基于多种群混沌遗传算法的GEO目标服务任务规划

面向地球同步轨道(geosynchronous Earth orbit,GEO)空间目标碎片清除、燃料加注等不同在轨服务需求,研究了“固定储油站+往返航天器”相结合的航天器任务规划问题。首先,建立了多任务混合的燃料最优双层任务规划模型,外层为目标服务序列规划,内层为轨道机动规划。随后,针对该连续-离散混合变量组合优化问题,提出了一种多种群混沌遗传算法(multi-group chaotic genetic algorithm,MGCGA),采用混合编码表征决策变量,引入立方混沌映射算子提高初始种群质量,多种群及精英保留策略使得算法在求解过程中能更为显著地逼近全局最优解。最后,参考实际GEO目标构建了典型算例,规划结果表明所提算法具有全局收敛性好、收敛速度快的优点。

VLBI观测对转发式测距GEO卫星定轨精度的贡献分析

联合甚长基线干涉测量(very long baseline interferometry,VLBI)时延数据与转发式(orbit determination by transfer tracking,ODTT)测距数据能够有效提高地球静止轨道(geostationary earth orbit,GEO)卫星定轨精度。参照位置精度衰减因子(position dilution of precision,PDOP)的改变,研究不同VLBI基线时延数据与转发式测距数据的联合对GEO卫星定轨精度的改善,可为特定条件下联合观测时VLBI基线的最优选择提供参考。基于中国科学院国家授时中心宽带VLBI系统和转发式测轨系统的实测数据,开展中星12号GEO卫星的定轨试验。试验结果表明定轨精度的提高与PDOP的降低成正相关。相比于转发式单独定轨,联合VLBI系统中的喀什—三亚基线,PDOP降低了3.00,定轨精度提高了11.48%;联合VLBI系统中的吉林—喀什基线,PDOP降低了3.38,定轨精度提高了14.73%;联合VLBI系统中的吉林—三亚基线,PDOP降低了6.90,定轨精度提高了19.75%;联合VLBI系统中的吉林—三亚和吉林—喀什两条基线,PDOP降低了9.94,定轨精度提高了27.23%。

基于CEI测量的GEO目标快速轨道恢复

连线干涉测量(Connected Element Interferometry,CEI)是一种全天时全天候的被动测角技术,已用于空间目标的跟踪监视.地球静止轨道(Geostationary Earth Orbit,GEO)卫星需要频繁机动以保持轨位或完成其他任务,其机动后的快速轨道恢复能力对于监视预警极为重要.针对基于CEI的GEO短弧定轨和预报,分析了定轨算法的形亏和数亏,在附加先验轨道约束的短弧定轨基础上,提出了轨道半长轴初值的自适应优化方法.利用亚太七号卫星的CEI仿真和实测数据进行了短弧定轨和预报,实验结果表明,采用优化后的半长轴初值,30min短弧定轨和10min预报的卫星位置分量精度均优于4km,能够满足非合作GEO目标机动后快速轨道恢复的需求.

一种基于CEI的GEO目标滑窗式机动探测方法

为了进一步提升地面跟踪站的监视预警能力,提出一种基于连线相位干涉测量(CEI)的地球静止轨道(GEO)目标滑窗式机动探测方法:立足于CEI的GEO短弧段定轨和预报,基于GEO卫星位保机动的持续小推力和轨道缓慢渐变特性,提出一种针对GEO目标尤其是非合作GEO目标的滑窗式准实时机动探测方法;并利用亚太七号和中星十号卫星的CEI仿真和实测数据进行机动探测。结果表明,东西机动和南北机动捕获与卫星发动机的点火时刻基本保持一致,机动探测延迟量均小于10 min;能够实现GEO目标的准实时机动告警。

BDS GEO卫星的电离层VTEC反演性能评估

北斗卫星导航系统(BDS)的地球同步轨道(GEO)卫星可以对固定穿刺点总电子含量(TEC)进行连续观测,可为电离层模型精化提供约束,但BDS GEO卫星探测范围包含了20000 km以上的稀薄等离子体,为了进一步研究其对TEC反演造成的影响,提出一种性能评估方法:利用BDS GEO卫星双频观测数据提取电离层穿刺点处的垂向电子总含量(VTEC);然后分析穿刺点处VTEC变化特性,并与全球电离层图、相邻中圆轨道(MEO)卫星反演VTEC比较;最后以经验电子模型为参考,评估2种卫星探测的等离子体层总电子含量。结果表明:研究区域内GEO-VTEC与全球电离层图有较好的一致性;在不同的地磁条件下,GEO-VTEC与MEO-VTEC偏差的均方根值接近,最大不超过2.46个总电子含量单位;GEO与MEO卫星探测的等离子体层TEC值接近,20000 km以上的等离子体对于TEC的影响可以忽略。说明GEO-VTEC与常用电离层产品以及MEO-VTEC的性能一致。

GEO SAR照射的机载前视接收双基SAR系统二维分辨能力分析

地球同步轨道(Geostationary Earth Orbit,GEO)星/机双基前视合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)实现了接收机飞行方向的成像能力,可以对重点区域进行持续前视观测,具有广泛的应用场景。对固定轨道GEO SAR照射下的机载前视接收机的双基SAR系统二维分辨能力进行了解析和验证仿真分析。首先,基于梯度法给出了GEO星/机双基前视SAR的二维分辨能力及其夹角的解析结果;其次,分析了不同双基前视构型对距离向分辨率、方位向分辨率和分辨率夹角的影响,并给出了基于分析结果的构型设计基本准则;最后,对GEO SAR处于不同轨道位置时分别进行了点目标仿真,有效验证了该分析方法的有效性和准确性。

GEO SAR天线波束指向定标中的误差分析

GEO SAR因其超宽测绘带和超长的合成孔径时间,导致低轨SAR波束指向定标方法不再适用,进而采取基于多脉冲分时比幅的波束指向定标方法。本文针对该指向定标方法,结合GEO SAR星地几何关系,对卫星姿态变化、三维系统性误差以及波束指向定标方法中接收机信噪比和通道增益稳定性引入的指向误差进行了详细的推导和仿真分析。仿真结果表明,0.003°的姿态测量误差会引入0.003°的距离向指向误差和0.0033°的方位向指向误差;三维系统性误差是导致天线波束指向变化的主要误差源;当SNR≥35 dB、通道增益稳定性优于1 dB时,GEO SAR波束指向定标方法引入的指向误差小于0.001°。

GEO卫星对BDS中长基线精密定位的影响分析

针对北斗卫星导航系统(BDS)中特有的地球静止轨道(GEO)卫星存在轨道精度低和空间结构变化缓慢的问题,分析GEO卫星对BDS中长基线精密定位的影响:基于BDS中长基线精密定位算法,采用连续运行参考站系统(CORS)观测数据,对倾斜地球同步轨道(IGSO)+中圆地球轨道(MEO)+GEO组合和IGSO+MEO组合分别进行基线解算,探讨GEO卫星对BDS中长基线精密定位的卫星几何构型、宽巷模糊度固定效果、窄巷模糊度首次固定时间及定位精度的影响。实验结果表明,部分GEO卫星宽巷模糊度的小数部分存在系统性偏差,其宽巷模糊度需要5 h左右才能得到90%的固定率;加入GEO卫星后,窄巷模糊度首次固定时间从25缩短到16min,缩短了36%;BDS全星座组合的2h静态解算精度水平方向为2.1 cm,高程方向为3.5 cm;GEO卫星有利于提升BDS中长基线定位性能。

北斗GEO卫星在磁暴电离层扰动分析中的应用

为了研究磁暴发生期间,电离层受其影响产生的异常扰动现象的特性,本文利用北斗系统中地球静止轨道(GEO)的特性,选取沿等纬度、经度和地磁纬度规则分布的地面站观测数据,针对2019年5月11日与5月14日发生的磁暴事件,对磁暴期间电离层扰动进行了分析,实验表明5月14日磁暴事件造成的电离层扰动在各点处有着更相似的时频特性;同时计算得到了磁暴沿纬线的平均传播速度为657.9 m/s,沿经线的平均传播速度为480.1 m/s,沿地磁纬线的平均传播速度为1 591.2 m/s。

天基光学监视的GEO空间目标短弧段定轨方法

利用两个短弧段的天基测角资料实现对GEO空间目标的轨道确定是天基空间目标监视系统需解决的重要问题之一。将短弧段的主要测量信息表示为弧段属性,构造约束空间目标距离和径向速度的容许域,采用桁架平衡法对第一个短弧段的容许域三角剖分采样,以这些采样点的轨道预报第二个短弧段的弧段属性,通过分析预报值与实际值的差异,优先选取多个采样点的轨道作为初轨,分别对各初轨进行轨道改进。仿真结果表明,该方法能成功解算最小二乘轨道。

SVRM辅助的北斗GEO卫星反射信号土壤湿度反演方法

提出了一种支持向量回归机(SVRM)辅助的北斗地球静止轨道(GEO)卫星反射信号土壤湿度反演方法。使用全球导航卫星系统反射信号(GNSS-R)右旋圆极化(RHCP)天线和左旋圆极化(LHCP)天线接收体制进行了地基实验,采集了北斗GEO卫星直射、反射信号原始数据,并从中提取直射、反射信号的相关功率,结合北斗GEO卫星的高度角与方位角信息作为输入,烘干称重法获取的土壤湿度作为输出对使用径向基(RBF)核函数的ε-SVRM进行了训练。独立测试集上的结果表明,SVRM辅助的北斗GEO卫星反射信号土壤湿度反演方法获取的土壤湿度结果与烘干称重法获取的土壤湿度参考值误差控制在3%以内,线性回归方程决定系数为0.8979,均方根误差RMSE为1.4926%,证明了该方法具有良好的泛化特性,实际应用中效果良好。

基于PETRI网模型的LEO/MEO/GEO三层卫星网络的性能分析

基于Petri网模型方法和仿真方法 ,对一种低轨 /中轨 /同步地球轨 (LEO/MEO/GEO)三层卫星网络进行了性能分析 .首先建立了卫星网络的广义随机Petri网 (GSPN)模型 ,采用SPNP6 .0软件进行了网络性能分析 .然后 ,将分析结果与采用OPNET软件对该三层卫星网络模拟的结果进行了比较 ,验证了模型的正确性 ,并得出了诸如在高网络负载的情况下三层网络结构的性能优于单层等新的结论 .

基于椭圆轨道的Geo-SAR精确多普勒参数解析计算方法

该文综合考虑了轨道偏心率、地球扁率和地球自转三方面的因素,推导得出高精度星载SAR多普勒中心频率和多普勒调频率解析式。鉴于2维姿态导引对于Geo-SAR的必要性,进一步分析了姿态导引后和零姿态导引两种情况下的多普勒参数,为Geo-SAR的多普勒参数计算提供了实用且有效的方法。该文得到的多普勒参数解析计算式适用于任意轨道高度和任意姿态的星载SAR,且具备很高的精度。基于该结论,研究了运行于椭圆轨道的Geo-SAR多普勒中心和多普勒调频率特性。

GEO导航星广播星历拟合改进算法设计

设计了倾角较小的GEO导航星的广播星历拟合算法。该方法的核心思想是在常规拟合算法的基础上对位置观测量进行合理的坐标系参考平面旋转,特别是提出针对拟合迭代初值进行相应的坐标变换,从而既可以解决轨道参数拟合的相关性问题,使轨道参数拟合快速收敛,同时又兼顾了用户接收机的计算简便化。通过仿真验证,该方法简洁有效,拟合中误差RMS在厘米量级,能够保证拟合精度。

LEO&GEO双层卫星网络的动态路由技术

基于低地球轨道和静止地球轨道(low Earth orbit&geo-synchronous Earth orbit,LEO&GEO)双层卫星网络结构,对其覆盖特性和星间链路(inter-satellite-link,ISL)特性进行了仿真分析。提出了分层分簇的管理方法,只有主簇头与GEO卫星有连接关系,简化了互联关系的复杂性。在该卫星组网结构中,利用星座网络拓扑的特点,提出一种负载均衡的动态路由算法,综合考虑了路径时延和ISL链路负载。与单层卫星网络相比,双层卫星网络可以更加均匀地分配通信量,仅在低层LEO卫星路由跳数超出一定阈值或者卫星网络链路利用率超过某个门限范围时,才利用上层GEO卫星进行中转传输,仿真结果表明,所提路由算法可以实现更低的时延、延迟抖动以及更优的服务质量性能。

一种适用于GEO SAR远地点的改进SRC算法

针对地球同步轨道合成孔径雷达在远地点采用原有的等效直线模型速度和斜视角会出现复数,以及"Stop-and-Go"假设不成立的问题,进行了二次距离压缩算法(SRC)的改进,提出了一种新的信号模型,修正了成像算法中的补偿函数,而且采用高阶近似的方法得到了精确的方位向调频率,改进了方位向压缩函数.结果表明改进的二次距离压缩算法可以在合成孔径时间100s内聚焦远地点40km×40km的场景,且场景边缘点的峰值旁瓣比和积分旁瓣比与理论值非常接近.

基于Kalman滤波的GEO卫星运动学定轨

考虑到GEO卫星实际的运动特点,将常速度模型作为状态方程,用Kalman滤波法对GEO卫星进行运动学定轨。针对无系统误差和有系统误差的情形分别使用单向滤波和双向滤波的方法,其中双向滤波的思想是:先用正向滤波估计系统误差参数,然后将其作为初始值进行反向滤波。模拟算例表明:观测值仅含偶然误差时,单向Kalman滤波法定轨具有较高的精度;但当观测值中含有系统误差时,定轨精度急剧下降,顾及系统误差参数的单向Kalman滤波可在一定程度上削弱系统误差的影响,利用双向Kalman滤波法可进一步削弱系统误差的影响,提高定轨精度。算例还表明Kalman滤波法定轨可较为精确地估计出GEO卫星的运行速度。

基于北斗GEO卫星反射信号的渤海海冰检测

随着全球导航卫星系统反射信号(GNSS-R)的提出,其在海冰检测领域的应用也越来越广泛。北斗地球同步轨道(GEO)卫星的角速度较小且仰角变化仅有3°~4°,因此在相同观测地点其镜面反射点的空间位置非常稳定,可以提高特定区域海冰检测的时间分辨率。对在中国渤海湾进行的2次岸基海冰检测实验(2015年1月24日和2016年1月30日至2月4日)进行分析,验证了北斗GEO B1反射信号对沿岸海冰进行长时间连续检测的可行性。第1个实验结果显示海冰密集度与2颗GEO卫星C01和C03的极化比值结果具有相关性;第2个实验结果显示3颗GEO卫星C01、C02和C03检测的海冰极化比值与大气温度存在正相关关系,其中C01、C02和C03的极化比值与大气温度的相关值分别为0.61、0.72和0.57。

面向GEO卫星网络的多速率多播拥塞控制机制

针对GEO卫星网络带宽时延积较大、拥塞控制机制不完善的问题,提出了一种面向GEO卫星网络的多速率多播拥塞控制机制MMCCM_GEO.首先,在保证接收端请求速率最大化的前提下,将GEO卫星网络中的多速率多播问题转化为非线性优化问题,并采用改进的模拟退火算法对其求解,得到了最优的接收端请求速率.其次,通过采用代理节点实现反馈信息的汇集与丢失数据的恢复,有效地解决了反馈内暴及数据恢复问题.仿真结果表明,与目前GEO卫星网络中典型的多速率多播拥塞控制机制相比,本文的拥塞控制机制有效地提高了数据吞吐量和带宽利用率,降低了GEO卫星网络中的数据传输时延,同时也具备了更好的可扩展性.

双太阳翼GEO卫星在轨角动量管控方法

地球同步轨道(GEO)卫星在轨的主要环境干扰力矩为太阳光压力矩和重力梯度力矩,干扰力矩的累积效应表现为飞轮转速的变化,需要通过外力矩进行角动量卸载避免飞轮饱和。由于GEO磁场极弱,卫星无法使用磁力矩卸载,只能通过喷气卸载,而喷气将对卫星轨道产生影响,因此需要尽可能延长卸载周期。针对配置双对称太阳电池阵GEO卫星的角动量管控需求,首先建立卫星在惯性空间中角动量积累模型,并映射到卫星本体系中,得到本体系中的角动量变化规律。通过飞轮在轨转速遥测数据,精确辨识获取环境干扰力矩特征参数,获得真实可靠的干扰模型。以角动量卸载周期最长为原则,基于在轨环境干扰模型制定角动量管控策略,并准确预估下次角动量卸载时间。经在轨数据处理与分析表明:提出的角动量管控策略,可有效将飞轮的角动量卸载周期提升为原来的2倍,有效提升卫星在轨应用效能,具有实际工程意义。