后研究了整个过程的GPS星座可用性,提出了一种保证释放过程中GPS星座可用的弹出时刻选取方法,并完成了数值计算验证。本文提出的选取方法,能够保证释放过程中GPS星座可用,避免释放过程中小卫星与母星发生意外碰撞的可能,从而证明了这种弹出旋转式在轨二次发射方式具有可行性。这一结论对我国小卫星在轨二次发射应用有参考价值。     

环境减灾-1A、1B卫星在干旱监测中的应用研究及实现

"环境与灾害监测预报小卫星星座"(以下简称环境减灾星座)是我国首个以防灾减灾和环境监测为应用目的的小卫星星座,应用环境减灾星座构建干旱遥感监测体系具有重要的现实意义.文章基于HJ-1A、1B卫星遥感器数据,分析其适用的干旱遥感监测模型,并在此基础上选择辽宁省阜新市作为研究区,实现了基于HJ-1B卫星宽覆盖多光谱CCD相机数据的垂直干旱指数监测模型.结果表明,利用环境减灾星座数据可以有效地实现干旱遥感监测.     

导航卫星可用性提升设计与实现

针对影响导航卫星系统可用性的中断,从降低中断频次和缩短中断处置时间方面开展了系统优化设计,提出了一套基于多参数联合的降低轨控中断频次的设计方法,优化设计了一种基于在轨轨道摄动特性的中断时间最短的漂星策略,建立了一套异常中断分级处置原则,有效缩减了中断时间,实现了导航系统可用性的大幅提升.此方法在工程实际中已成功应用验证,在轨运行结果表明:所有卫星空间信号可用性均满足系统指标要求,为北斗系统的稳定运行提供了有力的技术保障.     

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。     

基于移动式网络的LEO卫星星座通信网络研究

为飞机等交通工具内的用户提供基于卫星的不间断IP连接，并在卫星星座网络内实现IP路由选择功能，是未来LEO卫星星座通信网络需要解决的关键问题。提出了基于移动式网络技术的LEO卫星星座通信网络体系结构，实现了卫星星座通信网络中的IP路由选择功能，并降低了对地面网路的依赖，实现了对用户段网络随时随地的连接支持。在对卫星星座通信网络中的星地切换模式进行分析的基础上，提出了一种基于虚拟移动路由器的快速星地切换和认证方法。通过NS2仿真试验，给出了新型LEO卫星星座通信网络的传输延迟特性以及快速切换方法的仿真试验结果。仿真试验表明，提出的网络结构是满足未来卫星星座发展需求的，星地间的切换是低时延的。     

一种考虑摄动影响的星座构型稳定性设计方法

研究了星座构型稳定性设计方法,通过分析在长期摄动因素影响下星座各卫星轨迹偏移量,采用卫星初始参数偏置补偿原理,提出星座整体偏移思想。结合数据拟合方法,对多种摄动整体影响结果进行拟合调整,设计相应的调整方案,以消除卫星轨道在长期摄动因素下产生的偏差,保持了星座构型稳定性。在获得相应的参数调整量后,选取最为合理的设计方案,使卫星构型因摄动影响而调整所需要的能量尽可能小。     

GNSS服务空域空间信号可用性比较与分析

通过基本参数对全球卫星导航系统（GPS、GLONASS、Galileo和北斗）空间信号可用性影响实验,得出四系统的A knee 值分别为3800km、1100km、3800km和1000km,对应的平均可见卫星数为25、16、22和14/22（亚太地区、MEO星座/混合星座）。分析了三种典型轨道用户的卫星可见性,北斗和GLONASS对MEO和HEO用户的空间信号可用性能较GPS和Galileo稍差,而在LEO用户的应用中,北斗空间信号可用性能却表现最优,平均可见卫星数约为20颗,可用性时间分布比较均匀。最后对GNSS空间有效持续时间段进行统计,随着用户高度的增加,有效持续时间段数增多、总有效持续时间减少;四系统提供全弧段有效服务空间分别为地面至6100km、1600km、6100km和1700km。     

导航卫星中断频次的分析方法

面向导航卫星中断频次的定量分析需求,该文分析导航卫星中断产生的主要原因,给出中断频次分析的流程,并针对分析过程中的三个关键问题,研究提出具体实施方法,包括通过相关性分析快速定位底层中断事件,通过中断树建立指标分析模型,并融合在轨数据、地面试验数据快速预估得到底层功能异常率等。最后通过示例进一步说明中断频次分析过程。该文方法已应用于北斗导航卫星工程。     

卫星星座整网轨道确定分析与仿真

编队飞行的卫星或卫星星座对轨道确定自主性和精度提出了较高要求。针对这个问题,通过建立星座的轨道动力学模型和星间观测的测量模型,将星座中的星间观测数据和地面观测数据融合起来,将待估的卫星轨道参数和部分动力学参数进行适当的分类,研究卫星星座整网轨道确定的新方法,并在理论上分析了整网定轨方法能提高定轨精度的原因;最后采用自主开发的卫星星座整网轨道确定软件进行了仿真计算。计算表明,该方法能有效地减少对地面站的依赖,并较大幅度提高定轨时卫星绝对位置和相对位置精度。
     

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。     

载人航天天基测控通信探析

梳理了国内外空间站天基测控通信应用的概况,针对近地载人航天对测控通信系统的高要求,分析提出中继卫星系统的发展建议,以及导航卫星和低轨卫星星座系统的特点优势。调整中继卫星轨位、增加中继激光链路、采用全景波束全时监控模式,以及导航卫星和低轨卫星星座作为必要补充等途径,可为载人航天测控通信提供更好的灵活性、可用性和效费比。为载人航天天基测控通信发展提供了参考依据。     

导航星座自主导航的时间同步技术

导航星座自主导航能够有效地减少地面测控站的布设数量,减少地面站至卫星的信息注入次数,降低系统维持费用,实时监测导航信息的完好性,增强系统的生存能力。卫星时间同步是实现导航星座自主导航的关键技术之一,而星载原子时钟的频率稳定性能直接影响着卫星时间同步精度。本文基于星载原子时钟频率稳定性的Allan方差表达,建立系统状态方程,并以星间双向测量伪距差作为基本观测量,组成系统测量方程。从而,可以设计适用于导航星座卫星时间同步的Kalman滤波算法。系统仿真结果表明:通过滤波处理星间双向测距数据,不断地更新卫星时钟参数,能够实现星座卫星自主高精度时间同步。     

星座自主导航系统设计与实现

基于星间测量的星座自主导航系统的设计与实现，方案中针对计算量过大问题，引入分组并行机制。在充分分析卫星轨道动力学的基础上，利用卫星网的网形约束进行整网平差，首次提出动力学和几何法相结合的自主导航算法。通过实际GPS数据进行仿真与检验，仿真结果表明：该方法精度高，满足卫星星座自主生存的要求，设计方案可行。     

导航卫星的随机着色Petri网可靠性模型

导航卫星是全球卫星导航系统的重要组成部分,是实现导航任务的关键。国内外目前关于Petri网的研究大都集中在广域随机Petri网(GSPN)方面,鲜有利用着色Petri网分析评估系统可靠性的研究。本文利用随机着色Petri网(SCPN)建立导航卫星可靠性模型,既能够描述导航卫星信息流变化的处理过程,又能够体现组成部件的可靠性影响,克服了传统可靠性模型不能反映卫星运行的动态行为特性的不足。模型用于导航卫星的可用性分析评估。文中使用GPS可靠性数据对模型算例进行分析评估,仿真结果与GPS性能分析报告可用性数据相符,证明了模型的正确性。     

满足网络测控的小卫星星座组网与路由方法研究

给出一种不依赖于中高轨道卫星作中继而只依赖星座自身星际链路实现卫星组网的方法,以满足通过星座自身完成网络测控;使用STK进行了星座设计,使用OPNET进行了星座与地面测控站的仿真建模;给出满足网络测控路由算法;并通过仿真实验验证了组网方法和路由算法,能够满足小卫星星座网络测控功能.     

星间链路关键性能指标评估的方案设计

星间链路分系统作为组网星座卫星系统的核心之一,是实现星间测量和星间数据传输的关键。针对星间链路系统星间测量和测控传输误码率两项关键指标,结合星座组网卫星单星和星座状态条件,引入信道静态和动态工作模式,对两项关键指标提出一套全面的评估方案,给出基于该方案的评估系统的实测情况,通过实测数据的比对分析,针对被测系统的星间测量和测控传输误码率指标性能,能够直观地给出综合评定结果,设计方案可以正确、有效地用于星间链路的系统评估,具有较高可行性。     

Flower卫星星座设计方法研究

介绍了一种具有共地面轨迹和良好相位特性的新颖的Flower卫星星座设计方法。与常见的星座设计方法不同,在地球中心固定坐标系中可以更好的体现Flower星座的特点。通过Flower星座模型参数与星座中卫星轨道参数之间的关系式,实现了Flower星座的研究设计软件SatSim。结合Satellite Tool Kit仿真软件,给出了利用Flower星座设计一个能为GEO卫星进行导航的卫星导航系统实例,探讨了将Flower星座广泛应用于更多卫星星座系统设计的可能。     

导航卫星在轨运行分析与管理

为加强导航卫星在轨管理,提高在轨处置效率,提升星座服务整体性能,在充分总结导航星座在轨三方协同管理经验的基础上,创新性地开展了星座在轨分级管理工作实践。通过在轨组织分级管理、异常问题分级处置、遥测参数分级监视、支持系统分类管控等管理实践,对星座卫星星上产品特性及趋势分析进行周期性评估、关注卫星长期稳定运行健康状况、持续开展卫星使用策略优化,有效保证星上状态可控,最大程度提高卫星在轨处置能力。通过在轨分级管理实践,提高了异常处置效率,确保判读全面、处置准确,实现了在轨管理的模式化、专业化运行,对星座系统在轨管理工作具有重要的参考价值。