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。

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。

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。

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。

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。

面向高轨空间的北斗导航性能增强星座选型研究

由于高轨空间超出北斗卫星导航系统的正常服务区域,导航信号微弱、可见性差,难以实现高轨飞行器全程稳定可靠的导航定位服务。提出了以空间卫星为时空基准传递平台,向高轨空间区域发射导航信号,从而提高高轨飞行器导航性能的方法,并展开面向高轨空间的北斗导航性能增强星座选型研究。基于卫星可见性、精度衰减因子(DOP)、信号接收门限和所需增强卫星数目等评估指标,仿真分析了基于LEO星座、MEO星座和HEO星座的北斗导航增强性能。

基于最小路由代价的巨型星座网络接入策略

针对低轨巨型星座网络星间路由复杂、网关卫星负载不均衡等问题,在星地接入策略中考虑星间路由代价,提出一种基于最小路由代价的接入策略。该策略分为3个阶段:在最短跳数估计阶段,根据用户终端和信关站位置估算用户终端至网关卫星的星间路由跳数;在网关卫星分配阶段,基于估计跳数建立二分图模型,采用带权最小代价匹配算法确定网关卫星和接入卫星类型;在接入卫星选择阶段,以星间路由跳数和星地仰角加权构造接入准则,在确定类型的可视卫星中选择最优接入卫星。仿真结果表明,所提方法能够显著降低系统整体星间路由跳数,提高网关卫星负载均衡性和用户接入成功率。

地心甚高轨道星座构形协同捕获控制策略

针对地心甚高轨道星座构形协同捕获控制问题,基于虚拟编队方法设计了协同捕获控制策略,采用三脉冲燃耗最优轨迹规划算法对构形捕获轨迹进行协同规划;并且结合自适应全程积分滑模控制器对卫星各自转移轨迹进行跟踪控制。以10万km轨道高度的三星星座构形捕获为例进行仿真验证,仿真结果表明:该策略可以有效应用于地心甚高轨道星座构形捕获控制,能够在燃耗较少的情况下使星座中卫星同时到达各自的标称位置,同时具有较高的精度。

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。

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。

基于非线性编码的叠加概率整形20QAM星座方案

针对多输入多输出可见光通信系统计算复杂度高、相邻星座点容易相互交叠的问题,提出一种基于非线性编码的叠加概率整形(PS)20阶正交幅度调制(20QAM)星座方案。首先,基于提出的非线性编码方程,将等概率的4级电平信号编码为PS 5级电平信号。然后,将PS 5级电平信号映射为梯形形状的PS 5QAM信号以最大化叠加星座的欧氏距离。最后,将PS 5QAM信号与等概率的4QAM信号进行翻转叠加得到PS 20QAM信号。实验结果证明:所提出的叠加20QAM星座方案对系统的非线性失真有较强的鲁棒性,比叠加16QAM、叠加24QAM星座方案的误码率性能更优。

基于TCM-8PSK星座图旋转电磁波传输抗截获技术研究

跳频、扩频技术在无线通信技术中是一种非常有效的通信系统采用的低截获技术,其技术已经非常成熟,对信号的抗截获接收、识别技术非常有效。为了进一步提高信息传输的安全性,本文提出了一种基于TCM-8PSK星座图旋转电磁波传输抗截获技术。该技术通过对发送信号进行星座图变换,对信号进行加密处理,同时与调制跳变技术相结合,使信号传输在不同载波频率时采用不同的调制方式。在当今电磁信号多样、密集、多变的环境下。通过对其关键技术的深入研究,可以大幅提升电磁波信号被截获、分析和解密的难度。同时,在实现方面相对比较简单。

基于星座图变换的无线通信抗干扰研究

针对传统无线通信系统采用跳频、扩频技术抗干扰方式单一,容易被识别破译的不足,该文提出了一种基于相位调制器的星座图变换结合调制跳变技术的抗干扰方法。通过对发送信号进行星座图变换,对信号进行加密处理,同时与调制跳变技术相结合,使信号传输在不同载波频率时,采用不同的调制方式,在当前电磁信号多样、密集、多变的环境下,提高了无线通信的抗干扰能力和信号传输的安全性。

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。

采用差分星座图的SDR设备射频指纹识别

差分星座图(Differential Constellation Trace Figure,DCTF)在射频指纹(Radio Frequency Fingerprint,RFF)识别中具有良好的性能,但在低信噪比情况下会产生严重的模糊。为了提高DCTF的识别精度,设计了注意力残差卷积神经网络模型,即DCTF-Res2Net模型。该模型在网络提取特征时加入注意力模块来提高DCTF的识别精度,并将标签平滑损失函数与网络模型结合,有效缓解了DCTF中的离群点对网络模型的干扰。在实验中,根据不同的传输方式和传输场景构建了完备的DCTF的数据集,并用DCTF-Res2Net模型对其进行分类。实验结果表明,在信噪比为5 dB的情况下,与传统的残差网络相比,所提出的DCTF-Res2Net模型可以达到更高的识别精度。

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。

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。