基于改进粒子群算法的卫星星座优化设计

面向区域覆盖的卫星星座设计是一个多约束的优化问题,提出一种基于改进粒子群(Particle Swarm Optimization,PSO)算法的中轨(Medium Earth Orbit,MEO)卫星星座优化设计方法。以最大化卫星星座对中国区域的平均覆盖率为目标,基于3+4P星座构型进行卫星星座优化设计,并采用改进PSO算法对卫星的轨道参数进行优化。通过仿真软件和卫星仿真工具包(Satellite Tool Kit,STK)互联进行算法验证,并将改进PSO算法、标准PSO算法和遗传算法(Genetic Algorithm,GA)的优化结果进行对比。仿真结果表明,改进PSO算法优化后的卫星星座对中国区域的覆盖率均值为95.34%,分别比标准PSO算法和GA算法高0.68%和9.55%,同时具有更高的平均覆盖重数和总覆盖时长。因此,基于改进PSO算法的卫星星座优化设计方法可以实现较好的覆盖性能。

低地球轨道卫星星座地球固定足印模式覆盖域切换方法

在低地球轨道卫星星座中,当采用地球固定足印模式时,波束在覆盖域之间的切换会影响对地覆盖的仰角,进而影响通信质量。针对地球固定足印模式下的覆盖域切换问题,提出了一种覆盖域切换方法。首先,设计了覆盖域划分机制,使覆盖域拓扑保持规则性;然后,以最大限度地增大波束对地面的最小仰角为目标,设计了切换时刻选择机制和目标覆盖域选择机制。所提方法考虑了极轨星座和倾斜轨星座的差异,同时支持2种星座。以OneWeb和Telesat星座为仿真场景,验证了所提方法。仿真结果表明,所提方法能够有效增大波束对地面覆盖的最小仰角,从而有助于提升链路质量。

基于退火狼群算法的卫星星座网络抗毁性优化

为提高卫星星座网络受到攻击后的抗毁性及工作能力,提出了一种模拟退火狼群算法。该算法利用主客观权重法结合综合逼近理想排序法(TOPSIS:Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution)对网络中的节点进行重要度评估,并按照节点重要度排序依次攻击。以网络连通度与网络连通效率为优化目标,卫星星座网络通信限制为约束条件,采用运动算子的思想实现狼群自适应步长的游走、召唤和围攻。使用通过优化得出的加边方案对网络结构进行优化。实验表明,与其他优化算法相比,该算法具有优越性,解决了卫星星座网络在受到攻击后工作能力下降的问题,提高了其受到攻击后的抗毁性。

通感算融合赋能的低轨卫星星座网络架构与关键技术

为了进一步支撑空天地一体化多维协同通信、精准遥感和高效泛在计算的协同演进,低轨卫星星座网络亟需发展通信、感知、计算融合(ISCC)理论与关键技术。基于此,首先概述了低轨卫星星座网络的研究背景和通感算融合网络研究现状;进一步地,聚焦于通信、感知和计算的深度融合,深入分析了通感算融合赋能的低轨卫星星座网络架构与关键技术;最后探讨了通感算赋能的低轨卫星星座网络面临的未来挑战与发展前景。本研究有望为未来实现空天地一体化的多维协同通信、精准遥感和高效泛在计算奠定基础。

海南商业卫星——海南一号卫星星座数据的应用

一、引言航天产业作为国家航天强国战略的重要组成部分,对加快实现我国航天科技成果的应用转化效能具有重要的推动作用。世界发达国家都十分重视航天产业的发展,航天产业也是近几年快速增长的全球资本投资热点,其中遥感卫星占到了最大的份额,分外受到青睐。在目前中国已有的商业卫星项目中,预计未来3~5年内也将出现产值超过亿元的企业。蓬勃发展的产业必然带来就业的大幅度增长,业内超常的就业需求已经逐渐露出端倪,部分省份、地区新经济型产业雏形已经初现。

卫星星座碰撞规避快速轨迹优化方法

针对外部威胁物体对近地轨道巨型卫星星座带来的碰撞威胁问题,提出了一种碰撞快速规避方法.通过计算外部威胁物体距离星座轨道面的最小距离,判断碰撞发生风险,对碰撞进行快速预测.在此基础上,设计了一种碰撞规避快速轨迹优化方法.碰撞规避轨迹优化问题是一个非线性规划问题,以规避时间和燃耗为优化指标,考虑星座的在轨服务性能和卫星的机动能力,将飞行时域映射到给定区间,并引入中间变量,将规避轨迹约束松弛凸化为一系列凸约束,使用一阶泰勒展开式进行线性化,进而将碰撞规避轨迹优化问题转化为一个二阶锥规划问题,并采用凸优化算法求解.仿真结果表明,凸优化求解时间仅07s,能够提升规避轨迹优化问题的求解效率,缩短求解时间.

云平台支持下的Starlink卫星星座拓扑仿真技术探析

卫星网络作为全球通信架构的重要组成部分,其可靠性和高效性对于全球数据传输至关重要。Starlink卫星星座作为领先的低地球轨道通信网络,在进行星座拓扑设计与管理中需借助现代化信息技术手段,实现优化与仿真。本研究针对Starlink卫星星座的拓扑结构,基于云计算,对主流云平台进行了介绍与分析,在云平台的强大计算与存储能力支持下构建了Starlink卫星星座拓扑仿真系统架构,实现了Starlink卫星星座拓扑仿真系统功能,最终通过实验分析与验证,以确证系统功能的准确性与逼真度,提升卫星网络的服务效率和质量,为星座网络设计与运营提供了科学依据。

面向非地面网络多QoS保障的低地球轨道卫星星座设计

低地球轨道卫星星座(LSC)能够为非地面网络(NTN)提供无缝和快速连接,但无法为用户提供足够的服务质量保障,严重影响了NTN系统性能。综合考虑多个QoS指标,建立了LSC的容量与下行链路预算模型,进而,将星间链路的建立制定为QoS保障的链路预算问题。提出了带有改进交叉和变异算子的非支配排序遗传算法(INSGA-II)优化LSC的配置,实现多重覆盖率和系统容量的最大化以及星座成本的最小化。数值结果表明,与Telesat和Kepler相比,所设计的LSC具有相当甚至更高的性能,且其星座规模仅为Kepler系统的64%。

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。

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。

卫星星座网络容量密度评估

采用传统分析方法在较低波束密度场景下会极大低估系统的吞吐能力,且无法揭示出高波束密度场景下出现的容量饱和现象。为了克服上述问题,提出一种全新的系统仿真方法,以对卫星网络及星地一体化网络的容量密度指标进行精确评估。基于此方法,首先,评估地球不同经纬度区域的容量密度,可以观察到,随着卫星运动,相同地区的容量密度变化较大,其最大最小容量密度的比值可达两倍;其次,可见性越高的地区通常具有更高的容量密度,高频场景下,气衰对容量密度的影响不可忽略;最后,针对星地融合系统,评估结果显示蜂窝覆盖和卫星覆盖的容量密度可以相差4个数量级。为了提升星座容量密度,尝试用提升最大点亮波束数和提升卫星规模两种技术路径。结果显示,在星座总波束相同的情况下,提升卫星规模时性能更优;但两种提升星座总波束数的方式都存在容量上界,且边际效应显著下降。为此,最后提出提高卫星天线增益的方案,仿真结果表明所提方案可以显著提升星座容量密度。

小卫星星座批产研制模式设计与实践

为适应低轨小卫星星座体系化应用需求,设计、实践出一套面向批产的小卫星研制模式。某批产小卫星星座通过整星仅一次合板即最终状态,产品交付即落焊,裁剪、简化环境试验,投产管路模板实现卫星结构装配与管路焊装并行实施,发射场带翼运输,全无线测试等批产创新策略,构建了小卫星批产体系,实现了年出厂20颗以上500 kg级小卫星的能力,为建设高密度小卫星星座奠定了基础。批产策略与方法均经实际验证,与传统小卫星研制相比,将批产星总装、集成与测试(AIT)周期由1年以上缩减为3个月以内,将发射场工作周期由35~50天缩减为20天,实现了快速研制、快速发射与快速在轨应用,有效促进了低轨小卫星星座高效规模化部署。

低轨卫星星座快速响应链路损毁路由算法

设计高效弹性的卫星路由算法是未来低轨(Low Earth Orbit, LEO)卫星通信技术的一个重要发展方向。为解决低轨卫星星座网络中星间链路发生故障后存在的传输中断和数据安全问题,提出了一种低轨卫星星座快速响应链路损毁路由算法(Quick-response Link Destruction Routing Algorithm for LEO Satellite Constellation, QRLDRA)。QRLDRA以星座可预测拓扑作为星间路由计算基础,增加星地回传路由设计,快速将星间链路异常回传至地面计算中心处理;引入多优先级动态队列,根据节点链路状态调整星间链路不同数据传输的优先级;综合路由计算、路由上注、链路检测等功能,完成对拓扑变化的及时响应。通过仿真实验与传统算法的比较发现,所提算法有效提高了数据端到端传输的成功率,为用户业务服务质量(Quality of Service, QoS)提供了可靠保障。

对低轨卫星星座天基测控服务模式的设计与应用

随着大规模低轨卫星星座的全面部署,对天基测控服务模式提出了新的挑战。分析了低轨卫星星座在常态运行、应急使用以及智能化应用中的测控需求;构建了新型天基测控服务系统,设计了前返向实时跟踪波束和全域静态波束组合应用的天基测控资源保障模式。提出了基于地面运管中心统一调度的天基测控服务模式,给出了即时计划驱动和“返向全时分发+前向业务驱动”两种典型模式下的系统工作流程,归纳总结了所述服务模式产生的效益。详细梳理了与所述服务模式相适配的卫星终端设计要求,明确了不同模式下的卫星终端工作状态。可用于指导后续对低轨卫星星座天基测控服务的工程化应用。

一种基于MOSA的低轨卫星星座多波束分配策略

针对LEO宽带卫星星座中多卫星同时覆盖某一区域情况下的多波束资源分配问题,采用地面固定波束体制,研究了多卫星多波束的分配策略。以地面用户接入容量需求和端到端时延最小化为优化目标,通过对多目标模拟退火算法进行改进优化,建立了一种可同时满足用户容量与时延要求的多卫星多波束的分配方法。仿真结果表明,算法能够根据用户优先级,有效提升星座波束的通信与覆盖性能,通信时延降低了4.1%~20.6%。

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。

电推进技术在卫星星座中的应用及发展

卫星体积小、组网数量多是近年来互联网卫星星座发展的趋势,对推进系统的要求向体积小、质量轻、成本低发展,而电推进是近年来兴起的新型推进技术,相比较于传统化学推进,电推进推力小、比冲高,相同速度增量需要的推进剂质量小,适合卫星星座对空间推进的需求。本文介绍了卫星星座及使用电推进的情况,并分析了后续电推进在卫星星座中的发展趋势。

采用遗传算法进行区域覆盖卫星星座优化设计

区域覆盖星座的研究具有很大的现实意义。本文建立了一种比较通用的区域覆盖星座模型 ,将遗传算法用于该模型 ,建立了一整套区域覆盖星座的优化设计办法 ,算例表明了该算法的有效性。

卫星星座区域覆盖问题的快速仿真算法

针对卫星星座对地面区域的覆盖性问题,提出一种快速求解方法—经度条带法。首先将全球划分为若干个经度条带,并得到一个地面区域所在的纬度区间,然后根据球面几何关系和卫星覆盖与几何形状计算卫星对每个条带的覆盖情况,最后再综合统计得到覆盖率。基于此方法,推导了星座瞬时性覆盖和时段总覆盖的计算公式。数值仿真实验表明,该算法计算结果精确,具有较好的稳定性,计算效率较高。

卫星星座的结构演化

主要研究星座几何结构的演化问题,分析了在地球扁率摄动和卫星的入轨偏差影响下轨道的演化过程,以卫星的相位和升交点赤经为参数描述了星座结构演化的一般规律,又以星下点轨迹变化和星下点的相互位置关系的变化为参数描述了区域星座结构演化的地域特性。分析表明,地球扁率摄动将导致星座结构的整体漂移,而卫星的入轨偏差则会导致星座几何结构的紊乱,特别是轨道半长轴的偏差,将是影响星座几何结构稳定性的决定因素。