Walker星座卫星网络拓扑结构动态性分析

对低轨道(LEO)、Walker星座类型的卫星网络拓扑结构动态变化特征进行量化,给出了精确计算系统周期内网络时间片数量和时间片长度的公式。通过研究,一方面弥补了卫星网络研究中对拓扑结构时间片特征的简单假设,另一方面也为未来卫星网络星座的设计提供一定的指导。

一种具有异轨星间链路的Walker星座网络拓扑与路由生成方案

W alker星座网络能否建立异轨星间链路是提升其通信能力的关键所在。研究了一种24/3/1W alker星座,通过对卫星间的能见分析及星间链路特性分析,探索了建立异轨道星间链路的可行性。然后,按照时段接续的异轨星间链路方案,进行了24/3/1W alker星座网络的拓扑仿真与生成,并在此基础上对星座网络采用K短路径和最短路径路由选择策略进行了对比仿真分析。结果表明,按照时间段接续建立异轨星间链路的方案是可行的,所生成的网络拓扑的切换时间间隔最小为30 s,最大为115 s,K短路径策略在总体上要优于最短路径策略。

Walker星座区域覆盖理论分析

针对Walker星座对纬度带目标或者全球目标的持续性覆盖问题,提出一组判定定理,得到一套求解该问题的方法。利用Walker自身的对称性得到需要进行覆盖分析的最小时段;利用卫星星下点轨迹的拓扑关系得到其对地球表面的一个划分,得到需要分析的最小区域;利用覆盖带方法求得对需要分析区域的覆盖的必要条件和充分条件;得到一个关于连续性单重覆盖和N重覆盖的充要条件。数值仿真结果表明,该套方法计算结果精确,计算效率较高。

Walker星座星间链路分析

在分析Walker星座构型以及星间链路分类、频率和准则的基础上,研究了24/3/2构型Walker星座星间链路的构建方法和链路可见性,计算和分析了所建立星间链路的方位角、仰角和距离(AER)。研究结果表明,Walker星座可建立多条星间链路。

Walker星座的区域导航特性分析

基于反映定位精度的几何精度衰减因子 (GDOP)值 ,提出了一种评估导航性能的品质指标。研究了Walker星座的轨道构型参数 ,特别是卫星数目、轨道平面数、相对相位与轨道倾角对区域导航性能的影响。在轨道运动中考虑了地球扁率对卫星轨道的摄动。分析结果显示了星座轨道相对相位、轨道倾角等参数对星座区域导航品质指标的显著影响 ,导航品质指标比GDOP值能更直接地反映星座导航性能的好坏。

对偏差Walker星座卫星的接近轨道设计

文献[1-3]已研究了单航天器无需变轨对理想Walker星座多星交会的轨道设计,在此基础上,针对接近偏差Walker星座多星的轨道设计开展了研究。结合最小二乘算法与启发式的搜索算法,提出了一种轨道设计的思想,并进行了建模和数值仿真分析。研究结果可为单航天器无需变轨对星座多星接近提供理论依据。

基于NS2的Walker星座卫星网仿真的研究

随着空间技术的发展和实时多媒体业务需求的增长,卫星网络成为当今通信研究的热点,因此掌握卫星网仿真的重要性不言而喻。分析了仿真软件NS2中卫星网仿真的一般方法,提出了一种基于开源NS2的Walker星座卫星网仿真平台的构造方法,并在该平台上实现了一种基于移动Agent的卫星网分布式路由算法。仿真结果表明该仿真平台具有良好的性能,能够满足基于Walker星座的卫星网动态路由算法的仿真。本研究有助于基于NS2的卫星网路由算法仿真平台构建的研究。

Walker星座自主定轨误差分析

通过对Walker星座中卫星间的相对运动进行分析,给出星间相对距离的解析表达式及其对轨道根数的偏导数,直观地描述在同轨道面和异轨道面的星间观测对轨道根数变化的体现情况;根据星座中卫星的相对位置,提出合理的约束条件和平差方法,利用星间测距网实现星座的整网定位;通过仿真算例,比较在不同情况下,采用合适的整网定位方法对轨道根数的系统误差和随机误差修正的情况。

Walker星座摄动分析与保持控制策略

针对运行在中高轨道上的全球Walker星座的构形长期保持控制问题,通过分析星座卫星的轨道摄动及构形相对漂移,研究了星座构形长期保持的控制方法及控制策略.对于星座构形的保持,研究了星座构形摄动补偿法,提出了星座构形数值微分修正法.最后给出了全球星座构形长期保持控制策略并进行了仿真验证,仿真分析表明,星座构形数值微分修正法比构形摄动补偿法具有更高的控制计算精度.

基于参考轨道的Walker星座相对相位保持策略

针对高轨道Walker全球星座相对相位保持问题,在分析星座几何结构演化规律基础上,提出了一种基于动态调整参考轨道的星座相对相位保持策略.该参考轨道的半长轴取星座所有卫星的平均轨道半长轴的平均值,通过计算各卫星相对参考轨道的相对相位偏差以及变化率,而后根据有关维持的约束条件来选择合适的卫星进行站点保持,使得所有卫星的相对参考轨道的相位偏差不超过允许值.当一旦有卫星进行了站点保持,则参考轨道就重新统计确定.文章通过一个12颗MEO卫星构成的Walker-δ星座的分析算例,表明这种相对保持策略可以减少星座的站点维持次数.本文提出的方法可以为我国今后卫星导航星座的维持提供参考.

反多颗Walker星座卫星的天基激光系统

激光系统具有攻击目标速度快、抗干扰性强、毁伤效率高等特点,作为天基反卫星武器具有显著优势,但由于体积、成本等原因难以发射入轨。针对毁伤阈值确定的目标卫星,缩短作用距离可以减小对激光器功率和反射镜直径的需求,有助于减小激光系统的体积和成本,增加天基激光系统的可行性。在介绍激光毁伤目标数学模型的基础上,提出利用Walker星座轨道特性,设计轨道近距离接近多颗目标卫星,从而显著降低激光器功率、反射镜直径的新天基激光系统设计方案,通过仿真算例验证了该方案的有效性,为发展天基反卫星激光系统提供了新思路。

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。

Walker星座服务卫星轨道设计

根据Walker星座构型特点,提出了一种用较少数量服务卫星无须变轨为整个Walker星座进行服务的服务卫星轨道设计方法。以轨道面为单位,星座每个轨道面布置1颗服务卫星,服务卫星轨道位于星座轨道共面相交的椭圆轨道,每颗服务卫星无需变轨能与同一轨道面上的所有星座卫星交会。根据多星交会条件推导了服务卫星轨道要素的计算公式。通过算例分析,验证了Walker星座服务卫星轨道设计方法。

偶数重连续覆盖的Walker星座设计方法

针对期望覆盖重数为偶数重时连续覆盖Walker星座的构型设计问题,提出一种基于覆盖带理论的构型设计方法。首先分析同轨道卫星组成覆盖带时的构型设计特例,随后将结论推广,改进了传统Walker星座的构型表征形式并提出覆盖带构型参数。基于轨道参数的相平面映射,给出了异轨卫星组成覆盖带时特征宽度的计算方法。通过分析相平面上覆盖带的拼接情况,给出了轨道倾角的优化策略和偶数重覆盖任意纬度的Walker星座设计步骤。所提出方法能显著提高构型枚举效率,且能满足不同纬度范围的覆盖需求。仿真表明,该方法能减少约10%覆盖所需的卫星数量,并能通过调整构型参数进一步优化轨道面数量。

基于STK/Matlab的Walker星座设计与优化

基于卫星工具软件(satellite tool kit,STK)强大的建模与仿真、分析与计算等功能,对Matlab与STK的连接接口进行研究。建立Matlab与STK之间的通信模型,将STK与Matlab联合仿真分析应用于Walker星座的设计与优化。通过Matlab命令实现对STK的连接、对象创建与数据提取功能,并进行数据可视化处理。结果表明:轨道倾角的变化对寻访时间的影响较大,而轨道平面数的变化对寻访时间影响较小;创建的Walker星座设计的交互界面,可为航天任务仿真分析提供方便有效的支撑平台。

Walker星座性能修复构型重构的弹性力学解法

Walker星座是全球覆盖最有效的星座,常用于对地观测、导航和互联网通信等。星座中卫星故障引起星座整体性能下降的场景可以使用在轨卫星构型重构一定程度上快速修复。与调整相邻卫星相位、均匀相位和均匀星座等经典策略不同,仿生薄膜板弹性力学应力应变过程,提出星座重构卫星机动策略,使修复后星座构型与之前相比性能下降最小,从而计算出每颗卫星机动策略。算例表明所提方法重构的星座比经典策略重构星座性能指标更优更协调。

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。

Walker星座碰撞检测及碰撞概率分析

针对Walker星座的碰撞问题,在狭义碰撞的基础上,设计一种Walker星座碰撞检测模型。该模型考虑星座实际在轨构型发散与维持偏差,给出了Walker星座构型维持条件下的广义碰撞检测与碰撞概率计算方法,并提出了表征Walker星座构型防碰撞性能的安全度系数。利用该检测模型,在进行Walker星座设计时不仅可以避免狭义碰撞,还可以实现星座在构型维持阈值内的广义碰撞安全性分析,实现星座构型择优。通过案例仿真分析,证明了该系统模型的可行性及可靠性。

Walker星座PDOP分析

分析多种Walker星座的PDOP,研究Walker星座的轨道构型参数:轨道高度、轨道倾角、平面数、卫星颗数、调相因子对导航可用性的影响。并得出在平面数为3时,只需24颗卫星即可达到全球PDOP值小于3,这也是实现全球PDOP值小于3的Walker星座中所需卫星颗数最小的星座。

面向全球快速重访的限制性Walker星座设计方法

自然灾害、军事冲突等突发热点事件的发生地点往往具有随机性,因此需要在全球范围内提高具有侦察、探测等具体任务背景的稀疏星座的快速重访能力。基于限制性Walker星座的概念,即通过将轨道面升交点赤经均匀分布的范围限制在特定的数值区间内,对常规Walker星座进行改造,提出一种能实现全球范围内快速重访的星座设计方法。以最大时间分辨率最小化为优化目标设计优化问题,借助差分进化算法求解最优限制性Walker星座构型。仿真结果表明,所提方法所得到的限制性Walker星座,在不连续覆盖性能方面优于常规的Walker星座以及已有文献所提出的星座。