星座卫星在轨长期管理测控策略研究

近年来,低轨大型卫星星座蓬勃发展,使得在轨卫星数量急剧增加,卫星在轨长期管理任务面临巨大挑战。首先分析了卫星星座在轨长期管理面临的挑战,针对星座卫星在轨长期管理面临的几种常见应用场景,通过理论分析扩频体制测控应答机的抗干扰机理,结合地面概念星卫星平台模拟验证,在微波暗室通过地面概念星卫星平台对星座卫星在轨长期管理肯能出现的情况进行模拟。模拟不同星座卫星在轨运行场景以及相应的测控应对策略,验证了多星同时入境时的卫星长期管理策略的可行性,给出星座卫星在轨长期管理的有效应对策略。为卫星在轨长期管理以及后续可能遇到的星座在轨长管问题提供参考。     

接近多颗Walker星座卫星的轨道选择和优化

由于Walker星座的结构特性,通过航天器轨道设计可实现航天器对多颗非共轨Walker星座卫星的近距离接近.在距离约束条件下,从理论上分析了航天器平台近距离接近Walker星座卫星时两者之间的时空关系,重点分析了角度关系,特别是分析了航天器接近星座卫星过程中的方位角变化规律.通过轨道相位的调整,对航天器平台轨道进行了优化;以此为基础对航天器轨道进行了选择和优化设计,结果表明:在百公里级的距离内,航天器在接近Walker星座卫星过程中能找到满足较高角度控制率要求的时间区间.最后给出仿真算例.     

基于分解思想的导航星座多目标优化

导航星座多目标优化是寻找既能满足设计指标又能使代价最小的理想导航星座。首先,建立了一种由中轨道卫星(MEO)、地球静止轨道卫星(GEO)和倾斜同步轨道卫星(IGSO)组成的混合星座构型模型,并提出一种将星座性能和星座成本作为目标函数的多目标导航星座优化方法,其次,分析了优化目标函数加权几何精度因子WGDOP、可见星数目M和导航星座成本的选择及计算方法,并将基于分解思想的多目标优化算法(MOEA/D)引入导航星座优化中。最后,建立了导航星座多目标优化的数学模型,对基于北斗系统的混合星座进行优化,提出一种新的北斗系统的优化方案。     

基于STK跟踪与数据中继卫星轨道设计与仿真

发展跟踪与数据中继卫星对于构建天基测控网有着重要意义.概述了跟踪与数据中继卫星的定义与任务,阐述了跟踪与数据中继卫星通常选择的轨道,分析了地球静止轨道(GEO)中继卫星的地面覆盖特性和两颗GEO星组网的轨道覆盖盲区,以及中低轨卫星组网的步骤.提出了利用STK仿真分析中继卫星星座构形的方法,设计了基于STK的适合我国的地球静止轨道、大椭圆轨道、近圆轨道三种轨道的中继卫星星座与中低轨用户星的可见性仿真试验,通过对仿真结果的分析提出了我国中继卫星星座构形的初步设想.     

一种新的中国区域导航系统星座方案的探讨

基于中国区域导航星座的特点以及我国的实际国情,依据星座的设计方法提出了一种新的由1颗静止卫星和5颗倾斜椭圆同步轨道卫星相结合的6星星座方案,且给出了卫星运行的轨道参数,通过计算机仿真,分析了此星座的覆盖性能.并进一步在考虑摄动影响、空间传输损耗等因素的条件下评估了此星座的导航性能.最终的仿真表明,此星座的卫星数量少,但导航精度依然满足要求,而且其几何精度衰减因子(GDOP)值较小、波动不大,对于建立符合我国国情的区域导航定位系统有一定的参考应用价值.     

新型对地遥感卫星高可靠高精度姿态与轨道控制系统

新型对地遥感卫星于2000年9月发射成功,至今在轨运行正常。该卫星的姿态与轨道控制系统（AOCS）由星敏感器三浮测速陀螺等组成高精度姿态确定系统,控制器为三机冷备份80C86控制计算机,由偏置动量组合构成整星零动量,对地三轴稳定控制系统,该系统功能强、性能指标高、技术复杂难度大。系统具有自主故障检测、定位、系统重构能力和在轨维护方便等特点。它是一个高精度高可靠的姿轨控系统。本文主要介绍系统的方案和可靠性设计、技术特点和在轨飞行结果。     

多模卫星导航星载终端仿真平台设计

高分辨率卫星的大成像幅宽、多成像模式、多时空协调、全天候、全天时对地观测需求对卫星高精度高稳定度姿态控制技术、高精度卫星定轨技术提出了极高的要求。为确保卫星定轨精度指标达到设计要求,并提高对卫星定轨技术的分析能力,提出了搭建多模式精密定轨半物理仿真验证系统,在地面用卫星导航星载终端仿真平台模拟各种星载导航设备。提前开展仿真验证工作,减少星载导航设备在轨飞行风险,提高可靠性。提出一种多模卫星导航定轨星载终端仿真平台的设计方法,整机设计包括导航板、接口板。实测表明,该仿真平台重约1.5kg,尺寸220mm×140mm×70mm,功耗约20W,兼容处理GPS L1/L2、BD2 B1/B2/B3等信号,模拟星载导航设备在高动态条件下定位、定轨、授时的性能,提供精密定轨所需要数据,为星载导航设备精密定轨仿真验证提供了新的思路。     

北斗Ⅱ卫星导航系统星座仿真分析研究

针对北斗Ⅱ卫星导航星座中卫星位置不确定问题,改进并完善了正在筹建中的北斗Ⅱ卫星导航星座布局,在此基础上仿真分析了我国区域性导航系统以及北斗Ⅱ卫星导航星座的多星覆盖、位置精度衰减因子(position dilution of preci-sion,PDOP),给出了覆盖性能、导航定位精度等导航星座系统性能。仿真结果表明,北斗Ⅱ卫星导航系统多星覆盖及PDOP性能相对优于GPS导航星座,尤其适用于我国及周边地区。通过对不同最低仰角下北斗II导航星座及GPS星座多星覆盖变化分析,确定了各星座多星覆盖与仰角的关系以及变化特征,为北斗II导航系统组建工作以及应用终端设计提供了依据。     

用自监测信息的卫星钟长稳特性评估软件设计

利用卫星钟相位差的自监测信息进行在轨导航卫星星钟长稳性能估计的方法实现简单,能满足实际评估需要。由此开发了相应的软件。该软件读取地面接收机解调的卫星自监测信息,通过软件操作完成卫星钟各观察时段主备钟相位差计算,然后通过分析实现卫星钟长稳特性评估。软件具有卫星主备钟监测相位计满程刻度的修正功能和野值剔除功能,能修正由于各卫星钟实际频率与标称频率差异带来的相差计算误差,剔除小概率频率突变值,降低长稳特性评估的误差。软件界面友好,操作简单,在导航卫星在轨测试和在轨管理中得到应用。     

基于FPGA的立方星可重构星载处理系统研究

为了以最小代价提高立方星可重构星载计算机的可靠性,提出了一种基于FPGA的立方星可重构星载处理系统架构。首先,在对国内外微纳卫星星载计算机设计特点进行分析的基础上,分别采用基于SRAM架构和基于Flash架构的FPGA作为核心处理模块与外部表决接口模块,兼顾了系统的运算速度与可靠性。其次,针对可重构星载处理系统中所涉及的可重构策略、在线重构技术以及系统同步技术进行了详细设计。最终,基于所设计硬件系统上进行的测试以及在轨的实测数据验证了该架构的可靠性和有效性。     

双层混合卫星网络优化设计及覆盖性能评估

针对单层卫星网络抗毁能力差、处理时延高以及三层卫星网络管理复杂、链路冗余度高等问题,分别采用Walker星座和极轨星座对MEO和LEO卫星进行了组网分析和星座设计,提出了一种双层混合卫星网络优化设计方案;同时,针对传统卫星覆盖性能指标不能统一评价不同构型卫星星座的问题,提出了一种基于层次分析法模型的不同构型卫星星座统一评估模型。仿真结果表明,所提出的方案不仅能够很好地提升对中国区域的覆盖率,而且可以有效地降低平均间隙时长和平均响应时间,从而满足对中国地区全天时覆盖的总体设计要求。     

星座与星座轨道控制技术

本文以目前仍在轨运行中的低轨道铱星星座（Iridium Constella-tion）、全球第一个双向移动卫星通信星座（ORBCOMM）和高轨道全球定位系统（GPS）导航星座为背景，深入分析国外应用卫星星座的轨道控制技术，系统总结星座的飞控方案、星座轨道控制和测控策略。最后作者试图对目前正在研计中的三星时差定位星座和中巴资源卫星（CBERS）星座的测控技术谈一点设想。     

MATLAB/STK联合仿真方法研究及GUI设计

详细介绍了MATAB(矩阵实验室)与STK(卫星工具箱)软件互联的方法;STK提供了相应的二次开发接口,可供MATLAB等软件进行二次开发;利用MATLAB和STK软件组合搭建仿真环境,以某Walker星座的设计与优化算法为例,具体介绍了联合仿真步骤流程及GUI界面的设计方法,并综合考虑了卫星轨道、传感器以及卫星编队等相关参数对星座最优设计的影响;结果表明,利用MATLAB和STK组合仿真能够以图像及数据列表的形式方便直观的给出最优结果,通过联合仿真,较大程度上减小了MATLAB的编程工作量,同时通过GUI界面的设计,以可视化的形式对主体程序进行集成,只需输入参数,便可快速进行相应的轨道仿真与数据输出,避免了在进行卫星星座设计时需反复对STK参数进行调整的工作;在对卫星星座设计与运行轨道的问题分析中,MATLAB/STK联合仿真相较于使用单一软件进行问题分析而言,要更加便利、形象直观。     

卫星组网可视化仿真系统设计与实现

卫星组网是满足未来空间通信需求的有效方式,为实现空间卫星组网的可视化,设计了一种卫星组网可视化仿真系统;系统由星座设计分系统、星座覆盖性能分析分系统、数据处理分系统和可视化分系统组成;在组网过程中,首先在星座设计分系统中设置星座的参数,根据轨道参数模型计算出星座中每颗卫星的轨道参数,并将计算结果输出给星座覆盖性能分析分系统,完成对纬度、区域和全球覆盖效果的分析、评估和显示;仿真结果表明:系统能够对卫星组网进行实时计算和显示,计算精度比STK仿真软件提高12%,系统运行稳定,界面良好。     

基于强化学习的卫星网络资源调度机制

与传统同步轨道通信卫星(GEO)相比,以SpaceX、Starlink、O3b等为代表的新一代中低轨卫星互联网星座具备广域覆盖、全时空互联、多星协同等显著优势,已成为当今世界各国研究的焦点之一。传统卫星资源调度方法主要研究单颗GEO卫星下的资源调度问题,难以满足以多星协同、联合组网、海量用户为特征的低轨卫星星座的资源调度需求。为此,构建了基于用户满意度的多星协同智能资源调度模型,提出了一种基于强化学习的卫星网络资源调度机制IRSUP。IRSUP针对用户服务定制的个性化需求,设计了用户服务偏好智能优化模块;针对多星资源联合优化难题,设计了基于强化学习的智能调度模块。模拟仿真结果表明:IRSUP能有效提高资源调度合理性、链路资源利用率和用户满意度等指标,其中业务容量提升30%～60%,用户满意度提升一倍以上。     

卫星星座性能评估体系的设计与实现

研究卫星星座性能评估体系的设计方法。针对星座设计过程中对星座系统配置方案进行评估和论证的重要性,根据卫星星座性能评估指标体系的设计原则,首先采用层次分析法,构建卫星星座性能评估体系层次结构模型。其次,设计一套完备的星座性能评估体系,并着重设计动态能力评估指标及其定义方法,分析星座在轨运行稳定性能。最后,通过一个具体的应用实例介绍了该设计实现的软件系统的各功能模块,分析论证了所提评估体系的完备性、合理性、科学性和实用性。为卫星系统的顶层设计和方案论证提供可靠的决策依据,以进一步提高所设计星座的性能和效益。     

具有抗毁性的导航星座网络管理策略分析

针对新一代导航星座网络建设需求,提出了一种具有抗毁性的导航星座网络管理策略。一方面基于快照周期和逻辑位置概念分析了网络的动态拓扑结构,给出了星座网络分群管理模式,特别设计了群管理者以及群首的备份选择机制;另一方面对星座中MEO星层的通信链路进行冗余设计,给出了失效链路的重构方案。最后使用STK建立仿真模型对该网络管理策略的有效性进行了演示与验证。     

探月卫星在备份航天器遥控上的设计与验证

本文以探月卫星设计分析和飞行控制为例,探讨了备份航天器在不改动自身设备的条件下,如何与主份航天器同时安全完成飞行试验的问题。由于主份航天器与备份航天器整器设备均为同时设计、同时投产,技术状态相同。两器星上在测控数管软硬件均完全一致,且在相同时段、相近地点在轨飞行的情况下,通过使用不同的遥控码速率、使用不同的频点、利用环境遮挡、使用门限电平发指令的实施方法,避免了两器之间遥控的互相影响,保证了航天器安全。     

小卫星星载软件微内核的设计

随着小卫星功能的提升,星上软件需要操作系统的支持。该文分析星载软件所需的实时操作系统,根据星载软件的实际任务要求,提出一个适合于星上嵌入式系统的软件微内核设计架构,具有面向卫星、占固存少、可在轨软件重构、实时性强、可靠性高等特点。     

基于双星定位系统的两类联合定轨模型及其等价性分析

对于基于双星定位系统的近地卫星精密定轨而言,定位星的轨道误差成为制约近地卫星定轨精度的瓶颈,一般采取定位星与用户星联合定轨策略来改善用户星的定轨精度。为此讨论了仅仅利用星间相对测量信息的自主定轨的亏秩问题,然后从测量几何关系的距离和测距数据2个不同角度建立了基于双星定位系统的近地卫星联合定轨模型,并对两类模型的等价性进行了分析和证明。