基于遗传算法的区域覆盖共地面轨迹卫星星座的优化设计

讨论了使用MATLAB的遗传算法工具箱GATOOL进行区域覆盖共地面轨迹卫星星座的优化设计方法。介绍了共地面轨迹卫星星座的参数特性,讨论了使用遗传算法工具箱GATOOL进行区域覆盖共地面轨迹卫星星座优化设计的方法,针对中国区域进行了仿真设计。仿真结果表明,该类型星座能够以较少数量的卫星为我国提供良好的覆盖性能,适于我国的区域覆盖卫星通信系统采用。     

基于GDE3算法的侦察卫星星座优化设计

针对区域覆盖的卫星星座优化设计,将一种基于Pareto最优概念的通用差异演化算法(GDE3)应用于区域覆盖型侦察卫星星座的多目标优化设计,并利用多属性决策中的字典序法,根据目标的重要程度,在得到的Pareto解中进行选择.最后,利用STK和Visual c++针对侦察卫星星座进行了仿真,仿真结果表明了该算法可以找到多个Pareto解,避免了传统求解方法的权值选择问题,并且较简单遗传算法具有更好的灵活性,为解决星座优化与设计问题提供了新的思路.     

区域性星座设计

主要讨论用中轨卫星来建立区域性卫星通信系统的星座设计方法。首先论述了低轨卫星座不适合用来建立区域性卫星通信系统 ,然后介绍了用鞭状中轨卫星链来设计区域性星座的方法 ,并给出星座参数计算与优化的步骤 ,最后给出了按照此方法得到的两种区域性星座方案的具体参数及其覆盖特性的仿真结果 ,并与玫瑰星座进行了比较 ,得出区域性中轨卫星通信系统是适合中国国情的卫星通信系统方案。     

基于Ｐｅｔｒｉ网的低轨星座空间覆盖属性分析

针对低轨（low earth orbit, LEO）星座系统的空间覆盖性能,提出应用着色Petri网（colored Petri net, CPN）建模仿真分析星座对目标空间覆盖属性的方法。通过低轨探测星座系统的三层CPN建模和仿真,分析整体星座的逻辑结构特性和多星动态协同事件操作流程及操作事件的因果/并发时序关系,创建了一种LEO探测卫星对任意时间、任意地点和任意弹道的空间目标覆盖属性研究途径,以获得星座对任意来袭目标的最优探测操作流程。     

星间链路及区域不均匀对路由性能的影响

研究了星间链路(ISL)约束及区域不均匀性对LEO移动通信星座的路由时延和呼叫阻塞概率(CBP)的影响。构建了完整而精确的LEO移动通信星座模型。考虑星间链路约束,完成了星间可视计算,得到了星间链路表和链路时延;从覆盖区域和覆盖时间两方面考虑区域不均匀性,完成了星座覆盖计算,并提出了一种根据星座覆盖估算链路呼叫阻塞的方法;利用改进的遗传算法(GA)完成了路由时延和呼叫阻塞的同时优化,得到了最佳路由。仿真结果表明:星间链路约束及区域不均匀性影响到路由的有效性和安全性,二者在路由优化中的应用可以大大改善路由的性能。     

基于抗差UD分解滤波的导航星座整网定轨方法

针对我国导航星座的自主定轨问题,提出基于抗差UD(upper triangular matrix diagonal matrix)分解滤波的导航星座整网定轨方法。该方法对卫星轨道参数进行整网估计,通过对所有观测资料加权以避免观测粗差的影响,并利用UD分解算法来避免对协方差矩阵的直接求逆而导致的计算机舍入误差过大从而滤波发散。推导了整网定轨的数学模型,给出了抗差UD分解滤波的详细步骤。通过性能分析和仿真计算表明了该方法的可行性与有效性。     

同构双基地雷达星座优化设计

通过对卫星的轨道特性、星座中卫星间的相对运动规律以及对地覆盖特性的研究,推导了星载单基地和双基地雷达探测区域计算公式,分析了双基地角和目标前向散射区域与卫星相对位置的关系。基于星座固有的空间约束条件,讨论了由于平台运动引起的地杂波多普勒频率扩展与卫星飞行的几何关系。最后,分析了系统性能与星座构型参数和卫星轨道根数的关系,提出了利用逆向运行极轨道同构星座作为多基地雷达星座的基本构型,并针对该构型星座提出了一套优化设计方法并给出了设计实例。     

空间调制系统的星座优化设计

作为一种新颖的多天线技术,空间调制(spatial modulation, SM)受到了学者的关注。近年来,SM系统的星座设计成为研究热点。然而现有的星座设计算法由于预先设定星座结构,导致不能得到最优的星座图。对此,在发送功率受限的条件下提出一种新的星座设计方案。该方案基于最小化SM系统误符号率(symbol error rate, SER)准则,通过扩大可行域范围并利用遗传算法，对SM系统的信号星座进行了优化。此外,深入分析了信号星座对SER及系统参数对星座设计的影响。仿真结果表明,该算法得到的星座图相比于其他星座图具有更好的SER性能。     

面向移动通信星座网络的自主管理分簇算法

具有高度动态性的低轨(LEO)卫星星座系统是移动通信的重要组成部分.由于卫星网络具有动态性高、星间传输时延大、资源有限和网络拓扑周期时变等特点,使得LEO星座系统的自主管理非常困难.针对上述问题,提出了具有针对性的CDCA算法,通过构建簇的方法来实现对星座系统的管理.CDCA的设计中充分考虑了LEO星座的实际特性和资源情况,利用不同轨道卫星的属性对簇内成员进行等级划分,提高了簇结构的稳定度,降低了簇的维护开销.通过分析及仿真实验表明,CDCA算法较现有方法在性能表现和维护通信开销等方面均有较大的提高.     

正交圆轨道星座设计方法研究

讨论了全球覆盖正交圆轨道星座设计方法.推导了极轨道星座实现球冠覆盖时星座参数的精确计算公式,分析了精确计算公式与Beste的近似计算公式之间的关系,明确了近似计算公式的应用条件.提出采用极轨道星座结合赤道轨道星座构建全球覆盖正交圆轨道星座的思想,推导了正交圆轨道星座的参数计算公式,给出了一些星座方案,并与全球覆盖极轨道星座进行了覆盖性能的分析和比较,说明了正交圆轨道星座设计方法的有效性.     

区域覆盖星座结构与参数同时优化的进化算法

针对区域覆盖卫星星座的优化设计问题,设计了一种能同时优化星座结构和参数的进化算法。算法采用固定长度的染色体编码,由星座可能的最多轨道面数和各轨道面内最多卫星数目确定的最多变量个数决定染色体编码长度。根据个体星座的轨道面数和各轨道面卫星数的实际值确定染色体中哪些基因是冗余的,并将这些冗余的基因设为隐性,达到可变维数优化的目的,从而实现星座结构的优化。染色体采用二进制/实数混合编码的方式处理同时具有整数/连续变量的星座优化问题,二进制编码部分采用二进制的进化算子,实数编码部分采用一组星座设计专用的进化算子。在一个虚拟的区域海洋监视卫星星座优化设计中的应用显示了该算法的有效性。     

一种适用于我国的TDRSS星座方案

提出了一种适用于我国的跟踪与数据中继卫星系统(tracking and data relay satellite system,TDRSS)星座方案。系统以中轨卫星星座为基础,由卫星星座、星际链路和地面信关站组成,可为我国的低轨航天器与地面站之间提供不间断的数据链路。理论分析和仿真结果表明,采用该星座方案的卫星中继系统能全天时覆盖全球低空空域,有较好的对地覆盖特性。     

LEO/MEO卫星通信系统ISL网络路由及切换性能研究

为了研究高度不同的卫星通信网络的路由和切换性能,采用Walkerdelta型星座构成两种非静止轨道卫星通信系统,分析和比较了LEO和MEO卫星通信网络构成特点和星间链路的俯仰角、方位角和星间链路长度变化。采用不同的路由策略以满足不同服务质量的要求,分析该策略下的卫星网络性能。设计了一种混合路由策略,综合考虑时延、时延抖动、切换和通信中断4项指标,进而比较不同高度的两种卫星网络应用不同路由策略时的性能。结果表明,混合路由策略上述服务质量的综合指标最优,该策略能够为各种用户提供不同的服务质量,提高卫星通信系统有效性和可靠性。     

基于METRIC理论的超大规模卫星星座多级备份策略

针对超大规模卫星星座可能出现的运行维护成本高、任务可用度低的问题, 结合卫星批量化生产以及采用一枚火箭将多颗卫星送入轨道(一箭多星)的现状, 基于可维修备件多级保障库存技术(multi-echelon technique for recoverable item control, METRIC)提出一种超大规模卫星星座多级备份策略。首先, 阐述了基于METRIC理论的卫星星座多级备份策略模型的原理, 备份策略同时考虑地面备份、停泊轨道备份以及星座轨道备份3种备份模式, 建立了考虑卫星年平均需求量、期望需求量与期望短缺数的星座可用度模型, 包含制造费用和发射费用的星座备份费用模型,以及以星座可用度为约束, 星座备份费用为优化目标的数学优化模型。然后, 以某型超大规模低轨卫星星座为案例研究对象, 使用遗传算法和边际分析法进行求解。最后, 讨论了遗传算法与边际分析法在求解该优化问题时的优缺点。结果表明, 在同一星座可用度指标下, 采用星座多级备份策略可比采用传统两级备份策略有效降低每年备份费用; 在保证星座可用度的前提下大幅降低了超大规模卫星星座的备份费用, 可为精确配置各级备份卫星数量提供参考。     

A Global Seamless Hybrid Constellation Design Approach with Restricted Ground Supporting for Space Information Network

In space information networks, satellites are generally in high speed orbit motion. In order to obtain better spacial and temporal coverage performance, satellites should cooperate with each other as a constellation. Previous works on constellations mainly focus on global seamless coverage using fewer satellites. However, like most countries, it is hard for China to build ground stations in overseas, and the geostationary Earth orbit position resource is scarce. In this paper, we investigate the constellation design problem with restricted ground supporting. We first proposes a "backbone network + enhanced network" hybrid constellation design approach. Then a hybrid "4GEO+5IGSO" constellation is designed using the proposed approach, and the coverage performance of this constellation is analyzed in detail. Simulation results show the proposed approach can realize global seamless coverage only using a small number of satellites. Furthermore, the proposed hybrid constellation meets the coverage demand only relies on ground stations inside China.     

通导一体化环月星座设计初探

探月活动的深入开展对月球中继星座的覆盖连续性、通信即时性、导航精准性及建设成本的要求越来越高。通导一体化的出现可为月球星座设计带来新思路, 可在为月面用户提供通信中继服务的同时, 在三重覆盖下实现高精度月面用户定位。针对不同卫星数量、不同轨道高度的环月星座轨道, 分析了其单重、双重和三重全月面全时覆盖的性能, 提出了特定高度下针对不同覆盖重数所需卫星数量的理论最小值, 并进行了仿真验证; 而后在通导一体化设计准则下, 对三重覆盖的情况进行了月面用户定位仿真分析, 结果显示三重覆盖定位精度可达米级。     

高轨卫星通信星座PS-GERT效能评估模型

卫星通信星座的效能评估不仅可以表征星座的通信能力,还可为优化星座结构提供依据。在深入分析星座结构关系的基础上,剖析基于通信链路的高轨(geostationary earth orbit, GEO)卫星通信网络和联系统(plus system, PS),借助图示评审技术(graphical evaluation and review technique, GERT)提出基于特征函数与传递概率的等价传递函数算法。首先,在分析通信链路重要度内涵的基础上,得出通信链路效能及其重要度的算法公式,构建GEO卫星星座PS-GERT效能评估模型。然后,利用傅里叶逆变换推导星座效能的概率密度函数。最后,以某GEO卫星通信星座为例进行分析,验证了所构建模型的优越性,不仅能够全面客观地评估星座效能,同时也为星座结构的优化奠定了理论基础。     

高轨卫星通信星座PS-GERT效能评估模型

卫星通信星座的效能评估不仅可以表征星座的通信能力,还可为优化星座结构提供依据。在深入分析星座结构关系的基础上,剖析基于通信链路的高轨(geostationary earth orbit, GEO)卫星通信网络和联系统(plus system, PS),借助图示评审技术(graphical evaluation and review technique, GERT)提出基于特征函数与传递概率的等价传递函数算法。首先,在分析通信链路重要度内涵的基础上,得出通信链路效能及其重要度的算法公式,构建GEO卫星星座PS-GERT效能评估模型。然后,利用傅里叶逆变换推导星座效能的概率密度函数。最后,以某GEO卫星通信星座为例进行分析,验证了所构建模型的优越性,不仅能够全面客观地评估星座效能,同时也为星座结构的优化奠定了理论基础。