低地球轨道（LEO）的大型航天器充电

本文根据ＬＥＯ中等离子体温度低、密度高、德拜长度小的特点，采用薄鞘层近似，计算了离子收集电流；根据电流平衡方程，考虑表面二次电子发射，计算了大型航天器表面在沉降电子流辐照下的充电特性。结果表明，较大的沉降电子电流会使航天器表面达到很高的负电位，而且随着航天器尺度的增大，充电电位也相应地增高。

HOI延迟对LEO卫星简化动力学POD的影响

通常使用无电离层(IF)线性组合(LC)消除低地球轨道(LEO)卫星简化动力学精密定轨(POD)一阶电离层延迟误差,忽略了高阶电离层(HOI)延迟误差。随着LEO卫星POD技术的发展,计算不同轨道高度的HOI延迟并探索其变化已成为进一步提高POD精度的重要手段。首先,使用国际参考电离层-2016(IRI-2016)和国际地磁参考场第13代(IGRF-13)模型,计算电离层穿刺点(IPP)位置和地磁场强度。其次,使用平滑星载GNSS数据计算电离层斜路径总电子含量(STEC)。然后,分别计算GOCE、GRACE-A和SWARM-A/B卫星的二阶和三阶电离层延迟。最后,评估了HOI延迟对LEO卫星重叠轨道分析、卫星激光测距(SLR)检核和精密科学轨道(PSO)比较结果的影响。实验结果表明:HOI延迟对LEO卫星简化动力学POD的影响大约在毫米至厘米的数量级上;HOI延迟对LEO卫星简化动力学POD外符合精度的影响分别达到0.92,0.22,0.21和0.18 mm;随着LEO卫星轨道高度的增加,HOI延迟对LEO卫星简化动力学POD的影响减小。

LEO卫星系统对GSO卫星系统干扰规避技术研究

近年,低地轨道(Low Earth Orbit,LEO)卫星星座繁荣发展,LEO卫星系统和地球静止轨道(Geosynchronous Orbit,GSO)卫星系统同频共用情况非常普遍,同频段内LEO卫星系统需要规避GSO卫星系统的上下行干扰。LEO卫星系统对GSO卫星系统干扰规避方法和策略包含调整指向、更改频率、降低功率和关闭波束。在对系统干扰规避模式及干扰区域情况进行仿真基础上,结合LEO卫星系统特点,提出经过规避区域时切换信关站或者馈电链路关闭下行波束的方案。用户链路结合相控阵天线特点,信令波束通过上注星载相控阵天线波位表实现干扰规避;业务波束通过上注干扰规避区域对应的地面网格编码实现干扰规避,提出不同链路干扰规避实施方案和实现流程。

LEO多星座增强BDS精密单点定位性能评估

针对不同构型的低轨星座(LEO)增强北斗卫星导航系统BDS的精密单点定位PPP性能开展研究。通过IGS高、中、低纬度6测站实测数据、精密轨道及钟差产品,生成BDS、“鸿雁”HY、“微厘空间”CS精密星历、卫星钟差、观测量等实验仿真数据,构建了LEO增强BDS PPP数学模型,实现了BDS、BDS+HY、BDS+CS、BDS+HY+CS不同组合PPP。实验结果表明,在10、60 min静态PPP定位精度以及平均可视卫星数、PDOP值等方面均有不同程度的提升,HY对高纬度KIRU站改善效果显著,收敛时间减至2 min以内,CS对低纬度FAA1站测站收敛时间的提升最大,从46 min 50 s缩短至2 min,HY+CS增强BDS的效果最好,10 min定位精度均能达到毫米级,除FAA1站外其他测站均收敛在1 min以内。

LEO航天器太阳电池阵激光诱导电弧放电试验与分析

基于太阳电池阵空间电弧放电理论,对纳秒脉冲激光诱导太阳电池阵电弧放电机理进行分析,采用空间放电模拟试验系统,试验研究了低地球轨道(LEO)等离子体环境下纳秒脉冲激光诱导太阳电池阵电弧放电的功率密度阈值及其放电特性。试验结果表明:LEO等离子体环境下激光诱导太阳电池阵电弧放电的功率密度阈值约为1.08×10^(8)W/cm^(2),与无激光诱导相比,放电持续时间增加了20%,且每施加1次纳秒脉冲激光诱导电弧放电概率约为60%。对比分析不同工况下的太阳电池阵损伤效应可得:纳秒脉冲激光诱导电弧放电破坏绝缘层最严重,容易造成太阳电池阵中部分PN结短路失效,其损坏程度远远大于空间环境太阳电池串间电弧放电烧蚀损坏效应和盖玻片表面热应力损伤造成的PN结断路失效。此结论可为航天器太阳电池阵放电试验的措施及试验参数选取提供参考。

LEO-RAN切片场景联合用户关联和动态资源分配算法

为了解决6G天地一体化网络的资源高效利用问题,提出了一种面向高密度低地球轨道卫星-无线接入网(LEO-RAN)切片场景的联合用户关联和动态资源分配算法。考虑不同切片的最小速率、最大时延及资源比例等约束,以频谱效率(SE)和不同切片服务水平协议(SLA)满意率(SSR)的加权和作为优化目标,建立用户关联和资源分配的联合优化问题。首先设计基于多智能体深度确定性策略梯度(MADDPG)的网络切片算法确定切片资源比例,然后采用基于拉格朗日对偶的用户关联算法确定最优的用户关联策略,最后通过轮询调度机制将资源分配给用户。仿真结果表明,所提算法在满足不同切片差异化SLA的同时能够有效提高SE。与基于MADDPG-RA、MATD3-LG、MATD3-RA、MASAC-LG和MASAC-RA算法相比,所提算法系统效用分别提升了2.0%、2.3%、5.7%、8.7%和9.4%。

巨型LEO星座的时不变拓扑与航点路由设计

LEO卫星网是6G空地一体通信的重要组成部分,在带来低成本广覆盖等应用优势的同时,面临高动态和快切换等技术挑战。虽然卫星规律运动,星座图时变性也有章可循,但天基网的规模远高于地面网,不能简单延用因特网现有路由技术。综合应用快照变换和虚拟节点法,以卫星及星际链路为参考系,通过3步位置变换和极区收缩处理,得到巨型LEO星座的时不变拓扑,证明完全格网的适用性,并应用航点路由机制设计了本地卫星固定式路由算法,进一步给出了格网星座与循环图的同构性以及结构优化的探索方向。

LEO星载GPS实时精密定轨伪模糊度随机过程参数优化

提出在定轨策略及其他变量不变的情况下,使用一种数值步进的搜索比较方法,以确定伪模糊度随机过程参数的最优设置。使用GRACE-C、SWARM-A两颗LEO卫星2021年doy92~101共10 d的GPS数据及同时段的CNT、MADOCA两种实时精密星历产品,以模拟在轨实时精密定轨的方式,对伪模糊度随机过程参数开展优化实验。结果表明,在伪模糊度参数最优值方案下,两颗LEO卫星的实时精密定轨三维位置误差(RMS)约为4.62~7.56 cm,相比于传统模糊度浮点解方案,使用CNT和MADOCA产品的实时定轨精度分别平均提升约39.15%和29.61%。

基于区块链的GEO/LEO卫星网络安全认证技术研究

由于卫星网络高暴露、高时延的特点,不同系统星座组网进行遥控指令发布及遥测信息回传时,容易受到其他卫星恶意接入导致信息泄露。卫星网络安全认证成为天基测控实现过程中必须解决的技术问题。面向高轨和低轨双层卫星网络场景下的安全组网需求,提出了一种基于区块链的星间组网认证技术,该技术包括基于区块链的卫星身份认证和星间消息认证。研究设计将卫星临时身份登记上区块链,通过比对链上信息完成卫星的身份认证。为进一步增强消息传输安全性,采用椭圆曲线数字签名算法对星间消息进行签名验证。通过仿真分析,验证了所提技术能够以较小的时间开销满足卫星在组网认证阶段的多种安全需求。

基于状态转移张量的LEO目标短期误差传播及碰撞概率计算

目前低轨区域空间目标数量不断增加且航天器轨道机动能力越来越强。结合LEO机动目标快速碰撞预警对于计算效率和计算精度的需求,在J2模型假设下,提出了一种基于状态转移张量的短期状态误差传播方法。该方法从航天器相对运动的角度,引入二阶状态转移张量来描述误差传播的非线性特征,给出了误差传播的近似解析表达式,在此基础上完成了碰撞概率计算。仿真结果表明:提出的方法对于LEO目标短期误差传播及碰撞概率计算具有良好的计算效率和计算精度。

LEO卫星通信终端的RTT定位技术

低地球轨道(LEO)卫星通信互联网是未来满足万物智联、天空地一体化网络连接的6G移动通信网络重要组成部分。LEO卫星通信终端的移动性管理是LEO卫星网络运行管理的基本功能,而获取卫星终端的位置是实现移动性管理的基础。目前,全球卫星导航系统(GNSS)能够提供比较高的定位精度,但是当GNSS位置服务在受到环境遮蔽、外部干扰时可能失效,因此卫星通信终端需要一种独立于外部GNSS服务的自主定位方案。以未来LEO卫星互联网的通信信号为背景,提出一种基于往返时延(Round Trip Time,RTT)测量的LEO卫星通信终端自主定位体制,对OFDM卫星互联网信号的时延估计算法精度以及定位误差进行了理论计算和数字仿真,获得了本定位方案的均方根误差(RMSE)和几何稀度因子(GDOP),计算结果表明可以实现百米量级的快速定位,满足了移动性管理所需的千米量级位置信息的应用需求。

LEO卫星网络切换判决方法研究综述

低地球轨道(Low Earth Orbit,LEO)卫星网络因轨道高度低、传输时延小,可实现全球范围内全天时全天候无缝覆盖,在应急通信、情报侦查和灾害救援等领域得到了广泛应用。然而,由于LEO卫星与终端之间的高速相对运动导致频繁的切换问题,切换判决作为切换中的关键环节,直接影响切换是否能够成功以及切换性能的好坏,是实现可靠平滑切换的重要前提。结合LEO卫星网络切换判决方法研究进展,综述了基于单属性决策和多属性决策的2类切换判决方法;归纳了常用的图论模型切换判决方法;总结了机器学习在LEO卫星网络切换判决中的应用;结合常用评价性能指标对不同切换判决方法进行了对比分析;对未来LEO卫星网络切换研究值得关注的问题进行了展望,为后续相关研究提供解决思路。

LEO-5G下行同步FPGA设计与实现

随着低地球轨道卫星通信系统和第五代移动通信技术的融合,全球高速、低延迟的通信服务成为可能。本文主要分析了现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)在LEO-5G下行同步中的应用需求,提出了基于FPGA的LEO-5G下行同步方案,展示技术测试结果验证了所提方案的有效性,为LEO-5G通信系统的下行同步提供了可行的技术路径。

LEO-5G下行时频同步算法研究

该文深入探讨了低轨卫星(LEO)与第五代移动通信技术(5G)相结合的下行链路时频同步算法。在分析该融合系统物理广播信道(PBCH)的链路结构以及下行时频同步的整体框架基础上,提出了一项针对主同步信号(PSS)检测的改进算法,旨在实现对粗略频率偏差的估计。随后通过辅同步信号(SSS)的相关性分析以及小区特定参考信号(CRS)的导频序列,进一步细化了频率偏差的估计,并确定了下行时频同步算法。通过仿真实验下行时频同步的FPGA模块成功实现了消息指示块(MIB)的解析,正确率高达83.07%,满足算法设计目标要求。

基于非稳态MAB的LEO卫星跳波束时隙分配算法

针对低地球轨道(LEO)卫星系统中的跳波束资源分配算法不能适应小区业务动态变化等问题,提出了一种基于非稳态多臂赌博机(MAB)的LEO卫星跳波束时隙分配算法。首先,以系统二阶差分容量最小化为优化目标,建立了时隙分配和波束等级匹配的联合优化问题。其次,由于该问题非凸且难以直接求解,基于有效小区和有效关键小区的概念提出波束等级组合方案生成算法,从而生成所有可能的波束等级组合方案。接下来,提出了基于非稳态MAB模型的动态时隙分配方案,在最优波束等级组合方案下完成时隙分配与波束等级匹配的联合优化。最后,计算机仿真结果表明,所提算法在多种小区业务分布的情况下,系统平均冗余度均不超过20%;相比于其他对比方案,所提算法在保持较高的系统吞吐量的同时,还可以将波束平均重访时间控制在300 ms左右。

天基逆合成孔径激光雷达LEO目标成像模式设计

对采用天基逆合成孔径雷达(ISAL)对300~2000 km轨道高度的低轨(LEO)目标的掠飞和绕飞成像模式进行了性能分析及可行性探究,分析了成像分辨率和成像时间、最小无模糊脉冲重复频率(PRF)和回波信噪比(SNR)等系统关键指标,并进行了对比。研究结果表明:绕飞成像模式相比于掠飞成像模式可以实现对于目标的多角度持续观测,且绕飞周期较短(1.5~2.1 h),可以快速获取更为丰富的目标信息,具备进一步三维ISAL成像的潜力;脉冲积累时间虽然更长,但在300~2000 km轨道高度范围只有130~190 ms(掠飞成像为0.1~130 ms);最小无模糊PRF(对于10 m转动直径的目标,约为15 Hz)减少一半(减少了对激光器高重频的要求);由于更长的脉冲积累时间,绕飞模式的回波信噪比更高,通过后期处理可以获得更为清晰的图像结果;适用于对重要目标和高价值资产进行快速、高分辨率、全方位的持续观测。而掠飞模式适用于对相近轨道高度面的LEO目标进行遍历和成像,从而建立目标的特征库。

LEO卫星接收天线对北斗三号MEO覆盖性分析

低轨增强系统是将低轨卫星作为卫星导航系统的高精度天基监测站,与中高轨卫星定位系统形成互补,可增强定位的精度和完好性,助力构建GNSS全球天基监测网,同时通过提供高精度导航信号,助力提供全球准实时高精度服务。低轨导航增强系统处在同时同频全双工的工作状态,系统存在同频自干扰信号。针对该情况,首先,分析同频干扰对消技术对天基GNSS接收天线波束宽度的需求;其次,理论推导出GNSS接收天线与BDS-3 MEO卫星覆盖之间的关系,给出LEO卫星GNSS接收天线波束宽度最优值,该值既能最大限度降低同频干扰对消实现复杂度,又能实现LEO卫星作为导航增强的系统需求;最后通过工程实际证明该波束宽度的设置合理性,为后续实际工程起到一定的指导意义。

LEO增强的GPS、Galileo、BDS-3非差PPP模糊度固定性能分析

本文主要研究了GPS、Galileo、北斗三号(BeiDou-3 Global Satellite Navigation System,BDS-3)的未校准相位延迟(uncalibrated phase delays,UPD)稳定性以及低地球轨道(low earth orbit,LEO)增强的非差精密单点定位(precise point positioning,PPP)模糊度固定.基于全球分布的126个测站2022年001—007共一周的观测数据进行GPS、Galileo、BDS-3的UPD估计分析.宽巷UPD每天作为一组常数估计,窄巷UPD每15 min作为一组常数估计.结果表明:宽巷UPD在一周之内具有较好的稳定性,平均标准差小于0.05周;窄巷UPD在一天之内具有较好的稳定性,平均标准差小于0.06周.使用估计的UPD产品进行PPP模糊度固定并对其性能进行分析,GPS、Galileo、 BDS-3各系统静态PPP的平均收敛时间分别由20.75 min、 23.78 min、 30.60 min缩短至10.69 min、18.27 min、24.80 min;平均模糊度固定率分别为90.41%、77.22%、67.21%;东(east,E)、北(north,N)、天顶(up,U)三个方向均方根误差(root mean square error,RMSE)的平均值分别由(1.59 cm、0.91 cm、3.30 cm)、(1.58 cm、0.93 cm、3.24 cm)、(1.61 cm、0.98 cm、3.39 cm)减小至(0.90 cm、0.89 cm、2.98 cm)、(1.33 cm、0.85 cm、2.90 cm)、(1.47 cm、1.18 cm、2.94 cm).利用仿真的LEO星座观测数据,研究不同LEO卫星数量的增强效果,当LEO可视卫星数量愈多时,增强效果愈加显著,当LEO可视卫星数量为10颗时,GPS、Galileo、BDS-3各系统的静态PPP固定解的平均收敛时间分别由10.69 min、18.27 min、24.80 min缩短至1.53 min、1.71 min、1.94 min;模糊度固定率分别由90.41%、77.22%、67.51%提高至93.43%、79.99%、72.00%.

利用LEO卫星的最小误差矢量合成定位算法

针对利用低地球轨道(LEO)卫星信号进行多普勒定位时,由于缺乏定位误差矢量相关研究而使定位精度较差的问题,对多普勒定位误差矢量特性进行系统性的分析并提出一种最小定位误差矢量合成优化算法:以初始定位结果为中心划定区域网格,计算依次去除各颗卫星后定位误差向量在该卫星速度方向上的投影误差模之和;遍历所有网格,搜索投影误差模之和最大的位置网格作为优化的定位结果。实验结果表明:提出的算法的定位结果误差均值与均方根误差(RMSE)均有减小,其三维定位精度可提升40%以上。

中低纬地区混合LEO星座增强GNSS UPPP收敛性能评估

针对全球卫星导航系统(GNSS)精密单点定位(PPP)收敛时间过长的问题,提出了利用低轨卫星(LEO)几何结构变化快的优势,增强GNSS非差非组合PPP(UPPP)的收敛性能。选取中低纬度地区28个能接收GPS、GALILEO和BDS3信号的测站观测数据,比较了极轨和混合LEO星座的增强效果。结果表明:混合LEO星座增强GPS、GALILEO和BDS组合系统时,各测站收敛时间减少60%~80%,70%的测站收敛速度优于极轨星座。当混合LEO星座增强单BDS时,CL和GCL组合系统的收敛时间相当,ENU方向定位误差变化基本一致。收敛时间从10~20 min下降至3 min以内,原因是混合LEO增强BDS定位时,大大改善了卫星的空间结构。