低轨互联网星座发展研究

近年来,随着互联网用户激增,SpaceX、OneWeb等创新型企业纷纷计划打造低轨互联网星座,引发全球低轨卫星互联网星座的发展热潮。因此,研究国内外低轨互联网星座的发展情况及当前面临的技术难题有着很重要的意义。基于此,介绍了国外具有代表性的3个低轨互联网星座计划(Starlink、OneWeb、Lightspeed)及国内星座的最新发展情况;根据低轨互联网星座的特点,着重分析了低轨互联网星座面临的五大技术挑战:星座相对运动演化预报、星座自主导航与定轨、星座构型重构的路径规划、星座自组织协同构型控制、星座通信与网络服务;根据当前低轨互联网星座的发展趋势,对中国在低轨互联网星座的发展给出了建议。

PULSAR低轨卫星导航星座性能分析研究

低轨卫星导航系统是当前卫星导航领域关注热点,文章以美国修娜空间系统公司的PULSAR低轨卫星导航星座为例,首先介绍了其发展规划和最新进展,然后从对地覆盖特性、GNSS天基监测能力、星间建链情况、掩星事件数目等方面,分析了不同建设阶段的星座特性和最终定位性能。结果表明,在完全服务能力阶段,PULSAR星座能够提供全球8重以上(95%)覆盖,位置精度因子优于3.5(95%),具备米级独立定位能力,联合GNSS可将精密单点定位收敛时间显著缩短约90%,与此同时,在星载导航接收机的支持下,能够满足对GNSS的时空基准增强、空间天气监测、天基完好性监测等需求。相关结论可为我国低轨卫星导航系统建设提供参考。

低轨巨型星座体系架构设计与关键技术分析

巨型星座中海量网元对现有网络架构和技术体制提出了严峻挑战,如何设计和规划网络体系架构是巨型星座发展的关键问题之一。从星座架构的概念与特征出发,结合国内外卫星星座发展情况与技术预判,提出“四面”(感知平面、数据平面、控制平面、智能管理平面)和“三层”(资源层、传送层、业务层)的多层多域混合式智能协同组网体系架构,设计星座网络管控架构、技术参考模型与协议架构等。同时,针对星座建设与发展趋势,阐述并分析星座网络编址路由、网络鲁棒性敏捷保障、差异化业务承载、端到端可靠传送等关键技术的演化趋势,支撑我国低轨巨型星座网络发展与建设。

低轨大型星座下空间交通管理的安全挑战与应对

低轨大型星座的快速发展使外层空间安全环境发生了显著变化。在军民融合加深、大国竞争加剧、外空武器化战场化趋势的背景下,愈发繁忙拥挤的外空环境不仅给外空活动的业务安全保障造成严峻挑战,还带来了战略误判和冲突升级等国家空间安全层面的挑战。构建一套能够覆盖两个安全层面的国际空间交通管理机制具有现实必要性和紧迫性。当前的空间交通管理概念对国家空间安全要素考量不足,有必要结合国际外空治理在空间物体登记、外空活动透明度、空间监测与跟踪能力提升以及空间碎片治理等方面的现实需求,明确完善空间物体登记机制、保障空间业务安全和协调国家空间安全这三大空间交通管理任务。面对空间交通管理亟须应对的空间安全问题,国际社会应着力完善星座登记、促进星座信息共享与提升活动透明度,从而构建一体两面的安全机制,保障外空活动和空间环境的长期可持续发展。

低轨星座卫星快速开发与验证方案设计

针对低轨星座卫星快速开发与验证需求,提出试验星+工程星+接口验证平台(VPI)并行研制验证方案。通过工程星研制,对卫星结构、总装设计及供电主通道、推进贮供主通道等设计进行验证,支撑试验星设计优化与结构投产;VPI对星上电子单机接口、星上软件等进行迭代验证。通过试验星研制,对低轨星座卫星功能性能全面验证,确定星座卫星基线。该方案经多颗卫星实施验证,有效提高了低轨星座卫星验证效率。

面向微纳遥感星座构建的阻力差分控制方法

基于整星质量、功耗、体积和成本考虑,一些微纳卫星通常不加装推进系统。为满足这类微纳遥感卫星构建星座的要求,提出采用阻力差分控制(无动力控制)技术实现星座构建的方法。通过调整太阳翼迎风面积,利用星间阻力差增大或减小2颗卫星轨道半长轴之差,在不改变卫星飞行姿态、不影响有效载荷应用的情况下实现微纳遥感星座相位控制。利用20颗微纳遥感卫星构建星座对阻力差分控制方法进行验证,结果表明:将阻力差分控制技术应用于微纳遥感星座相位控制,能顺利完成微纳遥感卫星同一轨道面的等相位部署,并成功实现星座构建。

低轨星座红外探测器对临近空间高超声速目标的可探测性分析

以STSS LEO红外探测平台为例,分析其对AGM-183A类空射式高超声速目标的可探测性。为了直观比较不同条件下目标的光电探测特性,将其量化为焦平面上输出信噪比超过阈值的像元数量。首先计算目标气动温度及光谱辐射强度,再利用探测器模型,计算在不同探测方向、距离和角度下,焦平面的信噪比峰值以及超过信噪比阈值的像元数量。分析结果表明,星下点模式下信噪比峰值最高(335),且超过信噪比阈值(6)的像元数最多(54×54),此像元数代表LEO星座对AGM-183A目标的最大可探测性。在临边探测模式下,给出目标可探测性随探测角度和目标温度的变化规律。结果表明,当目标温度接近800 K且探测方位角ψ小于10°(或大于170°)时,焦平面上超过信噪比阈值的像元数量为4×4,说明此时目标可探测性已经接近探测器的理论极限(3×3)。对比来看,温度的改变对目标可探测性的影响更为显著。在临边探测模式下,目标在飞行中段采用主动冷却手段降低表面气动温度以逃脱LEO探测的概率更高。从提高预警能力角度,要提高探测器在最不利角度对温度接近800 K目标的信噪比阈值(方位角ψ小于10°或大于170°时焦平面像元数量不低于8×8)。

利用遗传算法实现低倾角卫星星座优化设计

针对热点区域的多重覆盖问题,采用回归圆轨道的共星下点轨迹星座方案,提出基于遗传算法求解单颗卫星轨道参数、利用简单解析公式求解星座轨道参数的方法。首先,建立了回归轨道热点区域多重覆盖模型;其次,以卫星一个回归周期内覆盖时间最长为性能指标,首颗卫星轨道根数利用遗传算法可优化求取;最后,根据星下点轨迹重合这一约束条件设计星座构型,并利用各卫星间几何关系求解各卫星的轨道根数。理论分析和仿真结果表明,该方法简单且易于实现,设计结果正确,可实现回归周期内同一卫星星下点轨迹多次覆盖目标,星座使用卫星少、覆盖频率高,具有较好的工程应用价值。

低轨星座传感器资源调度的自主任务规划建模方法

低轨星座传感器资源的优化调度是复杂多约束下的任务规划问题,为了满足多个运动目标全程跟踪与监视的资源实时优化调度需求,提出一种星上自主快速求解的规划模型.在对自主任务规划问题进行详细建模的基础上,考虑各项约束条件与优化因素,将原问题转化成简易的0-1线性整数规划模型,并构建多目标跟踪试验场景对所提方法进行了仿真验证.仿真结果表明,基于简易规划模型的资源调度可实现多目标的全程跟踪与监视.

一种 QAM星座点优化方法及性能分析

正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation,QAM)是目前无线通信中大量应用的调制技术,其位于4个角的星座点易受链路的影响而导致较高误码率。提出了一种QAM星座点整形优化方法,并对整形优化后的QAM星座点性能进行了计算机仿真分析。以标准星座点为初始值,通过遗传算法逐步迭代,搜索出抗削峰的星座点,从而降低解调误码。仿真结果表明,相比标准QAM,整形优化后的星座点峰均比降低1 dB@1E-6,且在OBO=3.5 dB时有大约0.3 dB@SER=1E-3的解调增益提升。

基于DDPM的调制信号星座图去噪方法

调制信号广泛应用于有线通信、无线电通信和视频传输等领域。然而,调制信号在传输过程中常受到噪声干扰,这为后续调制识别造成了影响。针对这一问题,本文提出一种基于去噪扩散概率模型(Denoising Diffusion Probabilistic Model,DDPM)的调制信号去噪方法。该方法将理想调制信号星座图样点坐标输入神经网络,基于DDPM正向扩散加噪过程生成噪声数据训练网络模型,用DDPM逆扩散过程实现真实调制信号星座图去噪。该方法能够在任意噪声干扰下,恢复出信噪比较高的调制信号星座图。实验结果表明,该方法在处理二进制相移键控(Binary Phase Shift Keying,BPSK)、正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying,QPSK)、8移相键控(8 Phase Shift Keying,8PSK)调制方式时表现出了显著的去噪效果。当信噪比高于-5 db时,去噪后的星座图样点坐标偏移量仅为1.17e-02,标准差仅为1.53e-04,可有效用于调制识别中。

基于扰动时空混沌的三维OFDM星座加密方案

无线通信网络的迅猛发展使得传输信息量迅速增加,这对系统的传输效率和通信安全提出了更高的要求。为满足上述要求,提出了一种基于扰动时空混沌的三维OFDM星座加密方案。首先,设计了一种反馈元胞自动机,以提高元胞自动机的周期性和伪随机性。将反馈元细胞自动机的迭代结果进行归一化后,作为扰动加入时空混沌系统中。通过分岔图、李亚普诺夫指数、回归映射分析和随机性测试,证明了添加该扰动的系统具有良好的混沌特性。其次,设计了一种新的三维16-ary星座图,将星座点之间的最小欧氏距离扩大了6.3%,并结合扰动的时空混沌系统实现了三维星座旋转的物理层调制加密。实验仿真结果表明,与其他三维16-ary星座映射旋转加密算法相比,该算法的误码率性能提高了约1 dB。此外,通过密钥空间、密钥灵敏度和统计攻击的安全分析,证明了其良好的安全性能。

地表异常即时探测星座设计思考

地表异常具有分布广泛、频率高、演化速度快、影响范围大等特点,现有的天基遥感系统存在着协同弱、响应慢、链路长等问题,无法满足异常即时探测的应用需求.通过对地表异常分类及特点的分析,总结了地表异常天基遥感需求,结合现有天基遥感能力与特点,提出了天基地表异常即时遥感卫星的能力目标表.总结了大规模地表异常即时探测星座的设计思路,分析了地表异常即时探测星座的组成方式、工作模式和应用场景,星座可以实现对地表异常的即时发现、即时识别和即时传输,并根据即时探测需求进行了仿真分析.仿真结果表明,星座具备数据获取到数据服务优于15min的能力,为未来天基地表异常即时探测星座的建立提供了参考.

巨型星座系统发展与应用的若干思考

1概述低地球轨道(LEO)小卫星以其成本低、研制周期短等特点,成为卫星产业发展的热门趋势。自2013年开始,全球卫星发射数量首次超过100颗,受益于以“星链”(Starlink)为代表的商业LEO巨型星座的建设,2017年以来全球LEO卫星产业发展迅猛,2020年巨型星座被麻省理工学院(MIT)评为“全球十大突破性技术”之一。据预测,到2031年全球发射LEO卫星数量将是2021年的近3倍。在军事、通信、政治、商业等市场应用需求的推动下,未来十年巨型LEO卫星星座的建设如火如荼。

基于天线索引多种星座联合的空间索引调制

为进一步开发无线通信系统的天线索引域,提高无线通信的频谱利用率,提出了一种联合三维星座和正交幅度调制星座的增强广义空间调制新方案(EGSM-3DQ).在方案中,借助一个矢量索引比特,构建三维星座来拓展激活天线索引的组合.发射部分的矢量符号由两个空间矢量符号构成,其中一个空间矢量符号是通过三维星座信号映射器和天线索引矢量调制器,将三维信号符号的3个分量调制到2根或3根激活发射天线上而获得的;另一空间矢量符号是通过矢量选择器将1个或多个正交幅度调制符号调制在1根或多根激活天线上而获得的.通过仿真实验分析系统的平方最小欧式距离和平均比特错误概率,结果表明,与传统通信系统相比,新方案改善了通信的性能.

基于模糊关联熵的成像侦察星座优化

成像侦察星座的优化对于侦察时效性具有重要意义。当前侦察星座优化采用基于Pareto支配的进化算法,针对此类算法在解决优化目标函数维度大于3的侦察星座优化问题上出现的选择压力不足、多样性差等问题,提出一种改进的基于模糊关联熵的粒子群算法(Improved Particle Swarm Optimization Algorithm Based on Relative Entropy of Fuzzy Sets,IFREM-PSO)。算法对自适应惯性权重策略进行改进,增强了收敛速度与收敛精度;引入变异策略,有利于跳出局部最优解;对外部档案维护策略进行改进,增强多样性。以面向区域目标的可见光侦察星座的设计与优化为背景,分别使用多目标粒子群算法MOPSO(Multiple Object Particle Swarm Optimization)、基于模糊关联熵算法FREM-PSO(Particle Swarm Optimization Algorithm Based on Relative Entropy of Fuzzy Sets)和本文提出的IFREM-PSO对侦察星座进行优化。实验结果表明,FREM-PSO算法在该问题上具有更好的表现,而相比FREM-PSO算法,IFREM-PSO算法在收敛速度上有显著提升,在收敛效果和多样性上表现更好。

多层星座网络仿真教研系统设计与实现

随着6G架构的逐渐清晰与天空地海一体化需求的明确,非静止轨道卫星星座的发展进入了空前繁荣的阶段,美国STARLINK、Kuiper、英国OneWeb、中国卫星互联网星座等系统处于建设与部署的关键阶段。其中,多层星座网络的设计是解决全球无缝覆盖与随需接入的重要研究对象。然而,受限于卫星通信系统建设成本高、系统复杂、正式系统运行受国家管控等,真实系统难以直接应用于高等院校的实验教学工作。目前卫星通信相关课内实验及综合实验主要以机房参观、实验箱分组实验等方式进行,既缺乏直观的系统认识,且参与度较低。针对上述需求,该文设计了一套基于“轨道建模+系统分析+动态显示”的仿真系统,并利用快照仿真的思想实现了非静止轨道卫星星座的高动态性分析过程。实验结果表明,该系统能够较好地完成大规模多层星座网络的覆盖分析、同频干扰分析等功能,可支撑卫星通信、无线通信、通信综合实验等课程的实践需求。

巨型星座路由技术综述

针对当前卫星星座巨型化趋势,分析巨型星座的特点,从组网传输和业务需求两方面总结巨型星座路由的能力要求,包含信令开销、负载均衡、故障处理、QoS保障等4个方面,并针对性地分析适用于巨型星座的路由方法、典型算法及其表现。展望软件定义网络、区域划分、人工智能、算力路由等4种支撑巨型星座路由的相关技术方向,以期对6G卫星互联网建设提供参考。

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。

面向大规模星座的星间组网技术研究

0引言20世纪末,以“铱星”(Iridium)、“全球星”(Globalstar)为代表的星座计划掀起了第一代卫星星座网络发展浪潮,但因无法与迅猛发展的地面网络竞争,以及因商业运营策略方面的失误而发展滞后,纷纷宣告失败^([1])。近年来,以“星链”(Starlink)、“一网”(OneWeb)等为代表的商业卫星互联网星座计划快速推进,推动了以低轨大规模星座为特征的新一轮空间信息网络发展浪潮^([2-4])。