低轨Walker星座构型演化及维持策略分析

针对低轨(LEO)Walker星座构型维持问题,分析在地球非球形引力和大气阻力摄动下卫星的运动规律及星座构型演化特性。结果表明,低轨Walker星座构型发散主要体现在由初始轨道参数不一致引起的轨道高度衰减和相位漂移,国内首例低轨Walker星座实测轨道数据验证了理论分析的正确性。结合星座任务特性与构型发散特点,提出了基于基准卫星的相对相位维持策略,选取一颗卫星作为基准卫星,使星座中其它所有卫星相对于基准卫星的相位漂移量累加值最小,通过对目标卫星实施一次相对基准卫星的轨道高度抬升/降低,维持星间的相对位置关系。实际工程应用表明了此策略的有效性,不仅降低星座构型维持的复杂度及频次,节约燃料,且轨控时间短,为我国今后卫星星座的构型维持提供参考。

低轨Walker星座构型偏置维持控制方法分析

针对低轨(low earth orbit,LEO)Walker星座构型稳定性维持问题,分析了低轨卫星的轨道摄动和星座构型稳定性的影响因素。通过分析低轨Walker星座的轨道摄动和相对漂移特点,提出了两次偏置策略。首先,依据未偏置时星座相对漂移量拟合得出第一次偏置时的偏置量。然后利用第一次偏置后的相对漂移量拟合得出第二次偏置量,消除残余项影响。两次偏置量叠加,使相对漂移大大降低。结果表明,低轨Walker星座中各卫星的初始参数偏差造成了升交点赤经和沿迹角相对漂移的发散,两次偏置策略可将两种星座的相对漂移量降至0.1°以下,证明了策略的有效性,提高了星座构型稳定性。

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。

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。

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)。

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.

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。

应用改进遗传算法的低轨星座部署策略优化方法

考虑发射场任务间隔时间约束,提出应用改进遗传算法的低轨星座部署策略优化方法。对近地圆轨道星座部署过程进行动力学建模,给出了部署窗口与入轨点相位差的关系,以及入轨后相位调整的代价分析。将星座部署位置组合进行参数化,加上各颗卫星部署日期间隔作为优化变量,使得在大范围日期区间内的搜索问题简化为有限维度的整数规划问题。引入改进遗传算法进行局部搜索,进而对部署策略进行寻优计算。以9颗卫星的Walker星座部署任务为例,对优化方法进行验证。结果表明:优化方法相对穷举搜索法的计算量有约7个数量级的降低,且能够用50代以内的演化计算快速得到满足发射间隔约束条件且兼顾部署总时间和相位转移量的最优解。

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。

大型低轨星座构型演化分析及维持控制策略研究

针对大型低轨星座构型维持控制问题,搭建了一套星座构型演化及维持控制分析流程,适用于千颗量级的大型低轨Walker卫星星座构型演化分析及维持控制;采用去平均漂移偏差的相对构型保持方法分析星座构型演化情况,有效减小了控制频次、均衡了控制卫星分布;采用自由段维持策略有序规划各卫星位置维持控制时序和控制弧段,实现了整个星座在时间和空间维度有序、分散的控制,降低了对星座服务性能的影响。

密集低轨星座启发式星间路由算法设计

星间链路决定了整个密集低轨星座的通信性能,而基于链路连通性的路由算法发挥着不可替代的重要作用。为提高星间链路通信性能,基于Python程序语言设计了一种启发式星间路由算法,在路径带宽和最大容忍时延的双约束条件下,对路径开销与端到端时延的混合参数进行统筹优化。将遗传算法与蚁群算法动态融合,加速全局最优收敛过程、增强算法的稳定性。最后,通过星链星座参数实例进行了仿真,仿真结果验证了所提启发式星间路由算法的优越性。

基于遗传算法的低轨星座测控资源调度方案设计

针对如何高效管理商业低轨星座测控资源调度的问题,基于遗传算法研究一种能够满足约束条件的改进方案。首先介绍卫星测控资源和测控过程;其次通过建立数学模型,将约束条件转化为数学表达式,规定目标函数和不同卫星测控站的收益值;然后介绍如何得到调度方案,对基本遗传算法进行改进。通过改进前后的对比结果发现相同初始条件下,改进后的算法能够减少资源消耗,提高总收益值。

基于延迟接受的低轨星座用户接入策略

针对低轨星座用户接入问题,设计了一种基于延迟接受的用户接入策略,综合考虑了多属性偏好序信息。对星地融合通讯系统进行建模,并利用连接关系矩阵描述用户与基站之间的覆盖关系。同时,根据卫星中继基站位置和低轨星座构型计算出卫星中继基站与卫星之间的连接关系矩阵,并将频谱资源划分为信道单元。根据建立的模型,综合考虑信道资源分配和干扰管理,提出多属性评价的偏好序信息,包括用户与小区回程链路的信道增益、干扰增益、小区回程容量和小区负载水平等。经过理论分析证明了所提出的匹配策略的稳定性和帕累托最优性。仿真结果表明所提出的用户接入策略(UADA)算法性能明显优于其他算法。

低轨大规模星座国内外二元治理之协调与完善

当前,低轨大规模星座外空治理面临的问题包括轨道频率资源有限、卫星相撞风险、环境污染等问题。各国对低轨大规模星座的近地轨道部署依旧在稳步推进,加上当前低轨大规模星座建设缺乏有序监管,国内与国际就低轨星座治理尚未达成共识,协调和完善低轨大规模星座外空治理迫在眉睫。因此,通过归纳低轨大规模星座外空治理规则之不足,从治理政策及立法动向层面,分析中国、英国、美国等的国内治理环境,提出国际治理之完善建议与国内外协调治理之构想,即明确外空和平发展的底色和基调,强调空间命运共同体发展,合理利用联合国相关平台来积极改进现有规则,同时强化各航天国之间的现有合作机制,旨在对低轨大规模星座的外空治理以及相关治理规则的完善有所裨益。

面向低轨星座边缘计算的博弈强化学习方法综述

博弈强化学习作为人工智能领域的新兴范式,是当前解决低轨星座边缘计算问题的主流方法。融入博弈论的多智能体深度强化学习方法为复杂、动态、不确定性的星座边缘计算问题提供了新思路。通过梳理总结卫星组网、任务卸载以及资源调度3种卫星边缘计算主要研究方向,详细阐述了博弈强化学习范式基础,并从博弈模型、深度Q网络、深度确定性策略梯度以及近端策略优化等方面分别阐述了3种研究方向上的典型应用现状,最后对该领域的前沿挑战进行分析,期望为博弈强化学习范式与低轨星座边缘计算领域的交叉融合研究提供参考。

低轨大型星座分布式数据接收资源调度方法

许多监视与早期预警应用通过具备高时效性的对地观测数据实现。低轨大型星座观测数据接收任务调度的主要挑战是卫星数量大,中心化资源调度冲突消解面临困难。为此,提出一种新的分布式数据接收资源调度方法。首先,基于星间与星地链路融合构建卫星与地面设备之间的分布式传输链路,在卫星、设备、链路组成的无向网络图中,计算数据下传任务期间分布式链路的最短路径及其持续时长;其次,针对由每个设备的最短路径时间窗口合并构成的集合,利用Q学习方法求解数据接收完成率的优化问题。仿真测试结果表明,在典型的数据接收场景下,采用Q学习求解的数据接收完成率优于“先可见先跟踪”的基准资源调度方法,提升接近1%;与仅使用境内地面站的数据接收资源调度相比,数据接收完成率提升超过50%。

基于Dijkstra算法的低轨星座通信路径规划方法优化

低轨星座网络的通信路径规划存在网络拓扑复杂、网络资源利用易不平衡的问题。针对这两个问题,兼顾时延、负载和任务优先级,利用有权图来表征实际的卫星以及相互之间的连通关系,基于Dijkstra算法提出一种改进的优化路径规划方法。该方法通过先分组并行后串行的设计减少规划耗时,通过实时更新拓扑和规划路径的方式解决算法难以适应低轨星座网络动态变化的问题。STK和Python的仿真结果表明,本文提出的方法动态稳定性较好、优化路径规划准确、规划耗时比原始算法平均缩短了约70%。

大规模低轨星座的实时精密定轨技术

在全球导航卫星系统的支撑下,分析地面集中解算和星上自主解算精密定轨的优缺点,并将高精度轨道非保守力模型应用于星上实时自主定轨算法,实现运动学和动力学定轨的分离,对于需要频繁机动的低轨卫星精密定轨具有显著优势。结果表明,辐射光压和大气阻力非保守力物理模型计算的加速度精度约5 nm/s^(2);采用广播星历进行定轨解算可以达到0.8 m位置精度,低轨卫星速度误差约1.1 mm/s;采用实时精密星历,位置精度可以达到8.0 cm,卫星速度精度约0.1 mm/s。低轨卫星实时精密定轨和预报方法可有效支撑大规模低轨星座的导航功能实现。

面向低轨巨型星座的多目标卫星接入优化

低轨巨型星座可以提供全球无缝覆盖的卫星通信服务,但也会导致用户被卫星多重覆盖,如何选择最优的卫星进行接入,成为低轨巨型星座接入技术的关键问题。对此,提出一种基于粒子群的多目标卫星接入优化算法。综合考虑星地距离、卫星剩余可服务时间和卫星剩余负载等目标函数,根据不同业务类型的QoS需求,对参数赋予相应的权值;针对可视卫星数量多且动态变化的特点,通过粒子群算法进行低复杂度求解。仿真表明,相较于对比算法,所提算法对星地距离和卫星剩余可服务时间进行了优化折中,保障了服务时间和通信质量,提高了接入成功率,能够灵活满足用户的不同业务类型需求,适应用户业务不同时空分布以及业务离散化的场景。