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)。

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。

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。

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。

小卫星星座AIT过程进度风险管控探索与实践

针对小卫星星座项目在卫星总装、测试与试验(AIT)过程中进度拖延的问题,识别出一系列影响卫星生产进度的风险,结合星座项目的特点,提出了小卫星大批量AIT进度风险管控措施,在产品交付、总装与测试过程、资源分配等方面根据关键要素,制定了流程优化方案,经在某小卫星星座AIT过程中实践,结果表明:上述措施有效的将AIT过程进度风险降至可控范围,实现了小卫星星座项目在规定期限内高质量的完成研制任务,可以为今后大规模小卫星星座研制提供参考。

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。

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。

星座卫星爆炸对空间碎片环境演化的影响分析

针对近年来巨型星座蓬勃发展和未来星座卫星爆炸解体对空间环境的隐患,构建了连续性方程与拓扑网络模型相结合的空间碎片环境演化模型,仿真分析了星座卫星爆炸与部署高度、卫星数量、任务后处置(PMD)时间的耦合作用对未来空间碎片环境的影响。结果表明,星座卫星爆炸会加剧空间环境的恶化,部署在1 200 km的1 440颗卫星星座,若卫星爆炸概率提升1%,总体空间物体数量将上升约18%,且在星座背景下,卫星任务后25年离轨处置的规则已无法满足空间环境可持续发展的需求。因此,减小星座卫星爆炸概率、发展高效的PMD策略对保障空间安全至关重要。

近月空间星座轨道设计方法

结合未来月球探测任务对中继通信及月面导航的需求,提出一种近月空间星座轨道构型设计方法。首先梳理了中继通信、月面导航、建设及维护成本三个方面的星座设计指标,并应用层次分析法确定了各项指标的权重,给出综合评价指标;充分考虑近月空间轨道资源,分析各类轨道的性质,初步筛选适合部署星座的轨道类型;提出一种近月空间星座建设路线,分三个阶段逐步实现全月的100%四重覆盖;依次设计三个阶段的星座构型,对每个阶段,比较不同的构型方案,选择综合评价指标最优的构型方案。基于上述方法得到了近月空间星座建设方案:第一阶段部署2颗椭圆冻结轨道卫星,可为月球南极极区提供全时对地中继通信;第二阶段部署6颗椭圆冻结轨道卫星、2颗近直线晕轨道卫星、1颗L2晕轨道卫星,可为月球南极极区提供全时导航定位,并为全月面提供全时对地通信;第三阶段部署4颗椭圆冻结轨道卫星、2颗近直线晕轨道卫星、1颗L1晕轨道卫星、3颗远距离逆行轨道卫星,可为全月提供全时导航定位。对全月任一点,该星座的几何精度衰减因子小于5的时间至少占72%,可长时间为全月面提供高精度导航定位。相较于现有文献,该近月空间星座设计方法考虑的轨道类型更丰富,星座性能指标更全面,且创新性地提出了分阶段的近月空间星座建设方案。

星座寿命后碎片飞越轨道设计与优化

针对星座卫星寿命结束后转变为大规模碎片的主动清理问题,提出一种多目标飞越方案,以SL(StarLink)星座为例设计从停泊轨道出发对多个轨道面、多枚碎片的飞越探测最优轨道。首先根据SL星座的轨道特征将目标按照轨道面进行聚类,然后根据球面几何关系和Gibbs公式对轨道机动参数进行降维,在开普勒运动假设下快速设计考虑航天器空飞、套圈飞行的单脉冲飞越多目标的轨道机动参数初值。最后基于分支定界广度优先方法,考虑J2引力摄动搜索单脉冲飞越双目标的飞行序列,得到燃耗最小的飞越轨道。数值仿真结果表明航天器通过24次轨道机动后,共飞越探测了48颗SL卫星,共需速度脉冲1.66 km/s,飞行时间9.64天,证明了所提出方法的有效性,为未来大规模空间碎片清理任务设计提供参考。

异构巨型星座开放式敏捷架构设计

巨型星座的异构化是市场牵引、任务驱动未来天基系统的大趋势,如何发展好、用好、管理好异构巨型星座是行业内持续探讨的热点。针对异构巨型星座在体系设计、协同组网、灵活应用和系统运行等方面的问题,瞄准“动态协同、高品质服务、无感使用、易于管控”等需求目标,本文提出“联接、感知、智算、传输、研训、管控、应用”七位一体的异构巨型星座体系构建思路,应用开放式设计理念,实现快速、灵活、自主的星座资源整合与调度,支持模块化、可伸缩的多业务、多应用的按需服务。

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。

平动点导航星座下的月面接收机自主完好性监测

为了减少月球探测复杂环境对导航的影响和提升平动点导航星座的可靠性,提出了一种基于多假设解分离的月面接收机自主完好性监测方法。该方法利用了地月空间引力不对称性,仅需3颗平动点卫星测量信息就可以实现月面用户级完好性监测。为使月球背面更多区域的可见星数达到完好性监测所需卫星数,增加L2点Halo轨道卫星数并采用多种群遗传算法优化Halo轨道振幅和初始相位。最后采用解分离算法验证了基于3颗卫星进行完好性监测的可行性。仿真表明,在2颗可见星条件下可实现故障检测,平面短周期轨道卫星故障更容易检测;在3颗可见星条件下可实现故障排除,故障偏差达到20σ~30σ(σ=1 m)时,故障检测率和排除率开始上升到100%。首次分析了基于平动点导航星座的完好性监测可行性并提出了解决方法,该方法可应用于探月任务导航领域,为未来探月任务完好性监测算法和平动点导航星座设计提供了有益参考。