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。     

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.     

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。     

卫星星座导航数学仿真系统及其关键技术研究

为了研究卫星导航系统的星座覆盖性能,信号链路、时间系统等关键技术和性能指标,有必要建立导航星座仿真系统,完成导航星座系统在各种模式下的工作状态模拟并对其结果进行分析和评估.论述了基于高层体系结构(HLA)仿真平台下的卫星星座导航数学仿真系统的总体设计,介绍了卫星导航星座分系统以及仿真支撑环境的功能.在此基础上,分别对仿真时间的推进策略、数据分发管理、仿真时间同步以及卫星轨道确定等关键技术进行了分析与研究.试验结果表明,本文设计的仿真系统及采用的若干关键技术,能够很好的满足仿真与评估的需求,对我国北斗卫星导航系统的研制具有重要的参考价值.     

超低干扰力矩微纳卫星姿控半物理仿真平台

微纳卫星姿控的反作用飞轮输出力矩小,难以克服普通气浮转台的干扰力矩,为了解决上述问题,实现微纳卫星姿控地面半物理仿真验证,必须对干扰力矩进行有效补偿。为此,对干扰力矩分类并分析了各自的特性,针对性提出了干扰力矩主动补偿方法,研制了主动补偿式超低干扰力矩气浮转台,并基于此开发了微纳卫星姿控半物理仿真平台。研制的气浮转台的干扰力矩达到2×10^-5 Nm,小于微纳卫星反作用飞轮的最小输出力矩,利用半物理仿真平台有效地验证了微纳卫星大角度姿态机动控制算法。     

卫星组网与星座控制设计、分析、仿真系统研究

设计和开发了卫星组网与星座控制设计、分析、仿真系统。该系统具有卫星组网优化设计、星座控制优化设计、星座性能分析、星座运行和控制过程仿真演示的功能,系统中的每个组成单元软件可以通过任务设定软件进行预定任务要求星座的设计、分析和仿真,也可以根据自身输入参数进行卫星组网与星座控制的设计、分析和仿真。最后利用该系统完成了对一个导航星座的设计、分析和仿真。     

在轨纳卫星的主动热控建模及控制策略研究

采用基于微机电(MEMS)的高效冷却技术,利用专家智能整定PID控制策略对纳卫星主动热控系统在轨时受到的轨道热环境及内部热源干扰进行控制.通过合理的分析与简化,建立了纳卫星MEMS主动热控系统的在轨动态数学模型,并利用人工智能领域专家的知识和经验结合经典PID控制给出了相应的控制策略.仿真结果验证了所提出的控制策略和方法是有效可行的.对工程应用有着指导意义.     

卫星移动通信星座系统的建模/仿真

卫星移动通信系统常采用星座的方式构建,能够实现真正意义上的全球覆盖。它是一个复杂的系统,其核心星座系统部分的设计过程中需考虑时间、空间覆盖特性,进行链路和成本分析等,单纯的数学计算难以集成化地对设计过程的各方面以及设计方案进行全面、直观的分析,因此采用现代仿真技术,基于HLA/RTI和STK,建立卫星移动通信星座仿真系统,通过XML方式灵活的存取数据库中的模型数据和配置方案,进行星座系统设计,并对设计方案进行实时或超实时的仿真运行,得到全面的分析、评估结果,仿真系统具有直观的二维、三维场景和曲线、报表显示功能,可为卫星移动通信星座系统的设计提供一个集成化、可视化的仿真试验平台,并可在一定程度上支持其他卫星星座设计。     

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.     

基于卫星可靠度和MTTR星座空间备份策略设计

基于卫星可靠度建立了星座系统可靠度模型,分析了星座构型、卫星的可靠度、备份卫星数目对星座系统可靠度的影响。通过分析备份卫星的可用性、卫星的固有可用度,提出了备份卫星轨道设计约束条件。基于平均修复时间建立了备份卫星重构控制模型,分析了备份卫星数目、备份卫星轨道、平均修复时间对备份卫星重构控制平均特征速度的影响。最后针对卫星星座对系统可靠度和平均修复时间的需求,提出了一套备份卫星子星座构型优化设计方法并给出了设计实例。     

基于仿真的双基站卫星星座设计

根据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、过顶时间要求下的通讯约束，并进一步设计双基站卫星星座的轨道高度、倾角、升交点赤经、轨道数目及卫星分布选择、星际链路建立。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。并充分利用空间站的优势，更有效的发挥卫星及其星座的作用。以服务于未来我国空间站的专用数据中继系统为例，进行双基站星座设计。从仿真结果可以看出，所设计的星座作为未来我国空间站的数据中继系统是有效的、可行的。     

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.     

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。     

全球导航卫星系统的星座可见性研究

在GPS和GLONASS(GlobalNavigationSatelliteSystem)的应用研究中 ,为保证系统正常工作 ,导航星座应满足一定的可见性要求。因此 ,首先对提出的最小可见性要求进行了原理性阐述 ;之后 ,基于卫星对地面的覆盖特性 ,给出了导航卫星的可见性定义 ,并推导了一种可见性判据 ;最后 ,针对一种通用的全球导航卫星系统星座 ,用仿真的方法给出了地面和某一海拔高度对该星座的可见性结果 ,确定了海拔高度同星座中可见卫星数目之间的关系 ,从而为全球导航卫星系统在外层空间的应用设计提供了依据。     

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。     

基于星敏感器的星座自主导航融合技术研究

为解决单纯基于星间观测的星座自主导航系统的基准秩亏问题,利用星敏感器间接敏感地平的导航方法提出了一种基于星敏感器的星座自主导航信息融合技术。该技术可以有效地将星光折射和星间观测两种方法结合起来,利用星光折射提供星座中成员卫星的绝对位置信息,给出星座的空间基准,再利用星间相对观测,约束星座的几何结构,提高星座的整体的导航精度。