基于数据和知识驱动的低轨卫星资源 智能调度研究综述

低轨卫星通信系统作为空天地一体化网络中的重要组成部分，由于低时延、低成本等优势受到越来越多的关注。针对低轨卫星的特点，面向用户的业务多样性和分布不均性，相应的资源调度方法也得到了广泛研究。首先对数据驱动和知识驱动方法进行概述并分析各自的特点，主要包括数据驱动方法和知识驱动方法的介绍、知识的定义和分类以及知识融入的途径。其次对传统数学模型驱动的资源调度方法进行介绍，着重介绍数据驱动的资源调度方法以及数据和知识联合驱动的资源调度方法，最后总结并展望未来低轨卫星资源调度研究面临的挑战。     

2016HO3探测任务星载光学观测量建模及定轨

以中国首次小行星探测任务为背景，根据星载相机获取的光学影像构造三种观测量，分别为小行星相对于航天器的高度角和方位角、赤经赤纬以及探测器与行星/小行星之间的夹角，分析了其在探测器定轨中的作用。仿真定轨结果表明，观测时长为100 h，探测器三轴位置误差小于50 km，满足工程上对巡航段的轨道精度要求，但x和y方向的位置和速度分量具有较强自相关性。此外还发现，使用单一观测数据类型比联合观测量的定轨精度低3～4个量级，第三类观测量相对于其他两类观测量在定轨精度方面具有显著作用，这表明在2016HO3探测中，利用太阳系大天体的位置信息有助于约束探测器轨道，提高探测器的定轨精度。     

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。     

BDS-3多种授时方法精度试验及比较分析

北斗卫星导航系统(BDS)本质上是一个高精度时间空间信息服务系统,是我国 自主运行的重要空间基础设施.BDS-3已于2020年7月正式开通,向广大用户提供RNSS、SBAS、RDSS单向和RDSS双向等多种授时服务.针对BDS-3提供的各种授时服务进行了简要介绍,详细讨论了各种授时方法,并利用实测数据进行了试验验证和比较分析.结果表明,BDS-3授时服务精度全部优于公布的指标要求,其中精度最高的SBAS授时方法精度可达2ns左右,RDSS双向授时精度和RNSS授时精度相当,达到9ns左右,RDSS单向授时精度最差,在15～30ns左右.     

StarLink星座对空间安全态势的影响

针对StarLink星座部署后带来的空间安全问题，对StarLink星座构型仿真，利用碰撞概率的算法，从碰撞风险的角度分析了StarLink星座部署后对其他卫星在轨安全的影响。结果表明:StarLink星座部署对低轨航天器将带来较大的碰撞风险，碰撞风险比部署前提升一个量级，对535~555 km空间区域的航天器影响尤为突出，一旦产生碰撞碎片将带来更大的碰撞风险。通过分析提出了警示，并针对大型卫星星座带来的碰撞危险提供了应对建议。     

基于QoS保障的低轨卫星星座设计

低轨卫星星座设计是部署低轨卫星网络的前提和关键。然而，不均匀的地面用户分布和不合理的卫星资源配置对卫星网络的服务质量提出了重大挑战。针对以上问题，通过构建服务质量(QoS)指标体系，提出了一种基于QoS保障的低轨卫星星座设计方法。首先，建立了低轨卫星网络模型和星座覆盖模型，通过星间链路的建链准则来定义星座抗毁性指标。其次，通过建立用户链路以及定义用户匹配度来分析星座对目标区域用户的资源匹配情况。接着，建立了以QoS指标为约束最大化效费比的低轨卫星星座设计优化问题，定义的QoS指标包括信噪比、误码率、抗毁性以及星座覆盖率和用户匹配度。此外，通过遗传禁忌智能算法求得了所设计的低轨卫星星座的轨道参数。仿真结果表明，提出的低轨卫星星座设计方案在满足指定QoS约束的同时具有最大星座效费比。     

低轨大规模卫星星座内部防碰撞安全性分析

针对低轨大规模星座卫星间碰撞安全问题，对星座构型的最大漂移量开展了研究。基于球面三角形理论计算了卫星轨道平面的最小相位差；采用控制变量法对星座构型参数进行研究，分析不同构型参数对星座卫星最小相位差的影响，以及升交点赤经漂移量与最小相位差的关系，提出了基于最小相位差的星座构型参数协同设计方法；基于相对相位分析方法，建立升交点赤经漂移量与相位漂移量随时间变化的函数关系；最后，以Starlink第一期星座为参考对象进行仿真，验证了构型参数协同设计方法的合理性。     

基于A2C算法的低轨星座动态波束资源调度研究

巨型低轨星座为载人飞船、空间站、遥感卫星等用户航天器提供低时延、大容量的通信通道存在波束资源分配优化的难题。针对采用离散时间的深度强化学习A2C(advanced actor-critic)的智能优化框架进行了研究，结合遗传算法中个体和基因概念、形成了可有效满足多用户、动态、并发接入需求的波束资源调度算法。基于仿真分析，提出的算法可在多种典型场景下具有适用性，支持在20 s内完成超过3 000个任务的有效规划，任务成功率不低于91%。通过算法优化实现复杂度的降低，相对传统遗传算法可节约时间45%以上。同时对传统A2C算法框架中的收敛问题进行了优化，解决了传统全连接A2C算法无法收敛的难题，同时相比DQN(deep q-network)算法框架收敛速度提升38%以上。     

基于改进POCET技术的通导一体化信号设计

随着低轨卫星组网的发展,结合我国北斗三号全球卫星导航系统的全面建成,研究兼容北斗的通信导航一体化技术日益迫切。为使卫星上的高功率放大器工作在非线性饱和区,以达到较高的发射功率效率,需要保证合成信号的恒包络特性。考虑北斗导航信号与低轨卫星通信信号频点不同,且待复用信号分量较多,以相位优化恒包络发射(POCET)技术为基础,提出了一种改进的多频点多非独立信号分量恒包络复用技术,对七路信号进行复用,利用罚函数进行目标函数优化得到最优解。通过分析其信号特性,表明该方法具有较高的复用效率,并能有效抑制非独立分量造成的波形畸变,从而实现通信导航一体化信号设计,为未来基于低轨卫星的通信导航一体化波形设计提供了思路。     

基于并行遗传算法的高轨卫星导航选星方法

高轨航天器自主导航能力在北斗三号卫星导航系统建成后得到了增强，但是也带来了部分时刻可见星数量冗余的问题。为降低运算量以保证服务的实时性，提出一种利用多种群并行遗传算法(PGA)进行快速选择当前最优可见星组合的方法。该方法将加权精度因子(WDOP)作为适应度评判标准，利用粗粒度式并行划分成的多个子种群进行搜索加速，并通过变异因子差异化设置与子种群间的信息交流来提高搜索能力。对多个典型高轨环境下7颗及以上选星任务的仿真测试表明，基于PGA的选星方法解相比遍历法所求最优解绝对误差平均值小于0.1，相对误差最大不超过1%。仿真结果表明，在典型高轨环境F1接收机利用四系统组合导航时，所提方法可以有效地快速、准确完成指定卫星数的选星任务。