北斗卫星导航系统(一期)星座轨道稳定性设计

星座稳定性设计是星座总体工程设计的主要内涵.针对北斗卫星导航系统(一期)星座稳定性设计问题,在利用解析方法深入分析星座摄动运动规律的基础上,综合考虑系统覆盖、导航精度、几何构型等约束条件,提出一种将发射部署、被动摄动、主动控制相结合的星座稳定性一体化设计方案.北斗星座系统的部署和运行结果表明:在时间和空间尺度上,星座动态几何因子(DOP值)稳定,重点服务区域动态DOP值小于4.2,在受限于构型维持控制的卫星可用性指标方面:IGSO卫星可用性大于99%,GEO卫星平均可用性大于96.7%.     

轨道工程精细-均衡分析理论初探

铁路高安全、高平顺、高稳定的发展趋势对轨道工程提出了新的需求,仅靠单一强度变形指标控制已无法满足其全寿命周期稳定服役的需要,亟需更具系统性、适应性及协调性的理论对其设计、施工及运营进行指导.归纳总结了轨道工程在建设及服役过程中的共性问题,初步提出轨道工程在精细化设计的基础上应遵循均衡设计的理念,并系统梳理了轨道工程中符合该理念的工程实例.在剖析精细化和均衡性内涵的基础上,综合了全寿命周期服役参数分析、结构精细化建模、参数影响规律分析等内容,并引入了广义系统能构造均衡性评估方法,建立了一套适用于轨道工程的精细-均衡分析理论.综合来看,目前轨道工程在设计、服役时较少考虑全寿命周期下的结构整体均衡,所提出的精细-均衡分析理论将具有广阔的研究前景.     

椭圆限制性三体问题模型下平动点拟周期轨道卫星的自主定轨分析

基于椭圆限制性三体问题,研究了平动点轨道卫星导航星座仅利用星间测距进行自主定轨的技术。分别分析了平面Lyapunov轨道和垂直Lyapunov轨道上卫星仅利用星间测距进行自主定轨的精度。为了提高拉格朗日轨道导航星座对月球空间的覆盖范围,设计了由地月系的L1、L2、L4和L5四个平动点附近的拟周期轨道上的卫星构成的导航星座,分别利用扩展卡尔曼滤波方法和无迹卡尔曼滤波方法进行了自主定轨仿真分析,结果表明:平动点轨道导航星座可以仅利用星间测距实现长期高精度自主定轨。     

采用混合遗传算法设计最短时间4冲量转移轨道

转移轨道的设计与优化是航天器完成空间任务的基础性工作,研究最短时间转移轨道的设计方法对执行空间快速响应的航天任务具有重要意义.本文通过分析4冲量轨道转移的物理过程,将轨道优化问题转化为参数优化问题,从而建立了多冲量轨道转移的数学模型:而后采用混合遗传算设计最优轨道,设计了串联型和嵌入型两种不同的混合结构,并选择一种具有自适应性的退火惩罚函数策略来处理约束条件;最后通过数值仿真验证了算法的有效性.仿真结果表明,本文设计的两种混合遗传算法能够很好地处理多冲量变轨的优化问题,特别在处理多约束条件时十分灵活、有效.     

隐蔽通信中MP-WFRFT系统星座预编码设计

为提高通信系统的隐蔽性能,提出了基于多参加权分数阶傅里叶变换(MP-WFRFT)通信系统的预编码设计方案.通过对MP-WFRFT信号的时域、频域分量定量分析,推导出MP-WFRFT星座的模糊、裂变规律;搭建了基于MP-WFRFT的星座预编码优化系统,并采用遗传算法(GA)进行相关模型优化求解.仿真结果表明:通过星座预编码参数的合理设计,MP-WFRFT系统能够从低概率检测、低概率调制识别、低概率参数截获三个方面不同程度地提升系统的隐蔽性能.确保了合法通信双方的通信安全,使之能够运用到隐蔽通信设计之中.     

基于遗传算法的区域性Flower星座设计

分析和确定了Flower星座的优化参数,从参数编码、适应度评价和算法流程设计三个方面进行讨论,给出了Flower星座的遗传算法优化模型.利用自行开发的卫星星座仿真软件SatSim (satellite simulation)和STK (satellite tool kit)工具包,设计了适合中国区域通信的三个Flower星座并进行了性能分析.仿真结果表明,4和5颗星的星座在最小仰角10°的条件下对中国的平均覆盖率分别为97.26 %和99.24 %;6颗星的星座在最小仰角15°的条件下对中国的平均覆盖率为99.88 %,基本实现对中国的连续覆盖,可以满足卫星移动通信的需求.     

保证用户公平性的低成本卫星星座设计

针对用户分布和地理环境的差异性对保证卫星星座服务下的用户公平性提出的挑战,综合考虑不同区域的用户需求、通信发展水平和自然灾害水平,提出了一种用户公平性保证的低成本卫星星座设计方案。建立LEO卫星网络模型,分析单颗卫星的覆盖性能;定义用户公平性因子,在满足用户公平性的同时,将LEO卫星星座设计问题建模为最小化星座投入成本和最大化覆盖率;在星座容量和星座盈利的约束下,采用非支配排序遗传算法(non-dominated sorting genetic algorithm, NSGA-Ⅱ)求解卫星星座设计问题。仿真结果表明,所设计的卫星星座能够以较低的卫星星座投入成本满足不同区域的用户公平性要求,同时满足目标区域的覆盖率。     

基于小卫星的地空超视距通信系统设计与仿真

远程地空通信的超视距通信是一个亟需解决的难题，为此提出一种以分布在多个椭圆轨道面的小卫星为中继的地空超视距通信方案。对小卫星的轨道参数进行设计，证明了用4颗中轨小卫星可以实现对特定区域99.41%的视距覆盖。研究了小卫星地空超视距通信系统的工作原理和链路传播特性，并在此基础上设计了通信链路的收发参数。仿真结果表明:用该系统进行地空超视距通信不受距离的限制，具有通信效果好、抗毁能力强、成本低等优点。     

中国区域卫星定位系统星座布局的选择

基于转发式卫星导航定位系统的思路,以与导航定位精度有密切关系的星座的位置精度衰减因子（Position Dilution of Precision,PDOP）在中国区域的分布和变化为主要评判依据,分析讨论由静止通信卫星和倾斜轨道同步通信卫星组成转发式中国区域定位系统星座的初步计划．我们重点考虑倾斜轨道同步卫星的3个主要的轨道参数,即轨道倾角、偏心率及升交点赤经的变化对PDOP的影响,通过仿真计算研究了该区域导航定位系统优良星座的布局方案．对多种星座布局分析比较的初步结果表明,设置3颗位于一组使‘8’字形星下点共迹的倾斜轨道同步通信卫星,它们的轨道倾角约为50°,卫星升交点的赤经差为120°,且其星下点轨迹的对称中心处在115°E附近,与4颗或5颗分布于约60°E至165°E轨位处的静止通信卫星组成转发式中国区域卫星定位系统的星座,可以满足对中国陆地和海疆的有效覆盖,可获得相对高精度的导航定位结果．给出了3个相对优秀的星座结构的初步结果,并讨论了有关的问题．     

工程车辆传动轴的模糊可靠性优化设计

依据统计学和模糊数学理论，考虑设计参数的随机性和模糊性，将模糊可靠度作为设计变量的约束条件，建立工程车辆传动轴的模糊可靠性优化设计和数学模型，并给出实际算例，结果表明用模糊可靠性优化设计方法进行工程车辆传动轴设计具有更好的合理性     

适于中国的移动卫星通信系统星座设计方案

针对我国地域分布的实际情况及移动通信业务量各时间段的差异,提出了一种适合我国的移动通信卫星组网星座方案,利用一颗同步卫星和两个低轨道上16颗小卫星来构建卫星通信系统,达到移动通信的要求,并对这一星座方案在我国范围内的覆盖情况进行了比较详细的分析。     

全球移动卫星通信的发展前景

简述了卫星通信应用从固定地卢、通信扩伸至移动通信的趋向；详细说明了空间卫星从传统的对地静止轨道发展至新设想的低轨道和中轨道的过程，对中、低轨道移动通信系统技术的具体情况加以比较分析，作出综合评述；最后扼要介绍了利用卫星的全球个人通信系统和全球定位系统，并表明卫星通信在“信息高速公路”和国家信息基础结构中具有与光纤通信同样重要的地位．     

低轨卫星移动性管理仿真平台研究及实现

针对当前低轨卫星通信系统在移动性管理仿真方面的空白,以铱星星座为参照,基于OPNET设计了一个低轨卫星移动性管理仿真平台.针对低轨卫星的运行特点,从工程实现的角度设计了一套基于接收信号强度测量的硬切换方案,包括星间切换和波束间切换的信令流程.仿真结果表明,该平台能够正确模拟低轨卫星通信系统的工作状态,在不同条件下对卫星通信和切换质量进行对比并输出相关数据参数,为低轨卫星通信系统的研究开发工作提供参考和指导.     

北斗三号系统互操作实现与性能分析

针对当前国际卫星导航应用从单一GPS时代发展到多GNSS(全球卫星导航系统)时代带来的新趋势和新要求,本文从星座互操作、信号互操作、时间互操作和坐标互操作四个方面开展北斗三号系统与其他GNSS系统间的互操作设计.在星座设计方面,北斗三号的星座轨道高度与倾角设计与GPS,GLONASS和Galileo三大系统的星座充分互补,全球导航卫星PDOP平均可提升37.9%;在信号体制方面,北斗三号通过相同频率相似频谱设计实现与其他系统的互操作,并签署了兼容与互操作协议,可确保用户在不改变硬件设计的情况下同时使用各大系统导航服务;在时间基准与坐标基准方面,北斗三号系统建立与维持了与国际上高度一致的基准体系,实现与国际UTC,GLNT等时差偏差保持在50 ns以内,并与国际ITRF 2014坐标参数精度保持一致.因此,北斗三号系统通过四个方面的努力,实现了与其他GNSS的互操作,可联合美俄等全球卫星导航系统为全球用户提供更优质的服务.     

LEO卫星轨道参数对GPS掩星数量和分布的影响

利用低地球轨道LEO（LowEarth Orbit)卫星所载GPS接收机探测地球大气的分层结构是上世纪80年代后期才发展起来的新技术，不同的LEO卫星，将使发生的掩星事件数量和分布有所差别，在一定的大气折射指数分布模型和现有GPS星座的假设条件下，利用射线追踪法模拟了掩星事件，并讨论了LEO卫星的轨道倾角和高度对掩星事件发生的数量和分布的影响。其结论对实际发射LEO卫星时的参数选取具有参考价值。     

低轨星座导航增强能力研究与仿真

低轨卫星星座具有几何图形变化快、落地信号功率强、全球天基监测覆盖等天然优势,可对中高轨全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)星座进行有效补充和增强,提升全球定位、导航与授时(Positioning,Navigation and Timing,PNT)服务的精度、完好性、可用性和抗干扰等能力,已成为下一代卫星导航系统重要的发展方向.本文总结了国内外低轨星座发展现状,对不同低轨星座进行了分析和设计,对低轨星座提升导航定位精度、加速精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)收敛、全球天基监测等导航增强能力进行了分析,重点论证了低轨星座突破现有中高轨GNSS技术瓶颈的机遇和体系增量能力,给出了相应的仿真分析结果,以期对我国低轨星座和北斗卫星导航系统的融合发展提供参考和建议.     

重力卫星串联编队仿真分析

现有重力卫星任务存在时空分辨率不足、时空混频以及重力场信号各向异性等局限性.分别对重力卫星串联编队的轨道高度、轨道倾角、星间距离等指标进行仿真分析,就重力卫星串联编队星座模式对重力场时空分辨率的影响进行了数值分析.结果表明,卫星轨道高度的选择需要兼顾重力场信号衰减和卫星寿命等因素,以维持在300～400 km为优;轨道倾角选择应充分考虑极空白问题的影响,极空白区大小不宜超过6°;星间距离大于250 km时,重力场精度的提升并不明显,重力卫星串联编队星间距离设为50～100 km为优.重力卫星串联编队星座模式可同时有效提升地球重力场时空分辨率,实现时变重力场的各向同性探测.     

基于无迹卡尔曼滤波的导航星座并行式自主定轨

针对卫星轨道动力学模型的高度非线性及星座自主定轨的高精度需求,基于星间双向测距观测信息,提出了采用无迹卡尔曼滤波（Unscented Kalman Filter, UKF）作为星载算法的导航星座并行式自主定轨方案,并且给出了UKF算法中可见星先验信息引入的额外方差矩阵,以保证滤波的稳定性.仿真结果表明,该方案可以实现星座的长期自主定轨并维持一定精度.
     

双基站卫星星座设计研究

针对双基站卫星星座的特点，分析了卫星和空间站之间的可视窗、通讯窗和过顶时间要求下的通讯约束．根据卫星轨道高度、倾角、升交点赤经、轨道数目及卫星分布选择、星际链路建立等几个方面，对双基站卫星星座进行设计，并研究了长期执行任务的情况下，卫星轨道修正方案．该星座克服了以地球为基地的卫星星座测控信号传递路程长，信号受到环境干扰大的不足，充分利用空间站的优势，更有效地发挥了卫星及其星座的作用。通过仿真计算给出了双基站卫星星座与地面站和空间站的日通讯时间．从结果可以看出，所设计的双基站卫星星座可以作为我国空间站的数据中继系统。