第1章 緒 論 1
1.1 低軌大規(guī)模衛(wèi)星星座概述 1
1.1.1 衛(wèi)星星座的概念 1
1.1.2 衛(wèi)星星座的分類 3
1.1.3 低軌大規(guī)模衛(wèi)星星座的特點(diǎn) 7
1.2 低軌大規(guī)模衛(wèi)星星座的發(fā)展現(xiàn)狀 8
1.2.1 國外低軌大規(guī)模衛(wèi)星星座的發(fā)展現(xiàn)狀 8
1.2.2 國內(nèi)低軌大規(guī)模衛(wèi)星星座的發(fā)展現(xiàn)狀 14
1.3 低軌大規(guī)模衛(wèi)星星座控制關(guān)鍵技術(shù) 18
1.3.1 低軌大規(guī)模衛(wèi)星星座的構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計(jì) 18
1.3.2 低軌大規(guī)模衛(wèi)星星座的分批部署 20
1.3.3 低軌大規(guī)模衛(wèi)星星座的構(gòu)型維持 25
1.3.4 低軌大規(guī)模衛(wèi)星星座的構(gòu)型重構(gòu) 26
1.3.5 低軌大規(guī)模衛(wèi)星星座的安全性 26
1.3.6 低軌大規(guī)模衛(wèi)星星座的衛(wèi)星碰撞和離軌控制 34
參考文獻(xiàn) 35
第2章 低軌大規(guī)模衛(wèi)星星座控制動(dòng)力學(xué)理論 45
2.1 Walker星座及常用坐標(biāo)系定義 45
2.1.1 Walker星座 45
2.1.2 常用坐標(biāo)系定義 46
2.2 低軌大規(guī)模衛(wèi)星星座軌道控制的攝動(dòng)模型 47
2.2.1 攝動(dòng)力模型建立 48
2.2.2 衛(wèi)星星座相對(duì)漂移攝動(dòng)源分析 52
2.2.3 連續(xù)小推力下的軌道控制動(dòng)力學(xué)方程 56
2.3 低軌大規(guī)模衛(wèi)星星座構(gòu)型穩(wěn)定性分析 57
2.3.1 衛(wèi)星軌道要素?cái)z動(dòng)變分?jǐn)?shù)學(xué)模型分析 57
2.3.2 基于衛(wèi)星軌道要素偏差攝動(dòng)的衛(wèi)星星座穩(wěn)定性分析 59
參考文獻(xiàn) 60
第3章 低軌大規(guī)模衛(wèi)星星座優(yōu)化設(shè)計(jì)方法 61
3.1 低軌衛(wèi)星星座的基本構(gòu)型 61
3.1.1 近極軌道衛(wèi)星星座構(gòu)型 61
3.1.2 Walker 星座構(gòu)型 62
3.1.3 Flower星座構(gòu)型 63
3.2 衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)方法 65
3.2.1 幾何解析法 65
3.2.2 仿真比較法 66
3.2.3 基于優(yōu)化算法的設(shè)計(jì)方法 66
3.3 中軌導(dǎo)航衛(wèi)星星座衛(wèi)星失效影響分析 67
3.3.1 導(dǎo)航衛(wèi)星星座可用性分析 67
3.3.2 衛(wèi)星失效分析 70
3.4 低軌混合導(dǎo)航衛(wèi)星星座構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計(jì) 78
3.4.1 低軌導(dǎo)航特點(diǎn)分析 79
3.4.2 低軌傾斜衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 86
3.4.3 基于 NSGA Ⅱ算法的衛(wèi)星星座優(yōu)化設(shè)計(jì)方法 90
3.4.4 低軌極軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì) 95
3.4.5 低軌混合導(dǎo)航衛(wèi)星星座性能分析 98
3.4.6 低軌混合導(dǎo)航衛(wèi)星星座導(dǎo)航增強(qiáng)性能分析 101
參考文獻(xiàn) 104
第4章 低軌大規(guī)模衛(wèi)星星座定軌方法 109
4.1 低軌大規(guī)模衛(wèi)星星座探測(cè)方法 109
4.2 初定軌算法 111
4.2.1 初定軌算法的發(fā)展 111
4.2.2 改進(jìn)的拉普拉斯算法 112
4.2.3 短弧光學(xué)初定軌的 Gooding算法 116
4.2.4 圓軌道假設(shè)下的初定軌算法 119
4.2.5 僅測(cè)角短弧初定軌不確定性分析算法 122
4.3 多站聯(lián)合定軌算法 131
4.3.1 問題分析 131
4.3.2 多站拉普拉斯定軌算法 132
4.3.3 多站拉普拉斯算法定軌結(jié)果的最小二乘改進(jìn) 133
4.3.4 多站聯(lián)合定軌結(jié)果的不確定性 133
4.3.5 多站聯(lián)合定軌算法仿真驗(yàn)證 134
4.4 精密定軌算法 137
4.4.1 一般非線性最小二乘問題 137
4.4.2 批處理最小二乘定軌 138
4.4.3 擴(kuò)展卡爾曼濾波定軌 143
4.4.4 批處理最小二乘法與擴(kuò)展卡爾曼濾波的對(duì)比 144
4.5 小推力航天器定軌方法 145
4.5.1 連續(xù)小推力下的精密定軌 145
4.5.2 簡(jiǎn)化的推力參數(shù)辨識(shí)方法 147
參考文獻(xiàn) 150
第5章 低軌大規(guī)模衛(wèi)星星座分批部署方法 151
5.1 衛(wèi)星初始軌道要素變分?jǐn)z動(dòng)演化分析 151
5.1.1 衛(wèi)星初始軌道要素偏差的蒙特卡洛仿真 152
5.1.2 衛(wèi)星星座結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性量化分析 152
5.2 衛(wèi)星星座初始化策略分析 155
5.2.1 衛(wèi)星星座軌道面升交點(diǎn)赤經(jīng)初始化策略分析 156
5.2.2 衛(wèi)星星座軌道面內(nèi)相位初始化策略分析 157
5.2.3 衛(wèi)星星座軌道面內(nèi)相位初始化仿真 158
5.3 初始化參數(shù)補(bǔ)償方法 160
5.3.1 基于軌道傾角偏置的衛(wèi)星升交點(diǎn)赤經(jīng)補(bǔ)償方法 160
5.3.2 基于軌道傾角偏置的衛(wèi)星升交點(diǎn)赤經(jīng)補(bǔ)償方法仿真 161
5.4 低軌衛(wèi)星星座分階段部署方案設(shè)計(jì) 162
5.4.1 分階段部署方案描述 162
5.4.2 分階段部署模型建立 164
5.5 基于 NSGA Ⅱ算法的停泊軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)方法 167
5.5.1 決策變量與目標(biāo)函數(shù) 167
5.5.2 時(shí)間和燃料消耗最小化 167
5.6 仿真分析 168
5.6.1 低軌傾斜衛(wèi)星星座部署 168
5.6.2 極軌道衛(wèi)星星座部署 172
參考文獻(xiàn) 174
第6章 低軌大規(guī)模衛(wèi)星星座維持控制方法 175
6.1 衛(wèi)星星座構(gòu)型維持研究現(xiàn)狀 175
6.1.1 參數(shù)偏置法 176
6.1.2 大氣阻力拖拽 177
6.1.3 其他方法 177
6.2 衛(wèi)星星座站位保持分析 178
6.2.1 衛(wèi)星星座站位保持內(nèi)容 178
6.2.2 衛(wèi)星星座站位保持參考基準(zhǔn) 178
6.2.3 參考基準(zhǔn)星相位演化分析 179
6.3 衛(wèi)星星座站位保持方法 179
6.3.1 相位保持環(huán)方法 180
6.3.2 相位保持極限環(huán)控制參數(shù)計(jì)算 180
6.4 衛(wèi)星星座站位保持策略分析與仿真 181
6.4.1 衛(wèi)星星座站位保持策略 181
6.4.2 絕對(duì)相位保持策略 183
6.4.3 絕對(duì)相位保持策略仿真分析 184
6.4.4 相對(duì)相位保持策略 186
6.4.5 相對(duì)相位保持策略仿真分析 187
6.5 基于連續(xù)小推力的軌道控制方案優(yōu)化分析 189
6.5.1 電推進(jìn)模型 189
6.5.2 最優(yōu)控制的數(shù)學(xué)問題 190
6.5.3 軌道參數(shù)聯(lián)合控制策略分析 191
6.5.4 軌道參數(shù)聯(lián)合控制策略仿真分析 194
參考文獻(xiàn) 196
第7章 低軌大規(guī)模衛(wèi)星星座重構(gòu)控制方法 198
7.1 衛(wèi)星星座在軌重構(gòu)研究現(xiàn)狀 198
7.1.1 在軌重構(gòu)指標(biāo) 198
7.1.2 在軌重構(gòu)優(yōu)化算法 199
7.2 衛(wèi)星星座在軌重構(gòu)理論分析 200
7.2.1 重構(gòu)指標(biāo) 200
7.2.2 重構(gòu)機(jī)動(dòng)方式 201
7.3 基于分解的多目標(biāo)進(jìn)化算法的衛(wèi)星星座重構(gòu)方法 202
7.3.1 編碼方式 202
7.3.2 基于分解的多目標(biāo)進(jìn)化算法 203
7.4 重構(gòu)控制仿真分析 205
7.4.1 參數(shù)設(shè)置 205
7.4.2 重構(gòu)分析 206
參考文獻(xiàn) 209
第8章 低軌大規(guī)模衛(wèi)星星座內(nèi)部安全性分析方法 211
8.1 基于 TLE和SGP4預(yù)報(bào)模型的短期預(yù)報(bào)誤差分析 211
8.1.1 坐標(biāo)系定義及轉(zhuǎn)換 212
8.1.2 TLE和SGP4模型介紹 213
8.1.3 基于 TLE實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的SGP4預(yù)報(bào)模型短期誤差傳播曲線 215
8.1.4 TLE誤差傳播曲線合理性檢驗(yàn) 224
8.2 衛(wèi)星星座內(nèi)部安全性分析 226
8.2.1 低軌大規(guī)模衛(wèi)星星座最小相位差計(jì)算方法 226
8.2.2 衛(wèi)星星座構(gòu)型參數(shù)與升交點(diǎn)赤經(jīng)漂移量對(duì)軌道面最小相位差的影響 228
8.3 低軌大規(guī)模衛(wèi)星星座衛(wèi)星最大漂移量分析 233
8.4 基于最小相位差的衛(wèi)星星座構(gòu)型參數(shù)協(xié)同設(shè)計(jì)及最大漂移量仿真 235
參考文獻(xiàn) 239
第9章 低軌大規(guī)模衛(wèi)星星座外部安全性分析方法 241
9.1 低軌大規(guī)模衛(wèi)星星座與空間碎片短期安全性分析 241
9.1.1 空間目標(biāo)接近分析 241
9.1.2 空間目標(biāo)交會(huì)碰撞概率計(jì)算方法 247
9.2 低軌大規(guī)模衛(wèi)星星座與空間碎片長(zhǎng)期安全性分析 251
9.2.1 模型假設(shè) 251
9.2.2 空間物體密度計(jì)算方法 252
9.2.3 殼層內(nèi)空間碎片演化模型 254
9.3 碰撞仿真分析 259
9.3.1 低軌大規(guī)模衛(wèi)星星座短期碰撞仿真分析 259
9.3.2 低軌大規(guī)模衛(wèi)星星座長(zhǎng)期碰撞仿真分析 261
參考文獻(xiàn) 265
第10章 低軌大規(guī)模衛(wèi)星星座離軌控制方法 267
10.1 衛(wèi)星離軌控制方法 267
10.1.1 電動(dòng)力纜繩離軌 268
10.1.2 大氣阻力離軌 269
10.1.3 電推力器離軌 269
10.2 電推進(jìn)最優(yōu)控制律推導(dǎo) 271
10.2.1 攝動(dòng)方程 271
10.2.2 推力方向和燃料消耗率 273
10.3 基于電推力的離軌控制方法分析 273
10.3.1 最優(yōu)控制率 273
10.3.2 基于增廣拉格朗日粒子群算法的離軌策略 274
10.4 離軌策略仿真分析 278
10.4.1 仿真條件和參數(shù) 278
10.4.2 仿真結(jié)果及分析 279
參考文獻(xiàn) 283
第11章 低軌大規(guī)模衛(wèi)星星座評(píng)估方法 287
11.1 衛(wèi)星星座性能評(píng)估研究 287
11.1.1 衛(wèi)星星座任務(wù)性能評(píng)估研究 288
11.1.2 衛(wèi)星星座構(gòu)型性能評(píng)估研究 289
11.2 建立指標(biāo)體系 291
11.3 衛(wèi)星星座構(gòu)型性能評(píng)估 292
11.3.1 衛(wèi)星星座覆蓋性能分析 292
11.3.2 仿真驗(yàn)證 296
11.4 衛(wèi)星星座任務(wù)性能評(píng)估 302
11.4.1 通信指標(biāo)分析 302
11.4.2 OPNET 仿真建模 304
11.4.3 仿真模型建立與分析 305
11.5 衛(wèi)星星座構(gòu)型維持和維持成本分析 310
11.5.1 理論分析 310
11.5.2 構(gòu)型維持評(píng)估模型 311
11.5.3 仿真分析 314
參考文獻(xiàn) 321
第12章 星鏈衛(wèi)星星座構(gòu)型及性能分析 324
12.1 星鏈衛(wèi)星星座的發(fā)展態(tài)勢(shì) 324
12.2 星鏈衛(wèi)星星座部署分析 326
12.2.1 不確定事件下的衛(wèi)星部署分析 326
12.2.2 星鏈衛(wèi)星星座升交點(diǎn)赤經(jīng)部署分析 326
12.2.3 星鏈衛(wèi)星星座相位部署分析 331
12.3 星鏈衛(wèi)星星座性能分析 335
12.3.1 星鏈衛(wèi)星星座殼層1子星座覆蓋性能 335
12.3.2 星鏈衛(wèi)星星座殼層1、3和5子星座覆蓋性能 338
12.3.3 星鏈衛(wèi)星星座殼層1、3、5和4子星座覆蓋性能 340
12.3.4 星鏈衛(wèi)星星座殼層1、3、5、4和2子星座覆蓋性能 342
參考文獻(xiàn) 344